Energies marines hydrolienne et houlomotrice. Exemples de ... · Exemples de projets et de travaux...

Energies marines hydrolienne et houlomotrice. Exemples de projets et de travaux de R&D

Conférence Institut Coriolis – 24 septembre 2010

Tel : 01 30 87 83 51

Fax: 01 30 87 80 86

[email protected]

[email protected]

c/o EDF R&D

6 quai Watier, BP 49

78401 Chatou cedex

www.saint-venant-lab.fr

Laboratoire National

d’Hydraulique et

Environnement (LNHE)

Université Paris Est,

EDF R&D – CETMEF – ENPC

Jean-François DhédinChef projet Energies Marines

EDF R&D LNHE

Michel BenoitChercheur-senior HDR

Directeur du Labo. Saint-Venant

Giovanni MattaroloIngénieur-chercheur

EDF R&D LNHE et Labo. Saint-Venant

Énergies Marines hydrolienne et houlomotrice – Confér ence Institut Coriolis - 24/09/2010

Energies marines hydrolienne et houlomotrice

1. Introduction : contexte mondial, européen et national

2. Quid des énergies marines ?

3. Un tour d’horizon Ressources / Technologies3.a Energie marémotrice3.b Energie hydrolienne3.c Energie houlomotrice

4. Problématiques de développement technologique …et autres

5. Le soutien public au développement de la filière est nécessaire

6. Exemples de R&D au Labo. Saint-Venant et EDF R&D, illustréssur des projets du groupe EDF :

- Démonstrateur de ferme hydrolienne en Bretagne (Pa impol-Bréhat)- Prototype houlomoteur sur l’Ile de La Réunion

7. Conclusion


1. Introduction : production électrique mondiale

Source: Observ’ER Dixième inventaire Edition 2008

Production Electrique Mondiale 2007

20 000 TWh

63TWh

68%

16%

2%

14%

0,6 TWh

8,5 TWh

170 TWh

218TWh

Nucléaire

Fossile+Déchets

HydrauliqueGéothermie

Eolien

Biomasse

Solaire

Energies Marines

ENR hors hydraulique

La proportion des ENR hors hydraulique est très faible


1. Introduction : production électrique en France

571 TWh

0,095 TWh

4,1 TWh

0,038 TWh

0,519 TWh

4,2 TWh

11%

10%

77%

1,6%

Nucléaire

Fossile+Déchets

Hydraulique

ENR hors hydraulique

Géothermie

Eolien

Biomasse

Solaire

Energies Marines

00,005

0,0030,568

1,822

Rappel Production ENR en

1995 (TWh)

Production Electrique France 2007


1. Introduction : contexte mondial / européen

Prise de conscience au niveau mondial / européen

Nécessité de limiter la production de gaz à effet de serre

Stock limité d’énergies non-renouvelables

Développement durable / énergies alternatives

Législation au niveau européen

12 décembre 2008, vote du « paquet Energie-Climat » (20/20/20)

o Une réduction de 20% des émissions de gaz à effet d e serre

o Une amélioration de 20% de l'efficacité énergétique

o Une part de 20% d'énergies renouvelables dans la consom mation d'énergie finale


1. Introduction : contexte mondial / européen


1. Introduction : le contexte français

Au niveau français :

le Grenelle de l’environnement lancé en juillet 2007

« Article 19 – Grenelle I : La recherche joue un rôle central dans l’analyse des

processus environnementaux et est à l’origine d’innovations technologiques

indispensables à la préservation de l’environnement et à l’adaptation aux

changements globaux de la planète. L’effort national de recherche privilégiera les

énergies renouvelables, notamment la production d’énergie solaire photovoltaïque à

partir de couches minces, l’énergie des mers … »

le Grenelle de la Mer lancé en mars 2009

« définir et mettre en oeuvre une stratégie ambitieuse pour les énergies marines

renouvelables afin de concilier développement et protection ».










