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Comment utiliser la puissance des vagues : 40 ans de recherche et des scientifiques toujours tâtonnants face aux promesses énergétiques des océans

Publié le 01 avril 2016
Dans le cadre du développement des énergies renouvelables, plusieurs scientifiques ont entrepris des travaux de recherche ces dernières décennies sur la conversion de l'énergie des vagues en électricité. Une entreprise encore peu viable à l'heure actuelle, à cause essentiellement de la nature hostile dans laquelle évoluent les technologies mises en oeuvre.
Professeur des Universités au département de Mécatronique et chercheur dans l'équipe SETE du laboratoire SATIE (Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie).
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Bernard Multon
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Dans le cadre du développement des énergies renouvelables, plusieurs scientifiques ont entrepris des travaux de recherche ces dernières décennies sur la conversion de l'énergie des vagues en électricité. Une entreprise encore peu viable à l'heure actuelle, à cause essentiellement de la nature hostile dans laquelle évoluent les technologies mises en oeuvre.

Comment les vagues peuvent-elles potentiellement être exploitées pour produire de l'électricité ? 

Bernard Multon : Tout d'abord, il me semble utile d'expliquer l'origine des vagues. Elles sont la manifestation de l'interaction mécanique (frottements) entre le vent et la surface libre des étendues d'eau liquide. Le vent résultant lui-même des effets du rayonnement solaire sur les masses d'air atmosphérique, on peut dire que les vagues sont un sous-produit de l'énergie solaire. Une fois mise en mouvement, la surface libre de l'océan subit des variations d'énergie potentielle (variation de hauteur) et cinétique (variation de vitesse verticale). En amortissant ce mouvement, on prélève de l'énergie mécanique qu'il est ensuite possible de convertir en énergie électrique, la plupart du temps avec une machine électrique (génératrice) telle qu'on en trouve dans la grande majorité des systèmes de production d'électricité (hormis le domaine photovoltaïque, totalement statique). En pleine mer, les vagues peuvent se propager à longue distance par rapport au lieu où elles ont été générées par le vent : on parle alors de houle.

 

Il est également important d'avoir une idée du potentiel énergétique que représente cette ressource. Des études ont évalué que la ressource annuelle mondiale exploitable dans une bande de 50 km aux larges des côtes était de l'ordre de 1 000 TWh électriques, à comparer avec la production mondiale d'électricité, actuellement environ 24 000 TWh (TWh = térawattheure, soit 1 milliard de kWh). Il s'agit donc d'une ressource assez modeste si on la compare avec les ressources solaire et éolienne.

 

Des recherches sont en cours sur le sujet depuis 1970. Est-ce une technologie particulièrement difficile à mettre en place ? Si oui, pourquoi ? 

La raison est, à mon avis, assez simple : le milieu dans lequel évoluent les houlogénérateurs est certainement le plus sévère que l'on puisse imaginer. La violence des tempêtes extrêmes, l'agressivité de l'eau salée et le biofouling (la vie marine qui colonise à peu près tout ce qui ressemble à un récif) constituent des contraintes particulièrement difficiles.

 

En outre, il faut avouer que l'on ne manque pas de ressources renouvelables pour satisfaire nos besoins :  l'énergie solaire, le vent et l'eau (énergie hydraulique) représentent des milliers de fois nos besoins. 

 

L'idée consistant à convertir l'énergie des vagues est effectivement loin d'être nouvelle et les concepts imaginés pour en faire de l'électricité foisonnent, mais la plupart des réalisations de puissance significative finissent détruites par une nature hostile, quand ce n'est pas l'entreprise porteuse du projet qui fait faillite... Seuls des petits systèmes, notamment pour l'alimentation électrique des balises instrumentées en mer, ont trouvé des débouchés.

 

Pouvez-vous détailler quelques expériences menées sur cette problématique ? 

Les expériences sont assez nombreuses et certains concepts ont atteint des niveaux de maturité relativement élevés mais aucun ne s'est encore vraiment imposé. Plusieurs familles de concepts peuvent être constituées. 

 

La première est celle des systèmes à colonne d'eau oscillante dont le principe consiste à piéger de l'air dans une cavité placée à l'interface air-eau, avec un orifice vers l'air libre. Lors des oscillations du niveau, l'air est alternativement chassé à travers l'orifice, puis aspiré. Une turbine y est placée et sa technologie lui permet d'être entraînée toujours dans le même sens, quel que soit le sens de circulation de l'air. Cette turbine entraîne une génératrice électrique et le système peut produire de l'électricité de façon pulsée au rythme des vagues. De tels systèmes ont fait l'objet de réalisations fixes en bord de mer (onshore) ou flottantes en pleine mer (offshore). On peut citer le LIMPET installé en Ecosse depuis 2001.

 

La deuxième famille est celle des systèmes à rampe de déferlement. Il s'agit de faire déferler les vagues grâce à des déflecteurs qui focalisent l'onde de houle et font monter l'eau sur une rampe qui l'amène vers un bassin. Le bassin se remplit ainsi à un niveau moyen supérieur à celui de la mer. Cette différence de niveau traduit un gain en énergie potentielle et l'eau peut être continument turbinée via des turbines hydrauliques relativement classiques. Le projet Wave Dragon (Danemark), arrêté  en 2011, avait fait l'objet d'une réalisation flottante à échelle réduite qui a prouvé la faisabilité du concept en pleine mer.

 

La troisième famille est constituée par les dispositifs mécaniques directement mis en mouvement par les vagues. L'un des plus aboutis fut le Pelamis (entreprise écossaise), un grand serpent constitué (dans sa version 2) de 5 boudins de 4 mètres de diamètre, articulés pour une longueur totale de 180 m. Malgré des tests en pleine mer, notamment au large du Portugal (très belles images vidéo de la version 1, datant de 2008), une accumulation de difficultés a conduit la société Ocean Power Delivery à la faillite. Les brevets ont été rachetés en 2015 et il est possible que le concept trouve une seconde vie.

