Marine Renewable Energy (MRE)

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1 Marine Renewable Energy (MRE) Alexei Sentchev, Lab. d Océanographie & Géosiences, Univ. du Littoral Côte d Opale, FR alexei.sentchev@univ-littoral.fr MASTER Course on Marine Renewable Energy Plan of the course Introduction (Population growth, Energy production & RE production) Status of MRE in Europe, in the world (some specific cases) Economic motivation, cost, evolution Basic understanding in Fluid Mechanics (Frictionless Flow, Geophys. FL Dynamics, Tides & Tidal currents, Waves) Evaluation of Energy Potential and Advances on free stream turbine hydrodynamics Tidal Power Conversion Technology - Tidal Range - Tidal Stream - Other Study cases: La Rance and Sihwa lake TPP Wave Energy Conversion

2 Introduction The demand of electricity production is due to population growth We expect production of TWh in 2050 (170% increase) but it is strongly constrained but 3 priorities: to garantie the power supply to limit the impact on climate and environnement to control the cost of power production in order to avoid the inequality between countries Introduction The energy consumed by one person in different parts of the world varies dramatically... Country USA UK & EU Hong Kong China India Africa kw hours per person per day (poorest countries) There are a whole range of solutions being considered and implemented to reduce our energy consumption. Solutions include lifestyle / behavioural changes, technological developments in many areas, design innovations and attempts to change the consumption mindset of modern civilised society. The solutions for our future energy production seem to come down to: The maximum amount of Renewable Energy The balance from Nuclear Power For every 2 KWh of electricity produced from fossil fuels 3 KWh are lost in the generating process. The losses associated with W/T/H power are much less because there is no heat loss in the process

3 Electricity production resource Principal sources of electricity production in the world in 2011 (acc to World Bank) Energy production from fossil are dominant and even in progress, but why? A) boom in USA (gaz), B) in China (coal/charbon) But the fraction of green energy increases (4% in 2011) Nuclear power decreases after 2011 (80% of elec. in France) Ren. energy sources: Solar Wind Tidal Hydro Ocean thermal & Geothermal Bio-Fuel Subjects of the course

4 Panorama in Europe Potential of Electricity production (RenEn) by country RenEn Resources in Europe in 2020 (cf GreenNet Europe) Electricity production in Europe Since 1990, the majority of power convertors in EU are gaz turbines

5 Le potentiel des énergies marines renouvelables Potentiel naturel théorique (dont celui non exploitable techniquement) Potentiel techniquement exploitable (sous contraintes environnementales et sociétales, variables et dépendantes du développement des filières) (ex: éolien flottant, totalement absent il y a 10 ans, ouvre un vaste nouveau potentiel exploitable) Pour l ensemble des EMR: Potentiel naturel théorique de l ordre de TWh/an (d après IPCC) Eolien offshore posé: potentiel de 150GW en Europe près des côtes (500 TWh/an) Eolien offshore flottant: potentiel N x1000 TWh/an Marémoteur: ressource mondial 380 TWh/an Hydrolien: potentiel mondial techniquement exploitable 450 TWh/an Houle: potentiel techniquement exploitable en Europe TWh/an ETM: potentiel naturel (différence de température 20 ) TWh/an Production globale: énergie tidale GW, énergie renouvelable 0.5 TW, toute énergie 2.5TW

6 Energies marines 5 ressources 5 technologies 5 opportunités Off-shore wind Gestion des ressources marines de la diversitédes EMR Éolien flottant Hydrolien Éolien posé Marémoteur Houlomoteur ETM s le s ia re rc e F iliè m m c o rité tu a M 5 segments stratégiques Segment mature à faibles perspectives de développement Marémoteur 1 er segment des EMR Eolien posé modernes à avoir atteint le stade commercial Pression osmotique t n n e e m s e re p F iliè lo v e é d Pression osmotique Eolien flottant ETM Hydrolien Houlomoteur Segment très peu mature Faible visibilité sur le développement à court et moyen termes Après 2020 Entre 2015 et 2020 Filières stratégiques de COURT TERME Filières stratégiques de plus long terme Maturités et potentiels échelonnés Source: INDICTA 2013 Avant 2010 Avant 2005 Date de démarrage commercial Potentiel Techniquement Exploitable (PTE) Centaine de GW Milliers de GW

7 Energie éolienne offshore Charles Francis Brush, le grand-père des éoliennes Les batteries d accumulateur de son laboratoire ont été alimentées pendant 20 ans au moyen de la première éolienne à fonctionnement automatique de l histoire, gigantesque pour l époque - 17 mètres de haut, lourdes pales en cèdre produisaient une puissance de 12 kilowatts.