7. Conclusion


2. Quid des énergies marines ? Définitions

Le terme « Énergies Marines » désigne habituellement les énergies renouvelables qui peuvent être directement extraites du milieu marin :

L’énergie marémotrice : exploitation de l’énergie potentielle des masses d’eau mues par les marées (nécessite un barrage ou un bassin de retenue)

L’énergie hydrolienne : exploitation de l’énergie cinétique des courants de marées ou océaniques (via une turbine)

L’énergie houlomotrice : exploitation de l’énergie des vagues

L’énergie thermique des mers : exploitation de la différence de température qui peut exister entre l’eau de surface et celle de fond

L’énergie osmotique : exploitation de la différence de salinité entre deux masses d’eau

Energie éolienne offshore : installation d’éoliennes en mer

Biomasse marine (principalement biocarburants par micro-algues)


2. Quid des énergies marines ? Une projection des ressources « théoriquement » exploitables

Monde Europe continentale France métropolitaine

2 - Energie hydrolienne 400 à 800 TWh/an

15 à 35 TWh/an(6 à 8 GW installés)

5 à 14 TWh/an(2 à 3 GW installés)

3 - Energiehoulomotrice

2 000 à 8 000 TWh/an

150 TWh/an(environ 50 GW

installés)

environ 40 TWh/an(10 à 15 GW installés)

4 - Energie thermique des mers

10 000 TWh/an 0 0 (Outremer seulement)

5 - Energie osmotique 1 700 TWh/an 200 TWh/an Non évaluée

1 - Energie marémotrice : de l’ordre de 400 TWh/an au niveau mo ndial

Maturité technologique, Intermittence (facteur de charge), prédictibilité …Source Ifremer –Energies Renouvelables

Marines - Etude prospective à l’horizon 2030










7. Conclusion


3. Un tour d’horizon Ressources & Technologies

3.a - L’énergie marémotrice

3.b - L’énergie hydrolienne

3.c - L’énergie houlomotrice


3.a « Le moteur » : la marée

La marée est le mouvement montant (flux ou flot) puis descendant (reflux ou jusant) des eaux des mers et des océans causé par l'effet conjugué des forces de gravitation de la Lune et du Soleil.L’amplitude de la marée à un endroit précis est le résultat des positionnements relatifs du soleil et de la lune par rapport à la Terre ainsi que des caractéristiques locales de la côte et des fonds sous-marinsIn fine l’énergie marémotrice estpuisée sur l’énergie cinétique derotation de la terre


3.a Localisation de la ressource marémotrice

Worldwide Potential (World Energy Council):

160 GW – 380 TWh/year


3.a En France, l’usine marémotrice de La Rance


3.a Depuis 1966, l’usine de la Rance

Ecluse

Usine de 24 groupes Digue Barrage mobile : 6 vannes

BASIN

SEA

� Capacité installée : 240 MW (24 groupes bulbes identiques de 10MW)

� Production moyenne : 538 000 MWh / an

� 28 agents EDF; longueur : 750 m

� Réservoir : 184 Mm3 (20 km vers l’amont)

� 75 000 visiteurs par an

Les plus grandes marées de France :

Marnage moyen de 8.2 m et maximum de 13.5 m

10 m

9 m

8 m

7m

6m

5m

4m

3m

10 m

9 m

8 m

7m

6m

5m

4m

3m







3.b Exploitation de l’énergie des courants de marée

Example of tide coefficient time profile over one y ear period, and current speed time profile over one tidal cycle

Avantages:• Totalement prédictible;

• Performance (masse vol. de l’eau bien plus élevée que l’air);

• Impact visuel et sonore très limité (voire nul).

Inconvénients :• Caractère intermittent de la marée (=> stockage ?);

• Nombre limité de sites avec courants suffisamment forts(V>2 m/s typiquement);

• Partage de l’accès à la mer avec les autres acteurs/secteurs

• Installation et maintenance en mer


3.b Exploitation de l’énergie des courants de marée

Comparaison entre une hydrolienneet une éolienne de même puissance (1 MW)

Estimation de la puissance mécanique :

P = ½ ρ Cp S V3

ρ : masse volumique de l’eau (environ 1025 kg/m3)

Cp : coefficient de puissance hydrodynamique,limité à 59% (Loi de Betz)

En pratique de l’ordre 30 à 35 %

S : surface balayée par rotor (m2) S = π D2/4

V : vitesse moyenne du courant (m/s)

A.N. D = 18 m, Cp =0.35, V = 2.8 m/s => P = 1 MW

tPE deviceT ∆⋅=∆

Energie produite :En pratique :

Pdevice = 0 si V < Vmin

Pdevice = P si Vmin< V < Vmax ∑ ∆=year

Tyear ENE (pour N machines)

(∆t = 10-15 min)


3.b La ressource hydrolienne en Europe

Potentiel du reste de l’Europe(Norvège, Grèce)

0,7 GW~ 3 TWh

Potentiel en Italie0,5 GW~ 2 TWh

Estimation du potentiel hydrolien européen « théorique et réaliste »

