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Énergie marémotrice

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Énergie marémotrice, appelé quelques fois l'énergie marémotrice, est une forme d'hydroélectricité qui exploite l'élévation et la baisse du niveau de la mer en raison des marées ou du mouvement de l'eau provoqué par la marée. Parce que les forces de marée sont causées par l'interaction entre la gravité de la Terre, la Lune et le Soleil, l'énergie marémotrice est essentiellement inépuisable et classée comme une source d'énergie renouvelable. En fait cependant, la source d'énergie ultime est l'énergie de rotation de la Terre, qui ne s'épuisera pas dans les quatre milliards d'années à venir, bien que les océans de la Terre puissent s'évaporer dans deux milliards d'années.

Bien qu'elle ne soit pas encore largement utilisée, l'énergie marémotrice a un grand potentiel pour la production future d'électricité et est plus prévisible que l'énergie éolienne et l'énergie solaire. En Europe, les moulins à marée sont utilisés depuis près de mille ans, principalement pour moudre les grains.

L'énergie marémotrice peut être classée en deux types,

  • Les systèmes de courants de marée utilisent l'énergie cinétique des courants d'eau en mouvement pour alimenter les turbines, de la même manière que les éoliennes sous-marines. Cette méthode gagne en popularité en raison de son impact écologique moindre par rapport au deuxième type de système, le barrage.
  • Les barrages utilisent l'énergie potentielle de la différence de hauteur (ou tête) entre les marées hautes et basses, et leur utilisation est mieux établie. Ceux-ci souffrent du double problème des coûts très élevés des infrastructures civiles et des problèmes environnementaux.

Les progrès modernes de la technologie des turbines pourraient éventuellement voir de grandes quantités d'énergie générée par les océans en utilisant les conceptions des courants de marée. Représenté dans des zones à grande vitesse où les flux naturels sont concentrés, comme la côte ouest du Canada, le détroit de Gibraltar, le Bosphore et de nombreux sites en Asie du Sud-Est et en Australie. De tels écoulements se produisent presque partout où il y a des entrées de baies et de rivières, ou entre des masses terrestres où les courants d'eau sont concentrés.

L'eau est un facteur de la géographie des établissements humains. Les établissements humains ont souvent commencé autour des baies, des rivières et des lacs. La colonisation future pourrait être concentrée autour de l'eau en mouvement, permettant aux communautés de s'alimenter avec l'énergie non polluante de l'eau en mouvement.

Barrage marémotrice

Centrale marémotrice de RanceImpression artistique d'un barrage à marée, comprenant des remblais, une écluse de navire et des caissons abritant une écluse et deux turbines.

La méthode du barrage pour extraire l'énergie marémotrice consiste à construire un barrage et à créer une lagune à marée. Le barrage emprisonne un niveau d'eau à l'intérieur d'un bassin. La tête (une hauteur de pression d'eau) est créée lorsque le niveau d'eau à l'extérieur du bassin ou de la lagune change par rapport au niveau d'eau à l'intérieur. La tête est utilisée pour entraîner des turbines. La plus grande installation de ce type travaille sur la Rance, en France, depuis 1967, avec une puissance installée (crête) de 240 MW et une production annuelle de 600 GWh (environ 68 MW de puissance moyenne).

Les éléments de base d'un barrage sont les caissons, les remblais, les écluses, les turbines et les écluses des navires. Les écluses, les turbines et les écluses des navires sont logées dans des caissons (très gros blocs de béton). Des remblais scellent un bassin où il n'est pas scellé par des caissons.

Les portes d'écluse applicables à l'énergie marémotrice sont la porte à volet, la porte montante verticale, la porte radiale et le secteur montant.

Les systèmes de barrage sont parfois affectés par des problèmes de coûts élevés des infrastructures civiles associés à ce qui est en fait un barrage placé sur deux systèmes estuariens, et par les problèmes environnementaux associés au changement d'un grand écosystème.

