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Dossier Océan et énergie - Énergie Thermique des Mers

Impact ETM, Upwellings artificiels

Étude des impacts des prises d’eaux et rejets d’effluents associés á l’exploitation de l’énergie thermique des mers (ETM)

Club des Argonautes -  Mai 2006 

Proposition de recherches

Version anglaise

1 - Le contexte actuel de l’exploitation de l’ETM

L’exploitation de l’énergie thermique des mers (ETM) redevient d’actualité dans le contexte de la recherche d’énergies nouvelles, non polluantes, susceptibles de suppléer l’usage des combustibles fossiles qui renchérissent (pétrole, charbon, gaz,…) alors que les réserves les plus facilement exploitables s’épuisent. Stockée sous forme de chaleur dans l’eau de surface de l’océan tropical, la ressource ETM peut-être transformée en énergie mécanique puis électrique en utilisant la stratification thermique naturelle de l’océan entre les eaux superficielles chaudes et les eaux profondes froides.

Le procédé de conversion imaginé à la fin du 19ème et expérimenté dans les années 1930 utilise les eaux chaudes superficielles et les eaux froides profondes pour alimenter respectivement l’évaporateur et le condenseur d’une turbomachine fonctionnant selon un cycle dit «de Rankine» dont les paramètres de fonctionnement sont adaptés au faible différentiel de température disponible - voisin de 20°C - dans les régions les plus chaudes de l’océan tropical. Ce faible écart de température et donc le faible rendement du procédé conduisent à des débits importants d’eau chaude et d’eau froide de l’ordre de plusieurs mètres cubes par seconde et par Megawatt (MW) installé : 5 et 2,5 respectivement  (Nihous - 2005).

L’impact sur le milieu océanique de l’exploitation de la ressource ETM se traduira donc par des rejets massifs d’eaux, de température et de composition chimique généralement différentes. L’importance de cet impact dépendra essentiellement de la capacité de production des usines (puissance totale installée en TW), de leur répartition spatiale et de la stratégie adoptée pour évacuer les effluents. Les choix sont multiples et les conséquences sur le milieu naturel varieront selon que ces eaux de sortie d’usine seront réinjectées, mélangées ou non, à la même profondeur ou à des profondeurs différentes. Il convient donc d’étudier ces conséquences selon la stratégie choisie pour optimiser l’exploitation de la ressource ETM tout en minimisant son impact sur l’environnement océanique. 

Ces études concernent l'impact global que pourra avoir à terme une exploitation importante de l'ETM. Elles différent des études d'impact local qui accompagneront toute construction d'usine ETM.

Cette optimisation pourrait conduire à des choix différents selon le but recherché : maximiser la production d’énergie, ou, par exemple, favoriser la production biologique par l’ «upwelling artificiel» ainsi créé, lors du rejet dans la zone euphotique de tout ou fraction des effluents enrichis en eaux profondes froides chargées de nutriments. 

2 - Importance des upwellings sur l’environnement et le milieu vivant

Les «upwellings naturels» sont générés par la force du vent qui s’applique à la surface de l’océan et, dans certaines conditions (proximité d’une côte ou de l’équateur), fait diverger les eaux de surface. Celles-ci sont remplacées par des eaux plus froides et plus riches en sels nutritifs qui remontent des profondeurs. 

Les upwellings sont très importants pour l’équilibre énergétique de l’océan et de la planète. Dans les régions tropicales ils permettent d’accumuler de la chaleur transférée ensuite aux plus hautes latitudes par les grands courants : le Gulf Stream dans l’Atlantique et le Kuro-Shivo dans le Pacifique. Ils participent également intensément aux interactions entre l’océan et l’atmosphère générant des oscillations metéo-océaniques aux conséquences climatiques importantes pour l’ensemble de la ceinture tropicale, notamment celles connues depuis des siècles sous l’appellation de El Niño. 

Partout où ils se créent les upwellings sont aussi à la source de la productivité biologique de l’océan. La richesse en nutriments de ces eaux profondes ramenées près de la surface dans la zone euphotique favorise la photosynthèse et contribue à la productivité biologique de l’océan. Dans certaines conditions (voir ci-après), les «upwelling artificiels», consécutifs à l’exploitation de l’ETM, pourraient contribuer à un accroissement de la production primaire océanique. Les conséquences d’une telle sur-activation biologique peuvent paraître à première vue positives, mais il convient aussi d’évaluer leurs effets à long terme sur l’ensemble de la chaîne du vivant. 