Hypothèse : facteur de charge ~ 31 à 58% (45% +/- 30%)

d’après l’Université d’Oxford (2005) et Black&Veatch (2004-05)

+ 80% potentiel hydrolien européen

Potentiel hydrolien en France ~2 à 3 GW5 à 14 TWh

Potentiel hydrolien au Royaume-Uni

5 à 6 GW 13 à 23 TWh


3.b la ressource hydrolienne en EuropeChamp de vitesses maximum dans la

Manche – modélisation TELEMAC

Potentiel hydrolien au Royaume-Uni

5 à 6 GW 12 à 23 TWh

Potentiel hydrolien en France ~2 à 3 GW5 à 14 TWh

Sites potentiels : détroits, goulets, caps … où lesvitesses de courant sont accélérées

Source Renewables atlas UK – mai 2008

Potentiel : Source Ifremer –Energies Renouvelables Marines - Etude prospective à l’horizon 2030

Carte : source EDF R&D - LNHE


3.b Classification des technologies hydroliennes

• Trois catégories :

1. turbines à flux axial (axe horizontal)

2. turbines à flux transverse (axe vertical)

3. autres (roues à aubes, profils oscillants,…)

• Deux variantes :

• canalisées ou non (effet venturi)

• Principe : utilisation de la vitesse des courants des marées pour faire tourner le rotor d’une turbine immergée ou actionner un mécanisme

1

2

3

Autres

Axe vertical

Axe horizontal


3.b Les technologies hydroliennes: SEAGEN (1)

SEAGEN (Marine Current Turbines)

• Détroit de Strangford, Irlande du Nord

• Installation : avril 2008

• Puissance de 2x600 kW = 1.2 MW(atteinte début 2009)

• Pieu fiché dans le fond

• Vitesse courants > 3,5 m/s

• Profondeur = 20-30 m

• Diamètre turbine : 16 m

• Diamètre pieu : 3,5 m

• Raccordement au réseau

• 1000 h de fonctionnementseront atteintes en 2010

Grue-Barge « Rambiz » pour installer SeaGen


3.b Les technologies hydroliennes: SEAGEN (2)


3.b Les technologies hydroliennes : OpenHydro (1)

• Prototype de 250 kW (diamètre 6 m) testé à l’EMECdepuis fin 2007 :

• Montage sur 2 pieux pour essais/réglages.• Génératrice périphérique à aimant permanent.• Connecté au réseau en 2008

• Essai de la procédure d’installation de la structuregravitaire à l’EMEC en 2008

• Catamaran construit pour l’installation (base gravitaire)

• Développement en cours d’un prototype (0.5-1.0 MW)• Turbine déployée au Canada (diamètre 10 m)


3.b Les technologies hydroliennes : OpenHydro (2)


Tidal Generation LTD :

• 1 MW prototype under development

• Installation of a scaled prototype (500kW)started at EMEC

Hammerfest Strøm :

• 300 kW prototype tested for 4 years inNorway

• 1MW system under development

Sabella :

• French technology

• 10 kW prototype (scale 1:3, 3m diameter)tested in Brittany

• Final system : 200 kW, 10 m diameter

3.b Les technologies hydroliennes : axe horizontal


HARVEST:

• Developed by Grenoble INP

• Scaled model (1:4) tested

• Prototype (scale 1:2, diameter 0.5 m) tobe tested in the Pont de Claix channel

Kobold turbine:

• Floating turbine

• 25kW prototype(scale 1:5)

• Diameter 6m, height 5 m

3.b Les technologies hydroliennes : axe vertical


3.b Les technologies pour faibles profondeurs

MORILD

Turbine Turbine

PM Generator

Turbines modulaires à axe transverse

• Profils oscillants

Pulse Tidal (proto de 100kW)

OCGen

Nereus

Base de données de technologies hydroliennes sur :

http://www1.eere.energy.gov/windandhydro/hydrokinetic (en Anglais)


3.b Les technologies hydroliennes - Vue d’ensemble

Amélioration du rendement : flux libre ou canalisé

Flottant

CanaliséLibreCanaliséLibre

Flottant

Emergeant

Immergé

Turbine flux

transverse(axe Val)

Emergeant

Immergé

Turbine flux axial(axe Hal)

Structure flottanteStructure JacketMono-PieuFondationGravitaire

Structure d’ensemble – liée à la profondeur d’eauPrincipe de captage de l’énergie cinétique

Accessibilité (m

aintenance)

