Une mine d’or bleu

Par Bérénice D’Alfonso & Titouan Prod’hon, étudiants ESTA Belfort, 03/2021

Mots clés : #energies #renouvelables #mers #oceans

Depuis maintenant plusieurs dizaines d’années, les énergies renouvelables ne cessent de se développer pour espérer remplacer les énergies fossiles et remporter le pari de la transition écologique. Certaines sources d’énergies sont déjà bien exploitées et bénéficient de technologies d’exploitation relativement avancées. Cependant d’autres sources d’énergies sont pour l’instant très peu exploitées malgré un potentiel qui semble à première vue énorme.

Les mers et océans couvrent 70% de la surface totale de la Terre. Ils possèdent une immense quantité de flux énergétiques, qui sont de nos jours, encore peu exploités par l’homme, mais pourraient représenter une énergie d’avenir. Les différents flux énergétiques des mers et des océans proviennent de :

• L’énergie solaire, qui est à l’origine des vents, de la houle, des grands courants marins et des différences de température de la mer
• La variation de la gravitation due aux positions respectives de la Terre, de la Lune et du Soleil qui provoquent les marées.

Mais alors quels sont les différents types d’énergies que l’homme peut exploiter grâce aux mers et océans ? Quelles solutions techniques permettent de les exploiter ? Quelle est leur utilisation ? Leurs avantages et inconvénients ? En quoi l’exploitation de ces ressources énergétiques est plus compliquée que d’autres ?

Pour faire simple : les énergies océaniques sont-elles réellement une énergie d’avenir ?

Pour le savoir nous allons nous intéresser aux 4 grands types d’énergies qui proviennent des océans :

L’énergie des marées et courants marins

L’énergie marémotrice, comme son nom l’indique, provient des mouvements de l’eau créés par les marées grâce aux forces de gravitation de la Lune et du Soleil. Cette énergie peut être exploitée de deux manières :

On peut utiliser l’énergie potentielle causée par l’élévation du niveau de la mer pendant les marées, grâce aux centrales marémotrices. Ces centrales sont donc construites dans des zones où les variations de la hauteur du niveau de la mer sont importantes pour optimiser la production d’électricité. Le but est de créer un bassin, en installant un barrage dans un bras de mer. Le barrage sera doté de vannes, dont certaines seront munies de turbines. On peut ainsi décider de fermer le barrage à marée haute, puis d’ouvrir les vannes à marée basse pour que le bassin, resté à niveau haut, se vide progressivement en actionnant les turbines. On peut également faire l’inverse, ou même utiliser les deux techniques pour optimiser la production d’électricité.

Dans le monde, nous trouvons uniquement cinq centrales en exploitation : une au Canada, une en Corée du Sud, une en Russie et une en Chine.  En France nous disposons également d’une de ces centrales, dans l’estuaire de la Rance, dans le Nord Est de la Bretagne. Elle fait partie des plus grandes usines marémotrices du monde, avec une production annuelle d’électricité d’environ 500GWh, soit la consommation d’une ville de 225 000 habitants comme Rennes.

Cette technologie représente un gros avantage : les marées sont une source d’énergie renouvelable, mais surtout inépuisable et prévisible. Cependant de nos jours, seules quelques zones peuvent être propices à l’installation de ce genre d’usine. Il n’y en a qu’une en France et peu dans le monde. Toutefois, on estime que le potentiel de l’énergie marémotrice dans le monde est d’environ 380TWh par an, soit 1,5 à 2% de la production d’énergie mondiale.

Le principal inconvénient causé par les centrales marémotrices est la modification de l’écosystème. Dans les environs de l’estuaire de la Rance, l’écosystème a été profondément perturbé depuis la mise en service de la centrale. Certaines espèces ne peuvent plus passer l’estuaire à cause du barrage, modifiant ainsi la faune et la flore.

C’est pourquoi une autre alternative de production d’électricité grâce aux courants marins se développe de plus en plus : les hydroliennes. Il s’agit en général d’une roue à aubes ou d’une hélice constituée de pales montées sur un arbre dont la rotation (créée par le courant marin) entraîne une génératrice électrique. Elles peuvent être installées sur un mât ou bien sur un tripode posé dans les fonds marins. L’impact visuel est donc quasi nul puisque l’hydrolienne est immergée dans l’eau. De plus, les courants marins sont une source d’énergie inépuisable.

