Dossier Océan et énergie - Énergie thermique des Mers |
|||
Article paru dans la revue trimestrielle du réseau
ECRIN n°57 de septembre 2004
|
|||
| L'océan tropical est un vaste capteur d'énergie solaire et ses
eaux de surface un immense réservoir de chaleur. La circulation océanique qui contribue, avec la circulation
atmosphérique, à l'apport de chaleur depuis les régions tropicales vers les pôles et à l'établissement des climats crée une stratification relativement stable entre l'eau de surface chauffée par le soleil et l'eau profonde froide en provenance des régions polaires. Dans toute la région intertropicale la température de l'eau sous la
thermocline (1)
descend régulièrement jusqu'à 4° C à 1 000 mètres de profondeur alors qu'au-dessus elle est souvent supérieure à 20° C,
L'idée d'exploiter ce phénomène naturel pour produire de l'énergie est née en France au 19e siècle. Plusieurs procédés ont été expérimentés. Ils sont fondés sur le principe de thermodynamique selon lequel il est possible d'obtenir du travail mécanique à partir d'un transfert de chaleur entre deux sources à températures différentes. Cette ressource en énergie thermique et les procédés pour sa conversion en énergie mécanique utilisable par l'homme sont connus sous le nom d'" énergie thermique des mers " (ETM) ou " Ocean Thermal Energy Conversion " (OTEC en anglais). La ressource est abondante, stable, disponible 24 heures sur 24 tous les jours de l'année, largement distribuée et facile d'accès pour de nombreux pays situés dans la ceinture intertropicale. |
|||
Une centrale ETM est constituée:
|
|
||
|
|||
| La production d'énergie
La technologie des composants pour la production d'énergie dépend du choix du fluide de travail. Au stade actuel du développement de l'ETM il se dégage deux grandes options. Dans le domaine des températures disponibles, entre 4° C et 28° C, l'ammoniac et l'eau peuvent être utilisés.
Avec l'ammoniac, NH3 l'évaporateur et le condenseur sont des
échangeurs ammoniac / eau de mer, à plaques ou à tubes métalliques, en titane ou en alliages d'aluminium. L'ammoniac liquide à la sortie du condenseur est pompé et
réintroduit dans l'évaporateur. Il est ainsi recyclé sous pression (de l'ordre 900 kPa, soit 9 atmosphères) en permanence et l'on parle alors d'ETM en cycle fermé.
|
Photo du flotteur sphérique construit pour la mise à i'eau de la conduite d'eau froide de 2.5 mètres de diamètre pour l'usine ETM . La Tunisie., Brésil 1935. |
||
| Avec de !'eau comme fluide de travail, c'est l'eau chaude de surface qui se vaporise partiellement pendant son passage dans un évaporateur maintenu sous très faible pression (voisine de 3 kPa). Chaque kilogramme d'eau chaude produit environ 5 grammes de vapeur. Le condensat - c'est ici de l'eau - n'a pas à être recyclé. On parle alors
d'ETM en cycle ouvert. L'avantage de ce cycle est la simplicité de ses échangeurs
« à contact » (2) et son inconvénient la grande taille de la turbine qui fonctionne avec des écarts de pression très faibles, inférieurs à 2 kPa.
Alors que des projets industriels existent pour des centrales à ammoniac en cycle fermé jusqu'à des puissances de 100 MW et plus, ceux des centrales à cycle ouvert restent à ce jour limités à des puissances de quelques dizaines de MW. Le faible différentiel de température disponible (à peine supérieur à 20° C) limite le rendement de la conversion à des valeurs très faibles (3). Pour assurer une puissance ETM de 1 MW net il faut alimenter l'usine avec des débits de l'ordre de 2 à 3 m3 s-1 tant en eau chaude qu'en eau froide. Le «prix à payer» en termes d'énergie pour assurer cette alimentation est évidemment une donnée essentielle pour la viabilité du procédé. Avant que les premiers travaux expérimentaux ne démontrent qu'ils avaient tort, les détracteurs de l'ETM prédisaient que le pompage de l'eau froide utiliserait à lui seul plus d'énergie que l'usine ne pourrait en produire ! La réalité démontrée expérimentalement est que la puissance dite « parasite » de l'ensemble des « auxiliaires » nécessaires au fonctionnement peut être limitée à moins de 30% de la puissance brute produite, avec une part de l'ordre de 20% pour le seul pompage de l'eau froide. Ces performances sont le résultat d'une optimisation complexe entre de nombreux paramètres dont le plus « lourd » est le diamètre de la conduite. Il s'avère en effet que la réduction des pertes de charge passe par l'obligation d'opter pour des conduites de grands diamètres. La plus importante réalisation reste encore celle faite dans les années 1930 pour l'usine ETM « La Tunisie » à cycle ouvert flottante de 2,2 MW