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La mer, nouvel eldorado énergétique ?

janvier 2008

site de l'auteur : www.manicore.com - contacter l'auteur : jean-marc@manicore.com

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Pas de pétrole et moins de charbon ? Aucun problème : l'océan y pourvoira ! Eolien offshore, énergie de la houle, des courants côtiers, des vagues, machines thermiques géantes.... il y a de fait bien des manières de "produire" de l'énergie sur ou sous les flots, et qui sont autant de manières que nous pourrions avoir de dessérer "l'étau" des combustibles fossiles, qui nous coincent entre la menace de la pénurie et celle du changement climatique. Mais combien d'énergie pourrions nous tirer de ces sources ? Et bien, that is the (good) question à laquelle cette page essaie modestement de s'attaquer...

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Eolien offshore

Il arrive parfois que l'énergie éolienne offshore soit incluse dans les énergies "marines". En pratique, il s'agit d'un cas particulier de l'éolien tout court, avec quelques différences qui peuvent peser lourd dans le bilan. Le premier élément de différenciation, qui joue en positif, est que le vent est souvent plus fréquent, plus régulier et/ou plus intense en mer qu'à l'intérieur des terres, ce qui augmente la production annuelle des éoliennes. Cette dernière est généralement mesurée par le "facteur de charge", c'est à dire le nombre d'heures de fonctionnement à plein régime qui permet d'obtenir la production annuelle (car les éoliennes ne tournent pas toujours à plein régime, et parfois elles ne tournent pas du tout).

En effet, la production annuelle d'une éolienne ne s'obtient pas en multipliant la puissance installée par 8760 (nombre d'heures dans l'année), mais par le nombre "d'heures utiles", qui vaut n'importe quoi entre 800 et 3500 pour la France par exemple (les éoliennes les plus "productives" fournissent l'équivalent de 3500 heures à pleine puissance, et les moins productives l'équivalent de 800 heures à pleine puissance, le maximum théorique possible étant 8760 heures à pleine puissance). Ce sont généralement les zones côtières qui permettent d'avoir le facteur de charge le plus élevé, et en France cela concerne en particulier les côtes méditerranéennes, qui sont plus "productives" que les côtes Atlantiques.

Par contre l'éolien off-shore possède quand même quelques inconvénients :

Il faut jucher l'éolienne off-shore sur un pylône ancré sur le fond de la mer (on ne peut pas mettre l'éolienne sur un flotteur), et ce "fond de la mer" est d'autant plus profond que l'on s'éloigne de la côte.

 

Schéma de principe d'une éolienne terrestre, d'une éolienne offshore actuelle (très faible profondeur d'eau), et d'une éolienne offshore future (à droite, profondeur d'eau plus importante).

Cela limite les zones éligibles à celles où la mer ne fait que quelques dizaines de mètres de profondeur tout au plus (en pratique les mers peu profondes comme une partie de la Manche, de la Mer du Nord, mais pas la Méditerranée où la profondeur descend très vite à quelques centaines de mètres dès que l'on se met à 1 ou 2 km des côtes). En particulier, on ne peut pas mettre d'éolien offshore au milieu de l'océan ! Si l'on peut récupérer de vieilles plates-formes pétrolière (souvent juchées sur des pylônes de quelques centaines de mètre de haut) pour y mettre quelques moulins à vent, contruire de telles plate-formes spécialement pour y mettre des éoliennes engendrerait des coûts de production totalement prohibitifs.

Une éolienne en mer doit résister non seulement au vent (ca il vaut mieux !) mais aussi aux vagues, à la corrosion du sel, et donc il faut utiliser plus de matériaux et plus de traitements à puissance installée égale, sans parler du support immergé.

A cause de ces raisons, et aussi de la zone d'implantation, la construction en mer augmente la dépense en carburant par rapport à la construction à terre, et augmente aussi la dépense en carburant pour la maintenance.