Génération Ebb

Le bassin est rempli à travers les écluses jusqu'à la marée haute. Ensuite, les portes d'écluse sont fermées. (À ce stade, il peut y avoir un «pompage» pour élever le niveau encore plus loin.) Les portes de la turbine sont maintenues fermées jusqu'à ce que le niveau de la mer tombe pour créer une hauteur suffisante à travers le barrage, puis sont ouvertes de sorte que les turbines génèrent jusqu'à ce que la tête soit encore faible. Ensuite, les vannes sont ouvertes, les turbines déconnectées et le bassin est à nouveau rempli. Le cycle se répète. La génération de Ebb (également connue sous le nom de génération de flux sortant) tire son nom car la génération se produit sous forme de reflux de marée.

Génération des crues

Le bassin est rempli par les turbines, qui se génèrent à marée montante. Ceci est généralement beaucoup moins efficace que la génération de reflux, car le volume contenu dans la moitié supérieure du bassin (où se trouve la génération de reflux) est supérieur au volume de la moitié inférieure (et faisant la différence de niveaux entre le côté du bassin et côté mer du barrage), moins qu'il ne le serait autrement. Ce n'est pas un problème avec le modèle "lagoon"; la raison étant qu'il n'y a pas de courant d'une rivière pour ralentir le courant d'inondation de la mer.

Pompage

Les turbines peuvent être alimentées en sens inverse par un excès d'énergie dans le réseau pour augmenter le niveau d'eau dans le bassin à marée haute (pour la génération de reflux). Cette énergie est plus que restituée lors de la génération, car la puissance de sortie est fortement liée à la tête.

Schémas à deux bassins

Avec deux bassins, l'un est rempli à marée haute et l'autre est vidé à marée basse. Des turbines sont placées entre les bassins. Les schémas à deux bassins offrent des avantages par rapport aux schémas normaux en ce sens que le temps de génération peut être ajusté avec une grande flexibilité et qu'il est également possible de générer presque en continu. Dans les situations estuariennes normales, cependant, les systèmes à deux bassins sont très coûteux à construire en raison du coût de la longueur supplémentaire du barrage. Il existe cependant des zones géographiques favorables qui conviennent bien à ce type de régime.

Impact environnemental

Le placement d'un barrage dans un estuaire a un effet considérable sur l'eau à l'intérieur du bassin et sur les poissons. Une turbine à courant de marée aura un impact beaucoup plus faible.

Turbidité

La turbidité (la quantité de matière en suspension dans l'eau) diminue en raison d'un plus petit volume d'eau échangée entre le bassin et la mer. Cela permet à la lumière du soleil de pénétrer davantage dans l'eau, améliorant les conditions du phytoplancton. Les changements se propagent dans la chaîne alimentaire, provoquant un changement général de l'écosystème.

Salinité

En raison de moins d'échanges d'eau avec la mer, la salinité moyenne à l'intérieur du bassin diminue, affectant également l'écosystème. Les "lagunes à marée" ne souffrent pas de ce problème.

Mouvements de sédiments

Les estuaires ont souvent un volume élevé de sédiments qui les traversent, des rivières à la mer. L'introduction d'un barrage dans un estuaire peut entraîner une accumulation de sédiments dans le barrage, affectant l'écosystème et également le fonctionnement du barrage.

Les polluants

Encore une fois, en raison de la réduction du volume, les polluants qui s'accumulent dans le bassin peuvent être dispersés moins efficacement, de sorte que leurs concentrations peuvent augmenter. Pour les polluants biodégradables, tels que les eaux usées, une augmentation de la concentration est susceptible d'entraîner une croissance accrue des bactéries dans le bassin, ayant des impacts sur la santé de la communauté humaine et de l'écosystème.

