OTEC

OTEC

Énergie maréthermique

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L'énergie maréthermique (ou énergie thermique des mers - ETM) est produite en exploitant la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans. Un acronyme souvent rencontré est OTEC, pour Ocean thermal energy conversion.

Sommaire

Principe

En raison de la surface qu'ils occupent, les mers et les océans de la Terre se comportent comme un gigantesque capteur pour :

  • le rayonnement solaire (direct : flux solaire absorbé par l'océan ou indirect : rayonnement de la Terre réfléchi par l'atmosphère terrestre)
  • l'énergie du vent (elle-même dérivée de l'énergie solaire).

Bien qu'une partie de cette énergie soit dissipée (courants, houle, frottements, etc.), une grande partie réchauffe les couches supérieures de l'océan. C'est ainsi qu'à la surface, grâce à l'énergie solaire, la température de l'eau est élevée (elle peut dépasser les 25°C en zone intertropicale) et; en profondeur privée du rayonnement solaire, l'eau est froide (aux alentours de 2 à 4°C, sauf dans les mers fermées, comme la Méditerranée, dont le plancher ne peut être "tapissé" par les "bouffées" d'eaux froides polaires qui "plongent", au nord et au sud de l'océan Atlantique, avec un débit total moyen de 25 millions de m³/seconde [1].

De plus, les couches froides ne se mélangent pas aux couches chaudes. En effet, la densité volumique de l'eau s'accroît lorsque la température diminue ce qui empêche les eaux profondes de se mélanger et de se réchauffer.

Cette différence de température peut être exploitée par une machine thermique. Cette dernière ayant besoin d'une source froide et d'une source chaude pour produire de l'énergie, utilise respectivement l'eau venant des profondeurs et l'eau de surface comme sources.

Histoire

Idée

On attribue généralement à Jules Verne, l'idée d'utiliser les différences de températures de la mer pour produire de l'électricité. Dans son livre, Vingt mille lieues sous les mers, il fait référence aux « eaux de surface et les eaux profondes des océans pour produire de l'électricité » et cela, dès 1869.

C'est le physicien français Arsène d'Arsonval, qui conceptualisa la première fois cette idée. Il voulait mettre en relation les eaux chaudes, de surface, avec les eaux froides, de profondeur. Mais dans les années 1880, la technologie existante n'était pas encore capable de réaliser un prototype.

Première application

Il faut attendre jusquen 1920, avec lépuisement des réserves de charbon qui suscite la recherche de ressources nouvelles en énergie primaire, pour répondre aux besoins croissants de lindustrie, lingénieur français Georges Claude, fondateur de l'entreprise Air liquide, propose de construire une usine E.T.M. pour la production délectricité.

Cest en 1928, à Ougrée en Belgique, que Claude en valide le principe en produisant de lélectricité avec une machine thermique de 60 kW alimentée avec de leau chaude à 33°C puisée dans le circuit de refroidissement dun haut fourneau et de leau « froide » à 12°C pompée dans la Meuse. Cest aussi celle utilisée à Hawaï, en 1981, pour la mise à leau de la triple conduite deau froide de lexpérience OTEC-1.

Il faudra attendre 1930, pour voir le premier prototype construit dans la baie de Matanza, à Cuba.

Son prototype, une centrale de 50 kW utilisait l'eau de surface chaude (aux alentours de 25-27°C), et de l'eau pompée à plus de 700 m de profondeur (à environ 11°C). Celle-ci était construite au large de Cuba.

En 1963, James Hilbert Anderson, reprend le travail acharné de lingénieur français, mais propose dutiliser un autre fluide de travail que leau : le propane. Ainsi, à lissue de ces travaux, lE.T.M. existe sous deux formes de cycles différents ; lE.T.M. en « cycle ouvert » pour le procédé de Georges Claude et lE.T.M. en « cycle fermé » pour celui de James Hilbert Anderson. La crise pétrolière de 1973 entraîne un nouvel essor de la recherche sur le développement de la filière E.T.M. en « cycle fermé ». Cet essor est marqué par la construction du NELH, le Natural Energy Laboratory of Hawaï. Et en 1975 à Hawaï, un premier essai du projet E.T.M. sous le nom de « Mini-Otec » voit le jour. Il sensuit en 1979, un financement dun nouveau projet baptisé « Otec-1 », qui en 1981 utilise un échangeur eau-ammoniac.

