1

Les Énergies Renouvelables Marines : état de l’art et perspectives

F. Hauville , Maître de Conférences à l’École NavaleEmail : frederic.hauville@ecole-navale.fr

Tel +33 2 98 23 38 47Fax : +33 2 98 23 38 57

IRENav: Institut de Recherche de l’École Navale

2

Les principaux flux d’énergie en mer

PTE : quelques fractions de % Source Michel Gauthier : club des argonautes

Puissance reçue du Soleil = 52400 TW

Puissance dissipée par les marées = 4 TW

Soleil Lune

L’humanité consomme environ 15TW (moyenne annuelle) d’énergieconsommation d’électricité des pays de l’OCDE : env 1,2 TW

Puissance dissipée par le vent = 64 TW(Vent et Houle)

3

La France est un grand pays maritime La France est un grand pays maritime (11 millions km² de ZEE)(11 millions km² de ZEE)

4

• Grenelle 1 : – Objectif : 23 % d’EnR d’ici 2020 et réduction de 20 % des émissions de gaz à effet

de serre

– Horizon 2020 :– Éolien offshore = 12 TWh/an– Marémotrice + houlomotrice + hydrolienne + ETM = 5 TWh/an

3,3 % de la consommation électrique actuelle8 % ???? (avec 41 TWh/an)

Orientation Politique

4,05 TWh/an

Rance = 0,5 TWh/an

41,6 TWh/an 12 TWh/an

5

S• Éoliennes placées en mer

– Vent stable– Plus d’espace

• Moindre impact sur le paysage• Problème de maintenance• Raccordement au réseau• Technologie d’ancrage en

développement

31. .

2P SVρ=

W kg/m3 m2 m/s

Principe :

Éoliennes offshore

6

80 m

Exemple d’éolienne 5MW (Areva Multibrid 5000)

40 m

Structure support25 m profondeur d’eau• Tripode• 40 m / 700 t• Pieux de fixation enfoncés

dans le sol (40m à 60m)

Masse en tête : 350 t

• Altitude nacelle : 100 m

• GSAP + multiplicateur (10)

• Convertisseur 4Q

Éoliennes offshoreprincipale ressource d’énergie renouvelable en mer

Plus de 2,1 GW installés en Europe aujourd’hui

+ 1 GW d’ici la fin de l’année

25 GW prévus à l’horizon 2030

7

Éoliennes offshore

Suivant l’évolution des coûts

Concepts support flottant : bouée crayon, flotteur, TLP (type offshore pétrolier ou non)

Support flottant (génération du futur ?) :

Nouveaux concepts (futur ?) :

Concepts sur support flottant : Selsam offshore et rideau d ’éoliennes : GERRIS

8

• Vent…

• Profondeur faible

• En France : 150 TWh par an

• ∼ 5 à 30 MW par km2

• 20 millions kWh/an par km2

• ∼ 0.13 €/kWh

Potentiel de site :

Éoliennes offshore

9

Énergie marémotrice

• Barrage de retenue d’eauLa phase de jusant est parfois la seule exploitée.

La phase de flot ne sert qu’à remplir le barrage au détriment du rendement global

L’exploitation des deux phases requiert des turbines à double effet plus sophistiquées

• Pleine eau ou baie• L’élévation d’eau est exploitée

(principe de l’hydroélectricité de chute énergie potentielle des courants de marée)

hQ

g

. . .P g Q hρ=

Principe :

Exemple : Barrage de la RanceBaie de 22 km²24 turbines, chacune de 10 MW500 GWh/an, puissance moy. 68 MWBidirectionnel ou marée descendanteModifications irréversibles des écosystèmes

En Chine : Barrage des 3 gorges : 18200 MW (26 x 700 MW)En Corée : Sihwa (253 MW), Incheon (1320 MW), Garolim (520 MW)

10

Énergie marémotrice

Superficie : 5 km² ; Puissance 30 MW

Lagon artificiel : Swansea Bay project (Tidal Electric Ltd (UK)

Exemples :

11

Énergie marémotrice

• Marnage important

• Baie appropriée : modification importante et définitive

• ∼ 0.1 €/kWh

Potentiel de site :

Severn project : 15 km ; 8 GW

12

Hydrolienne

• Énergie cinétique des courants de marée• Ressource prédictible sur plusieurs années

une prévision de la production à long terme• Peu d’impact sur l’environnement• Maintenance complexe

Principe :

31. .

2P SVρ=

S

V

Technologies électriques en concurrence :

GSAPGADAGAS

Time (hours)

Cur

rent

spee

d (m

/sec

)

Current speed as a function of tidal hours for March 2007

Spring Tides

Neap Tides

Time (hours)

Cur

rent

spee

d (m

/sec

)

Current speed as a function of tidal hours for March 2007

Spring Tides

Neap Tides

13

Hydrolienne

• MCT Seagen– 2 rotors de 16 m ; 1.2 MW

• Open Hydro– 1 rotor de 6 m ; 250 kW

• Un foisonnement de dispositifs en test ou en projet

Exemples :

14

Speed in cm/s

Speed > 2m/s

Attractive sites

Hydrolienne

• Hautes vitesses de courants • Faible marnage• Protégé des vagues et tempêtes

• Forme de veine fluide adaptée

– La France (42 %) et l’Angleterre (48 %) se

partagent la plus grande ressource en Europe

450 TWh/an dans le monde ?

20 TWh/an en France ?

12 GW ; 48 TWh/an en Europe ?

– 10 MW/km2 ?