Il résulte de ces "surcoûts" à la construction que l'éolien off-shore, malgré un taux de charge augmenté de 60% (dans une ACV de Vestas, il est considéré comme augmentant de 30% à 50%, ce qui soit dit en passant correspond peut-être au cas du Danemark mais pas au cas de la France, où les meilleurs sites dépassent tout juste 35% de facteur de charge), fournit certes une énergie plus importante par éolienne installée, mais avec un "contenu en carbone par kWh" qui reste à peu près identique.

Faisons maintenant un petit calcul : imaginons que nous mettions une éolienne de 3 MW de puissance tous les 500 m le long des côtes françaises (normalement les éoliennes sont espacées de 5 diamètres de rotor, soit environ 400 m, perpendiculairement au vent dominant, mais de 10 à 15 diamètres de rotor dans le sens des vents dominants, de telle sorte qu'une éolienne de 3 MW, dont le diamètre de rotor est d'environ 100 m, doit être espacée de sa voisine de 400 m perpendiculairement au vent, mais de 1,5 km dans l'axe du vent).

La côte française fait environ 4.000 km de long, mais toutes les zones littorales ne se prêtent pas de la même manière à la construction d'éoliennes off-shore (si ca devient rapidement trop profond ca pose problème, cas de la Méditerrannée), et en outre certaines portions de la côte sont dans l'axe du vent dominant (littoral breton qui est essentiellement orientée est-ouest tout le long des Côtes d'Armor et du Morbihan), ce qui nécessite d'augmenter l'espacement entre les machines.

 

Force moyenne du vent selon les zones en Europe. Légende ci-dessous

La zone bleue sur la carte ci-dessus correspond à des facteurs de charge qui dépassent 35%, mais il est facile de voir qu'ailleurs ce n'est pas le cas. Imaginons que nous ayons 2500 heures équivalent pleine puissance par machine. Ca fait combien en tout ? Avec 4.000 km de côtes environ, une machine de 3 MW tous les 500 m en moyenne (soit 24 GW installés), 2.500 heures équivalent pleine puissance par machine, nous arrivons à 60 TWh de production annuelle. C'est loin d'être ridicule en théorie (cela fait à peu près 12% de la production française actuelle), mais il est en fait peu probable que l'on puisse arriver rapidement à ce niveau :

que les éoliennes soient off-shore ou à terre, elles produisent toujours de l'électricité intermittente. De ce fait, dès qu'il y a 1 MW d'éolien installé quelque part, il faut obligatoirement, pour assurer la continuité de la fourniture d'électricité, installer un peu moins de 1 MW "d'autre chose" ailleurs. Installer 24 GW d'éolien suppose donc d'avoir "ailleurs" pas loin de 20 GW de puissance de pointe provenant d'une autre source pour pallier les variations du vent, et au surplus cette "autre source" devra fonctionner 70% à 80% du temps pendant que l'éolien assurera sur 20% à 30% du temps. Une alternative est d'avoir des dispositifs de stockage de masse de l'électricité, mais qui pour le moment ne sont pas si faciles que cela à mettre en place. Une remarque incidente "en passant" : je ne crois pas avoir jamais vu une analyse économique de l'éolien qui tienne compte du cout de l'intermittence induite dans le réseau électrique, alors que ca doit représenter quelque chose !

il faudrait accepter d'avoir "vue sur les éoliennes" où que l'on se trouve sur la côte française, ce qui risque de ne pas plaire dans un certain nombre de zones touristiques...

Même la version plus "soft" de 17 GW d'éolien installé (c'est ce que prévoit la loi de programmation pluriannelle des investissements pour la France d'ici à 2012), soit 50 projets de "fermes" (terme curieux, en vérité ; à quand les zones industrielles rebaptisées "fermes d'usines" ?!?) de 300 MW installés par "ferme" (ce qui fait 100 éoliennes environ par "ferme"), c 'est encore beaucoup...

