Energie Thermique des Mers


Energie Thermique des Mers

Énergie maréthermique

Page d'aide sur l'homonymie Pour les articles homonymes, voir ETM.

L'énergie maréthermique (ou énergie thermique des mers - ETM) est produite en exploitant la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans. Un acronyme souvent rencontré est OTEC, pour Ocean thermal energy conversion.

Sommaire

Principe

En raison de la surface qu'ils occupent, les mers et les océans de la Terre se comportent comme un gigantesque capteur pour :

  • le rayonnement solaire (direct : flux solaire absorbé par l'océan ou indirect : rayonnement de la Terre réfléchi par l'atmosphère terrestre)
  • l'énergie du vent (elle-même dérivée de l'énergie solaire).

Bien qu'une partie de cette énergie soit dissipée (courants, houle, frottements, etc.), une grande partie réchauffe les couches supérieures de l'océan. C'est ainsi qu'à la surface, grâce à l'énergie solaire, la température de l'eau est élevée (elle peut dépasser les 25°C en zone intertropicale) et; en profondeur privée du rayonnement solaire, l'eau est froide (aux alentours de 2 à 4°C, sauf dans les mers fermées, comme la Méditerranée, dont le plancher ne peut être "tapissé" par les "bouffées" d'eaux froides polaires qui "plongent", au nord et au sud de l'océan Atlantique, avec un débit total moyen de 25 millions de m³/seconde [1].

De plus, les couches froides ne se mélangent pas aux couches chaudes. En effet, la densité volumique de l'eau s'accroît lorsque la température diminue ce qui empêche les eaux profondes de se mélanger et de se réchauffer.

Cette différence de température peut être exploitée par une machine thermique. Cette dernière ayant besoin d'une source froide et d'une source chaude pour produire de l'énergie, utilise respectivement l'eau venant des profondeurs et l'eau de surface comme sources.

Histoire

Idée

On attribue généralement à Jules Verne, l'idée d'utiliser les différences de températures de la mer pour produire de l'électricité. Dans son livre, Vingt mille lieues sous les mers, il fait référence aux « eaux de surface et les eaux profondes des océans pour produire de l'électricité » et cela, dès 1869.

C'est le physicien français Arsène d'Arsonval, qui conceptualisa la première fois cette idée. Il voulait mettre en relation les eaux chaudes, de surface, avec les eaux froides, de profondeur. Mais dans les années 1880, la technologie existante n'était pas encore capable de réaliser un prototype.

Première application

Il faut attendre jusqu’en 1920, avec l’épuisement des réserves de charbon qui suscite la recherche de ressources nouvelles en énergie primaire, pour répondre aux besoins croissants de l’industrie, où l’ingénieur français Georges Claude, fondateur de l'entreprise Air liquide, propose de construire une usine E.T.M. pour la production d’électricité.

C’est en 1928, à Ougrée en Belgique, que Claude en valide le principe en produisant de l’électricité avec une machine thermique de 60 kW alimentée avec de l’eau chaude à 33°C puisée dans le circuit de refroidissement d‘un haut fourneau et de l’eau « froide » à 12°C pompée dans la Meuse. C’est aussi celle utilisée à Hawaï, en 1981, pour la mise à l’eau de la triple conduite d’eau froide de l’expérience OTEC-1.

Il faudra attendre 1930, pour voir le premier prototype construit dans la baie de Matanza, à Cuba.

Son prototype, une centrale de 50 kW utilisait l'eau de surface chaude (aux alentours de 25-27°C), et de l'eau pompée à plus de 700 m de profondeur (à environ 11°C). Celle-ci était construite au large de Cuba.