Poisson

Les poissons peuvent traverser les écluses en toute sécurité, mais lorsqu'ils sont fermés, les poissons chercheront des turbines et tenteront de les traverser. De plus, certains poissons ne pourront pas s'échapper de la vitesse de l'eau près d'une turbine et seront aspirés. Même avec la conception de turbine la plus respectueuse des poissons, la mortalité des poissons par passe est d'environ 15% (par chute de pression, contact avec les pales, cavitation, etc.). Cela peut être acceptable pour une frayère, mais est dévastateur pour les poissons locaux qui entrent et sortent du bassin quotidiennement. Les technologies de passage alternatives (échelles à poissons, ascenseurs à poissons, etc.) n'ont jusqu'à présent pas résolu ce problème pour les barrages de marée, offrant soit des solutions extrêmement coûteuses, soit des solutions qui ne sont utilisées que par une petite fraction des poissons. Des recherches sur l'orientation sonore des poissons sont en cours.

Puissance des courants de marée

Une technologie relativement nouvelle, les générateurs de courants de marée puisent leur énergie dans les courants de la même manière que les éoliennes. La densité plus élevée de l'eau, environ 832 fois la densité de l'air, signifie qu'un seul générateur peut fournir une puissance importante.

Encore plus qu'avec l'énergie éolienne, la sélection de l'emplacement est essentielle pour un générateur d'énergie marémotrice. Les systèmes de courants de marée doivent être situés dans des zones à courants rapides où les flux naturels sont concentrés entre les obstacles, par exemple aux entrées des baies et des rivières, autour des points rocheux, des promontoires, ou entre les îles ou d'autres masses terrestres. Les sites potentiels suivants ont été suggérés:

  • Le Pentland Firth en Ecosse
  • Les îles Anglo-Normandes au Royaume-Uni
  • Le détroit de Cook en Nouvelle-Zélande
  • Le détroit de Gibraltar
  • Le Bosphore en Turquie
  • Le détroit de Bass en Australie
  • Le détroit de Torres en Australie
  • Le détroit de Malacca entre l'Indonésie et Singapour
  • La baie de Fundy au Canada.

Prototypes

Plusieurs prototypes commerciaux se sont révélés prometteurs. Des essais dans le détroit de Messine, en Italie, ont été menés avec succès,1 et une société australienne, Tidal Energy, ont entrepris avec succès des essais commerciaux de turbines à enveloppe très efficaces sur la Gold Coast, Queensland, en 2002, qui ont été suivis par des essais commerciaux réussis en coentreprise par le Canada par Quantum Hydro Power en 2005-2006, en utilisant le Gorlov Turbine hélicoïdale sur la côte ouest canadienne où la vitesse de l'eau a été mesurée jusqu'à 16 nœuds.

En 2003, une turbine à hélice à courant marin Periodflow de 300 kW a été testée au large des côtes du Devon, en Angleterre, et un hydravion oscillant de 150 kW, le Stingray, a été testé au large des côtes écossaises.

Calculs énergétiques

L'énergie disponible de ces systèmes cinétiques peut être exprimée comme:

  • P = Cp x 0,5 x ρ x A x V3

Où:
Cp est le coefficient de performance de la turbine
P = la puissance générée (en kW)
ρ = la densité de l'eau (l'eau de mer est de 1025 kg par mètre cube (CM))
A = la zone de balayage de la turbine (en m2)
V3 = la vitesse du flux au cube (c'est-à-dire, V x V x V)

  • Par rapport à une turbine ouverte en flux libre où l'efficacité typique d'une turbine a été mesurée à environ 22%. Les turbines enveloppées sont capables de rendements plus élevés jusqu'à 4 fois la puissance de la même turbine en flux ouvert.

Turbines enveloppées

Un carénage ou un conduit qui abrite la turbine et peut produire jusqu'à quatre fois la production d'énergie de la même turbine pour un coût de projet peu élevé a été prouvé par des tests de prototype en Australie en 2002 et 2005.

Considérées comme la prochaine génération de turbines à eau, elles représentent un progrès par rapport à une technologie qui a été relativement stagnante depuis le moyen âge lorsque le moulin à vent a été inventé.