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Hydrolien

L'éolien pose problème ? Mettons les éoliennes sous l'eau ! Ce n'est pas une blague : l'éolien possède sa contrepartie sous-marine, qui s'appelle l'hydrolien, et consiste à exploiter des hélices sous-marines situées dans le lit des courants de marée, lesquels sont particulièrement forts - en Europe - dans les zones peu profondes de la Manche et des mers environnant la Grande Bretagne.

 

Carte de la ressource hydrolienne en Europe (Vitesse maximale du courant en cm/s). On note que l'essentiel de la "ressource" est localisée pour l'essentiel autour de la Grande Bretagne, mais aussi pour une large partie dans la Manche, une des zones les plus fréquentées au monde par les bateaux de commerce. Rappelons que la "'puissance" du courant est proportionnel au cube de la vitesse.

Source : Groupe de Travail Énergies Alternatives d'ECRIN

Qui dit courants de marée dit que nous ne sommes pas loin des côtes, ce qui a comme avantage que l'on travaille avec des profondeurs d'eau qui ne sont pas considérables (et donc des supports pour les ouvrages qui ne font pas des kilomètres de hauteur), mais l'inconvénient de prendre sur des zones déjà utilisées pour d'autres activités qui peuvent être gênées ensuite (pêche, trafic maritime, voire plaisance).

Mécaniquement, une hydrolienne ressemble à une éolienne : c'est une hélice qui entraîne un alternateur, avec des puissances unitaires qui se ressemblent (quelques centaines de kW à quelques MW par unité). La limite en taille vient essentiellement du fait que l'hélice doit être immergée en totalité à marée basse, alors que l'ensemble fonctionne près des côtes, avec une hauteur d'eau qui est nécessairement non considérable.

Installation hydrolienne expérimentale : à gauche, photo avec la nacelle portant le rotor hors d'eau, à droite image de l'installation en fonctionnement.

Source : Groupe de Travail Énergies Alternatives d'ECRIN

Il y a cependant une différence majeure avec l'éolien au niveau de l'exploitation : à la différence du vent, la "prévisibilité" des courants de marée est excellente, puisque les marées sont connues des années à l'avance, et hormis les périodes d'étale l'eau est toujours en mouvement, ce qui limite les périodes sans production à pas grand chose. Cette deuxième caractéristique a aussi pour conséquence que le "facteur de charge" est de l'ordre de 50% (une hydrolienne produit "comme si" elle fonctionnait le moitié du temps à pleine puissance) au lieu des 15% à 20% de l'éolien.

Comme la marée est une onde, en implantant des hydroliennes espacées d'un quart de période (soit environ 3 heures de marée) on obtient une production garantie en permanence.

Exemple de production hydrolienne avec 3 installations placées dans les zones de plus fort courant en Bretagne Nord (Fromveur, près d'Ouessant, Sein, et Raz Blanchard, entre le Cotentin et Alderney - ou Aurigny).

Source : Hydrohelix energies, 2004.

Combien pouvons nous envisager ? L'un des promoteurs de cette technologie, Hydrohelix Energies, avance la possibilité d'installer environ 6 GW en Bretagne, qui produiraient un peu moins de 40 TWh sur l'année, soit 8% de la production française actuelle. En acceptant de "sacrifier" une partie de la production de base, il est aussi possible de conserver une réserve de puissance permettant de produire de l'électricité de pointe (avantage de cette technique puisque la disponibilité est garantie), qui sera alors en moindre quantité.

Cela étant, il n'est pas interdit de penser que le promoteur de cette technologie est excessivement optimiste (ce qui est souvent le cas !) dans son calcul de potentiel, car l'implantation de ce genre de chose se heurtera, comme d'habitude :

à une concurrence d'usage des lieux (pêche, navigation de commerce, etc)

à des performances en conditions réelles qui ne sont jamais au niveau du potentiel théorique,

Cela étant, il n'en reste pas moins que les ordres de grandeur ne sont pas complètement ridicules pour nous autres petits Frenchies qui avons la chance d'avoir des marnages conséquents pas loin de chez nous.