En 1963, James Hilbert Anderson, reprend le travail acharné de l’ingénieur français, mais propose d’utiliser un autre fluide de travail que l’eau : le propane. Ainsi, à l’issue de ces travaux, l’E.T.M. existe sous deux formes de cycles différents ; l’E.T.M. en « cycle ouvert » pour le procédé de Georges Claude et l’E.T.M. en « cycle fermé » pour celui de James Hilbert Anderson. La crise pétrolière de 1973 entraîne un nouvel essor de la recherche sur le développement de la filière E.T.M. en « cycle fermé ». Cet essor est marqué par la construction du NELH, le Natural Energy Laboratory of Hawaï. Et en 1975 à Hawaï, un premier essai du projet E.T.M. sous le nom de « Mini-Otec » voit le jour. Il s’ensuit en 1979, un financement d’un nouveau projet baptisé « Otec-1 », qui en 1981 utilise un échangeur eau-ammoniac.

Dans la mer du Japon, à Shimane, c’est le cas aussi d’une installation E.T.M. construite en 1979, appelée « Mini Otec » utilisant aussi un cycle fermé mais du fréon en tant que fluide.

  • En 1980, la France entreprend elle aussi l’étude d’une centrale E.T.M., mais celle-ci est abandonnée en 1986.
  • Entre 1980 et 1982, les japonais entreprennent d’autres installations d’E.T.M..
  • En 1986, le prix du pétrole baisse. Aux Etats-Unis, il y a diminution de la recherche pour le développement de l’E.T.M., alors qu’au Japon, on la maintient.
  • Entre 1993 et 1998, le Japon coopère avec les Américains et fait l’essai d’une mini-usine en cycle ouvert à terre, à Hawaï. En 2001, mise en œuvre d’une usine flottante E.T.M. mouillée au Sud du continent Indien, avec en coopération Inde et Japon.

Aujourd'hui

Les pays actuellement (2004) qui réalisent le plus de recherches dans ce domaine sont les États-Unis et le Japon. C'est principalement à cause des chocs pétroliers des années 1970, que la recherche a véritablement commencé. Les premières "estimations" de la quantité d'énergie qui pourrait être produite sans nuire à l'environnement viennent d'être publiées.

A priori, avec les techniques envisagées (exploitation de la différence de température entre surface et fond), cette énergie n'est exploitable que dans les zones intertropicales ; ailleurs, la différence de température entre la surface et le fond est insuffisante pour obtenir un rendement suffisant, et donc une puissance suffisante pour pomper l'eau froide à grande profondeur et alimenter une machine thermique (on se rappelle que le rendement d'une telle machine dépend de la différence de température entre la source chaude et la source froide).

En plus de l'énergie, les systèmes envisagés permettraient la climatisation (utilisation directe de l'eau froide pompée), et éventuellement l'utilisation (cultures marines) des nutriments piégés en grande quantité dans les couches froides de l'océan, où la photosynthèse est impossible.

Implantation

L’E.T.M. doit être implantée dans un endroit spécial. Tout d’abord, l’E.T.M. doit avoir accès à la mer pour que les canalisations qui la constituent puissent puiser de l’eau des océans. C’est pour cela qu’il est nécessaire qu’elle soit installée au niveau de la mer. Ensuite, l’installation de l’E.T.M. doit se faire au plus près des côtes, pour faciliter la construction et minimiser les coûts. Les canalisations allant jusqu’à 1000 mètres de profondeur environ, il est inutile et aberrant d’éloigner à des kilomètres des côtes l’E.T.M., cela imposerait davantage de longueurs de tuyaux et donc un coût plus élevé. De plus, il faut prendre en compte les endroits où l’eau de surface reste chaude durant toute l’année, avec une moyenne d’environ 24°C. On ne peut donc mettre une E.T.M. n’importe où sur le globe, seule une zone convient à son installation. Cette zone, qui doit correspondre à une certaine température des eaux de surface, doit aussi correspondre à une certaine profondeur des eaux. En effet, comme l’E.T.M. est construite près des côtes avec des canalisations allant jusqu’à 1000 mètres de profondeur, il lui faut un emplacement avec présence de côte abrupte. Tout ceci n’est possible que dans une zone allant du tropique du Cancer au tropique du Capricorne, c'est-à-dire entre 30 et -30° de latitude.

Les techniques de l’E.T.M.

