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Les défis de l’innovation dans le domaine des énergies marines renouvelables

Avec près de 20 000 km de côtes, le lit­toral français est l’un des plus éten­dus au monde. Cette sit­u­a­tion offre un poten­tiel de développe­ment inédit pour les éner­gies marines renou­ve­lables (EMR), qui regroupent l’ensemble des tech­nolo­gies per­me­t­tant de pro­duire de l’électricité à par­tir des ressources renou­ve­lables du milieu marin.

Ces dernières appor­tent, selon la ressource con­sid­érée, une cer­taine com­plé­men­tar­ité par rap­port aux éner­gies renou­ve­lables « ter­restres », de par l’importance des ressources disponibles, leur bonne pré­dictibil­ité ou l’espace disponible.

Des tech­nolo­gies variées

Plusieurs tech­nolo­gies, exploitant dif­férents types de ressources, ont ain­si été dévelop­pées pour col­lecter l’énergie des océans.

• L’énergie éoli­enne off­shore utilise l’énergie ciné­tique (liée à la vitesse) des vents marins, plus forts et plus sta­bles que les vents ter­restres. Elle néces­site le déploiement d’éoliennes, posées soit sur le fond marin, soit sur sup­port flottant.

• L’énergie maré­motrice utilise la dif­férence de hau­teur d’eau engen­drée par le pas­sage d’une onde de marée. C’est donc une énergie poten­tielle (liée à la grav­ité) util­isée pour rem­plir et vider le réser­voir d’un bar­rage à tra­vers une tur­bine hydraulique.

• L’énergie hydroli­enne est l’énergie ciné­tique asso­ciée aux courants de marée. En effet, en cer­tains endroits proches des côtes, les marées génèrent des courants pou­vant attein­dre des vitesses élevées (jusqu’à 4,5 m/s) et sus­cep­ti­bles d’entraîner des turbines.

• L’énergie houlo­motrice cor­re­spond à l’énergie des vagues générées par le vent et qui se propa­gent à la sur­face des océans.

On peut égale­ment citer l’énergie ther­mique des mers (ETM), l’exploitation de la bio­masse marine, le solaire flot­tant ou encore l’énergie osmotique.

L’exploitation des EMR aujourd’hui

L’océan demeure toute­fois un milieu rel­a­tive­ment exigeant et hos­tile (tem­pêtes, cor­ro­sion, coloni­sa­tion par des micro-organ­ismes, pres­sion de l’eau…) et les développe­ments tech­nologiques néces­saires à son exploita­tion sont coû­teux. La récupéra­tion de l’énergie des mers n’a ain­si pas été sérieuse­ment envis­agée avant la crise pétrolière des années 1970, et ne se développe réelle­ment que depuis les années 2000, dans le con­texte de la tran­si­tion énergétique.

En dépit de leur poten­tiel, les EMR ne représen­tent aujourd’hui que 0,1 % du mix énergé­tique mon­di­al. Or, en Europe, les objec­tifs du « pacte vert » néces­si­tent une mul­ti­pli­ca­tion par un fac­teur 30 de la capac­ité actuelle de pro­duc­tion à par­tir des EMR d’ici à 2050.

Pour par­venir à ce résul­tat, le développe­ment de l’exploitation des EMR béné­fi­cie des recherch­es réal­isées dans d’autres domaines, comme les éner­gies éoli­ennes et hydrauliques ter­restres ou les éner­gies fos­siles off­shores. Il existe cepen­dant de grandes dis­par­ités entre les dif­férentes tech­nolo­gies EMR, tant au niveau de la matu­rité de développe­ment que de l’intérêt économique ou des enjeux soci­aux et environnementaux.

S’il existe déjà un grand nom­bre d’éoliennes off­shores, rac­cordées au réseau et con­tribuant à la pro­duc­tion d’électricité, les hydroli­ennes et con­ver­tis­seurs houlo­mo­teurs ne sont pas encore tout à fait au stade du développe­ment indus­triel, en dépit d’un nom­bre gran­dis­sant de pro­to­types en fonctionnement.

Pour ce qui est des con­ver­tis­seurs houlo­mo­teurs en par­ti­c­uli­er, il existe un grand nom­bre de sys­tèmes s’appuyant sur des tech­nolo­gies var­iées, et un con­sen­sus quant au choix du con­cept opti­mal n’a pas encore été atteint.

Le développe­ment des sys­tèmes EMR

La démarche qui pré­vaut dans le développe­ment des sys­tèmes EMR con­siste à con­cevoir un procédé ayant un bon ren­de­ment de pro­duc­tion, ne néces­si­tant que peu d’opérations de main­te­nance (com­plex­es et coû­teuses en mer), et assez robuste pour résis­ter aux plus fortes tempêtes.