Cependant, l’implantation de ces machines reste limitée car plusieurs critères doivent être réunis pour un fonctionnement optimal : les hydroliennes doivent en général se trouver à une profondeur de 30 à 40 mètres, dans des zones de fort courant, à proximité des côtes pour tirer un câble sous-marin de raccordement au réseau. Une telle installation bénéficie en général d’un rendement global de 40 à 50%. Elles ont besoin d’une maintenance régulière pour lutter contre la corrosion et l’encrassement biologique, mais cette maintenance est rendue difficile de par l’implantation en profondeur de ces hydroliennes.

Il est également possible de profiter du mouvement de l’eau provoqué par le vent : les vagues et plus particulièrement la houle.

Les houlomotrices

Les vagues créées par le vent provoquent de la houle qui transporte de l’énergie cinétique. L’oscillation de la houle à la surface de l’eau entraîne l’oscillation de flotteurs en série qui entraîne à leurs tours l’arbre d’un générateur d’électricité. Il existe différents procédés existants ou à l’étude comme la chaîne flottante articulée, la paroi oscillante immergée, la colonne à oscillation verticale, le capteur de pression immergé, la colonne d’eau et le piège à déferlement. Le choix final du modèle tiendra compte de la robustesse du système, de son envergure en relation avec sa puissance et du prix de revient prévisionnel du MWh d’électricité produite. La figure suivante rassemble des schémas explicatifs du fonctionnement de quelques-unes des technologies existantes :

Cette énergie renouvelable est la plus dense, avec un potentiel de production immense. Ses caractéristiques en font une ressource qui pourrait atteindre une capacité de production théorique proche de la production nucléaire mondiale. Mais dans la pratique il est impossible d’exploiter tout le potentiel de cette source énergétique, qui demanderait des investissements et une maintenance colossale. De plus, l’exploitation de cette énergie empêche les activités nautiques et les transports maritimes dans la zone d’exploitation. En prenant en considération également le fort inconvénient esthétique, cette énergie renouvelable sera vite limitée et ne pourra être développée qu’à certains endroits adaptés.

Mais nous allons maintenant voir que la houle n’est pas l’unique source d’énergie qui dispose d’un énorme potentiel.

L’énergie thermique des mers (ETM)

Il est en effet possible de produire de l’électricité grâce à l’énergie thermique des mers et des océans. Le principe est d’exploiter la différence de température entre les eaux de surface (25°C) et les eaux profondes (5°C). Cette différence de température existe naturellement dans les mers tropicales où les rayons solaires sont absorbés par l’océan de façon optimale car ils touchent perpendiculairement la surface de l’eau. Cette technologie révolutionnaire permet donc de produire de l’électricité 24h/24 toute l’année. Pour cela, on utilise des générateurs thermoélectriques transformant directement l’énergie thermique en énergie électrique par effet Seebeck (utilisation de la différence de potentiel).

Une unité d’ETM est constituée d’un ensemble évaporateur turbine / condenseur, et de conduits et pompes d’alimentation en eau chaude et eau froide pompée en surface et en profondeur.

Cette technologie possède un bon nombre d’avantages : elle ne rejette aucun composant polluant et assure une production continue avec une très bonne prédictibilité. De plus, elle pourrait même participer à l’accroissement de la production biologique en ramenant à la surface des nutriments riches base de la nourriture de la faune maritime.

Sa mise en service nécessite cependant de très gros investissements, avec des conduites qui doivent descendre à plus de 1000 mètres de profondeur, le tout pour un rendement assez faible. De plus, cette solution technologique ne pourra être utilisée uniquement dans les zones tropicales du globe. Mais elle pourrait à terme remplacer l’énergie fossile et répondre aux besoins croissant en électricité des territoires situés dans les Tropiques et à contribuer ainsi à leurs futures autonomies énergétiques.

Il existe une dernière source d’énergie, qui est sûrement la moins connue du grand public.

L’énergie osmotique issue de la salinité

Il est en effet possible de produire de l’électricité grâce à la différence de salinité entre l’eau de mer et l’eau douce. L’énergie osmotique consiste à utiliser une hauteur d’eau ou une pression créée par la migration de molécules d’eau à travers une membrane semi-perméable. La pression d’eau en résultant assure un débit qui peut alors être turbiné pour produire de l’électricité.