Les turbines à carénage peuvent produire la même énergie à partir d'une turbine beaucoup plus petite, tandis que les turbines plus grandes, si elles sont logées dans un carénage, ont un attrait important pour le commerce où le "taux de rendement" sur l'investissement peut aller jusqu'à quinze ans sur certains sites où des turbines ouvertes sont utilisées.

Les essais commerciaux entrepris sur des turbines à carénage en 2006, le long de la côte ouest du Canada, verront finalement la production de masse et se dérouler sur plusieurs sites où il y a certains des débits les plus rapides jamais enregistrés jusqu'à 16 nœuds, soit environ 8,5 m / s. Une turbine ouverte d'un mètre (m) carré dans ce flux pourrait produire environ 0,5 mégawatt (MW), tandis qu'une turbine enveloppée près de 2 MW. Les débits moyens sont un peu moins autour de 6 à 10 nœuds soit environ 3 à 5 m / s.

Nature variable de la puissance de sortie

Les projets d'énergie marémotrice ne produisent pas d'énergie toute la journée. Une conception conventionnelle, dans n'importe quel mode de fonctionnement, produirait de l'électricité pendant 6 à 12 heures sur 24 et ne produirait pas d'électricité à d'autres moments. Le cycle de marée étant basé sur la rotation de la Terre par rapport à la Lune (24,8 heures), et la demande d'électricité étant basée sur la période de rotation de la Terre (24 heures), le cycle de production d'énergie ne sera pas toujours en phase avec le cycle de la demande. Cependant, les marées sont relativement fiables et plus prévisibles que d'autres sources d'énergie alternatives, telles que le vent.

Modélisation mathématique des schémas de marée

Dans la modélisation mathématique d'un plan, le bassin est divisé en segments, chacun conservant son propre ensemble de variables. Le temps est avancé par étapes. À chaque étape, les segments voisins s'influencent mutuellement et les variables sont mises à jour.

Le type de modèle le plus simple est le modèle de l'estuaire plat, dans lequel l'ensemble du bassin est représenté par un segment. La surface du bassin est supposée plate, d'où son nom. Ce modèle donne des résultats approximatifs et est utilisé pour comparer de nombreux modèles au début du processus de conception.

Dans ces modèles, le bassin est divisé en grands segments (1D), carrés (2D) ou cubes (3D). La complexité et la précision augmentent avec la dimension.

La modélisation mathématique produit des informations quantitatives pour une gamme de paramètres, notamment:

  • Niveaux d'eau (pendant le fonctionnement, la construction, les conditions extrêmes, etc.)
  • Les courants
  • Vagues
  • Puissance de sortie
  • Turbidité
  • Salinité
  • Mouvements de sédiments

Efficacité énergétique

L'énergie marémotrice a une efficacité de 80% pour convertir l'énergie potentielle de l'eau en électricité. Il est donc très efficace par rapport à d'autres ressources énergétiques telles que l'énergie solaire ou les centrales à combustibles fossiles.

Impact environnemental mondial

Un système d'énergie marémotrice est une source d'électricité à long terme. Une proposition de construction du barrage de Severn, si elle est construite, devrait permettre d'économiser 18 millions de tonnes de charbon par an d'exploitation. Cela diminue la production de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

Si la ressource en combustibles fossiles est susceptible de diminuer au cours du XXIe siècle, comme le prédit la théorie du pic de Hubbert, l'énergie marémotrice est l'une des sources d'énergie alternatives qui devront être développées pour satisfaire la demande humaine en énergie.

Exploitation de programmes d'énergie marémotrice

Il existe plusieurs systèmes marémoteurs en fonctionnement dans le monde. Voici quelques exemples.

