Projet interdisciplinaire II Travail individuel : LES ENERGIES MARINES DANS LE NORD DE L EUROPE : ETAT DES LIEUX Travail présenté par Arnaud Rottier Groupe 8 Titulaires de cours Tom BAULER, Pierre REGNIER, Emilie MUTOMBO
Introduction L objectif de l Union Européenne est de réduire les émissions de CO2 afin de contrer le réchauffement climatique en limitant l augmentation de tempéraure moyenne globale à 2 C par rapport aux températures préindustrielles. En effet le CO2 comme d autres gaz contribue à augmenter l effet de serre de la terre et ainsi la réchauffer. Le secteur de la production d électricité est un secteur clé dans cette démarche car l utilisation des combustibles fossiles pour la production d électricité est une cause importante d émissions de GES. Le but de l Union Européenne est donc de diminuer la production de GES dans ce secteur de 80 à 95 % d ici 2050. Aujourd hui ce secteur est principalement dominé par les énergies fossiles polluantes. Il est donc indispensable de trouver d autres moyens de produire de l électricité. C est pourquoi nous avons décidé de travailler sur les énergies renouvelables et plus particulièrement sur les énergies offshores dans les mers du nord (mer Celtique, mer du Nord, La Manche et la mer d Irlande). Si l on maintient l effort quant au développement de l énergie offshore, celle- ci pourra fournir une importante contribution à la décarbonisation du secteur de l électricité. Nous avons ciblé 4 énergie différentes qui sont soit déjà utilisé ou qui le seront dans un futur proche. Ces énergies sont : l énergie éolienne, l énergie des vagues, l énergie des marées et l énergie des courants marins. D autres énergie de la mer comme l énergie osmotique ou l énergie de gradient de température ne seront pas repris dans ce travail car jugés trop peu avancées dans leur développement ou non appropriées à notre domaine géographique. Dans le cadre de ce travail, nous aborderons les sujets suivants : la capacité de production d électricité des technologies offshores actuelles, les projets envisagés et les évolutions technologiques futures. Nous tâcherons également de savoir s il est possible d interconnecter ces technologies à un réseau offshore commun. 2
Les énergies de la mer Les estimations sur le potentiel énergétique offshore à travers le monde sont de l ordre de 100 000 TWh par an. Par comparaison, la consommation d électricité mondiale s élève aujourd hui à plus ou moins 16 000 TWh par an. 1. Energie éolienne 1.1. Fonctionnement et technologies Le rayonnement solaire réchauffe inégalement la surface de la Terre, créant ainsi des zones de températures, de densités et donc de pressions différentes. Les vents sont les déplacements d'air entre ces zones de pressions différentes. Les éoliennes utilisent le vent pour mettre en mouvement leurs pales et faire tourner leur rotor et ainsi créé de l'énergie mécanique qui sera transformée ensuite en électricité par l intermédiaire d un générateur. Les machines installées en mer sont semblables aux éoliennes terrestres. L'augmentation progressive de la taille, de la légèreté et de la puissance, et donc du rendement, des éoliennes depuis une dizaine d'années est particulièrement observable dans les projets offshores. A l'heure actuelle, la majorité des éoliennes installées en mer mesurent plus de 100 mètres de haut et la puissance moyenne des turbines installée est de 2,9 MW. Certains nouveaux projets prévoient l installation d éoliennes pouvant atteindre une puissance de 8MW. De par la qualité du vent et l avancée des technologies, les éoliennes offshore sont donc bien plus productives que celles on shore, ce qui permet d amortir des coûts de mise en place plus importants. L'énergie éolienne est une énergie propre et réversible. Les installations sont en effet entièrement démontables et facilement remplaçables et ont une durée de vie estimée à 20 ans. Malheureusement, le caractère intermittent et aléatoire du vent est problématique. La connexion au réseau et des frais de renforcement de celui- ci sont souvent également nécessaires pour l exploitation de l éolien offshore. En plus de cet investissement initial, s'ajoutent principalement les coûts de maintenance et de fonctionnement des installations. 1.2. Potentiel et sites favorables L'Europe dispose d'un bon potentiel, principalement localisé en Europe du Nord. (Annexe 1) 3
