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Les Hydroliennes

Après les panneaux solaires et les éoliennes, les hydroliennes (ou turbines sous-marines) entrent dans la course aux énergies alternatives renouvelables.

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Le nouveau prototype AK-1000 de 1MW © ATLANTIS

Il y quelques semaines, la société ATLANTIS, un des leaders mondiaux en matière d’hydroliennes, dévoilait en Ecosse son nouveau prototype de 1 MW: AK-1000 (voir cet article). La course aux grosses hydroliennes à l’image des grandes éoliennes qui commence à faire partie de certains de nos paysages est désormais ouverte.

Le principe de fonctionnement

Le principe de l’hydrolienne est d’utiliser les courants sous-marins naturels horizontaux sans avoir recours à de la rétention d’eau, contrairement aux usines marée-motrices qui stockent de l’eau à marée montante pour ensuite réutiliser cette eau à marée descendante. Il faut également les différencier des machines utilisant l’énergie des vagues (soit les mouvements verticaux de la mer). De ce fait, les hydroliennes doivent être situées offshore, posées à environ 30 m de fond de manière à capturer les courants sous-marins là où ils sont maximaux, soit à environ 5 m sous la surface (idéalement entre 2,5 et 4 m/s).

Le principe de fonctionnement est le même que celui des éoliennes, à savoir transformer l’énergie cinétique d’un courant en énergie mécanique en faisant tourner des pâles qui entrainent un alternateur produisant de l’électricité. La différence réside dans le fait que les hydroliennes utilisent les courants de marée  alors que les éoliennes utilisent les vents.

Le fait d’utiliser l’énergie cinétique de l’eau plutôt que celle de l’air est un avantage indéniable car l’eau est 800 fois plus dense que l’air et l’énergie cinétique d’un courant est proportionnelle à cette densité. Ceci implique que les hydroliennes soient beaucoup plus compactes que les éoliennes pour extraire une même puissance. A titre d’exemple, une éolienne de 1 MW mesure environ 120 m de diamètre contre seulement 18m de diamètre pour une hydrolienne !!

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Turbine sous-marine © ATLANTIS

 Hydrolien contre éolien offshore

Si on compare l’éolien offshore et une hydrolienne fonctionnant grâce aux forces de la marée, la partie concernant le raccord au réseau électrique est la même mais la turbine sous-marine est 10 fois plus petite et plus légère pour une puissance équivalente.

Une des principales critiques des éoliennes est la nuisance visuelle et sonore ainsi que le danger que peut représenter ces immenses pales pour les oiseaux. De ce côté, pas de problème pour les hydroliennes qui sont sous l’eau. Les pales des hydroliennes tournent « seulement » entre 8 et 20 tours par minute, mais il faut néanmoins étudier en détail si cela ne peut pas perturber la vie sous-marine, ce qui est aujourd’hui loin d’être évident à cause des trop peu nombreuses études indépendantes à ce sujet. En effet, les turbulences engendrées par les hydroliennes pourraient empêcher le dépôt de sédiments sur les fonds marins et ainsi affecter la faune et la flore marine avoisinante. Il faut également avoir à l’esprit que si une vitesse de rotation de 8 tours par minute parait faible, cela représente une vitesse de 30 km/h au bout d’une pale de 10 m (et 80 km/h
pour 20 tr/min).

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Projet de Plateforme hydrolienne Triton ©TidalStream

La force de la marée est facilement prévisible et anticipable contrairement au vent. De ce fait, les estimations de productions peuvent être beaucoup plus fiables dans le cas des hydroliennes et comme les marées sont distribuées différemment le long des côtes, un agencement intelligent permettrait de fournir une quantité d’énergie assez constante contrairement aux éoliennes qui sont soumises aux fluctuations du vent, même si ce dernier est assez régulier offshore.

Un autre point sensible est l’entretien de ces machines. Les hydroliennes sont immergées dans l’océan, ce qui entraine une difficulté d’accès car il faut généralement sortir de l’eau les différentes pièces à entretenir. De plus, l’eau, le sel, les algues et l’environnement marin sont très corrosifs et demandent un entretien très régulier des machines. La maintenance des hydroliennes est donc en conséquence beaucoup plus difficile, fréquente et coûteuse que sur une installation en plein air comme les éoliennes.