59%27%

9%5%

Turbines à fluxaxial

Turbines à fluxtransverse

Venturi

Systèmesoscillants

CatCatCatCatéééégorisation des technologies selon le gorisation des technologies selon le gorisation des technologies selon le gorisation des technologies selon le concept dconcept dconcept dconcept d’’’’extractionextractionextractionextraction

SourceSourceSourceSource : adapt: adapt: adapt: adaptéééé de Futurede Futurede Futurede Future EnergyEnergyEnergyEnergy Solutions, 2006Solutions, 2006Solutions, 2006Solutions, 2006







3.c Ressource houlomotrice : Monde et Europe

Ressource brute importante

• Une des énergies renouvelables les plus denses (dérivée de l’énergie éolienne, condensé d’énergie solaire)

• Au niveau mondial, ressource 2000-8000 TWh/an

• Puissance moyenne côte Atlantique ~ 45 kW/m au large, 25 kW/m plus près des côtes (unité = kW / mètre linéaire de front de vague)


3.c Technologies houmotrices : une classification

Systèmes ancrés au fond (ou en mvt / à une structure ancrée au fond)

Systèmes fixés/articulés au fond (ou en mvt / à une structure fixée au fond)

Systèmes fixés/articulés ou intégrés sur un ouvrage côtier ou portuaire

Systèmes spécifiques construits à la côte

Offs

h ore

Offs

h ore

Offs

h ore

Offs

h ore

Côt

eC

ôte

Côt

eC

ôte

Nea

rsho

reN

ears

hore

Nea

rsho

reN

ears

hore

Systèmes OWCSystèmes OWCSystèmes OWCSystèmes OWC(colonne d’eau(colonne d’eau(colonne d’eau(colonne d’eau

oscillante)oscillante)oscillante)oscillante)

Systèmes oscillantsSystèmes oscillantsSystèmes oscillantsSystèmes oscillants Systèmes à Systèmes à Systèmes à Systèmes à franchissementfranchissementfranchissementfranchissement

AutresAutresAutresAutres

TAPCHANTAPCHANTAPCHANTAPCHAN (avec concentrateurs)

SSGSSGSSGSSG

Wave Wave Wave Wave DragonDragonDragonDragon

PICOPICOPICOPICO,,,,WavegenWavegenWavegenWavegen ((((LimpetLimpetLimpetLimpet, , , , SeWaveSeWaveSeWaveSeWave))))

Wavegen Wavegen Wavegen Wavegen ((((MutrikuMutrikuMutrikuMutriku, , , , Ile LewisIle LewisIle LewisIle Lewis))))SakataSakataSakataSakataEstuaire DouroEstuaire DouroEstuaire DouroEstuaire Douro

Translation RotationTranslation RotationTranslation RotationTranslation Rotation

PelamisPelamisPelamisPelamis,,,,SEAREVSEAREVSEAREVSEAREV,,,,PS PS PS PS FrogFrogFrogFrog

OysterOysterOysterOyster,,,,WaveRollerWaveRollerWaveRollerWaveRoller,,,,BioWaveBioWaveBioWaveBioWave

ECOFYSECOFYSECOFYSECOFYS(sur éolienne)

SDE (SDE (SDE (SDE (IsraelIsraelIsraelIsrael))))

FO3FO3FO3FO3WaveStarWaveStarWaveStarWaveStarCETOCETOCETOCETO,,,,AWSAWSAWSAWSSeabasedSeabasedSeabasedSeabasedWavetreaderWavetreaderWavetreaderWavetreader(sur éolienne)

WavebobWavebobWavebobWavebob,,,,OPT OPT OPT OPT PowerbuoyPowerbuoyPowerbuoyPowerbuoy,,,,((((AquabuoyAquabuoyAquabuoyAquabuoy))))

OceanLinxOceanLinxOceanLinxOceanLinx((((Mighty Whale)Mighty Whale)Mighty Whale)Mighty Whale)OceanEnergyOceanEnergyOceanEnergyOceanEnergySperbuoySperbuoySperbuoySperbuoy

AnacondaAnacondaAnacondaAnacondaPolymères Polymères Polymères Polymères électroélectroélectroélectro----actifs actifs actifs actifs (SRI)(SRI)(SRI)(SRI)

Rotors de type Rotors de type Rotors de type Rotors de type SavoniusSavoniusSavoniusSavonius(au fond ou sur éolienne)


Exemple : Wavegen (Voith-Siemens) et Oceanlinx

• Oceanlinx : système flottant ;puissance de 100 kW à 1.5 MW ;deux prototypes installés en Australie (P totale 450 kW).