Dans la mer du Japon, à Shimane, cest le cas aussi dune installation E.T.M. construite en 1979, appelée « Mini Otec » utilisant aussi un cycle fermé mais du fréon en tant que fluide.

  • En 1980, la France entreprend elle aussi létude dune centrale E.T.M., mais celle-ci est abandonnée en 1986.
  • Entre 1980 et 1982, les japonais entreprennent dautres installations dE.T.M..
  • En 1986, le prix du pétrole baisse. Aux Etats-Unis, il y a diminution de la recherche pour le développement de lE.T.M., alors quau Japon, on la maintient.
  • Entre 1993 et 1998, le Japon coopère avec les Américains et fait lessai dune mini-usine en cycle ouvert à terre, à Hawaï. En 2001, mise en œuvre dune usine flottante E.T.M. mouillée au Sud du continent Indien, avec en coopération Inde et Japon.

Aujourd'hui

Les pays actuellement (2004) qui réalisent le plus de recherches dans ce domaine sont les États-Unis et le Japon. C'est principalement à cause des chocs pétroliers des années 1970, que la recherche a véritablement commencé. Les premières "estimations" de la quantité d'énergie qui pourrait être produite sans nuire à l'environnement viennent d'être publiées.

A priori, avec les techniques envisagées (exploitation de la différence de température entre surface et fond), cette énergie n'est exploitable que dans les zones intertropicales ; ailleurs, la différence de température entre la surface et le fond est insuffisante pour obtenir un rendement suffisant, et donc une puissance suffisante pour pomper l'eau froide à grande profondeur et alimenter une machine thermique (on se rappelle que le rendement d'une telle machine dépend de la différence de température entre la source chaude et la source froide).

En plus de l'énergie, les systèmes envisagés permettraient la climatisation (utilisation directe de l'eau froide pompée), et éventuellement l'utilisation (cultures marines) des nutriments piégés en grande quantité dans les couches froides de l'océan, la photosynthèse est impossible.

Implantation

LE.T.M. doit être implantée dans un endroit spécial. Tout dabord, lE.T.M. doit avoir accès à la mer pour que les canalisations qui la constituent puissent puiser de leau des océans. Cest pour cela quil est nécessaire quelle soit installée au niveau de la mer. Ensuite, linstallation de lE.T.M. doit se faire au plus près des côtes, pour faciliter la construction et minimiser les coûts. Les canalisations allant jusquà 1000 mètres de profondeur environ, il est inutile et aberrant déloigner à des kilomètres des côtes lE.T.M., cela imposerait davantage de longueurs de tuyaux et donc un coût plus élevé. De plus, il faut prendre en compte les endroits leau de surface reste chaude durant toute lannée, avec une moyenne denviron 24°C. On ne peut donc mettre une E.T.M. nimporte sur le globe, seule une zone convient à son installation. Cette zone, qui doit correspondre à une certaine température des eaux de surface, doit aussi correspondre à une certaine profondeur des eaux. En effet, comme lE.T.M. est construite près des côtes avec des canalisations allant jusquà 1000 mètres de profondeur, il lui faut un emplacement avec présence de côte abrupte. Tout ceci nest possible que dans une zone allant du tropique du Cancer au tropique du Capricorne, c'est-à-dire entre 30 et -30° de latitude.

Les techniques de lE.T.M.