L’E.T.M. produit des énergies très intéressantes, grâce à un fluide de travail (l’eau de mer ou de l’ammoniac [NH3]). Ce fluide passe de l’état liquide à l’état vapeur dans l’évaporateur, au contact de l’eau chaude puisée en surface. La pression produite par la vapeur passe dans un turbogénérateur pour faire tourner une turbine et produire de l’électricité, après que le gaz ait perdu de la pression, il passe dans un condenseur pour retourner à l’état liquide, au contact de l’eau froide puisée en profondeur.

L’E.T.M. a besoin de beaucoup d’eau : il faut un très grand débit d’eau de mer pour éviter les pertes thermiques et de très grands diamètres de canalisations. Actuellement, il est possible d’utiliser des tuyaux en PEHD (Polyéthylène Haute Densité) de 1,5 mètres diamètre, mais dans le futur s’il se construit des centrales de grosses puissances, il faudra des canalisations de 10 mètres de diamètre.

Pour que le cycle de l’E.T.M. fonctionne, on a besoin d’un différentiel de températures de 20°C, mais plus le différentiel de température est élevé, plus le rendement est élevé. Donc plus on puise l’eau en profondeur, plus le rendement est élevé, car plus on descend en profondeur, plus l’eau est froide.

A ce jour, il existe trois types de centrales E.T.M. :

  • cycle ouvert
  • cycle fermé
  • cycle hybride

Pour le cycle ouvert

Le cycle commence par le pompage de l’eau de mer de surface qui se trouve dans les environs de 26°C. On l’introduit dans un évaporateur qui sera mis sous vide, pour favoriser l’effet d’évaporation, car sous pression relative négative, l’évaporation se produit à plus faible température et la vapeur est débarrassée du sel, mais sur le débit d’eau qui traverse l’évaporateur, seulement 0,5% de vapeur d’eau est produite, le reste de l’eau est rendu à la mer à 21°C . La faible pression générée par la vapeur suffit à entraîner un turbogénérateur qui produira de l’électricité. Puis, la vapeur est transférée dans le condenseur à double paroi, qui avec l’eau froide pompée en profondeur vers les 5°C, va faire condenser la vapeur en eau douce qui pourra être utilisée à la consommation.

Pour le cycle fermé ou cycle de Rankine

Le cycle fermé utilise le même matériel qu’une pompe à chaleur (évaporateur, condenseur), mais tandis qu’une pompe à chaleur produit une énergie thermique à partir d’une énergie électrique, le cycle fermé d’une centrale E.T.M. utilise le procédé inverse. Cela veut dire qu’à partir d’une énergie thermique, on va produire une énergie électrique. On utilise donc toujours l’eau chaude de surface qui se trouve à 26°C, qu’on met dans l’évaporateur à double paroi. D’un côté, il y aura l’eau et de l’autre de l’ammoniac NH3, et donc l’eau va donner ses calories à l’ammoniac pour lui permettre de s’évaporer, car l’ammoniac a une température d’évaporation inférieure à celle de l’eau. L’eau passée dans l’évaporateur retourne à la mer, à la température de 23°C. L’ammoniac évaporé passe dans un turbogénérateur pour produire de l’électricité. Puis l’ammoniac passe dans un condenseur à double paroi pour se condenser, car l’ammoniac passe ses calories à l’eau froide puisée en profondeur à 5°C, pour y retourner à 9°C. Une fois condensé, l’ammoniac revient dans l’évaporateur, grâce à un circulateur, pour refaire le cycle.

Le cycle thermodynamique de l’ammoniac [NH3]

Le cycle thermodynamique fonctionne avec plusieurs transformations à la suite, ce qui en fait donc un cycle. En tout, il y a quatre transformations :

Pour le cycle hybride

Ce cycle utilise les deux précédentes techniques, car nous retrouvons le cycle fermé en premier lieu, avec toujours le cycle de l’ammoniac qui traverse l’évaporateur, le turbogénérateur et le condenseur, c’est-à-dire un cycle thermodynamique qui produit de l’électricité. La nouvelle technique est d’installer un deuxième étage qui va produire de l’eau potable, grâce à un cycle ouvert en utilisant le différentiel d’eau après le cycle fermé.

Points positifs et négatifs des cycles.