Pour toutes ces raisons, les impacts de la perturbation artificielle, de nature anthropique, de la structure thermique des océans sur la dynamique de l’océan lui-même et sur celle de l’atmosphère, ainsi que sur la vie marine, doivent être examinés avec soin dans la perspective d’un éventuel déploiement massif d’usines ETM dans les régions intertropicales. Il peut exister des seuils au-delà desquels ces perturbations modifieraient durablement la circulation générale de l’océan, et dans certaines régions, de l’atmosphère elle-même, rendant ces interventions humaines sur notre environnement naturel inacceptables. Ces seuils devront être évalués le plus précisément possible.

3 - Les données de base : besoins énergétique et potentiel ETM

La consommation annuelle mondiale d’énergie électrique en 2001 était d’environ 15 500 TWh. Elle pourrait atteindre 36 000 TWh en 2040 (EREC scenario to 2040). Cette consommation future serait satisfaite par l’exploitation d’un parc d’usines électriques de capacité totale de 5 TW (avec un taux d’utilisation de 0,8). 

Quel est le potentiel théorique d’énergie stockée dans les océans et susceptible d’être exploité vis-à-vis d’une telle demande ?

L’ensemble du flux radiatif solaire absorbé en moyenne par l’océan est de 52 PW (Huang 2004) et la littérature indique qu’il devrait être possible d’en exploiter par ETM environ 10 TW dans la zone de 60 millions de kilomètres carrés de l’océan tropical où l’écart des températures entre l’eau de surface et l’eau à 1000 mètres de profondeur dépasse 22°C (Avery 1994). Ces estimations sont évidemment purement théoriques et très au-delà de ce qui serait pratiquement réalisable. 

Une autre donnée importante, au-delà de l’aspect strictement thermique du problème, qui limite aussi les possibilités d’exploitation de l’ETM, concerne les volumes d’eaux déplacés verticalement. L’ensemble des upwellings naturels, presque entièrement situés dans la zone intertropicale, représentent environ 30 Sverdrup (le   Sverdrup ou Sv est l’unité de débit utilisé par les océanographes. Un Sv est égal à 1 million de m3 d’eau par seconde). C’est un débit équivalent à celui de la plongée des eaux profondes et de fond des zones de convections arctiques et antarctiques pour entretenir la circulation thermo-haline méridienne telle que nous la connaissons aujourd’hui. Toute perturbation des mécanismes liés à cette circulation océanique, par exemple par des remontées artificielles d’eaux profondes, doit rester très inférieure à ce chiffre sous peine de changer notablement le mode actuel de circulation de l’océan. Il faut retenir (Nihous 2005) que pour alimenter un parc de 1 GW électrique par des usines ETM, il faudrait pomper 2500 mètres cubes d’eau froide par seconde, (soit un chiffre théorique 25 Sv pour 10 TW, ce qui est de l’ordre de grandeur du débit des upwelling naturels !) En réalité, même avec un déploiement rapide de l’ETM, par exemple, 5000 usines de 100 MW, produisant, en 2040, 10% de la demande d’énergie électrique prévue, les upwellings artificiels ainsi crées seraient plutôt de 1,25 Sv au total. Le but de l'étude est de proposer des scénarios optimisés et d'aider à identifier d'éventuels effets de seuil.

4 - Limitations de l’exploitation possible de l’ETM 

Le potentiel énergétique théorique maximum de la ressource ETM (10 TW) représenterait ainsi le double du besoin en électricité de l’humanité à l’horizon 2040 (5 TW). Ce potentiel est très important, mais il ne tient pas compte de facteurs limitants du fait de difficultés techniques, de contraintes géographiques et physiques, et de préoccupations liées à l’environnement, qui réduiront fatalement la fraction effectivement exploitable. A ces contraintes peuvent également s’ajouter des paramètres politiques liés, entre autres, aux questions de souveraineté des états sur leur ZEE. L’exploitation de la ressource ETM obligera donc à faire des choix en fonction d’éléments techniques, économiques et politiques, et ces choix auront une incidence sur les impacts écologiques qui nous importent ici. Ainsi des usines ETM, à l’origine d’upwellings artificiels, situées dans les régions chaudes des extrémités occidentales des bassins intertropicaux, où les différentiels de températures sont les plus favorables, n’auront pas les mêmes incidences sur la dynamique océanique et le climat que les usines situées dans les régions orientales où les upwellings naturels sont observés. L’impact environnemental dépendra aussi des choix faits pour le rejet des effluents : doit-on les mélanger avant ré–injection dans le milieu ou les réinjecter séparément et à quelles profondeurs ? Quelles sont les échelles de temps des perturbations de la structure thermique induite par l’exploitation elle-même ? 