LE.T.M. produit des énergies très intéressantes, grâce à un fluide de travail (leau de mer ou de lammoniac [NH3]). Ce fluide passe de létat liquide à létat vapeur dans lévaporateur, au contact de leau chaude puisée en surface. La pression produite par la vapeur passe dans un turbogénérateur pour faire tourner une turbine et produire de lélectricité, après que le gaz ait perdu de la pression, il passe dans un condenseur pour retourner à létat liquide, au contact de leau froide puisée en profondeur.

LE.T.M. a besoin de beaucoup deau : il faut un très grand débit deau de mer pour éviter les pertes thermiques et de très grands diamètres de canalisations. Actuellement, il est possible dutiliser des tuyaux en PEHD (Polyéthylène Haute Densité) de 1,5 mètres diamètre, mais dans le futur sil se construit des centrales de grosses puissances, il faudra des canalisations de 10 mètres de diamètre.

Pour que le cycle de lE.T.M. fonctionne, on a besoin dun différentiel de températures de 20°C, mais plus le différentiel de température est élevé, plus le rendement est élevé. Donc plus on puise leau en profondeur, plus le rendement est élevé, car plus on descend en profondeur, plus leau est froide.

A ce jour, il existe trois types de centrales E.T.M:

  • cycle ouvert
  • cycle fermé
  • cycle hybride

Pour le cycle ouvert

Le cycle commence par le pompage de leau de mer de surface qui se trouve dans les environs de 26°C. On lintroduit dans un évaporateur qui sera mis sous vide, pour favoriser leffet dévaporation, car sous pression relative négative, lévaporation se produit à plus faible température et la vapeur est débarrassée du sel, mais sur le débit deau qui traverse lévaporateur, seulement 0,5% de vapeur deau est produite, le reste de leau est rendu à la mer à 21°C . La faible pression générée par la vapeur suffit à entraîner un turbogénérateur qui produira de lélectricité. Puis, la vapeur est transférée dans le condenseur à double paroi, qui avec leau froide pompée en profondeur vers les 5°C, va faire condenser la vapeur en eau douce qui pourra être utilisée à la consommation.

Pour le cycle fermé ou cycle de Rankine

Le cycle fermé utilise le même matériel quune pompe à chaleur (évaporateur, condenseur), mais tandis quune pompe à chaleur produit une énergie thermique à partir dune énergie électrique, le cycle fermé dune centrale E.T.M. utilise le procédé inverse. Cela veut dire quà partir dune énergie thermique, on va produire une énergie électrique. On utilise donc toujours leau chaude de surface qui se trouve à 26°C, quon met dans lévaporateur à double paroi. Dun côté, il y aura leau et de lautre de lammoniac NH3, et donc leau va donner ses calories à lammoniac pour lui permettre de sévaporer, car lammoniac a une température dévaporation inférieure à celle de leau. Leau passée dans lévaporateur retourne à la mer, à la température de 23°C. Lammoniac évaporé passe dans un turbogénérateur pour produire de lélectricité. Puis lammoniac passe dans un condenseur à double paroi pour se condenser, car lammoniac passe ses calories à leau froide puisée en profondeur à 5°C, pour y retourner à 9°C. Une fois condensé, lammoniac revient dans lévaporateur, grâce à un circulateur, pour refaire le cycle.

Le cycle thermodynamique de lammoniac [NH3]

Le cycle thermodynamique fonctionne avec plusieurs transformations à la suite, ce qui en fait donc un cycle. En tout, il y a quatre transformations :

Pour le cycle hybride

Ce cycle utilise les deux précédentes techniques, car nous retrouvons le cycle fermé en premier lieu, avec toujours le cycle de lammoniac qui traverse lévaporateur, le turbogénérateur et le condenseur, cest-à-dire un cycle thermodynamique qui produit de lélectricité. La nouvelle technique est dinstaller un deuxième étage qui va produire de leau potable, grâce à un cycle ouvert en utilisant le différentiel deau après le cycle fermé.

Points positifs et négatifs des cycles.

