Les énergies marines renouvelables

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1 Face aux défis énergétiques et environnementaux, notre société se tourne de plus en plus vers les sources d énergies renouvelables. Dans le domaine des énergies marines renouvelables, on trouve à l heure actuelle des technologies aussi variées que l éolien ou l exploitation de l énergie des vagues et des courants marins, dont les niveaux de maturité sont complètement différents, impliquant des challenges techniques ou économiques très divers. En 2008, les énergies renouvelables représentaient un peu moins de 20 % de la consommation globale d énergies en France, mais les énergies marines renouvelables n en représentent encore qu une part infime. La plus courante de ces énergies à l heure actuelle est l énergie éolienne captée sur des sites offshore, mais l océan présente plusieurs sources d énergies qui peuvent être exploitées, telles que les marées et leurs courants, la houle ou l énergie thermique des mers. L énergie marémotrice est sans doute la mieux maîtrisée à l heure actuelle. L usine de la Rance (région Bretagne, France) fournit d ailleurs de l énergie en quantité très importante (240 MW installés fournissant environ 500 GWh/an) au réseau depuis Depuis lors, très peu d installations ont vu le jour, puisqu on ne compte que quelques sites de ce genre au Canada, en Chine, en Russie et en Corée du Sud (qui a d ailleurs construit l usine marémotrice la plus puissante en 2009). Par ailleurs, le faible nombre de sites favorables empêchera un décollage massif de l énergie marémotrice, quand ce ne sont pas des considérations économiques qui font annuler des projets, comme cela a eu lieu avec le projet de la Severn au Royaume-Uni. On peut également exploiter les gradients de salinité de l environnement marin ou cultiver des algues afin de produire les biocarburants dits de troisième génération (voir fiche "L eau et les biocarburants"), mais ces filières sont aujourd hui plus que balbutiantes. L éolien offshore En Europe, fin 2009, un peu plus de MW d éoliennes offshore sont en fonctionnement, soit 828 turbines dans 38 fermes, réparties sur 9 pays. Sur les dernières années, le Royaume-Uni a pris la position de leader des installations suite à l arrêt des subventions qui avaient lancé le marché au Danemark. Fig. 1 - Le marché annuel de l éolien offshore fixe en Europe ( ) 500 MW Danemark Pays-Bas Suède Royaume-Uni Dans les prochaines années, le Royaume-Uni mènera encore le marché européen avec le Danemark et l Allemagne. Dans le monde, MW devraient être installés en 2010 : 17 fermes sont en construction et 52 nouveaux sites sont prévus à moyen terme. Plus de 100 GW sont maintenant planifiés sur les années à venir.

2 Fig. 2 - Les tendances du marché pour , puis 2020 MW Belgique Danemark Allemagne Suède Royaume-Uni 0,7/0,8 GW 1,9 GW 7 GW Les projets se multiplient, stimulés par les différents objectifs d installation comme les 6 GW d ici à 2020 en France issus du Grenelle de l environnement, et les 50 GW pour l ensemble de l Europe visés par l Association européenne de l énergie éolienne (EWEA). Au niveau mondial, les États-Unis et la Chine ne se laissent pas distancer, la Chine ayant ainsi relevé son objectif éolien offshore pour 2020 à 30 GW et les États-Unis visant 10 GW à la même date. À l heure actuelle, le développement de l énergie éolienne offshore se fait à proximité des côtes. Ces éoliennes sont fixées au fond de la mer par des fondations qui permettent d envisager des installations de fermes, jusqu à des profondeurs de 50 m environ. Au-delà, et afin de bénéficier de ressources de vent encore plus importantes, voire de se soustraire au regard des populations côtières, il est nécessaire de faire appel aux technologies d éoliennes flottantes, qui sont alors positionnées sur un flotteur ancré au fond de la mer. Si l installation sur fondations fixes est un procédé techniquement plutôt bien maîtrisé par les industriels, mais pour lequel des méthodes de réduction des coûts d installation et de fondation sont nécessaires, le développement des structures flottantes constitue encore un défi. Cependant, le potentiel de ces technologies est important et peut être prépondérant, comme en France où la bathymétrie est favorable à l offshore flottant. L exemple des États-Unis (figure 3) est ainsi assez frappant