La science

Les courants de marée sont créés par le changement constant de la force gravitationnelle de la lune et du soleil sur les océans du monde. Les marées ne s'arrêtent jamais, l'eau se déplaçant d'abord dans un sens, puis dans l'autre, partout dans le monde. Les technologies des courants de marée captent l'énergie cinétique des courants qui entrent et sortent des zones de marée. Puisque les positions relatives du soleil et de la lune peuvent être prédites avec une très grande précision, il en va de même pour la marée qui en résulte. C'est cette prévisibilité qui fait de l'énergie hydrolienne une ressource si précieuse.

Les marées les plus fortes (marées de vices-eaux) sont générées lorsque le soleil, la lune et la terre sont alignés. L'eau coule en plus grand volume lorsqu'elle est attirée par cette force gravitationnelle combinée. Les marées les plus faibles (marées de mortes-eaux) sont générées lorsque le soleil, la lune et la terre forment un angle droit. L'attraction gravitationnelle divisée fait que l'eau s'écoule dans des volumes moindres.

Les ressources des courants de marée sont généralement les plus importantes dans les zones où l'amplitude des marées est bonne et où la vitesse des courants est amplifiée par un effet d'entonnoir du littoral et du fond marin, par exemple dans les détroits et les embouchures, ou bien dans entre les îles et dans les pertuis.

Emplacements des ressources en énergie hydrolienne en Europe (Crédit : Aquaret)

La technologie au service des marées

Les turbines hydroliennes sont similaires aux éoliennes en ce sens qu'elles possèdent des pales qui font tourner un rotor pour alimenter un générateur. La turbine est placée sous l'eau, là où il y a un fort courant de marée.

L'eau étant environ 800 fois plus dense que l'air, les turbines doivent être beaucoup plus résistantes que les éoliennes. Les turbines hydroliennes trouvent leurs sites dans les régions du monde où les courants de marées sont importants.

La conception des turbines hydrolienne peut être adaptée en fonction de leur positionnement sous l'eau. La turbine peut être suspendue sous une plateforme flottant à la surface de l'eau. Elle peut être fixée à une tour ou à un monopieu foncé dans le sous-sol marin ou fixée sur une fondation telle qu’une embase gravitaire. Le dispositif est ensuite suspendu dans la colonne d'eau, ce qui nécessite souvent l'intervention d'opérateurs maritimes spécialisés capables d'accéder au site, de soulever et de positionner des structures potentiellement lourdes en mer.

Quelle que soit sa conception, l'installation d'une turbine hydrolienne suit le même processus général. Tout d'abord, une étude du site, une analyse du fond marin et des études environnementales sont effectuées pour comprendre les conditions du fond marin et quantifier la ressource. Ensuite, des points d'ancrage sont installés pour les systèmes flottants et des embases gravitaires ou des monopieux/tours sont ensuite mis en place pour les conceptions fixes. La nacelle de la turbine (le centre de la turbine) est préparée à terre, testée et mise en service, puis ses pales sont ajoutées. La turbine est ensuite transportée sur le site et installée sur les fondations, souvent à l'aide de sous-marins télécommandés (ROV) ou de plongeurs qui permettent à l'équipage d'un navire de soutien de surveiller l'activité sous-marine.

Bouée d’amarrage dans le courant sur le site d'essais de marée de l'EMEC à Fall of Warness (Crédit : Colin Keldie)

Comment les turbines hydroliennes sont-elles testées ?

Sur terre

Dès le début de la conception, des bancs d'essai, tels que ceux du laboratoire COAST de l'université de Plymouth et du laboratoire LHEEA de la Centrale Nantes, sont utilisés pour éprouver les principes de base du fonctionnement et pour comprendre les caractéristiques de performance.

Il est très important que les composants et le système complet de l'hydrolienne soient testés méticuleusement avant d'être mis à l'eau pour la première fois. Au Royaume-Uni, l'entreprise Offshore Renewable Energy Catapult gère une série d'équipements d'essai spécialisés dans son centre d'essai de Blyth pour tester les composants des turbines et les turbines complètes. À Blyth, les turbines peuvent fonctionner pendant l'équivalent de plusieurs années, au cours de tests, appelés tests de durée de vie accélérée, qui permettent d’identifier les faiblesses et de mettre en évidence les défaillances potentielles du système.