Remarques sur le cycle ouvert:

  • Production deau potable en plus de lélectricité
  • Moins de paroi dans lévaporateur donc moins de problèmes de bio salissure
  • Grande turbine à cause de la faible pression donc procédé très coûteux
  • Problème pour faire le vide dair

Remarques sur le cycle fermé:

  • Petit turbogénérateur grâce à la forte pression, donc moins coûteux
  • Evaporateur volumineux et à double paroi, donc plus de problèmes de bio salissure
  • Lutilisation de lammoniac est un problème pour les matériaux

Remarques sur le cycle hybride:

  • Produit deux énergies en grande quantité
  • Plus gros coût dinvestissement, car deux fois plus de matériel
  • Plus grand phénomène de refroidissement des eaux de surfaces

Le rendement

La machinerie de lE.T.M. est complexe. On déclinera donc son rendement en plusieurs données, et on aura le rendement de chaque cycle. Le rendement général de lensemble de linstallation.

(Puissance nette) / (Puissance brut)

(Puissance du turbogénérateur-Puissance de pompage des eaux) / (Puissance du turbogénérateur)

  • un cycle fermé avec une puissance brute de 1 MW est de 50%
  • un cycle fermé avec une puissance brute de 100 MW est de 80%
  • un cycle ouvert avec une puissance brute de 250 kW est de 40%

Cela veut dire que le rendement varie en fonction de la puissance de lusine : plus elle est puissante, meilleur est le rendement, et cela dépend aussi du cycle utilisé.

Impact environnemental

La production d'énergie maréthermique ne fait pas intervenir de combustion, (il n'est pas nécessaire d'apporter de l'énergie a la source chaude), et ne rejette donc pas de dioxyde de carbone (CO2) qui est un gaz à effet de serre.

Cependant, compte tenu du faible écart de température entre source chaude et source froide, le rendement n'est que de quelques pour cent, et ce système implique l'utilisation de volumes d'eau importants (quelques m3/s et par MW). Durant le pompage de cette eau, de nombreuses espèces vivantes peuvent être entraînées et tuées (poissons, larves, etc..)

De plus, l'utilisation de chlore est fréquente pour éviter le développement des dépôts marins. Celui-ci endommage l'écosystème.

Certaines interactions mineures méritent dêtre évaluées. Ces études ont été menées par des laboratoires à HAWAII, DITMARS, PADDOCK, VEGA, NELHA.

Les impacts thermiques

La différence de température entre lentrée et la sortie des canalisations est denviron 4°C, ce qui entraîne de faibles modifications, mais pour atténuer davantage les impacts sur la faune et la flore, leau est rejetée en profondeur. Pour des centrales de 400 MW, le changement à lentrée des canalisations est de 0,2°C. Pour le moment, ces installations sont développées pour des îles (20 MW), et elles restent très éparpillées, le risque est alors négligeable. Mais il faut se soucier du risque cumulatif pour des grosses installations. Une étude a porté sur le golfe du Mexique, en modélisant 100 centrales de 200 MW. Au bout de 30 ans de fonctionnement, on remarque que la température de surface aurait baissé de 0,05°C, et la température en profondeur aurait augmenté de 1°C.

Les impacts biologiques

Pour des petites installations de 20 MW, on peut se permettre de rejeter leau en surface. On constate cependant pour de plus grosses installations un phénomène comparable à la remontée d'eau des profondeurs (« upwelling »), qui favorise lenrichissement nutritif et stimule la vie aquatique. La remontée d'eau est un phénomène océanographique qui se produit lorsque de forts vents marins poussent l'eau de surface des océans, laissant ainsi un vide peuvent remonter les eaux de fond et avec elle une quantité importante de nutriments.

Laspiration des espèces vivantes est prise en considération : pour cela des grilles sont mises à lentrée des canalisations, et elles sont éloignées des côtes en ce qui concerne leau de surface. Pour ce qui concerne leau froide, il ny a pratiquement plus de vie à 800 mètres de profondeur.