L’énergie hydrolienne disponible en France

Les hydroliennes sont efficaces pour des courants dépassant les 1,5 m/s. Dans le cas de la France, les seuls sites possibles seraient donc le Cotentin et la côte nord bretonne, ce qui est relativement peu au vu de la grande zone littorale disponible en France. Ce sont les Ecossais les mieux servis de ce point de vue avec de nombreux sites offrant des conditions favorables aux forts courants marins, ce pour quoi de nombreux essais sont effectués dans cette région actuellement. Au sujet de l’énergie utilisable en France, Jean-Luc Achard, directeur de recherche au CNRS à Grenoble dit la chose suivante : « Les chiffres cités sur la seule base de l’énergie cinétique théoriquement disponible ne
sont pas sérieux. Le potentiel des courants de marée est probablement supérieur à celui des éoliennes, mais il reste comparable. Au mieux, cela se rapprochera ­ à l’horizon 2050 ­ du grand secteur hydraulique, qui représente 13 % de l’énergie en France par exemple».

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Pale d’hydrolienne SeaGen

 Pour résumé, l’hydrolien est encore dans sa phase expérimentale et doit faire ses preuves lors de la mise en place de premiers prototypes à travers le monde, principalement en mer du Nord où les courants marins sont importants. L’énergie hydrolienne disponible en France est relativement modeste mais permettrait tout de
même une production significative de l’ordre d’un dixième de notre production actuelle. Le prix du kWh est encore très difficile à estimer mais pourrait à terme être de l’ordre de celui de l’éolien, soit environ 5 c€/kWh, ce qui est compétitif face au prix de l’électricité nucléaire.

Les éoliennes, c’est sérieux ?

On m’a demandé récemment :
« 
pourquoi ne remplace t-on pas toutes nos centrales nucléaires par plein d’éoliennes partout en France ». On va donc se projeter dans une France où on décide de remplacer le parc nucléaire par des éoliennes…

Les plus grosses éoliennes commerciales (et les plus rentables) ont une puissance d’environ 2.5MW. Typiquement, les éoliennes N90/2500 fabriquées par un des leaders mondiaux : Nordex. Ce modèle mesure autour des 120m de haut pour un rotor ayant un diamètre de 90m (les pales font 45m). Le bruit dégagé est de 105 dB(A). On peut lire dans la documentation que les 2.5MW sont disponibles pour un vent supérieur à 14m/s (50km/h). Si le vent tombe à 8m/s, la puissance fournie est de 1MW et pour 6,5m/s on a 500kW. En pratique, une augmentation de 10% de la vitesse du vent donne 15 à 20% d’énergie en plus.

En étant raisonnable, on peut considérer qu’on peut installer 8MW par km² avec ce type d’éolienne, c’est-à-dire 3,2 éoliennes par km² en vue de la taille des pales
et de l’espacement minimum entre 2 éoliennes. Concernant l’éolien offshore (dans la mer sur le littoral) la puissance installée au km² est la même. Voici la carte des vents en France (pour une altitude de 50m) :

 Sur le territoire français, la vitesse du vent se situe aux alentours de 5m/s à 50m au-dessus du sol, notre éolienne de 2,5MW ne fournit plus que 200kW. Mais l’éolienne que j’ai sélectionnée est plus haute (120m), le vent est donc plus important et on privilégie évidemment les zones venteuses en littoral. En étant optimiste, on peut dire que notre « éolienne moyenne » en France fournit une puissance de 500kW. Dans ce cas ce n’est plus 8MW/km² que l’on installe mais 1,6MW/km². Après un rapide calcul on déduit que pour atteindre les 63 000MW du parc nucléaire français, il faut donc occuper 40 000km². Cette superficie correspond à peu près à l’ensemble de la surface occupée par la culture du blé en France (je rappelle que la France est le 4ième producteur mondial de blé avec 37 millions de tonnes). On pourrait donc remplacer toutes nos centrales nucléaires par des éoliennes si on mettait des éoliennes dans tous les champs de blé. Peut être que je ne suis pas le premier à avoir cette idée, puisque à côté d’Orléans des éoliennes Nordex poussent comme des champignons en pleine Beauce dans les champs de blé (voir photo en début d’article). Mais est-ce bien sérieux? 40 000km² d’éoliennes en France, je vous laisse apprécier par vous-même cette possibilité…(c’est bien sûr irréalisable).

Oui, les éoliennes c’est bien, ça montre que notre pays s’engage dans les énergies renouvelables, c’est une noble cause mais est-ce réellement une solution à notre
gigantesque consommation électrique ? Ne devrait-on pas plutôt chercher à réduire notre consommation plutôt que dépenser de l’argent dans des éoliennes qui représenteront dans le meilleur des cas quelques pourcents de la consommation électrique française ? J’avoue que pour l’ingénieur que je suis, c’est bien les éoliennes, c’est pile dans ma branche et ça fait de l’emploi, on ne peut pas négliger cet aspect mais on pourrait aussi créer plus d’emplois pour le développement de futurs réacteurs nucléaires « propres » qui ne dégageraient presque plus de déchets radioactifs ! Mais pour ce qui est des choix à faire, c’est une question 100% politique où les scientifiques sont laissés de côté…