• Wavegen : prototype onshore de 100 kW en fonction ;projet de 4 MW en Écosse (approuvé début 2009).

Systèmes à colonne d’eau oscillante

Caractéristiques :• Cavité ouverte au fond et communiquant avec l’extérieur

• Les vagues font monter et descendre la colonne d’eau,qui compresse et décompresse l’air au-dessus.

• L’air active une turbine bidirectionnelle (Wells)

• Technologie onshore, nearshore ou offshore (flottante)

Oceanlinx

Wavegen

Wavegen


Systèmes oscillants (rotation) flottants (1)

Caractéristiques :• Perpendiculaire à la crête des vagues

• Les mouvements le long de la machine sontexploités par un système de conversion

• Technologie offshore

Exemple : Pelamis

• Conversion hydraulique

• 4 segments, 3 jonctions

• Longueur de 140 m

• Diamètre de 3.5 m

• Puissance de 750 kW


Pelamis : 1er parc de 3 machines :

• Agucadoura, au Portugal (2008)

• Puissance 3 x 750 kW = 2.25 MW

• Projet pour installer autres 25 machinespour une puissance totale de 21 MW

• Surface nécessaire prévue < à 1 km 2

SEAREV : Ecole Centrale Nantes

• R&D depuis plusieurs années(Alain Clément et collab.)

• Mouvement relatif de 2 corps

• Contrôle optimisé (latching)

• Etudes et tests en laboratoire

Systèmes oscillants (rotation) flottants (2)

SEAREVSEAREVSEAREVSEAREV


Caractéristiques :

• La machine exploite la vitesse des particules d’eau due aux vagues

• Une paroi oscillante «suit» les vagues et convertit l’énergie cinétique

• Technologie nearshore, pour faibles profondeurs, ou onshore

Exemple : Oyster et Waveroller• Profondeur : 10-15 m

• Eau sous pression pompée onshore � turbine

• Oyster : Unités de 300 kW jusqu’à 600 kWPrototype pré-commercial installé en fin 2009

• Waveroller : Deux prototypes à l’échelle 1/3 testéUnité de 1 MW programmée pour 2010

Oyster

Waveroller

Systèmes oscillants (rotation) immergés / au fond


Caractéristiques :• La machine exploite la variation des forces de pression

générées par les vagues

• L’oscillation verticale est exploitée pour produire de l’énergie

• La machine est ancrée au sol

• Technologie nearshore, pour faibles profondeurs (30-40 m)

Exemples : AWS et CETO :

• AWS : chambre d’air comprimée et décomprimée ;hauteur 32-37 m; puissance ~2 MW ;générateur linéaire ou conversion hydraulique ;premiers essais en 2004.

• CETO : une bouée active une pompe qui comprime de l’eau ;une turbine est opérée onshore ;trois prototypes réduits testés ;

Systèmes oscillants (translation) immergés


Exemple : OPT et WaveBob

• OPT : conversion hydraulique ;prototypes de 40kW installées et en fonctionprototype de 150kW en développement7 projets en cours aux USA et en Europe

• WaveBob : multi-body concept ;conversion hydraulique ;prototype de 40 kW en fonction ;prototype à l’échelle 1/4 testé en Irlande.

Caractéristiques :• Structure flottante qui absorbe l’énergie des vagues

dans toutes les directions

• L’énergie est générée par les mouvements du corps

• Différents systèmes de conversion ont été proposés

• Technologie nearshore ou offshore

WaveBob

WaveBob

OPT

Systèmes oscillants (translation) flottants


Systèmes à franchissement

Caractéristiques :• Les vagues sont capturées dans un réservoir et l’eau

accumulée fait tourner une turbine à basse chute

• Des collecteurs peuvent être utilisés pour concentreret recueillir les vagues

• Technologie onshore ou offshore (flottante)

Exemple : Seawave Slot Cone Generator(SSG) et Wave Dragon (WD) :

•SSG : construit sur la côte, peut intégrer une digue ;utilise une turbine multi-stage ;projet pour installer un prototype de 150 kW.

• WD : système flottant avec collecteurs ;prototype 1/4.5 du modèle testé en mer intérieure ;prototype échelle 1 (7 MW) en 2010-2011 :� surface couverte: 300 x 170 m ;� 16 turbines Kaplan.

SSG

Wave Dragon


Quelques autres solutions (…parmi beaucoup !)

