Chapitre I GÉNÉRALITÉS SUR LES ÉNERGIES DE LA MER
I.5. Énergie éolienne en mer (éoliennes offshore)
La production d’électricité par les éoliennes en mer profite des avancées technologiques des éoliennes terrestres. Ce n’est pas vraiment une énergie de la mer mais les éoliennes installées au large des côtes bénéficient d’un vent plus intense et plus régulier que sur terre.
I.5.1. Principe de fonctionnement
Le fonctionnement est identique à une turbine éolienne terrestre. Le vent met en rotation les pâles de la turbine qui entraine une génératrice pour produire de l’électricité. Les aérogénérateurs offshores sont presque tous à axe horizontal. Le rotor constitué de 3 pâles est fixé sur une nacelle montée sur un mât. La puissance aérodynamique du vent est proportionnelle au cube de la vitesse et à la surface balayée par les pâles. La puissance récupérable au niveau du rotor vaut au maximum 59,3% de cette puissance aérodynamique, c’est la limite théorique de Betz.
I.5.2. Installations existantes et projets
Fin 2007, la puissance totale installée sur le globe était de 94GW dont un peu moins d’1 GW en mer [15]. L’une des plus grandes installations maritimes et l’une de premières par sa taille à avoir été construite est la ferme éolienne de Horns Rev qui se trouve à environ 15 km des côtes du Danemark. Elle est en service depuis décembre 2002 et emploie 80 aérogénérateurs de 2MW chacun pour une puissance totale de 160MW. Cette installation est prévue pour produire annuellement 600GWh pour une durée d’exploitation de 3750h/an. Chaque éolienne est solidement ancrée entre 22 et 24m dans le sol. Le mât à un diamètre de 4m [6].
Actuellement le plus important parc éolien du monde est situé en Angleterre dans le Lincolnshire. Le parc est constitué de 54 éoliennes disposant au total d’une puissance nominale 194MW, de quoi alimenter 130000 foyers.
Il existe également des projets innovants en ce qui concerne l’ancrage de l’éolienne. Les structures massives ancrées sur le fond marin sont abandonnées au profit de bases flottantes. Des systèmes en développement utilisent des flotteurs rigides semi-immergés qui sont fixés au plancher océanique par l’intermédiaire de câbles. Le concept de la plateforme à lignes tendues (TLP) utilise des bouées d’une grande flottabilité maintenues immergées grâce à l’action de câbles tendus ancrés sur le fond marin. La société Hydro développe le projet Hywind d’une éolienne à base flottante [6] comme le montre la figure I-15.
Figure I-15 : Éolienne à embase flottante
De très nombreux projets sont en phase d’étude ou de développement visant à intégrer au large des côtes des parcs éoliens de plusieurs gigawatts de puissance.
I.5.3. Caractéristiques d’une installation offshore
Aujourd’hui les turbines des éoliennes offshores ont un diamètre compris entre 80 et 120m et une puissance unitaire nominale comprise entre 2 et 5MW. Elles sont accompagnées la plupart du temps d’un multiplicateur de vitesse. Elles sont solidement ancrées jusqu’à 40m de profondeur. Au-delà le coût est prohibitif car la masse d’acier et de béton nécessaire devient trop grande. D’ailleurs l’aspect génie civil est le plus coûteux à cause l’imposante structure porteuse nécessaire et le système d’ancrage [6].
D’un point de vue mécanique, l’installation d’une éolienne offshore n’est pas sans poser de problèmes. En effet il faut des moyens logistiques très lourds comparables à ceux utilisés pour les plateformes pétrolières offshores. Il faut des navires spécialisés avec une assise très stable pour assembler le matériel sur le site, et des grues adaptées au levage à grande hauteur. De plus, une fois installés, le mât de l’éolienne et ses fondations sont soumis à la fois aux contraintes du vent, de la houle parfois des déferlantes, des courants marins et de la salinité de l’eau de mer. La fatigue mécanique et la corrosion des matériaux est mise
davantage à l’épreuve que sur terre [16]. Ainsi la maintenance d’une éolienne en mer est un véritable défi puisqu’elle est dictée à la fois par la météo et l’état de la mer.
Côté électrique, le raccordement impose l’utilisation de câbles sous-marin transportant l’électricité jusqu’à terre pouvant atteindre plusieurs dizaines de kilomètres.
Pour réduire les coûts de revient de l’énergie liés à ces difficultés techniques il est avantageux de répartir les éoliennes en étoile ou en chaine au sein d’une ferme offshore dont la puissance totale est la plus grande possible [16]. Les génératrices synchrones à aimants permanents à entrainement direct sont vouées à un bel avenir dans l’éolien offshore du fait de l’élimination du multiplicateur [6] malgré une augmentation de la taille de la génératrice. Il y a moins de problèmes mécaniques, la maintenance est réduite et le système est plus robuste. Les coûts d’entretien diminuent en conséquence. Il est aussi intéressant d’utiliser des structures flottantes lorsque la profondeur devient importante car elles réduisent la quantité de matière à utiliser et donc les coûts.
I.5.4. Potentiel
Le potentiel offshore mondial exploitable est considérable et peut largement subvenir aux besoins énergétiques de l’humanité. Une estimation le porte à 37000TWh/an pour des sites compris entre ±72° de latitude à moins de 40km des côtes et pour un ancrage des éoliennes par moins de 40m de profondeur. La durée de la production annuelle en mer peut atteindre 4000h (3000h en moyenne) alors qu’elle n’est que d’un peu plus de 2000h sur les continents [6]. Ainsi pour une même puissance installée, la production électrique en mer est quasiment doublée par rapport à celle fournie par une installation terrestre.
La ressource éolienne offshore est assurément celle qui contribue le plus à la production d’énergie électrique en mer. Son exploitation semble alors indispensable et de grands parcs offshores commencent ainsi à émerger depuis les années 90. Comme la ressource houlomotrice, son implantation ne devra pas entrer en confrontation avec les activités déjà existantes comme les zones de pêche par exemple. L’exploitation des étendues maritimes à des fins de production d’énergie ne bénéficie d’aucun contexte réglementaire. Le cadre juridique reste encore à bâtir. L’éolien offshore demande des moyens logistiques maritimes
d’exploitation. Des concepts novateurs de génie civil comme l’utilisation de structures porteuses flottantes sont très prometteurs dans ce sens.