Pour ce faire, il faut construire une centrale osmotique aux bords des côtes qui comprendra :

• une membrane semi-perméable séparant les réservoirs d’eau salé et d’eau douce
• des pompes et conduites acheminant l’eau dans les réservoirs
• un échangeur de pression pressurisant l’eau salé en amont
• une station d’épuration et des équipements de lavages des membranes permettant d’éviter leur encrassement
• la turbine productrice d’électricité

Là encore, une telle installation assure une production en continue, très facile à prévoir et respectueuse de la biodiversité. Mais tout comme l’exploitation de l’ETM, les coûts initiaux et de production sont très onéreux, le tout pour un faible rendement, et la construction de la centrale doit se faire sur l’espace côtier à l’embouchure d’un fleuve.

Comme on a pu le constater, l’énergie des océans est potentiellement considérable mais elle est difficile à collecter, surtout en s’éloignant des lieux de consommation. Mise à part les centrales marémotrices, les technologies océaniques en sont au stade de la démonstration et de projets pilotes.

On peut donc se poser la question suivante :

Comment cette source d’énergie, qui pourrait sembler infinie, est-elle exploitée par l’homme ? Son exploitation peut-elle réellement satisfaire les besoins de l’humanité ?

Il convient maintenant de se rendre compte du potentiel énergétique global de ces différentes sources d’énergie, pour les comparer aux besoins actuels dans le monde. Comme on peut s’en douter, il y a une différence très importante entre le potentiel théorique et le potentiel techniquement ou économiquement exploitable. Théoriquement, ce potentiel se chiffrerait en millions de TWh par an. Mais selon un article paru sur le site Futura planète en janvier 2021, le potentiel réellement exploitable serait de l’ordre de 100 000 TWh par an. Pour mémoire, la consommation totale d’énergie dans le monde est d’environ 140 000 TWh par an, dont une production d’électricité de 27 000 TWh en 2019. Le tableau suivant regroupe les différentes sources d’exploitation des énergies marines avec leur potentiel énergétique :

Les variables les plus incertaines sont celles de la houle et de l’ETM. Tous les scientifiques s’accordent à dire que le potentiel de la houle est très élevé, mais les chiffres d’une valeur concrète varient beaucoup d’une source à une autre. Il en est de même pour l’ETM. De manière générale, cette source pourrait représenter entre 10 000 et 100 000 TWh par an. Selon l’Irena (Agence Internationale pour l’Energie Renouvelable), ce potentiel pourrait atteindre 44 000 TWh par an. A titre de comparaison, en 2018, la production mondiale d’électricité nucléaire était de 2 710 TWh, soit 10% de la production mondiale d’électricité.

En prenant en compte les autres sources d’énergies marines, on peut donc estimer le potentiel allant de 65 000 TWh par an, à 120 000 TWh par an. On constate alors que le potentiel énergétique des mers et océans pourrait totalement remplacer notre production électrique actuelle, et pourrait couvrir une bonne partie de la consommation totale de l’humanité.

Conclusion

Il est important de noter que malgré l’abondance des énergies marines, leur potentiel qui semble infini à la première approche, n’a rien de démesuré quand on le compare à la consommation mondiale. On constate que ce potentiel est déjà inférieur à la consommation totale et qu’il le sera de plus en plus dans les années à venir, dans la mesure où notre consommation ne cesse d’augmenter chaque année, notamment avec la croissance démographique. De plus, il faut garder en tête que même si les chiffres laissent prétendre que les énergies marines peuvent répondre à une bonne partie de notre consommation, il faut prendre en compte la contrainte technique de la collecte et la distribution de l’électricité produite. Par exemple, même si l’ETM représente un gros potentiel, elle ne peut être exploitée que dans les zones maritimes tropicales.

A l’heure actuelle, seules les énergies utilisant le vent en mer (éoliennes offshore) se développent de manière conséquente. D’ailleurs, les éoliennes flottantes offrent des perspectives intéressantes notamment pour la France sachant qu’elle dispose du deuxième domaine maritime mondial avec 11 millions de kilomètres carrés d’espace océanique sous sa juridiction. L’exploitation des énergies des courants (marées et houles) en sont à leur début et font encore face à beaucoup de problèmes : coût, maintenance, modification de l’écosystème (exemple des centrales marémotrices). L’exploitation des Énergies Thermiques des Mers est encore en phase d’expérimentation et de développement. La Corée sera la première à mettre en service sa centrale ETM en 2021, tandis que d’autres sont en phase d’expérimentation à la Réunion, en Chine, à Hawaï et au Japon.

Références

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