Pour lutter contre un problème marin récurrent qui est la bio salissure et améliorer le rendement de la machine, on utilise une dose de biocide (0,02 ppm concentration molaire journalière) qui est cinq fois en dessous du seuil règlementaire américain. Aujourdhui, la dose en biocide devrait être réduite 0,01 ppm, 10 fois en dessous du seuil règlementaire américain.

Le seul risque daccident possible sur une installation E.T.M. est un risque de perte dammoniac. Même si celui-ci est un élément nutritif, une dose trop importante pourrait avoir des impacts néfastes sur lenvironnement. Lammoniac est un fluide connu très employé, les systèmes de sécurité sont fiables.

La pollution atmosphérique

Leau en profondeur est plus riche en COque leau de surface. Une étude menée par Sullivan démontre que si tout le COétait relâché, une centrale E.T.M. émettrait 4 fois moins de COquune centrale thermique fossile. Heureusement, seule une faible partie du C0est libérée. Pour un cycle ouvert, environ un centième des 700 g par kWh dune centrale fossile, et pour un cycle fermé, le taux serait encore plus faible. Au final une centrale ETM est 99 fois moins polluante en COqu'une centrale fossile.

Pour conclure, les études montrent que si nous arrivions à récupérer 0,07% de lénergie solaire absorbée par les océans, ce qui représenterait 10 millions de MW, les conséquences environnementales seraient insignifiantes.

Coproduction

En plus de l'électricité, une centrale E.T.M. peut produire :

  • Eau douce : utilisation du cycle ouvert
  • Réfrigération de bâtiments : utiliser leau de sortie (froide) et la distribuer pour réfrigérer des infrastructures environnantes.
  • Aquaculture : réutiliser leau froide issue de la production délectricité pour élever des poissons dans de bonnes conditions, car leau de profondeur est riche en nutriments
  • Agricultures : refroidissement du sol par des canalisations deau de mers et condenser lair ambiant pour humidifier et stimuler la pousse
  • Biomasse : utiliser la biomasse marine qui pousse plus rapidement et alimenter des centrales thermiques.

Combustibles synthétiques

Actuellement, le prix du kWh pour des centrales proches des côtes (faible puissance) reste coûteux. Pour rendre rentable le procédé E.T.M., il serait plus intéressant de produire des combustibles synthétiques (hydrogène, ammoniac, méthanol).

L'hydrogène a été choisi comme vecteur d'énergie, car il répond à deux critères :

  • la combustion de l'hydrogène ne dégageant que de l'eau
  • lE.T.M. est en mesure dapporter une solution électrolytique (eau de mer en abondance) pour sa fabrication grâce au principe de lélectrolyse.

Projet détude sur Hawaï

Etude sur le laboratoire de lénergie thermique des mers dHawaï (NELHA) Historique du NELHA :

  • NELHA se nommait "NELH" en 1974 quand lEtat législatif de Hawaï créa le « Natural Energy Laboratory of Hawaii » sur 322 acres (≈ 129 hectares) de terre à Keahole Point. NELH a été créé pour la recherche sur lénergie thermique des mers (ETM).
  • En 1979, une usine E.T.M. du nom "Mini-OTEC," est ancrée sur la mer de Keahole Point, démontrant la première production nette délectricité par le biais dune E.T.M. en cycle fermé.
  • En 1980, Le NELH construit sa première canalisation à Keahole Point allant à 610 mètres en profondeur et à 14 mètres en surface.
  • En 1981, la recherche sur lE.T.M. aboutit au projet de tester le bio-rejet et les mesures de précaution sur la corrosion pour le cycle fermé.
  • En 1984, l'utilisation du pompage de leau par lE.T.M. permet aussi de mettre à profit plusieurs moyens dutilisation de cette eau.
  • En 1985, la législature créa le HOST (Hawaï Ocean Science and Technology), parc de 548 acres (≈ 220 hectares) à Keahole Point, pour anticiper sur une éventuelle expansion, du fait de lagrandissement du business de NELH.
  • En 1990, les parcs HOST et NELH ont été rassemblés en une seule compagnie, le NELH Authority (NELHA), attaché au département du business, du développement économique et du tourisme du gouvernement de létat dHawaï.
  • De 1993 à 1998, utilisation de la plus grande E.T.M. à cycle ouvert, possédant les caractéristiques techniques suivantes :
  • En 1998-99, la législature autorisa lexpansion dactivités au NELHA, incluant dautres activités de business, en vue daugmenter le développement économique et de générer des revenus pour financer lexpansion du parc.
  • Aujourdhui, NELHA est le propriétaire foncier de près de 30 entreprises qui génèrent un budget économique denviron 30 à 40 millions de dollars par an, incluant les revenus des taxes des 200 métiers, de lactivité des constructions et des taxes sur les produits exportés. Il existe à Keahole Point, deux systèmes de canalisations en profondeur et en surface pour avoir des températures de 24°C et de 7°C, et une troisième, la plus large et profonde au monde allant jusquà 900 mètres, est en voie de développement.
  • Avec ses 870 acres de terrains, le NELHA possède les trois critères pour linstallation dE.T.M. dans son parc.