puisque s affranchir de la barrière des 50 mètres de profondeur permet de tripler le potentiel de l éolien offshore. À titre de comparaison, l Agence européenne de l environnement a évalué le potentiel offshore techniquement accessible en Europe aux alentours de GW. Fig. 3 - Le potentiel éolien offshore aux États-Unis en fonction de la profondeur Potentiel installable (GW) m m m > 900 m Source : National Renewable Energy Laboratory En Europe, les projets de démonstrateur, d éoliennes flottantes se multiplient afin de proposer des concepts technologiquement sûrs et économiquement viables. Ainsi, à titre illustratif, le projet Diwet, porté par la société Blue H (Pays-Bas) est un concept de plateforme flottante ancrée au moyen de lignes rigides tendues. Deux projets sont portés également par des acteurs norvégiens : WindSea propose une plateforme semi-submersible avec trois turbines, alors que l entreprise Sway promeut un concept d éolienne fixée à un flotteur de type Spar ancré au fond marin par un ancrage tendu, ce qui permet à l éolienne de s orienter en fonction de la direction du vent. Trois autres projets impliquent des acteurs français à des niveaux divers. Le projet Hywind, porté par Statoil, a permis d installer une éolienne flottante équipée d un flotteur immergé de type Spar conçu et installé par le groupe Technip. Le projet Winflo, porté par la société française Nass & Wind, propose une éolienne flottante sur une plate-forme semi-submersible alors que le projet VertiWind, de la société française Nénuphar en partenariat avec Technip, propose un concept novateur constitué d une éolienne flottante à axe vertical. En France, les projets Diwet, VertiWind et Winflo ont été labellisés par les pôles Mer Bretagne et Mer PACA, pôles de compétitivité regroupant des entreprises, des laboratoires de recherche et des acteurs académiques implantés sur ces territoires.

3 Fig. 4 - Quelques projets d éoliennes flottantes Hywind VertiWind des turbines à effet Venturi ou des systèmes oscillants calqués sur la physique des nageoires de baleines, mais ils restent assez marginaux (figure 5). Fig. 5 - Les projets d exploitation des courants en cours par famille de technologies Turbines à flux axial Turbines à flux transverse Source : Statoil Source : Nénuphar Diwet Winflo 35 % 15 % Source : Sabella Source : Université de Strathclyde Systèmes oscillants Systèmes Venturi Source : Blue H Source : Winflo Trouver une solution économiquement viable est primordial lorsque l on sait qu une éolienne offshore flottante représente un investissement environ deux fois plus important qu une éolienne fixe et que le flotteur amène la majeure partie de ce surcoût. Les acteurs se montrent très confiants, mais les challenges restent assez nombreux. Encore freiné par ces obstacles technologiques, le secteur de l éolien offshore (et à plus forte raison pour l éolien flottant) est encore très dépendant des subventions et des tarifs de rachat de l électricité qui peuvent être mis en place afin de lancer la filière. La France et l Allemagne ont opté pour des tarifs assez proches, alors que le Royaume-Uni a pris le parti d imposer un système de certificat poussant à l incorporation d énergies renouvelables dans le mix électrique. En définitive, toutes ces dispositions valorisent le MWh éolien offshore entre 130 et 140. L énergie des courants Les courants provoqués par les marées sont particulièrement forts en certains points situés à proximité des côtes comme les détroits, les caps ou les estuaires. Cette énergie peut être transformée en électricité par des hydroliennes, sortes d éoliennes sous-marines, qu elles soient à flux axial (géométrie sensiblement proche des éoliennes que nous connaissons) dans un bon tiers des projets, ou à flux transverse, c est-à-dire équipées d un axe de rotation vertical. D autres concepts existent comme 8 % Source : Biopower Systems Roues à aubes 4 % Source : Hydro-Gen À l échelle mondiale, l énergie des courants potentiellement récupérable est somme toute assez modeste avec 800 TWh/an. L énergie de la houle 8 % Source : HydroVenturi 30% Les vagues à la surface des mers sont créées par le vent. La quantité d énergie générée est très diffuse, mais aussi variable suivant les saisons et la localisation géographique : par exemple entre 40 et 60 de latitude, la puissance des vagues est maximale.

