Énergie hydrolienne (énergie cinétique des courants marins/fluviaux)

L’énergie hydrolienne exploite l’énergie cinétique des courants marins continus (tels que le Gulf Stream), des marées ainsi que des fleuves. Les dispositifs utilisant ce type d’énergie tendent à se développer de plus en plus au cours de ces dernières années mais restent encore au stade préindustriel. La plupart des projets en place convertissent l’énergie cinétique des marées.

I.7.1. Principe de fonctionnement

Le principe d’extraction de l’énergie est exactement le même que pour les éoliennes si ce n’est que les turbines sont immergées dans l’eau. Les courants marins et fluviaux ont une direction et une vitesse constante alors que les courants de marées sont de sens alternatif et leur vitesse varie. On parle de convertisseurs d’énergie des marées. Les turbines des hydroliennes ont un diamètre beaucoup plus faible que les éoliennes à puissance égale compte tenu que la densité de l’eau est environ 1000 fois plus grande que celle de l’air. Les sites exploitables qui doivent posséder des courants supérieurs à 2m/s se situent le long des côtes ou dans les fleuves et les rivières dans un environnementt peu profond. L’Europe est particulièrement bien fournie dans ce domaine en particulier dans la Manche.

L’exploitation de l’énergie cinétique des courants fait l’objet de nombreuses recherches. Il existe 4 technologies différentes de turbine hydrolienne.

I.7.2. Différents concepts et projets [6] [8]

On distingue les turbines à axe horizontal, à axe vertical, à roue à aube flottante et à ailes oscillantes qui ont atteint la phase d’essais en mer.

I.7.2.1. Les turbines à axe horizontal

Elles peuvent être à écoulement libre et dans ce cas ressemblent beaucoup aux turbines des éoliennes. C’est le cas de l’hydrolienne de 1,2MW à 2 rotors de la société anglaise Marine Current Turbine Ltd. La société norvégienne Hammerfestd Strom a également développé une hydrolienne de 300kW pour un rotor de 20m de diamètre. Ces hydrogénérateurs sont placés directement dans le flux et sont ancrés pour la plupart sur le fond marin par une base gravitaire ou sur un pieu métallique.

D’autres concepts intéressants à axe horizontal sont associés à un système d’écoulement canalisé du flux. La société irlandaise OpenHydro utilise ce procédé. La particularité du rotor est qu’il est caréné, ouvert en son centre et dispose de très nombreuses pales. Une unité a été reliée au réseau de distribution en Écosse en mai 2008. Elle produit 250kW. Il est prévu de déployer un réseau de turbines de 1MW dans le courant de l’année 2009.

On peut citer également la compagnie Lunar Energy limited, en association avec Rotech, qui utilise l’effet Venturi grâce à une diminution du diamètre du conduit au niveau des pales de la turbine pour accélérer la vitesse du fluide. Ceci conduit à augmenter l’énergie capturée par les pales [http://www.lunarenergy.co.uk/duct.htm]. Le rotor à 5 pales mesure 16m de diamètre alors que les conduits d’entrée et de sortie font 27m de diamètre. L’hydrolienne est conçue pour produire 1,5MW pour une vitesse du courant d’environ 3m/s.

D’autres prototypes sont d’ores et déjà opérationnels au Royaume-Uni et en Norvège.

I.7.2.2. Les turbines à axe vertical

Elles s’apparentent aux turbines de type Darrieus. L’axe du rotor est perpendiculaire à l’écoulement du flux et il n’y donc pas besoin d’un mécanisme pour orienter le rotor dans la direction de l’écoulement. Au Canada, Blue Energy développe la turbine Davis Hydro basée sur 2 rotors verticaux. En Italie, la société Ponte di Archimede International a breveté une nouvelle turbine baptisée Kobold. La turbine est ici installée sous une structure flottante. La turbine hélicoïdale Gorlov de Lucid Energy Technologies (USA) utilise 3 pales inclinées courbes. Leur forme permet de s’affranchir des vibrations de la turbine Darrieus classique.