En effet, on se situe à la pointe de lîle de Big Island, une des îles dHawaï, et il est alors facile davoir accès à leau. De plus, Hawaï est une sorte de récif le tombant atteint des profondeurs abruptes, à quelques mètres du plateau corallien de lîle dHawaï. Et dun point de vue géographique, Hawaï se trouve dans la zone les eaux de surface restent relativement constantes tout au long de lannée, avec une température moyenne de 26°C.

Description du site

Lorganisation du NELHA installée à Hawaï a pour objectif de concrétiser le projet dE.T.M. Cette entreprise financée par les Américains, cherche à prouver quà partir de lE.T.M., nous pouvons obtenir de bons rendements sur la production délectricité, dhydrogène et deau potable. La base se situe dans un endroit bien précis, pour pouvoir mettre en œuvre un tel projet, et ainsi démontrer le système de fonctionnement de cette machine thermique. Etabli sur de nombreux hectares, il est, de plus, intéressant dinstaller des coproductions autour de lunique E.T.M.. Ce qui permet ainsi une vie industrielle active, une création demplois et un bilan carbone moins important, puisque le transport entre les bâtiments est de quelques kilomètres.

Aujourdhui, le NELHA possède un immense site qui est doté de 3 types de canalisations : une canalisation de surface et deux de profondeur. En ce qui concerne les canalisations en surface, elles se trouvent dans un périmètre de 180 mètres aux larges des côtes, à une profondeur de 13,5 mètres. Elles sont posées à une distance précise du sol marin afin que le sable, les coraux et la vie aquatique ne soient pas aspirés. Ici, leurs canalisations ont été mises à 13,5 mètres du fond.

Pour ce qui est des canalisations en profondeur, deux existent, lune récente et une ancienne. Lancienne canalisation pompait une eau à 6°C, à une profondeur de 600 mètres. Or, de nos jours, LE.T.M. dHawaï puise à 900 mètres de profondeur, pour obtenir une eau de 4°C, par lintermédiaire de 55 tuyaux assemblés.

Note

  1. voir l'article Remontée d'eau (« upwelling »)

Bibliographie

Sites internet consultés :

  • www.ifremer.fr
  • www.eurocean.org
  • www.clubdesargonautes.org
  • www.nelha.org
  • www.arte.tv/fr
  • www.seao2.com
  • www.oceansatlas.com
  • hmf.enseeiht.fr/travaux/CD0405/beiere/1/html/otec/binome3.html

Ouvrage consulté :

  • Renewable Energy From The Ocean - William H. Avery, Oxford University Press, 1994

Dossier PDF consultés :

  • Etude de Michel GAUTIER
  • Etude de David LEVRAT
  • Etude de Pierre GUERIN

Film documentaire consulté :

  • Lénergie de la mer, par Johannes BÜNGER, sur ARTE

Voir aussi

Liens externes

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