1.3. Capacité installée Actuellement, l'énergie éolienne en mer est la plus mature des énergies marines renouvelables et la seule à bénéficier d un réel marché. La taille des parcs est très variable et les projets de grandes fermes éoliennes offshores se multiplient à travers le monde et en tout premier lieu en Europe du Nord. En prenant les chiffres les plus récents fournis par l'ewea ( European Wind Energy Association), il apparaît que la capacité totale fin 2011 pour l éolien offshore est de 866 MW pour l Union Européenne. Ce qui représente 8,9% de la puissance éolienne Européenne. 1.4. Projets futures Le secteur de l éolien offshore est dynamique et ce malgré la crise. En plus de tous les projets conventionnels en cours, le nouveau défi des industriels de l'éolien en mer repose sur l éolien flottant qui consiste en des turbines fixés sur une plate- forme flottante ancrée au fond marin. Ce nouveau projet permettra de construire des éoliennes plus loin dans la mer, à des profondeurs pouvant atteindre 200 mètres et ainsi bénéficier de vent plus fort et plus régulier. Malheureusement cette technologie coûte encore très chère car il faut construire des flotteurs souples pour résister aux intempéries mais assez solides pour supporter le poids de l éolienne. Cette technique qui n est encore qu au stade de quelques prototypes comme en Norvège ou au nord du Portugal espère atteindre d ici 2020 des prix de production d électricité avoisinant celui de l éolien offshore fixe. Une hausse rapide de la production est donc à prévoir. Le développement de réseaux transnationaux entre fermes éoliennes maritimes en est également à ses débuts. En effet, en décembre 2010, 10 états côtiers du nord de l Europe ont signé un accord de coopération dans le cadre de la North Seas Countries Offshore Grid Initiative afin de poursuivre ensemble le développement des parcs éoliens offshore des Mers du Nord Sur le long terme, et selon l'hypothèse : basse, moyenne ou haute, la capacité de l'éolien offshore variera entre 20, 30 et 40 GW en 2020 et 40, 120 et 150 GW en 2030. La Commission Européenne estime aussi que la part de l'éolien offshore dans le bouquet énergétique européen pourrait atteindre 15% en 2030. 4
2. Energie houlométrique 2.1. Fonctionnement et technologie L énergie des vagues, ou énergie houlomotrice, résulte de l effet du vent sur les surfaces marines. Le vent qui frappe la surface de la mer crée une onde (vague), qui propage à longue distance l énergie ainsi reçue. Les vagues ont le potentiel de fournir une source d énergie durable et prédictible qui peut être transformée au moyen de générateurs en énergie électrique. Ces convertisseurs d énergie ont été développés aussi bien pour extraire l énergie des vagues en eaux peu profondes qu en eaux profondes. Les convertisseurs de l énergie des vagues sont variés et classés selon le type de procédé de conversion et selon la distance par rapport à la côte. Ces convertisseurs doivent tous résister aux conditions extrêmes comme par exemple lors d une tempête. 2.2. Potentiel et sites favorables Selon le Conseil Mondial de l Énergie, 10 % de la demande annuelle mondiale en électricité pourraient être couverts par la production houlomotrice, soit un potentiel techniquement exploitable de 1400 TWh/an. Les ressources les plus importantes en matière d énergie des vagues se trouvent entre 40 et 60 de latitude, ce qui fait de la côte Atlantique, une ressource favorable pour l Europe. 2.3. Capacité installée Aujourd hui, l exploitation des vagues pour la production d électricité n est encore qu au stade de prototypes ou encore en phase expérimentale comme en Ecosse (projet Wavegen) ou au Portugal (projet Pelamis). Ces projets n ont aujourd hui qu une puissance de quelques centaines de kw mais des projets de fermes houlomotrices sont envisagés, ce qui pourrait augmenter considérablement la production d électricité. Les développements actuels des technologies houlométriques semblent monter un intérêt particulier pour les installations éloignées du rivage, ce qui réduit les impacts potentiels près de la côte et facilite l intégration des futures fermes à un réseau électrique offshore européen. De plus les régimes de vagues sont plus énergétiques au large qu en zone littorale. 5
2.4. Projets futures En Belgique par exemple le projet Mermaid vise à exploiter, en plus de l énergie du vent, l énergie houlomotrice et ainsi raccorder ces 2 technologies au même réseau électrique grâce a des convertisseurs d énergie houlométriques entre les éoliennes. Ce serait le premier parc éolien à exploiter l énergie des vagues et devrait être pleinement opérationnel d ici 2017. La première génération de convertisseurs de l énergie des vagues a encore besoin d expérience afin de prouver ses performance et d attirer les investisseurs. De plus le développement de cette technologie sera fortement favorisé par l installation de l Offshore Grip qui contribuera à diminuer les coûts de production. Au regard de l étendue des différentes technologies, la pluralité des prototypes, et la possibilité de raccorder cette technologie au réseau offshore, l exploitation de l énergie des vagues de par son très grand potentiel deviendra un atout majeur pour la production d électricité de demain. Les prévisions de SETIS (Strategic Energy Technologies Information System) prévoient que la capacité des installations exploitant l'énergie des vagues atteindra 0,9 GW en 2020 et 1,7 GW en 2030. Par contre si l on considère les hypothèses de potentiel maximum d exploitation de l'énergie des vagues, les prévisions atteignent une capacité pour l'ue- 27 allant jusqu'à 10 GW d'ici 2020 et 16 GW d'ici 2030. Ce qui serait 0,8% et 1,1% de la consommation d'électricité prévue pour 2020 et 2030 de l Union Européenne. 