 

 

Bien d'autres concepts font l'objet d'études et de tests en mer, comme le CETO ou encore le système Oyster.

 

En France, le projet SEAREV (imaginé par Alain Clément du LHEA de l'école centrale de Nantes) était un concept très prometteur, il a fait l'objet de travaux de modélisation et d'une expérimentation à échelle réduite en bassin, mais n'a pas pu atteindre le stade du démonstrateur faute d'intérêt industriel.

 

Quelqu'un a-t-il déjà réussi à rendre cette technologie viable ? 

Viable, c'est-à-dire résistant dans la durée (une vingtaine d'années, sans dépenses excessives de maintenance) aux sévères conditions marines, mais aussi laissant espérer des coûts de production compétitif à moyen terme... Mon avis personnel sur cette question est que la récupération d'énergie des vagues pour la production d'électricité n'est pas encore viable et qu'il faudra accepter encore de nombreux "échecs" pour apprendre et, in fine, pour que la nature sélectionne la solution la plus pertinente !

 

Plus généralement, où en est la recherche sur la question ? 

Il existe des équipes de recherche dans le monde entier qui travaillent sur les aspects hydrodynamiques, sur les chaînes de conversion électrique (notamment pour obtenir des systèmes à très haute fiabilité, réduisant les besoins de maintenance), mais également des startups qui mettent en oeuvre, en conditions réelles (comme sur le site de l'EMEC - European Marine Energy Center), des démonstrateurs. 

 

Le contexte de la récupération des vagues est très riche scientifiquement. Côté génie électrique, notre laboratoire (SATIE-CNRS sur le site de l'école normale supérieure de Rennes) a travaillé pendant 10 ans sur les chaînes de conversion et l'amélioration de la qualité de l'électricité générée. La dernière thèse de doctorat soutenue (en 2015) est celle de Thibaut Kovaltchouk : elle concernait notamment l'optimisation sur cycle de vie du dimensionnement de la chaine de conversion et des stratégies de récupération, ainsi que l'amélioration.

 

Les moyens consacrés à cette recherche sont-ils suffisants ? 

Si l'on se focalise exclusivement sur cette thématique, il est aisé de répondre non ! Mais il faut reconnaitre que les enjeux majeurs sont plus globaux et concernent le passage massif aux ressources renouvelables de l'ensemble du secteur énergétique, notamment, dans le cas de l'électricité, le traitement de leur forte variabilité.

 

En ce qui concerne les récupérateurs d'énergie des vagues, il manque surtout des industriels motivés pour porter des concepts jusqu'à l'étape du démonstrateur. En France, l'ADEME avec ses AMI (Appels à manifestation d'intérêt) apporte un soutien aux projets expérimentaux impliquant des entreprises, notamment dans le domaine des "énergies marines renouvelables" (depuis 2009), mais cela concerne un vaste champ d'étude allant de l'éolien offshore, notamment flottant, à la récupération des courants de marée (hydrolien), en passant par l'exploitation de l'énergie thermique des mers et celle des vagues.

 

L'énergie des vagues est-il le seul type d'énergie potentielle dérivée de la mer ?

Non, comme je le disais dans ma réponse à la question précédente. En France, on considère que l'éolien offshore posé fait partie des EMR (énergies marines renouvelables) mais ce n'est pas le cas dans la plupart des pays étrangers. Les autres systèmes EMR sont l'éolien flottant permettant d'accéder à des sites où la profondeur est supérieure à 50 m; l'énergie thermique des mers (exploitant la différence de température des eaux de surface en zone tropicale et des eaux profondes pour faire fonctionner une machine thermodynamique); l'énergie des courants de marée; l'énergie des vagues; et l'énergie osmotique (la différence de salinité entre les eaux douces se jetant dans la mer peut actionner une turbine).

 

 

Les commentaires de cet article sont à lire ci-après
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Le gorille
- 29/03/2016 - 03:01
Energie thermique
L'article oublie une technique : l'énergie issue de la différence de température, non pas pour actionner une machine thermodynamique qui produit de l'électricité, mais pour climatiser, sans électricité, ce qui en économise la production. Cette économie est aussi un paramètre à prendre en compte. Et ce système se développe de manière industrielle. Le recul n'est peut-être pas encore suffisant, mais les réalisations sont là : des installations d'envergure fonctionnent et d'autres sont en projet.
Le gorille
- 29/03/2016 - 02:48
Energie du courant
J'ai un ami qui génère son électricité, en petite partie, par une turbine noyée dans un "hoa", équivalent d'un étier entre la pleine met et le lagon. Mais c'est individuel. Actuellement des mesures sont faites dans les passes de lagon où le courant est réputé fort.... Hélas, données et calculs sont là pour dire que les dimensions nécessaires pour un minuscule village sont trop importantes et interdiraient quasiment la navigation ! C'est vraiment une déception. Cependant, il existe des cas particuliers qui concilient les les deux, et mieux, des solutions techniques sont trouvées pour garder la taille du flux nécessaire, tout en réduisant les dimensions. En gros, on multiplie les petites unités. Mais au bout du compte, cela restera un complément aux autres sources, panneaux solaire et génératrices classiques, l'éolien ayant, après plusieurs échec, déclaré forfait.
Le gorille
- 29/03/2016 - 02:39
Précision
Le Télamis fonctionne un peu sur le même principe, mais dans le cas cité, il s'agissait d'une tour (béton), fixe (le télamis flotte et est ancré), posée sur fondations à proximité du rivage