Remarques sur le cycle ouvert:

  • Production d’eau potable en plus de l’électricité
  • Moins de paroi dans l’évaporateur donc moins de problèmes de bio salissure
  • Grande turbine à cause de la faible pression donc procédé très coûteux
  • Problème pour faire le vide d’air

Remarques sur le cycle fermé:

  • Petit turbogénérateur grâce à la forte pression, donc moins coûteux
  • Evaporateur volumineux et à double paroi, donc plus de problèmes de bio salissure
  • L’utilisation de l’ammoniac est un problème pour les matériaux

Remarques sur le cycle hybride:

  • Produit deux énergies en grande quantité
  • Plus gros coût d’investissement, car deux fois plus de matériel
  • Plus grand phénomène de refroidissement des eaux de surfaces

Le rendement

La machinerie de l’E.T.M. est complexe. On déclinera donc son rendement en plusieurs données, et on aura le rendement de chaque cycle. Le rendement général de l’ensemble de l’installation.

(Puissance nette) / (Puissance brut)

(Puissance du turbogénérateur-Puissance de pompage des eaux) / (Puissance du turbogénérateur)

  • un cycle fermé avec une puissance brute de 1 MW est de 50%
  • un cycle fermé avec une puissance brute de 100 MW est de 80%
  • un cycle ouvert avec une puissance brute de 250 kW est de 40%

Cela veut dire que le rendement varie en fonction de la puissance de l’usine : plus elle est puissante, meilleur est le rendement, et cela dépend aussi du cycle utilisé.

Impact environnemental

La production d'énergie maréthermique ne fait pas intervenir de combustion, (il n'est pas nécessaire d'apporter de l'énergie a la source chaude), et ne rejette donc pas de dioxyde de carbone (CO2) qui est un gaz à effet de serre.

Cependant, compte tenu du faible écart de température entre source chaude et source froide, le rendement n'est que de quelques pour cent, et ce système implique l'utilisation de volumes d'eau importants (quelques m3/s et par MW). Durant le pompage de cette eau, de nombreuses espèces vivantes peuvent être entraînées et tuées (poissons, larves, etc..)

De plus, l'utilisation de chlore est fréquente pour éviter le développement des dépôts marins. Celui-ci endommage l'écosystème.

Certaines interactions mineures méritent d’être évaluées. Ces études ont été menées par des laboratoires à HAWAII, DITMARS, PADDOCK, VEGA, NELHA.

Les impacts thermiques

La différence de température entre l’entrée et la sortie des canalisations est d’environ 4°C, ce qui entraîne de faibles modifications, mais pour atténuer d’avantage les impacts sur la faune et la flore, l’eau est rejetée en profondeur. Pour des centrales de 400 MW, le changement à l’entrée des canalisations est de 0,2°C. Pour le moment, ces installations sont développées pour des îles (20 MW), et elles restent très éparpillées, le risque est alors négligeable. Mais il faut se soucier du risque cumulatif pour des grosses installations. Une étude a porté sur le golfe du Mexique, en modélisant 100 centrales de 200 MW. Au bout de 30 ans de fonctionnement, on remarque que la température de surface aurait baissé de 0,05°C, et la température en profondeur aurait augmenté de 1°C.

Les impacts biologiques

Pour des petites installations de 20 MW, on peut se permettre de rejeter l’eau en surface. On constate cependant pour de plus grosses installations un phénomène comparable à la remontée d'eau des profondeurs (« upwelling »), qui favorise l’enrichissement nutritif et stimule la vie aquatique. La remontée d'eau est un phénomène océanographique qui se produit lorsque de forts vents marins poussent l'eau de surface des océans, laissant ainsi un vide où peuvent remonter les eaux de fond et avec elle une quantité importante de nutriments.

L’aspiration des espèces vivantes est prise en considération : pour cela des grilles sont mises à l’entrée des canalisations, et elles sont éloignées des côtes en ce qui concerne l’eau de surface. Pour ce qui concerne l’eau froide, il n’y a pratiquement plus de vie à 800 mètres de profondeur.