3. Energie marémotrice 3.1. Fonctionnement et technologie L énergie marémotrice consiste à exploiter l énergie potentielle occasionnée par la différence de niveau d eau lors de 2 marées successives. Le flux et le reflux de la marée est utilisé pour remplir et ensuite vider un bassin de retenue créé par un barrage en actionnant les turbines de ce barrage. Les turbines utilisent alternativement la force des marées et celle du courant du fleuve pouvant ainsi produire de l électricité dans les deux sens du débit d'eau. Elles peuvent fonctionner selon un cycle de pompage- turbinage. Lors de la phase de turbinage, le flux d'eau fait tourner la turbine qui entraîne l alternateur fournissant ainsi l électricité. Lors du pompage, l alternateur, alimenté par le réseau électrique, fonctionne en moteur et entraîne la turbine qui fonctionne, alors, en pompe afin de compléter le remplissage du bassin, à marée montante. 6
3.2. Potentiel et sites favorables Le potentiel mondiale en matière d énergie marémotrice serait de 400TWh par an. Le nombre de sites propices à la construction d usines marémotrices est limité, en effet afin d être rentable l usine marémotrice doit être construite dans un endroit de marnage important (différence entre marée haute et marée basse), environ 10 à 15 m. D autres conditions sont que l endroit doit avoir une baie pouvant contenir beaucoup d eau à marée haute et que l installation ne doit pas modifier la fréquence des marées. 3.3. Capacité installée Cette technologie est aujourd hui mature, elle est prédictible, peut être reliée au réseau électrique et possède un coût de production viable. Elle possède néanmoins quelques inconvénients comme son coût d investissement mais aussi son influence sur son environnement, c est pourquoi il n existe à l heure actuelle que peu d usines marémotrices en fonctionnement dans le monde. La seule usine marémotrice d Europe est celle de la Rance qui se trouve sur la rivière «Rance» en Bretagne. Elle possède une capacité de 240MW et sa production d énergie moyenne annuelle étant de 550GWh. Cette usine fut construite à sec entre 1961 et 1966 et raccordé au réseau EDF en 1967. Le barrage a une longueur de 720 m et créé un bassin de retenue d une superficie de 22km 2. Les autres usines se trouvent en Corée du Sud (lac de Sihwa), au Canada (baie de Fundy), en Russie (Kislaya Guba) et en Chine (Jangxia Creek). 3.4. Projets futures Les développements futurs en matière d exploitation des marées dépendront de la hausse du coût de l électricité provenant des autres sources d énergie plus polluantes. Au Royaume- Uni, un nouveau projet d usine marée motrice a vu le jour dans l estuaire de Severn qui possède un marnage important (14 mètres) et permettrait ainsi de fournir une bonne partie de l électricité du pays tout en limitant les impacts environnementaux. 7
4. Energie hydrolienne 4.1. Fonctionnement et technologie L énergie hydrolienne correspond à l exploitation de l énergie cinétique des masses d eau mises en mouvement par les courants marins. Elle est exploitée par des hydroliennes qui transforment l énergie mécanique des courants en énergie électrique. Bien que les courants marins soient 4 à 5 fois moins rapides que le vent, la puissance électrique d une hydrolienne est beaucoup plus importante que celle des éoliennes de même dimension du fait d un milieu fluide beaucoup plus dense. Les hydroliennes sont généralement de petite taille comparativement aux éoliennes et sont donc adaptées aux faibles profondeurs. Il existe un nombre important d hydroliennes différentes qui sont pour la plupart qu au stade de prototype ou encore à l essai. Ces différentes hydroliennes peuvent être néanmoins regroupé en deux types différents. Premièrement, les hydroliennes dont l axe de la turbine est horizontal et donc parallèle à la direction du courant et secondement les hydroliennes dont l axe de la turbine est vertical et donc perpendiculaire à la direction du courant. (Annexe 2) 4.2. Potentiel et sites favorables Les sites potentiels pour l exploitation des courants sont les détroits, goulets, caps où les vitesses de courant sont accélérées et atteignant un minimum de 2.5 m/s pour être économiquement viable. La France et l Angleterre partagent la plus grande ressource en énergie hydrolienne d Europe (5 à 14 TWh et 13 à 23 TWh), en effet le potentiel hydrolien pour ces deux pays correspond à 80% du potentiel Européen. 4.3. Capacité installée Les premiers prototypes sont déjà opérationnels et en phase d essai en Norvège et au Royaume- Uni par l intermédiaire de l EMEC ( European Marine Energy Centre). En France également plusieurs projets concernant de nouveaux prototypes d hydroliennes sont en cours d élaboration. 8