net. La tuyauterie pour l'alimentation, à raison de 5 m3 s-1, en eau froide à 5°, avait un diamètre de 2,5 m et était longue de 700 m. Elle était faite de tronçons en tôle d'acier roulée de 3 mm d'épaisseur (4). Les réalisations récentes, toutes de petites tailles, utilisent des tuyaux en PEHD (5) qui sont disponibles sur le marché jusqu'à 1,5 m de diamètre. Pour la réalisation d'usines ETM de 100 MW et plus, les promoteurs étudient l'utilisation de plastiques armés ou de bétons allégés pour la construction de conduites de 15 à plus de 30 m de diamètre. Elle dépend essentiellement du site choisi pour implanter l'usine. La théorie autoriserait d'implanter l'usine à n'importe quelle profondeur entre la source chaude et la source froide mais toutes les réalisations ont jusqu'à ce jour opté pour des infrastructures en surface construites sur .la côte (on-shore), ou sur des supports flottants en mer (off-shore) plus ou moins profonde. L'avantage de l'installation en mer profonde, à l'aplomb de la ressource en eau froide, est de minimiser la longueur de la tuyauterie alors verticale et donc le coût et les pertes de charges. Son inconvénient est de compliquer le transfert de la production énergétique vers les lieux de consommation. A contrario l'implantation à terre facilite ce trans- fert, mais oblige à allonger la conduite - alors forcément plus ou moins inclinée - pour accéder à la ressource froide, et à résoudre des problèmes toujours difficiles d'" atterrage ». Au stade actuel de développement de l'ETM il se dégage une certaine distribution des différentes options avec leurs avantages et inconvénients respectifs en fonction des besoins exprimés. À court terme, ce sont des unités ETM à cycle ouvert " onshore » de petite puissance (1 à 20 MW) qui répondraient le mieux aux besoins de développement de petites communautés isolées, littorales ou insulaires, en zone tropicale. À long terme ce sont des usines ETM à cycle fermé, flottantes en haute mer, d'une capacité de plusieurs centaines de MW pour la production de combustibles synthétiques transportables, qui pourraient contribuer à l'approvisionnement du marché mondial de l'énergie (6). Retour haut de page Des études - la plupart américaines - donnent des estimations de coûts d'investissement et de production Un programme de construction d'usines pilotes de 1 à 10 MW électriques apporterait une réponse à ce besoin d'expériences ETM à échelles intermédiaires tout en contribuant au développement de petites communautés
insulaires particulièrement isolées où le prix de l'énergie produite souvent par des petites centrales diesels-électriques est très élevé. C'est dans cette
perspective que la France avait entrepris au début de la décennie1980 l'étude d'une centrale
ETM de 5 MW électrique à Tahiti. Le projet a été abandonné en 1986
(8).
Quel impact sur l'environnement ? Quel potentiel exploitable pour l'ETM ? Pour assurer une production ETM d'1 MW il faut alimenter l'usine avec des débits de l'ordre de 2 à 3 m3 s-1
tant en eau chaude qu'en eau froide. Ce sont donc des volumes d'eau considérables qui seront pompés puis rejetés dans le milieu naturel.
Les organismes vivants entraînés au travers des crépines d'aspiration seront affectés et probablement tués par les effets physiques et les traitements biocides (anti-fouling) qu'ils subiront durant leur transit dans l'usine. Quant aux effluents liquides,
Ieur redistribution dans le temps et dans l'espace, dépendra des caractéristiques hydrographiques du site, de la puissance de l'usine et de sa conception. Ils seront réintroduits dans le milieu naturel à des températures de quelques Pour les petites centrales littorales, les résultats d'études et d'essais indiquent que les risques associés à leur exploitation ne devraient pas altérer gravement la faune et la flore marines vivant à proximité et que les effets des rejets dans l'océan resteraient minimes (9).
Pour de grosses centrales de 100 MW
et plus, les résultats des travaux de simulation réalisés aux USA donnent des informations sur les limites et les procédures à respecter pour leur exploitation. Elle serait Tél. 06 82 65 61 46
Les énergies marines : quelques mots à propos du potentiel exploitable des ressources
Les formes d'énergies marines théoriquement exploitables sont
nombreuses et variées. On ne considère ici que celles dont on estime avoir démontré la faisabilité technique. Elles sont des composantes du «cocktail» d'énergies
renouvelables que les experts recommandent de développer pour apporter des solutions aux problèmes que pose la croissance des besoins
mondiaux d'énergie primaire, besoins qui
|
|||