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Energie marémotrice

Les courants de marée ont une autre conséquence : ils remplissent et vident les estuaires des rivières. Ce flux et reflux peut être exploité par des usines marémotrices (comme celle de la Rance). Ces dernières comportent un mur de barrage avec des turbines à l'intérieur, et la turbine est actionnée par l'eau qui passe d'un côté à l'autre du barrage en fonction des hauteurs d'eau respectives (à marée haute la mer "remplit" le bassin de retenue situé en amont du barrage, et l'eau passe par les turbines pour produire de l'électricité, puis à marée basse la retenu est vidée vers la mer avec l'eau qui repasse dans les turbines mais dans l'autre sens).

Mais cette forme de production est probablement destinée à rester relativement marginale : pour une puissance installée de 250 MW, soit en gros 0,3% de la puissance électrique installée en France, il faut barrer l'estuaire d'une rivière pas complètement ridicule (la Rance), dans une zone de très fort marnage (près de la Baie du Mont Saint Michel).

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Energie des vagues

Toujours en restant près des côtes, nous pouvons tenter d'exploiter l'énergie - mécanique - des vagues ou de la houle, qui est assez considérable si nous regardons les ordres de grandeur mis en jeu. Sur la façade atlantique de l'Europe, de l'Espagne à l'Ecosse, la puissance moyenne (moyenne annuelle) transmise par la houle et les vagues est de 30 à 70 kW par mètre linéaire de côte (l'énergie moyenne transmise sur une année est donc de 260.000 kWh par mètre linéaire en moyenne). Mais pour la récupérer en totalité il faut concevoir un dispositif capable de récupérer toute l'énergie du mouvement de l'eau sur les 20 premiers mètres de hauteur (car c'est la couche d'eau concernée par la houle et les vagues ; en ordre de grandeur et en moyenne, cette énergie représente 2,5 kW par m2 de surface perpendiculaire au mouvement).

En théorie, le potentiel est donc majeur : une conversion à 100% de cette énergie en électricité, sur 1000 km de côte, et sur 20 mètres de profondeur, fournirait environ 400 TWh, soit un peu moins que la consommation française d'électricité sur une année. Mais... il s'agit bien d'un potentiel théorique !

il faudrait pour tout récupérer un dispositif ceinturant la totalité de la facade atlantique française, avec une eau devenant rigoureusement immobile après "extraction" de l'énergie du mouvement sur 20 mètres de haut,

ce dispositif devrait exploiter l'énergie de la houle avec un rendement de 100%, ce qui est évidemment impossible.

Pour preuve de cette "difficulté", les premiers dispositifs expérimentaux ont une puissance de l'ordre de quelques centaines de kW (soit une éolienne pas très grosse) pour une taille pas si ridicule que cela.

Exemple de dispositif de récupération de l'énergie des vagues ; puissance de 750 kW.

Source : Pelamis, 2007.

Avec une telle puissance unitaire (qui ne peut bien évidemment pas être exploitée au maximum en permanence, les vagues n'étant pas constantes) le potentiel maximal "réaliste" se situe probablement plutôt du côté de quelques Twh que de 400. C'est éventuellement toujours ca de pris, et après tout sera une question de prix (voir plus bas).

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Energie thermique des mers

Une autre manière de tirer de l'énergie de l'océan est de tirer parti de la différence de température entre l’eau de surface et l’eau profonde de l'océan, qui dépasse 20°C dans la zone tropicale (elle est bien moindre sous nos latitudes : de l'ordre de 10 °C).

Cartographie des différences de température entre la surface et l'eau à 1000 m de profondeur.

Source : Source : Groupe de Travail Énergies Alternatives d'ECRIN, 2007.