I.7.2.3. Les turbines à aube flottante

La société française Aquaphile développe le projet Hydro-Gen pour tester une hydrolienne de surface utilisant une roue à aubes. Un prototype de 10kW est en phase d’essais depuis 2005. Courant 2009, des tests devraient débuter sur un prototype de 20kW avant d’entamer la fabrication de machines de 1MW. C’est à l’heure actuelle le seul projet de recherche basé sur la technologie de la roue à aubes. Celle-ci est peu chère, très robuste et est adaptée pour extraire de l’énergie dans des écoulement perturbés comme c’est le cas pour les faibles profondeurs.

I.7.2.4. Les turbines à ailes oscillantes

Ici, une aile simple de la forme de celles des avions assure l’extraction de l’énergie. Le bord d’attaque de l’aile est disposé face au courant. L’écoulement de l’eau à travers l’aile

provoque son déplacement vertical dans un mouvement oscillatoire qui s’apparente au battement de la queue d’une baleine.

La société Engineering Business Ltd en Écosse a développé un prototype de 150kW constitué d’une aile et testé en 2002 et 2003. L’aile a une envergure de 15,4m et 3m de corde. Une puissance de 117kW dans un courant de 2m/s a pu être récupérée. Les résultats sont encourageants puisque l’efficacité totale (l’aile et la génératrice) est estimée à 75%. Un projet de 500kW utilisant 3 ailes oscillantes en parallèle serait en cours de réalisation [6]. La société anglaise Pulse Tidal construit un prototype de 100kW basé sur l’utilisation de 2 ailes oscillantes montées en tandem. Il est destiné a être installé dans l’estuaire peu profond de la rivière Humber. Un prototype a échelle réduite a permis d’atteindre une efficacité de 40%.

Il existe de nombreux autres projets novateurs en cours de réalisation basés principalement sur les turbines à axes vertical et horizontal.

I.7.3. Caractéristiques

Les hydroliennes, du fait de leur immersion, doivent subir le minimum d’entretien. Étant donné que les rotors sont d’au maximum 20m de diamètre pour les turbines à axe horizontal qui sont les plus répandues, les moyens maritimes déployés pour leur installation et leur maintenance sont légers comparés aux éoliennes offshores par exemple.

Bien que les marées soient prévisibles, la ressource est intermittente puisque la vitesse du courant de marée varie avec le cycle lunaire. C’est pourquoi les machines ne peuvent fonctionner à leur puissance nominale que 4000h/an dans le meilleur des cas. Le tableau 1 ci-dessous compare pour chacune des ressources (courant marin et vent) la puissance récupérable par unité de surface pour une vitesse donnée [21].

Les avantages des applications dans les courants marins ou fluviaux comparés aux éoliennes montrent que la densité énergétique est supérieure, les dimensions à puissance égale sont nettement réduites, la ressource est prévisible à long terme et l’impact visuel et sonore est pratiquement éliminé du fait de l’immersion du dispositif.

Il est aussi beaucoup plus intéressant de récupérer l’énergie cinétique des marées (ou des fleuves) que l’énergie potentielle. Il n’y a plus besoin de construire des barrages et de réaliser un aménagement très couteux. En plus l’impact environnemental est nettement réduit.

I.7.4. Potentiel de la ressource

La ressource mondiale exploitable de ces courants est supérieure à celle pouvant être récupérée par l’énergie potentielle des marées. Le potentiel hydrolien est estimé entre 500 et 1000TWh/an selon le Conseil Mondial de l’Énergie.

Différents concepts d’hydrolienne foisonnent depuis quelques années. Nombre d’entre eux sont dans une phase expérimentale et quelques uns sont déjà utilisés commercialement. Leur développement technologique ne cesse de s’améliorer. Etant donné que la structure porteuse et les pâles sont immergées les contraintes exercées par la mer sur les matériaux est plus problématique que pour les éoliennes offshore dont seule la structure porteuse est immergée. Des études sont encore nécessaires pour réduire la cavitation des pâles, les turbulences et tous les problèmes d’écoulement de l’eau en général. La fiabilité et l’étanchéité des systèmes est primordiale. Des parcs d’hydrolienne sont en cours d’étude et verront bientôt le jour. Comme pour les éoliennes offshores le système d’ancrage devra évoluer pour réduire les coûts.