4 Fig. 6 - Répartition des dispositifs houlomoteurs par famille de technologies Corps oscillants Colonnes d eau oscillante Fig. 7 - Répartition géographique des capacités installées entre 2004 et 2009 Capacités installées vagues et courants et prévisions MW/an États-Unis Royaume-Uni Espagne Portugal Irlande France Canada Australie 51 % 24 % Source : Pelamis Wave Power Source : Limpet 10 Collecteurs 21 % L énergie thermique des mers 4 % Source : Wave Dragon À l échelle mondiale, le potentiel d énergie récupérable et économiquement exploitable a été évalué par le Conseil mondial de l énergie entre et TWh/an soit l équivalent de 2 à 4 fois la consommation électrique d un pays comme la France. En France, ce potentiel est important (le deuxième en Europe derrière le Royaume-Uni) avec 40 TWh/an, localisé surtout sur la façade atlantique, et hors métropole, à la Réunion et en Polynésie. De très nombreux dispositifs ont été imaginés et expérimentés et peuvent être répartis en trois grandes catégories déclinées généralement en version fixe (sur le fond marin -nearshore- ou sur les côtes) ou en version flottante (figure 6). Historiquement, ce sont les dispositifs à colonne d eau oscillante qui ont vu le jour en premier. Des dispositifs collecteurs sont également utilisés dans quelques cas : en récupérant l eau déplacée par les vagues dans des réservoirs surélevés, ils permettent de faire tourner une turbine bidirectionnelle grâce à l écoulement produit. À l heure actuelle cependant, ce sont les dispositifs dotés de corps oscillants, généralement des bouées, qui bénéficient de l intérêt le plus important. Placés en mer, ils doivent permettre de récupérer le maximum d énergie tout en survivant aux tempêtes et aux vagues centenaires, ce qui induit nombre de défis sur leur structure et leurs ancrages. Les technologies ETM (Énergie thermique des mers) exploitent les différences de température entre la surface et les profondeurs. Une différence de température d au moins 20 C entre les eaux de surface et les eaux profondes étant nécessaire, ce sont surtout les zones intertropicales qui sont visées par ces technologies. Lepotentiel estimé est gigantesque, soit environ TWh/an, s approchant de la consommation mondiale électrique à son niveau de l an 2000, mais il est diffus et le potentiel économiquement exploitable à terme est encore très incertain. D autres acteurs imaginent également utiliser l eau froide des fonds océaniques soit pour climatiser des bâtiments, soit pour liquéfier du gaz naturel. Actuellement, un projet d étude de faisabilité a été signé pour une centrale électrique ETM en Polynésie française. À la Réunion, un autre projet prévoit la réalisation d un démonstrateur par la DCNS. Aux États-Unis, le groupe spécialisé dans l aéronautique et la défense, Lockheed Martin, s est également positionné sur le sujet. Le développement des filières utilisant la houle, les courants et l énergie thermique des mers Clairement, nous n en sommes qu au tout début des filières d énergies marines. Dans le monde, moins de 3 MW/an ont été installés en moyenne sur la période

5 à la fois pour les vagues et les courants, soit l équivalent annuel d une nouvelle éolienne! Dans le même temps, il n existe qu une unité ETM en fonctionnement à Hawaï, et les prochaines ne sont pas prévues avant quelques années. Mais le mouvement est lancé, notamment au Royaume-Uni, aux États-Unis et au Portugal, et les prévisions pour les prochaines années, si les projets survivent au ralentissement économique actuel, s établissent autour de 25 MW installés tous les ans, principalement des prototypes ou des unités précommerciales (figure 7). En termes de répartition, l énergie issue de la houle a bénéficié historiquement d un démarrage plus rapide, mais sur les dernières années les installations récupérant l énergie des courants ont petit à petit rattrapé leur retard (figure 8) et ce sont maintenant deux filières comparables qui se développent en parallèle. Fig. 8 - Les capacités installées entre 2004 et 2009 par type d énergie 7 6 Courant Vague Fig. 9 - Tarifs de rachat en Europe pour les projets vagues et courants Pays France Irlande Portugal Espagne Royaume- Uni Source : sites web des instances nationales Tarifs Durée Applicable à Nouveau tarif depuis le décret du 1 er mars 2007 : 0,15 /kwh sans condition de taille Tarif de 0,22 /kwh pour les projets récupérant l énergie des vagues Tarif négocié projet par projet sur la base de 0,23 /kwh en fonction de la technologie, de son lieu de fabrication et des capacités déjà installées Tarif général de 0,0686 /kwh pendant 20 ans puis 0,0651 /kwh ensuite Pas de tarifs de rachat, mais un système de certificats donnant une équivalence d environ 0,343 /kwh en 2008 Tarif garanti pendant 20 ans (et pouvant être rétroactif) Jusqu en 2025 Maximum 15 ans 1 er tarif pendant 20 ans Certificats (ROCs) augmentant jusqu à 2015 Uniquement projets