– ∼ 0.08 €/kWh ?

20 TWh = besoins de la Bretagne et de la basse Normandie = 5 % de la production nationale

Potentiel de site :

Courant maximum en vive eau moyenne (C = 95)

Limite de BetzPuissance potentielle d’une turbine

ρ : densité du fluide (ρeau ≈1000 kg/m3 ; ρair ≈1,29 kg/m3)

S : surface du disque rotor (m2)V : vitesse du fluide (m/s)CP : Coefficient de puissance

31

2 pP C SV= ρ

800eau

air

ρρ

:

Hydrolienne de dimension plus faible que Hydrolienne de dimension plus faible que l’éoliennel’éolienne

Impact sur l’écosystème et les autres utilisateurs Impact sur l’écosystème et les autres utilisateurs minimiséminimisé

( ) ( )2

0

11 1

2P

PC x x

P= = − −

avalVx

V=

Limite de Betz

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 502

3

4

5

6

7

8

9

10rho=1024kg/m^3 ; Cp=0,4

2505001000

D (m)

V (

kt)

0 50 100 150 2005

10

15

20

25

30

35

40

45

50rho=1,29kg/m^3 ; Cp=0,4

50010005000

D (m)V

(kt

)

Puissance potentielle d’une turbine

Fluide Densité (kg/^m3) Surface (m2)[Diamètre (m)]

Vitesse (m/s)[(m/s)3]

Puissance (kW)

Air 1.25 10400 [115] 7 [343] 1000

Eau 1000 530 [26] 2 [8] 1000

RapportAir/Eau

1/800 20 [4,5] 3,5 [43] 1

17

Ocean Power

Énergie houlomotrice

• Première génération : installation à la côte Fort impact environnemental ; moins de

puissance qu’au large ; ensablement ; galets… Mais raccordement facilité au réseau

• Seconde génération : installation offshoreNombreux prototypes qui doivent faire la preuve de leur fiabilité

Capacité : 10 à 30 MW/km2 selon le site Impacts, acceptabilité ?

Ferme Pelamis (Aguçadora, Portugal)2.25 MW (3 x 750 kW) ; extension à 21 MW ?120 m (5 x 24 m) ; diamètre 3.5 m

Puissances immenses mais :•problème de prédictibilité•grandes structures nécessaires

18

Énergie houlomotrice

Potentiel de site :• Taille des vagues, période• Houle propre au large… Mais raccordement difficile• La côte doit être adaptée si le système est placé au bord• Puissance moyenne côte atlantique : 45 kW/m

– Grande variation de l’énergie disponible (facteur 10)– Problèmes de conversion : mouvement alternatif, basse

vitesse, force importante– Énergie destructrice

Puissance :

W/m de front d’ondeHm0 : Hauteur significativeTe : Période

22

0

.. .

64. m

gP H Te

ρπ

=

19

Énergie thermique des mers (ETM)

• Différence de température entre les eaux profondes et de surface : cycle de Rankine basse pression (NH3)

• Meilleur à l’équateur (différence de température importante ∼ 25°C)

Japon, Hawaii, Polynésie

• Produit de l’électricité, du froid, de l’eau douce, de l’eau riche pour l’aquaculture.

Principe :

Système en cycle fermé

20

Énergie thermique des mers (ETM)

• Dans les années 70-80– Hawwaï

• Mini OTEC (79) 52 kW, OTEC 1,…

– Nauru• Centrale cycle fermé (81) 100 kW

– Tahiti• Avant projet 5 MW (abandonné en 86)

– Bora-Bora• Étude de faisabilité d’une centrale de dessalement

• Années 2000– Barge indo-japonaise « Sagar Shakthi » 1 MW

• Actuellement– Tahiti, Bora-Bora, Réunion (Espadon)

• Avenir– Centrale pour production d’hydrogène

Exemples :

5 MW50 m de diamètre75 m de hauteur (25 m hors de l’eau) ∼100 000 tPipe : 3 à 4 m de diamètre ; 1000 m de longueur

21

• Haute température de surface et grande profondeur

• Problème d’implantation : proximité cote, houle, profondeur importante (>1000 m), débit…

Potentiel de site :

Énergie thermique des mers (ETM)

22

• Un environnement hostile

– Développer des systèmes robustes,– Minimisation de la maintenance,– Minimisation des éléments de transmission mécanique– Survie à la mer : ancrages / technologies offshore– Prédiction des performances et des défauts– Conception multiphysique couplée

• Une énergie diffuse

– Fabriquer des structures importantes peu coûteuses

• Une énergie intermittente et parfois éloignés des réseaux de transport d’énergie

– Association avec des éléments de stockage – Développements d’une filière de vecteurs énergétiques

(Hydrogène-PAC….) – Transport de l’Energie, Gestion multi-sources des parcs et des

sites (Hubb)

Conclusion : Des défis à relever

(en grande partie électrotechnique)

L H 2

H2

Concept RD (IRENav)

(Thèse de M. Ruellan)

Plateforme Transformateur (alpha ventus)