Trident

Orecon

Anaconda

OWEL

Base de données de technologies houlomotrices sur :

http://www1.eere.energy.gov/windandhydro/hydrokinetic (en Anglais)










7. Conclusion


4. Les problématiques technologiques communesaux énergies hydrolienne et houlomotrice

Les verrous technologiques principaux :� Haute fiabilité globale du système intégrant les contraintes de

l’environnement marin, tout en restant dans des coûts compatibles avec un

développement industriel

� Raccordement électrique en mer (connectique sous-marine)

� Ancrage / fondation (


4. Le développement des énergies marines n’est pas qu’un « simple » problème technologique…

L’équation technico-économique / la mise en concurrence avec les autres énergies renouvelables

La maîtrise de l’impact environnemental / visuel

L’intégration avec les autres usagers de la mer

La maîtrise de l’accessibilité des unités ou parcs

La garantie de sécurité des hommes depuis la construction jusqu’au démantèlement

Le challenge du cadre juridique

La gestion d’une production d’énergie « subie » (marée, conditions océano-météo), irrégulière et très variable :

=> intégration dans le réseau électrique et stockage










7. Conclusion


5. Le soutien public au développement de la filièreest nécessaire …

tant au niveau européen que national :

Nécessité d’un financement/soutien publicPhase de développement technologique

Sites d’essais en mer

Phase exploitation : tarif de rachat mis en place en 2007 = 150 €/ MWh

Nécessité d’un cadrage européen / étatiquePlanification énergétique (cibles à 2020 / 2030)

« Zonage »

Définition des règles et protocoles administratifs

Nécessité d’un soutien public / politiqueConcertation et dialogue avec les autres usagers de la mer

(in)suff

isant ?


Cartographie des acteurs en énergies marines

Acteurs institutionnels : MEEDDM, ADEME

Acteurs de la recherche :académiques : CNRS, ECN, INPG, ENS Cachan, ENSTA, ENSIETA, Univer sités,…

institutionnels : IFREMER, CETMEF, Météo-France, …

Acteurs économiques :Industriels : DCNS, Alstom , …Ingénieries offshore : Technip, Saipem, DORIS, …Développeurs de parcs : Nass&Wind, Enertrag, …Bureaux d'études : Creocean, In Vivo, Principia (AREVA), Sogreah, Acri,…Énergéticiens et Électriciens : EDF, AREVA, TOTAL, …Pôles de compétitivité : PMB, PM PACA, Tenerrdis, …Acteurs de la finance (et capital-risque) : …Assurance : …

Acteurs de la société civile :Usagers : CNPMEM, plaisanciers, transport, …Associations : environnement, …ONG, …

Coordinations/associations/réseaux : IPANEMAANCRE


Discours du Havre du président de la république (16 Juillet 2009) :« d’ici le début de l’année prochaine une planification stratégique ait défini les zones de déploiement, afin de sécuriser les projets et de faciliter le raccordement au réseau »« appuyer cette stratégie d’équipement en énergies renouvelables, issue du Grenelle de l’environnement, sur une véritable politique industrielle »« Voilà pourquoi je souhaite qu’une grande plate-forme technologiquesoit mise en place sur les énergies marines, avec pour chef de filel’IFREMER . Dans un lieu à déterminer, que j’imagine dans une région littorale, il s’agira de concentrer les moyens de recherche publics et privés, et de valoriser l’innovation au profit des entreprises françaises, les grandes comme les petites. J’attends que cette plateformetechnologique unique, qui peut être la première sur le plan mondial, soit constituée d’ici à la fin de cette année. »



Objectifs chiffrés de l’état français

Déclarations du Plan Energies Bleues (Grenelle de la Mer) : juillet 2009

cible 2020 d’installer 6 000 MW d’Energies Marines en Franc e en développant une

filière industrielle française

5 200 MW éolien off-shore, 600 MW hydrolien / houlo moteur, 200 MW ETM

Arrêté du 15 décembre 2009 relatif à la Programmation Pluriannuelle des

Investissements pour la production d’électricité (MEEDDAT)

Pour les énergies éolienne et marines, en termes de puissance totale installée :

11 500 MW au 31 décembre 2012, dont 10 500 à partir de l’énergie éolienne à terre et

1 000 MW à partir de l’énergie éolienne en mer et des autres énergies marines

25 000 MW au 31 décembre 2020, dont 19 000 à partir de l’énergie éolienne à terre et