8 Potentiel éolien offshore puissance et rentabilité France : au sud de l Eldorado de la Mer du Nord, identification nécessaire de zones dédiées : -de 6 à 15 GW pour le posé? -un arbitrage flottant/posé? -de 6 à 60 GW pour le flottant? Special case: Scotland, Denmark (100% and 15 80% of Elec.Con. in 2030 from MRE Evolution des installations Eol. Offshore (EO) Parc de Thorntonbank, au large d Ostende (Belgique), utilise depuis 2008 des turbines de 5 MW Crown Estate (Royaume-Uni) a acquis un prototype de 7,5 MW développé par Clipper Windpower On évoque déjà des projets d éoliennes d une puissance unitaire de 10 MW

9 Un «parc éolien» ou «ferme éolienne» comporte généralement entre 20 et 50 éoliennes de 2 à 5 MW. D ici à 2015, les parcs pourraient rassembler de 50 à 100 éoliennes pour une puissance unitaire de 5 à 10 MW et une puissance installée totale de 500 MW. Certaines installations «farshore» c'est-à-dire au large (plus de 30 kilomètres des côtes), dotées de bases flottantes sont aujourd hui en phase de conception Histoire: Parc de Middelgrunden (Danemark) est le plus grand parc éolien offshore en Une nouvelle génération d éoliennes : 20 éoliennes de 2 MW, distantes de 180 m et disposées en un arc de cercle de 3,4 km de long. Ces éoliennes sont spécialement conçues pour résister à la corrosion. La nacelle et la tour sont équipées de systèmes de contrôle et de régulation de l humidité et de la température pour éviter tout risque de corrosion interne. La nacelle est équipée de deux grues hydrauliques permettant la manutention d outils et de pièces de rechange en tout point de l éolienne +/- de la technologie éolienne offshore Un nouveau potentiel élevé La technologie de «EO» bénéficie des avancées technologiques de «ET» La mer étant plane, les vents plus soutenus, plus réguliers et moins turbulents. A puissance égale, une EO peut produire 2 fois plus d électricité qu une ET. La mer offre de grands espaces libres d obstacles pour l implantation, sous réserve de concertation avec les autres usagers de la mer La durée de fonctionnement comprise entre 3000 et 3500 h selon les sites en Europe alors qu'elle est de moins de 2000 heures à terre Limites pour l exploitation Une EO coûte environ ou 30 à 50% plus cher qu une ET. Energie éolienne offshore est également intermittente. EO est soumise aux efforts du vent sur les pales/structure, mais aussi aux courants. L installation est plus compliquée. Des bateaux adaptés sont employés (500kE/j). La maintenance est également plus compliquée et plus coûteuse qu à terre (200kE/j). En cas d une panne, plusieurs jours sans réparation, donc une perte de production. Le raccordement électrique: des câbles sous-marins jusqu à la côte (nx10km). Un acheminement en courant continu avec des convertisseurs électroniques de puissance afin d atténuer les pertes d électricité.

10 Les constructeurs Les pays leaders En 2012, Siemens a construit 940 des éoliennes offshore actuellement installées en Europe. Offshore wind farms: design, limitations, installation technique I. Forces, resistance,. solutions Particular requirements for quality of all materials II. Foundation inspection & protection (high risk of erosion: hole depth ~ diameter) filling with rocks & stones

11 III. Under strong external forces, risk of oscillations System dimensions, de-coupling in frequency band, assessment of osc period Blade rot period Structure Wave s period Rotor rotation Floating systems Period (s) IV. Foundation & structure requirements, height, depth Easy to install, long life 5 MW, 25m w.depth, ->6m diam, 40m long, 6 cm wall thickness, 450 t weigh For bigger depth, diam >8m, length difficult to manage Acceptable for z>30m weight 700 t z>30m, weight t Technology adopted from oil plate-form Prototype 5MW onshore

12 V. Installation: 3 techniques Calm sea, depth <40m, t boat, 70 per screw, price 500kE/d Calm sea, depth >40m, jacket already installed, tech fine operation Transport from a base port, complete, more fast installation Wind turbine 5MW, nacelle at 100 m VI. Cable, grid connection VII. Maintenance conditions Calm sea (waves < 1.5m),implies a boat or helicopter, higly qualified persons Specific boat Cables buried at 1-2 m depth VIII. Removing is highly expensive

13 IX. Options for floating turbines Energie éolienne: R&D

14 Floating Wind Turbines Winflo DCNS-Nass&Wind-Vergnet Sud Bretagne turbine 5 MW Vertiwind Nenuphar-Technip-EDFEN Golfe de Fos turbine 2 MW 28

15 Wind farms IDEOL Patent for optimisation of off-shore wind farms Hywind Statoil Technip Stavanger Norway, 2009 SPAR 2,3 MW anchored/linked 29 Eoliennes posées Parc "Alpha Ventus" à 45 km de l'île de Borkum, Allemagne M 5000 Areva Alpha-Ventus 5 MW turbine Haliade 150 Alstom Le Carnet 6 MW turbine 30

16 Paysage de la France après 2 appels d offres for more information, please read in Tony Barton. David Sharfpe, Nick Jenkins, Evrim Bossanyi 2001: Wind Energy Handbook Wind EnergyThe Facts, European Wind Energy Association, Wind Energy Explained Theory, Design and Application J.F. Manwell, J.G.McGowan, A.L.Rogers, J.Willey and Sons, Wind Power Plants Fundamentals, Design, Construction and Operation, R. Gasch, J. Twele, James and James, Wind Power in View, edited by M. J. Pasqualetti, P. Gipe, R.W. Righter, Academic Press, Wind Energy in the 21st Century, R.Y. Redlingen, P.D. Andersen, P.E. Morthorst, UNEP, Wind Energy Handbook, T. Burton, D. Sharpe, N. Jenkins, E. Bossanyi, John Wiley and Sons, Wind Energy Comes of Age, P. Gipe, John Wiley and Sons, 1995.

17 Tidal Energy: barrage and free stream Characteristics of Tidal Energy Sustainable (as long as there is relative motion of the earth, moon and sun) Perfectly predictable Theoretical potential 7,800 TWh/year (39% of world consumption) Tidal theory