Les rotors SeaGen à Harland et Wolff, Belfast, avant l'installation à Strangford Lough
  • La première centrale marémotrice a été la centrale marémotrice de Rance construite sur une période de 6 ans de 1960 à 1966, à La Rance, France. Il a une capacité installée de 240 MW.
  • Le premier site d'énergie marémotrice en Amérique du Nord est la centrale d'Annapolis Royal, Annapolis Royal, en Nouvelle-Écosse, qui a ouvert ses portes en 1984, à l'entrée de la baie de Fundy. Il a une capacité installée de 20 MW.
  • Un petit projet a été construit par l'Union soviétique à Kislaya Guba sur la mer de Barents. Il a une capacité installée de 0,5 MW.
  • La Chine a apparemment développé plusieurs petits projets d'énergie marémotrice et une grande installation à Jiangxia.
  • La Chine développe également une lagune à marée près de l'embouchure du Yalu.
  • Parastatal, l'énergie sud-africaine Eskom étudie l'utilisation du courant du Mozambique pour produire de l'électricité au large des côtes du KwaZulu Natal. Parce que le plateau continental est proche de la terre, il peut être possible de produire de l'électricité en puisant dans le courant du Mozambique qui coule rapidement.
  • Un système SeaGen de 1,2 MW a été installé à Strangford Lough en Irlande du Nord et est devenu opérationnel en 2008, générant 1,2 MW d'électricité.2
  • Le plus grand projet d'énergie marémotrice intitulé MeyGen (398 MW) a été installé dans le Pentland Firth dans le nord de l'Écosse en 2016.3

Remarques

  1. ↑ SeaPower scrl, KOBOLD: Turbine marine à axe vertical. Récupéré le 2 février 2017.
  2. ↑ Système d'énergie marémotrice à pleine puissance nouvelles de la BBC, 18 décembre 2008. Consulté le 2 février 2017.
  3. ↑ Mure Dickie, en Écosse, dévoile le plus grand projet d'énergie marémotrice au monde Financial Times, 12 septembre 2016. Récupéré le 2 février 2017.

Les références

  • Gray, T. Énergie marémotrice. New York: Springer, 1972. ISBN 0306305593
  • Clark, Robert H. Éléments d'ingénierie marémotrice. Hoboken, NJ: Wiley-IEEE Press, 2007. ISBN 047010709X
  • Baker, A.C. Énergie marémotrice. Londres: Peter Peregrinus Ltd., 1991. ISBN 0863411894
  • Baker, G.C., E.M. Wilson, H. Miller, R.A. Gibson et M. Ball. Le projet pilote d'énergie marémotrice d'Annapolis. Dans Waterpower '79 Proceedings, ed. Anon. Washington: Bureau d'impression du gouvernement américain, 1980.
  • Hammons, T.J. "Énergie marémotrice." Actes de l'IEEE, 81 (3) (1993): 419-433. Récupéré le 6 février 2017.
  • Lecomber, R. "L'évaluation des projets d'énergie marémotrice." Dans Gestion de l'énergie marémotrice et de l'estuaire. Eds. R.T. Severn, D.L. Dineley et L.E. Colporteur. Dorchester: Henry Ling Ltd, 1979.

Liens externes

Tous les liens ont été récupérés le 2 février 2017.

  • Emplacement des sites potentiels d'énergie marémotrice au Royaume-Uni.
  • Université de Strathclyde ESRU-Résumé des générateurs de courant de marée et marins.
  • Université de Strathclyde ESRU - Analyse détaillée des ressources énergétiques marines, évaluation actuelle de la technologie de capture d'énergie et aperçu de l'impact environnemental.
  • Renewable Energy UK Tidal-Articles sur la production d'énergie marémotrice.
  • Turbines à courant marin.

Les brevets

  • Brevet américain 6982498 (PDF), Tharp, 3 janvier 2006, fermes hydroélectriques.
  • Brevet américain 6995479 (PDF), Tharp, 7 février 2006, fermes hydroélectriques.
  • Brevet américain 6998730 (PDF), Tharp, 14 février 2006, fermes hydroélectriques.

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