6 000 MW à partir de l’énergie éolienne en mer et des autres énergies marines











7. Conclusion


6. Exemples de R&D à EDF et Labo Saint-Venant(aspects hydrauliques et hydrodynamiques)

I. Evaluation de la ressource brute des sites (sans machines):Simulations numériques + mesures en mer => choix des sites

II. Etude locale et fine des interactions fluide/machine :Détermination des efforts et sollicitations => design

Déplacements et comportement dynamique => production, rendement

III. Estimation du productible pour une technologieValeurs moyennes, maximum, effets de la saisonalité

IV. Interactions entre plusieurs machinesEffets d’obstruction ou de sillage => optimisation de parcs de machines

V. Impacts hydro-sédimentaires de parcs à échelle régionale

VI. Accessibilité des unités (conditions hydro-météos)


Projet de démonstrateur hydrolien à Paimpol-Bréhat

Site de démonstration

Choix du site annoncé en Juillet 2008Projet porté par EDF DPIHTechnologie choisie : OpenHydro (Oct. 2008)Cible 2 MW : 4 turbines (0.5 MW chacune)Mise en service : 2012, avec raccordement au réseau1ère machine installée à l’été 2011Etudes en cours (R&D, ingénierie,…)

~15 km

~20 m

~20 m


Code TELEMAC- 2D solving the non-linear shallow-water equations (Saint-Venan tequations) in 2DH on unstructured grids (finite element or finite volume technique)

Application to the area of Paipol-Brehat (French Brittany)

Bathymetry (SHOM: French Navy Hydrographic and Oceanog raphic Service + extra survey on the future site in 2008-2009)

4 main tidal harmonic components (M2, S2, N2 and M4)

Boundary conditions: from EDF R&D – LNHE model (near Atla ntic Ocean - English Channel) + Thompson-type boundary conditions

Calibration: tidal sea level and velocity ; SHOM data + loca l ADCP measurements(3D velocities and water levels)

I. Tidal site characterization: implementation of a simulation model

))((1 ugradhdivh

Fx

gyuv

xuu

tu

ex ν++∂η∂−=

∂∂+

∂∂+

∂∂

))((1 vgradhdivh

Fy

gyvv

xvu

tv

ey ν++∂η∂−=

∂∂+

∂∂+

∂∂

AdvectionGradient of hydrostatic

pressure

Diffusion Turbulence Dispersion

Source terms, friction

0=∂

∂+∂

∂+∂∂

yhv

xhu

th


TELEMAC-2D simulation results: current velocity field during a mean spring tidal cycle (coef. 95)

≈≈≈≈ 14000 nodes and ≈≈≈≈ 27000 triangular elements (from 50 m to 1.6 km size)

20 km


Tidal site characterization: measures campaigns

Two measurement campaignsApril 2005: 2 weeks (1 spring tide and 1 neap tide)Spring (March to June) 2008: 3 months (4 spring tides and 6 neap tides)

Bathymetry and location of the site + ADCP deployment Location of ADCP deploymentin the crustacean reserve

Zoom


Tidal site characterization: calibration of the numerical model

Asymmetry of the flow (magnitude and direction)Maximum of velocity during flood

Bi-directional with two main directions (ebb/flood)

Tidal rose for measureddepth-averaged velocity (2008)

Simulated tidal rose during one mean spring tide.


IV. Tidal turbine array performance evaluation

Purpose : to determine the arrangement of the turbi ne array to maximize the energy yieldtaking into account the wake effects to define the lateral and axial spacing between the turbines

Grid and numerical model adaptation⇒ Implementation of a friction-like term in the shallow water equation⇒ Refined grid⇒ Numerical optimisation

Vitesse du courant

l ~ 2D

l ~ 4D

L ~ 10D L ~ 20DVitessecourant

(m/s)Theoretical study: array of 32 turbines

in a channel

� Importance of the turbines spacing to

maximize the energy converted

L

l


Tidal farm annual energy yield evaluation

Simulation of characteristic tidal cycles with and without wake effects

⇒ Production with MST(95), MNT(45), MT(70)

⇒ Estimation of the losses due to the wake-effect

With turbines

Without turbines

Average tide

IV. Tidal turbine array performance evaluation


Code d’états de mer de 3ième gén. TOMAWACMaillage non-structuré en espace

Évolution de la densité d’action d'onde:

Cinématique basée sur théorie linéaire

Forçage instationnaire (vent, courants, niveau marin)

Recherche sur les processus physiques et leur modélisation numérique(interactions non-linéaires : Gagnaire-Renou et al., JGR 2010, JFM sous presse)