En clair, exploiter cette différence de température signifie créer une machine thermique, dont ce cher Carnot limite férocement le rendement avec la différence de température disponible (pour 20 °C de différence avec de l'eau à 25°C en surface et à 5°C en profondeur, le rendement mécanique maximal en sortie est de 6,7% de la chaleur exploitée). Il faut donc créer de vastes circulations d'eau pour des puissances pas énormes (avec une conduite de 1,5 m de diamètre allant à 1000 m de profondeur on peut envisager 1 MW, soit 1/1000è de centrale électrique "classique", et avec un diamètre de 5 m on peut envisager quelques centaines de MW).

En outre, une partie de l'énergie produite irait dans l'autoconsommation du dispositif, puisque l'eau froide est plus dense que l'eau chaude, et donc qu'il faut pomper l'eau froide des profondeurs ; elle ne monte pas toute seule !

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Combien de fois la consommation humaine en entrée ?

Si les espoirs les plus fous vont parfois se nicher dans ces "nouvelles" formes de production, c'est parce que les énergies en jeu sont proprement titanesques. Ainsi, l'énergie solaire qui arrive au somment de l'atmosphère est évaluée à 10.000 fois la consommation annuelle d'énergie de l'humanité, soit 100.000 milliards de tonnes équivalent pétrole chaque année (la tonne équivalent pétrole unité s'applique à toute forme d'énergie, et pas seulement au pétrole ; une tonne équivalent pétrole c'est tout simplement 11.670 kWh, ou encore 41,6 milliards de joules).

Il est clair que capter une petite fraction de cette gigantesque énergie solaire aiderait bien nos affaires. On peut essayer de le faire en direct, ou alors... en récupérant cette énergie une fois qu'elle est partie "ailleurs" : dans le vent, la chaleur des océans, l'énergie mécanique des vagues, etc, avec les dispositifs évoqués ci-dessus.

Par exemple les océans contiennent une quantité de chaleur considérable. Refroidir les océans de 1°C (c'est l'idée des machines thermiques évoquées plus haut) permettrait de récupérer à peu près 100.000 milliards de tonnes équivalent pétrole, sachant que la consommation annuelle de l'humanité est actuellement de 11 milliards de tonnes équivalent pétrole : pas mal ! Dans le même ordre d'idées, 2% de l'énergie solaire se transformant en vent, capter toute cette énergie représenterait 200 fois la consommation annuelle de l'humanité, et on pourrait continuer comme cela dans les superlatifs.

Là où le bât blesse, c'est qu'en général ces sources sont très diffuses, or nos usages requièrent de l'énergie concentrée, et que par ailleurs cette énergie nous profite souvent déjà (par exemple les mouvements de l'atmosphère - le vent - nous amènent la pluie, sans laquelle nous avons quelques petits problèmes de survie), de telle sorte que tout ce qui existe n'est pas disponible pour nos usages, loin s'en faut. La limite dépend de nombreux facteurs, dont... le coût de l'énergie fossile. En effet, le dispositif qui permet d'exploiter l'énergie des mers peut "coûter" beaucoup d'énergie fossile au départ pour être construit : en pareil cas, plus l'énergie fossile coûte cher, et plus l'énergie - renouvelable, certes - des mers coûtera cher aussi. Souvent, les projections de prix sont faites à prix de l'énergie fossile constant, ce qui brouille un peu la vision.

Dans tous les cas de figure, du fait de leur caractère très diffus, il est vraisemblable que ces énergies seront largement plus chères que les énergies fossiles. A10 dollars le baril en sortie de puits, l'extraction du pétrole coûte 0,4 centime d'euro le kWh, à comparer à 5 à 10 centime d'euro par kWh au mieux pour ces énergies renouvelables en ligne de mire (et ce coût ne tient pas compte de l'intermittence induite pour l'éolien, sinon à mon avis il n'est pas loin de doubler). Bref on tirera probablement quelque chose des océans, mais mieux vaut aussi parier sur les économies, donc... les hausses de prix !

 

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