4.4. Projets futures Plusieurs entreprises ont installé des appareils de démonstration, si les tests continuent à avoir du succès, des fermes d hydroliennes devraient voir le jour dans les dix prochaines années. Toutefois seul un petit nombre de dispositifs qui ont été testé en conditions réelles ont eu le succès escompté. Tous les appareils de démonstration ayant réussi les tests possèdent un axe de rotation horizontal, ce qui suggère que la configuration optimale est celle avec les turbines parallèles au courant. À la vitesse à laquelle le progrès en matière de technologie hydrolienne avance, de nouveaux sites à hauts potentiels mais qui n étaient jusque- là difficile d accès deviendront exploitables, ce qui augmentera la rentabilité de ce projet. Les dispositifs actuels sont donc encore dans un stade précoce de développement et un grand nombre de problèmes techniques doivent encore être résolus comme la maintenance ou le raccord au réseau électrique. 9
Conclusion La mer possède un potentiel immense en énergies renouvelables. Son exploitation par les technologies mentionnées précédemment ne produit pas de gaz à effet de serre. Mais l électricité produite est souvent fluctuante et plus ou moins prédictible, ce qui engendre le maintien d autres moyens de production d électricité. Toutes ces technologies peuvent avoir encore des coûts de l énergie élevés, mais deviendront compétitifs demain, surtout si le prix des énergies fossiles continue d augmenter, et si le coût de l émission de carbone n était plus négligeable. Le démarrage des filières hydrolienne et houlomotrice permet d agrandir le potentiel marin. Les usines marémotrices sont connectées au réseau terrestre moyennant quelques aménagements. Malheureusement il n en va pas de même pour les autres technologies qui dépendront de l avancée du réseau électrique marin pour garantir une certaine rentabilité. Ce réseau électrique marin est déjà en cours de construction et sera utilisé principalement pour limiter le caractère intermittent des éoliennes offshores. En effet, le projet «Mermaid» nous montre qu il est possible de combiner plusieurs technologies en un même endroit et de les connectées au réseau électrique offshore. Bien que notre intérêt économique ne soit pas immédiat, les retombées futures du développement de ces technologies deviennent de plus en plus évidentes et nous poussent à continuer l effort en ce sens. 10
Bibliographie 1. Abonnel C, Energies des mers, Ecrin 2004 2. Ademe, Feuille de route sur les énergies renouvelables marines, Juin 2010, voir : www.ademe.fr 3. Benoit M, Dhédin J- F, Mattardo P, Energies marines hydrolienne et houlomotrice, Laboratoire d hydraulique, Université de Paris Est, Septembre 2010 4. Charouk J, Parcs éoliens offshores en mer du Nord : Où en est- on en Belgique?,Renouvelle n 19-1 er trimestre 2007 5. Commission Européenne, «Feuille de route à l horizon 2050», 2011 6. C- Power Communication Dept,«2012 : Une année de construction très chargée a commencé pour C- Power»,Ostende le 16 mars 2012 7. Créteur P,Le souffled Eole : Une source d énergie naturelle inépuisable, Le journal des ingénieurs, mensuel n 120, avril 2009European Commission SETIS, Ocean Wave Energy, voir : http://setis.ec.europa.eu/technologies/ocean- wave- energy 8. EWEA, EU Energy Policy to 2050, March 2011 9. Matthews S, Adams J, Valpy B, Krohn D, Marine Energy in the UK,Renewable UK, The voice of wind and Marine Energy in the UK Report 2012, March 2012 10. Paillard M, Energies Marines Renouvelables, Ifremer- Centre de Brest, 2011 11. Rourke O, Boyle F, Reynolds A, «Applied Energy»,Departement of Mechanical Engineering, 2009, Dublin 12. Wilkes J, Moccia J, Dragan M, Windin Power : 2011 Europen Statistics, February 2012 Mémoire : Dagorne C, «L éolien offshore en Europe : état des lieux, politiques,impacts», Université Lyon 2, 2010 11
Annexes Annexe 1 European wind resources over open sea Copyright 1989 by Risø National Laboratory, Roskilde, Denmark. 12
Annexe 2 Energies Marines hydrolienne et houlomotrice Conférence Institut Coriolis 24/09/2010 13