Pour lutter contre un problème marin récurrent qui est la bio salissure et améliorer le rendement de la machine, on utilise une dose de biocide (0,02 ppm concentration molaire journalière) qui est cinq fois en dessous du seuil règlementaire américain. Aujourd’hui, la dose en biocide devrait être réduite 0,01 ppm, 10 fois en dessous du seuil règlementaire américain.

Le seul risque d’accident possible sur une installation E.T.M. est un risque de perte d’ammoniac. Même si celui-ci est un élément nutritif, une dose trop importante pourrait avoir des impacts néfastes sur l’environnement. L’ammoniac est un fluide connu très employé, les systèmes de sécurité sont fiables.

La pollution atmosphérique

L’eau en profondeur est plus riche en CO₂ que l’eau de surface. Une étude menée par Sullivan démontre que si tout le CO₂ était relâché, une centrale E.T.M. émettrait 4 fois moins de CO₂ qu’une centrale thermique fossile. Heureusement, seule une faible partie du C0₂ est libérée. Pour un cycle ouvert, environ un centième des 700 g par kWh d’une centrale fossile, et pour un cycle fermé, le taux serait encore plus faible. Au final une centrale ETM est 99 fois moins polluante en CO₂ qu'une centrale fossile.

Pour conclure, les études montrent que si nous arrivions à récupérer 0,07% de l’énergie solaire absorbée par les océans, ce qui représenterait 10 millions de MW, les conséquences environnementales seraient insignifiantes.

Coproduction

En plus de l'électricité, une centrale E.T.M. peut produire :

  • Eau douce : utilisation du cycle ouvert
  • Réfrigération de bâtiments : utiliser l’eau de sortie (froide) et la distribuer pour réfrigérer des infrastructures environnantes.
  • Aquaculture : réutiliser l’eau froide issue de la production d’électricité pour élever des poissons dans de bonnes conditions, car l’eau de profondeur est riche en nutriments
  • Agricultures : refroidissement du sol par des canalisations d’eau de mers et condenser l’air ambiant pour humidifier et stimuler la pousse
  • Biomasse : utiliser la biomasse marine qui pousse plus rapidement et alimenter des centrales thermiques.

Combustibles synthétiques

Actuellement, le prix du kWh pour des centrales proches des côtes (faible puissance) reste coûteux. Pour rendre rentable le procédé E.T.M., il serait plus intéressant de produire des combustibles synthétiques (hydrogène, ammoniac, méthanol).

L'hydrogène a été choisi comme vecteur d'énergie, car il répond à deux critères :

  • la combustion de l'hydrogène ne dégageant que de l'eau
  • l’E.T.M. est en mesure d’apporter une solution électrolytique (eau de mer en abondance) pour sa fabrication grâce au principe de l’électrolyse.

Projet d’étude sur Hawaï

Etude sur le laboratoire de l’énergie thermique des mers d’Hawaï (NELHA) Historique du NELHA :

  • NELHA se nommait "NELH" en 1974 quand l’Etat législatif de Hawaï créa le « Natural Energy Laboratory of Hawaii » sur 322 acres (≈ 129 hectares) de terre à Keahole Point. NELH a été créé pour la recherche sur l’énergie thermique des mers (ETM).
  • En 1979, une usine E.T.M. du nom "Mini-OTEC," est ancrée sur la mer de Keahole Point, démontrant la première production nette d’électricité par le biais d’une E.T.M. en cycle fermé.
  • En 1980, Le NELH construit sa première canalisation à Keahole Point allant à 610 mètres en profondeur et à 14 mètres en surface.
  • En 1981, la recherche sur l’E.T.M. aboutit au projet de tester le bio-rejet et les mesures de précaution sur la corrosion pour le cycle fermé.
  • En 1984, l'utilisation du pompage de l’eau par l’E.T.M. permet aussi de mettre à profit plusieurs moyens d’utilisation de cette eau.
  • En 1985, la législature créa le HOST (Hawaï Ocean Science and Technology), parc de 548 acres (≈ 220 hectares) à Keahole Point, pour anticiper sur une éventuelle expansion, du fait de l’agrandissement du business de NELH.
  • En 1990, les parcs HOST et NELH ont été rassemblés en une seule compagnie, le NELH Authority (NELHA), attaché au département du business, du développement économique et du tourisme du gouvernement de l’état d’Hawaï.
  • De 1993 à 1998, utilisation de la plus grande E.T.M. à cycle ouvert, possédant les caractéristiques techniques suivantes :
  • En 1998-99, la législature autorisa l’expansion d’activités au NELHA, incluant d’autres activités de business, en vue d’augmenter le développement économique et de générer des revenus pour financer l’expansion du parc.
  • Aujourd’hui, NELHA est le propriétaire foncier de près de 30 entreprises qui génèrent un budget économique d’environ 30 à 40 millions de dollars par an, incluant les revenus des taxes des 200 métiers, de l’activité des constructions et des taxes sur les produits exportés. Il existe à Keahole Point, deux systèmes de canalisations en profondeur et en surface pour avoir des températures de 24°C et de 7°C, et une troisième, la plus large et profonde au monde allant jusqu’à 900 mètres, est en voie de développement.
  • Avec ses 870 acres de terrains, le NELHA possède les trois critères pour l’installation d’E.T.M. dans son parc.