Côté français, les infrastructures telles que les bassins d’essais de l’IFREMER à Boulogne sur Mer permettent de faire des tests à échelle réduite.

En mer

Une fois que la turbine a été testée sur terre, elle peut être testée dans des installations d'essai en mer, comme le Centre européen des énergies marines (EMEC) aux Orcades, ou encore le site d’essais hydrolien de Paimpol-Bréhat en Bretagne. Ces deux laboratoires d’essais à ciel ouvert permettent de fournir aux développeurs de technologies hydroliennes des infrastructures pour réaliser des essais en pleine mer, permettant de certifier les essais par une organisation indépendante.

EMEC exploite deux sites dans les eaux des Orcades. Sur le site d'essai à pleine échelle de Fall of Warness, des câbles sous-marins relient chaque emplacement en mer à une sous-station à terre où l'électricité produite sur le site peut ensuite être injectée dans le réseau national britannique.

Paimpol-Bréhat dispose d’un seul emplacement raccordé au réseau électrique, situé à 15km des côtes et par 35 m de fond, dans un environnement exigeant (forts courants, exposition à la houle, éloignement de la côte).

Le laboratoire COAST de l'Université de Plymouth (Crédit : UoP)

La plateforme d'essai Nautilus d'ORE Catapult à Blyth (Crédit : ORE Catapult)

Nouvelles technologies et réduction des coûts

De nombreuses entreprises travaillent avec beaucoup de ténacité pour concevoir et développer de nouvelles turbines améliorées. Elles sont soutenues par des universités de premier plan qui mènent des recherches spécialisées afin de mieux comprendre l'énergie issues des courants de marée et d'améliorer la compréhension des performances des turbines. Elles sont également épaulées par des organisations telles que l'ORE Catapult (OREC) et l'EMEC qui contribuent à améliorer les essais et les performances des turbines.

Comme pour toute nouvelle technologie, la meilleure façon de la développer et de l'améliorer est de la construire et tester sa conception. Cela peut être coûteux, en particulier pour les énergies renouvelables en mer, où les dispositifs doivent faire l'objet d'une démonstration commerciale en mer. Souvent, les développeurs de technologies construisent des modèles à échelle réduite pour bien comprendre le fonctionnement et le comportement de leur technologie avant de construire un démonstrateur à plus grande échelle en mer, à un coût considérable. TIGER soutient cinq concepts différents en matière d'énergie hydrolienne, certains en concurrence les uns avec les autres et d'autres cherchant à accéder à des segments de niche du marché de l'énergie hydrolienne.

Graphique de réduction du coût actualisé de l’énergie (LCoE) de l'énergie hydrolienne, tiré du rapport 2018 de l'ORE Catapult

ORE Catapult a évalué l'état du secteur de l'énergie hydrolienne et a publié ses conclusions dans son rapport 2018 sur la réduction des coûts et les avantages industriels de l'énergie hydrolienne et houlomotriceIl en ressort que l’énergie hydrolienne a le potentiel d'atteindre un LCOE de 173 € par MWh dès 100 MW de projet installés (10 MW sont actuellement installés). Ce coût diminue à 100 € du MWh dès l’installation de 1 GW et passe en dessous (autour de 90 € du MWh) dès l’installation de 2 GW, devenant alors plus compétitif que l’énergie nucléaire. D'autres baisses des coûts sont possibles en mettant l'accent sur l'innovation et en continuant à réduire le coût du capital pour atteindre les niveaux de l'éolien en mer. Des réductions de coûts significatives sont attendues à court terme, lorsque l'industrie passera des fermes pré-commerciales aux projets industriels. TIGER réévaluera la filière et actualisera le rapport sur la réduction des coûts de l'énergie hydrolienne.

EMEC Caldale sub-station and hydrogen plant (Credit: Orkney Sky Cam)