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )t,,f,y,xBQBFf

BFf

yBF

yx

BFx

tBF

rr

r θ=∂θ∂θ+

∂∂+

∂∂+

∂∂+

∂∂ &&&&

( ) ( )t,,f,y,xF.Bt,k,k,y,xN ryx θ= 2g

2

CCB

πσ=

Q Q Q Q Q Q QinW ind input

nlQ uadruplets

trtriads

wcW hitecapping

bfbottom friction

brBreaking

G ENERATION TRANSFER D ISSIPATIO N

= + + + + + 123 1 244 344 1 244444 344444

I. Évaluation de la ressource houlomotrice (1)



Base de données ANEMOC (EDF & CETMEF)

• Base de données d’états de mer construite à partir desimulations numériques effectuées avec TOMAWAC

• Simulations en continu sur 23 ans et 8 mois,du 01/01/1979 au 31/08/2002

• Forçages issues de la ré-analyse météo ERA40 ducentre européen ECMWF (vents tous les 6 h et 0.5 deg)

• Deux modèles emboîtés : océanique et côtier

• Niveaux marins constant et pas de courant prisen compte dans cette version

• Validation par rapport à mesures in situ (bouées)

• Sorties horaires (spectres + paramètres intégrés)

Une partie des données est accessible sur :

http://anemoc.cetmef.developpement-durable.gouv.fr/



Évaluation de la ressource brute(flux d’énergie par unité de longueur de crête)

Approché en grande profondeur d’eau par :

Ressource brute : puissance moyenne annuelle le lon g des côtes françaises (modèles océanique et côtier)


I. Projet houlomoteur sur l’île de La Réunion (1)

Projet porté par

Basé sur la technologie CETO.partenariat avec développeurs(Carnegie, Australie)


I. Projet houlomoteur sur l’île de La Réunion (2)

Comparaison hauteur Hmo entre mesures (bouée) et mod èle (TOMAWAC) après calibration, sur tout 2001

Hauteur significative Hmo moyenne et flux d’énergie moyenne calculée sur 20 ans (1989-2008)

Même méthodologie générale que ANEMOCDeux modèles emboîtés, simulations TOMAWAC, ré-analyse ERA-int erim ECMWF


II. Interactions fluide-structure locales (1)

Modélisation hydro-mécanique du comportement d’un système houlomoteurimmergé soumis à l’action des vagues, pour des états de mer réels.(thèse en cours au Labo. Saint-Venant)

o Approche potentielle (fluide parfait, écoulement irrotationnel)o Conditions de surface libre totalement non-linéaireso Vagues irrégulières (spectre de variance quelconque imposé)o Méthode d’éléments frontières d’ordre élevé (BIEM) pour l’hydrodynamiqueo Couplage hydro-mécanique non-linéaire : méthodologie implicite très

précise (Van Dalen, 1993) pour cas d’un corps en mouvement « libre »o Système REV représenté par ressorts + termes dissipatifs

Cas d’un mouvement orbital circulaire imposé (cas de validation) :


II. Interactions fluide-structure locales (2)

Cas de 2 cylindres « libres » soumis à des vagues irrégulières :• Vagues irrégulières : Hs = 0.10 m, Tp = 1 s, spectre JONSWAP avec γ =3.3. • Cylindres identiques, R = 0.10 m, zc = -0.2 m séparés de 5 m• Paramètres ancrage/PTO : k = 292 N/m², d = 50 kg/m/s (par unité de longueur).










7. Conclusion


7. En guise de conclusion…

Les énergies marines en France Du retard par rapport à beaucoup de pays européens (UK, Danem ark,…), mais …

Le contexte economico-politique évolue favorablement : Grenelle(s), recommandations OPECST, AMI de l’Ademe, ANCRE, initiative IPANEMA, lancement d’une plateforme technologique nationale…Des premiers ordres de grandeur sont disponibles (prospective Ifremer)

Tous les types d’acteurs commencent à se mobiliser

Des premiers projets de démonstration sont annoncés.

La contribution du Groupe EDF à cette dynamiqueAlimentation des comités/groupes du Grenelle de l’environnement et de la merContributeur à l’étude prospective Ifremer « Energies marines horizon 2030 »

Membre fondateur et actif d’IPANEMA

Co-organisation avec IFREMER de la conférence internationale ICOE 2008

Porteur du 1er projet de parc démonstrateur hydrolien en FranceContributeur aux travaux d’ANCRE et de mise en place de la Plate-forme techno.

Développement de programmes de R&D en anticipation des besoins et en support.

Beaucoup de R&D scientifique et technologique devant nous !

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