En effet, on se situe à la pointe de l’île de Big Island, une des îles d’Hawaï, et il est alors facile d’avoir accès à l’eau. De plus, Hawaï est une sorte de récif où le tombant atteint des profondeurs abruptes, à quelques mètres du plateau corallien de l’île d’Hawaï. Et d’un point de vue géographique, Hawaï se trouve dans la zone où les eaux de surface restent relativement constantes tout au long de l’année, avec une température moyenne de 26°C.

Description du site

L’organisation du NELHA installée à Hawaï a pour objectif de concrétiser le projet d’E.T.M. Cette entreprise financée par les Américains, cherche à prouver qu’à partir de l’E.T.M., nous pouvons obtenir de bons rendements sur la production d’électricité, d’hydrogène et d’eau potable. La base se situe dans un endroit bien précis, pour pouvoir mettre en œuvre un tel projet, et ainsi démontrer le système de fonctionnement de cette machine thermique. Etabli sur de nombreux hectares, il est, de plus, intéressant d’installer des coproductions autour de l’unique E.T.M.. Ce qui permet ainsi une vie industrielle active, une création d’emplois et un bilan carbone moins important, puisque le transport entre les bâtiments est de quelques kilomètres.

Aujourd’hui, le NELHA possède un immense site qui est doté de 3 types de canalisations : une canalisation de surface et deux de profondeur. En ce qui concerne les canalisations en surface, elles se trouvent dans un périmètre de 180 mètres aux larges des côtes, à une profondeur de 13,5 mètres. Elles sont posées à une distance précise du sol marin afin que le sable, les coraux et la vie aquatique ne soient pas aspirés. Ici, leurs canalisations ont été mises à 13,5 mètres du fond.

Pour ce qui est des canalisations en profondeur, deux existent, l’une récente et une ancienne. L’ancienne canalisation pompait une eau à 6°C, à une profondeur de 600 mètres. Or, de nos jours, L’E.T.M. d’Hawaï puise à 900 mètres de profondeur, pour obtenir une eau de 4°C, par l’intermédiaire de 55 tuyaux assemblés.

Note

  1. voir l'article Remontée d'eau (« upwelling »)

Bibliographie

Sites internet consultés :

  • www.ifremer.fr
  • www.eurocean.org
  • www.clubdesargonautes.org
  • www.nelha.org
  • www.arte.tv/fr
  • www.seao2.com
  • www.oceansatlas.com
  • hmf.enseeiht.fr/travaux/CD0405/beiere/1/html/otec/binome3.html

Ouvrage consulté :

  • Renewable Energy From The Ocean - William H. Avery, Oxford University Press, 1994

Dossier PDF consultés :

  • Etude de Michel GAUTIER
  • Etude de David LEVRAT
  • Etude de Pierre GUERIN

Film documentaire consulté :

  • L’énergie de la mer, par Johannes BÜNGER, sur ARTE

Voir aussi

Liens externes

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