Les études de con­cep­tion et de dimen­sion­nement de ces sys­tèmes s’appuient à la fois sur la mod­éli­sa­tion numérique et sur l’approche expéri­men­tale, et ce à toutes les étapes du développe­ment tech­nologique. Leur niveau de matu­rité tech­nologique est car­ac­térisé par un indi­ca­teur appelé TRL (pour Tech­nol­o­gy Readi­ness Lev­el), basé sur l’évaluation des capac­ités démon­trées d’une technologie.

L’approche expéri­men­tale est menée à dif­férentes échelles en fonc­tion du TRL. Des maque­ttes à échelle réduite pour valid­er un con­cept dans l’environnement con­trôlé d’un lab­o­ra­toire, comme une souf­flerie ou un bassin d’essais (TRL 1 à 3), en pas­sant par des pro­to­types ou des sous-élé­ments à échelles inter­mé­di­aires que l’on cherche à opti­miser lors d’essais en mer dans des sites pro­tégés (TRL 4 à 6), jusqu’à l’échelle réelle sur un pro­to­type indus­triel déployé sur un site d’essais en mer instru­men­té, afin d’en con­firmer l’efficacité et la fia­bil­ité (TRL 7 à 9).

Ces dif­férentes étapes de développe­ment, et notam­ment l’expérimentation, néces­si­tent des moyens impor­tants. Il faut une capac­ité à repro­duire pré­cisé­ment en envi­ron­nement con­trôlé des phénomènes naturels comme le vent, les vagues ou les courants ; et aus­si une capac­ité à men­er des expéri­men­ta­tions sur pro­to­type en envi­ron­nement réel, ce qui réclame des infra­struc­tures impor­tantes et coû­teuses et la mise en place d’opérations à plus haut risque.

Les infra­struc­tures expérimentales

Dans leur démarche de sou­tien à l’innovation, des insti­tuts de recherche comme l’Ifremer, Cen­trale Nantes et l’Université Gus­tave Eif­fel opèrent des équipements sci­en­tifiques tels que des bassins à houle et/ou à courant, des cais­sons hyper­bares, une cen­trifugeuse géotech­nique ou encore des sites d’essais en mer.

Ces infra­struc­tures ser­vent non seule­ment aux études de recherche académique, au développe­ment d’outils de mesure océanographique, mais aus­si à tester des tech­nolo­gies inno­vantes, comme des pro­to­types de sys­tèmes EMR.

Regroupés au sein de l’infrastructure de recherche THe­o­REM, les trois insti­tuts opèrent ces instal­la­tions pour répon­dre aux besoins des développeurs à chaque étape de leur pro­jet : les bassins à houle et à courant per­me­t­tent de tester des mod­èles réduits (TRL 1–4), la cen­trifugeuse, les cais­sons de vieil­lisse­ment et les bancs de trac­tion per­me­t­tent de tester des com­posants (TRL 4–5), la plate-forme d’essai de Sainte-Anne du Portz­ic est adap­tée à la val­i­da­tion en mer de pro­to­types à échelle inter­mé­di­aire (TRL 5–6), tan­dis que le site d’essai du SEM-REV per­met de valid­er des démon­stra­teurs à taille réelle, en opéra­tion (TRL 7 et au-delà).

L’exemple du développe­ment d’une éoli­enne flottante

Ces dernières années, les équipes de l’Ifremer ont accom­pa­g­né de nom­breux pro­jets EMR, comme ce con­cept d’éolienne flot­tante appelée Eolink.

Dès 2016, les pre­miers tests en bassin sont con­duits sur une maque­tte à l’échelle 1/50. En 2018 et 2019, un pro­to­type est testé sur le site d’essais en mer de Sainte-Anne du Portz­ic. Les car­ac­téris­tiques de la machine déployée représen­tent avec fidél­ité à l’échelle 1/10 celles d’une éoli­enne de 12 MW. En 2020, un pro­gramme de déploiement d’une éoli­enne flot­tante Eolink sur le site du SEM-REV au large du Croisic est contractualisé.

L’éolienne sera remorquée sur le site en 2022 pour une phase de test de puis­sance. En aug­men­tant pro­gres­sive­ment sa pro­duc­tion, elle devrait attein­dre la puis­sance nom­i­nale de 5 MW à l’horizon 2023.

Pho­to ci-dessus : Éoli­enne flot­tante Eolink (échelle 1/10) en rade de Brest. O. Dugornay/Ifremer, CC BY

Arti­cle pub­lié sur le site web : https://theconversation.com/fr.

À propos de l'auteur

Martin Träsch

Ingénieur essai mer, Ifremer.

À propos de l'auteur

Christophe Maisondieu

Chercheur en comportement des structures en mer, Ifremer.

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