de démonstration 0-20 MW Sinon selon la taille Fig Énergies marines dans le monde : potentiel, maturité et rythme de développement 5 Énergie Potentiel de production d électricité Maturité technique État du marché MW/an 4 Éolien offshore TWh/an GW/an 3 2 Énergie thermique des mers TWh/an + 2 unités en projet 1 Énergie houlomotrice TWh/an Quelques MW/an Énergies des courants > 800 TWh/an + Quelques MW/an Il est alors important pour les acteurs de continuer à travailler à faire mûrir ces technologies sur les plans techniques et économiques afin d en faire de véritables filières industrielles, viables sur le long terme. Proposer des concepts efficaces et économiquement viables implique de relever les défis de la robustesse des structures, de la maintenance en mer de ces installations et des raccordements électriques jusqu au réseau. Afin de capitaliser sur cette industrie naissante, des aides gouvernementales et régionales sont nécessaires et les tarifs de rachat sont primordiaux, au moins au démarrage de ces filières, mais également pour les inscrire dans la durée. Ils sont déjà en place dans certains pays, à des niveaux divers. Très motivants au Portugal et en Irlande (figure 9), ils ne couvrent que très légèrement les coûts de production actuels des énergies de la houle ou des courants, qui s établissent aujourd hui entre 0,2 et 0,3 du kwh. Source : IFP Energies nouvelles Les enjeux de la recherche Au-delà des aides tarifaires et compte tenu de la faible maturité de ces technologies marines, les aides à la recherche sont également très importantes. Aux États-Unis, une aide à la R&D de 50 M$/an sur a été débloquée suite à la signature du Marine and Hydrokinetic Renewable Energy Research and Development Act en En Europe, le Royaume-Uni est la zone la plus avancée en termes de recherche dans ce secteur et deux sites d essai y existent déjà, permettant de tester les prototypes. En France, le Grenelle de l environnement suivi du Grenelle de la mer ont permis de mettre la problématique des énergies marines au centre des débats. L Ipanema (Initiative partenariale nationale pour l émergence des énergies marines) a été créée en 2008 et les travaux de l Ancre (Alliance nationale de coordination de la recherche sur les

6 énergies) ont également accordé une attention particulière aux énergies marines. Un institut d excellence sur les énergies décarbonées (IEED) "France énergies marines" a été décidé en 2009 et serait implanté à Brest en 2011 afin d accélérer les progrès techniques au niveau français. Les énergies marines se structurent sur le territoire français et notamment autour de la région Bretagne (voir carte). La prochaine étape sera de doter le pays de sites d essais afin que les promoteurs puissent venir tester leurs prototypes. Celui dédié aux projets houlomoteurs, le SEM-REV, devrait voir le jour au large du Croisic alors qu un site pour tester les systèmes exploitant les courants de marée devrait être créé à Paimpol-Bréhat et qu un site estuarien serait implanté dans la région de Bordeaux. Pour l ETM, un site d essai sur l île de la Réunion devrait être décidé prochainement. Pour conclure, les énergies marines se trouvent à une période charnière de leur développement. Car si l éolien offshore est en bonne voie, malgré des challenges technico-économiques à relever, notamment pour l éolien flottant, les autres énergies (ETM, vagues et courants) n en sont encore qu à leurs balbutiements. Les efforts de recherche et de développement à fournir sont considérables avant de pouvoir décrire ces filières comme techniquement matures. Encore peuplé de nombreux prototypes ou de modèles à échelle réduite, le marché des installations EMR reste confidentiel. Mais ces énergies représentent un potentiel énergétique important qui explique l attention dont elles font l objet de la part de la plupart des grandes nations qui cherchent à diversifier leurs sources d énergie. Pierrette Demoulin - pierrette.demoulin@ifpen.fr Simon Vinot - simon.vinot@ifpen.fr Manuscrit remis en octobre 2010 Carte - Implantation des acteurs des énergies marines autour de la région Bretagne La Compagnie du Vent Nass & Wind Offshore Powéo WPD Offshore WPD Offshore Maïa Eolis Enertrag Site de démonstration - EDF Recherche amont - IRENav Prototype Sabella - HydroHelix Energies Projet Winflo Nass & Wind Offshore Nass & Wind Offshore EDF EN WPD Offshore Prototype Morgane Olmix Eole Res La Rance Projet Safe Oil - Audélor Projet Diwet - Blue H Site de démonstration SEMREV Projet SEAREV - École centrale de Nantes Projet Shamash - Ifremer Recherche amont Prototype / démonstration Projet industriel Parc éolien Éolien flottant Marée - Courants Vagues Algues Pôle de compétitivité Source : Pôle Mer Bretagne IFP Energies nouvelles 1 et 4, avenue de Bois-Préau Rueil-Malmaison Cedex France Tél. : Fax : Établissement de Lyon Rond-point de l échangeur de Solaize BP Solaize France Tél. :