Certaines de ces questions ont été récemment abordées à l’aide de simulations très simplifiées (Nihous 2005 et 2006) qui montrent qu’il existe une limite de l’exploitation de l’ETM induite par la perturbation de la structure thermique consécutive à cette exploitation. Pour que l’exploitation ETM soit durable, il est nécessaire qu’un gradient thermique vertical soit conservé. La limite supérieure d’exploitation de l’ETM tombe alors à environ 3 TW. 

 Au-delà de ces limitations théoriques, il est clair que les perturbations des rejets sur la dynamique océanique, couplée avec la basse atmosphère et le milieux vivant, doivent être évaluées pour disposer de toutes les données nécessaires à l’appréciation de l’impact de l’ETM sur l’environnement et d’estimer les seuils à partir desquels ces effets peuvent être jugés intolérables. C’est l’objet de ce projet d’étude.

5 - Objectifs du projet d’étude 

Les questions qui se posent concernant l’environnement dans une perspective d’exploitation de l’ETM sont nombreuses ; d’autant plus que les stratégies de rejets peuvent être différentes en fonction des objectifs. Pour une stratégie donnée on veut pouvoir répondre aux questions suivantes: 

  1. Comment la dynamique de l’océan va-t-elle intégrer la perturbation de sa structure thermique ? 

  2. Quelles conséquences les perturbations de la température de surface et l’apparition de «puits de chaleur» artificiels peuvent avoir sur l’atmosphère et sa dynamique ? 

  3. Comment le milieu vivant océanique peut-il répondre à des apports supplémentaires de nutriments et des conditions thermiques différentes ? 

Ces questions ouvrent des perspectives de recherches qui peuvent se décliner sur trois plans distincts, qui dépendent encore des procédures de rejets choisies selon qu’elles créeront ou non des upwellings artificiels :

  1. Étude des perturbations de la structure thermique et de la dynamique de l’océan engendrés par les rejets d’usines. 

  2. Étude du couplage de ces perturbations océaniques (à la fois thermique et dynamiques) avec l’atmosphère. 

  3. Étude de l’impact sur l’écosystème marin de l’apport artificiel de nutriments dans la zone euphotique

Ces trois domaines de recherches relèvent de la modélisation, outil de simulation incontournable pour des expériences irréalisables sur le terrain.  

6 - Conditions aux limites des études envisagées

L’exploitation de l’ETM est liée à l’existence de gradients thermiques verticaux importants et donc de températures de surface élevées que l’on ne trouve que dans les régions intertropicales et principalement dans leurs parties ouest où les eaux de surface sont les plus chaudes. On ne considérera a priori que les régions où l’écart de température moyen entre l’eau profonde et celle de surface est supérieure à 20°C c’est à dire situées très approximativement entre 20° N et 20°  S. Parmi les stratégies possibles afin de définir cette zone ETM plus précisément, on pourra fixer la profondeur de la prise d’eau froide á 1 000 mètres; ce choix reflète un stade de développement technologique du génie océanique que l’on peut considérer réalisable á court terme, D’une façon générale, on s’efforcera d’harmoniser les choix des paramètres adoptés par les auteurs de travaux similaires pour faciliter la comparaison des résultats.

7 - Les outils possibles 

  1. Les expériences de simulations des perturbations thermiques et dynamiques de l’océan pourront être réalisées à l’aide de modèles de circulation générale océanique (OGCM) utilisé en mode prédictif. Dans un premier temps, il ne sera pas nécessaire d’utiliser des versions hautes résolution de ces modèles. Des résolutions de 1 ou 2 degrés permettront de dégrossir le problème en multipliant, à un coût raisonnable, les simulations de quelques situations standards avec des répartitions de «parc d’usines » ETM variables en nombre, en position et en puissance croissante avec le temps.

  1. Le couplage des perturbations océaniques avec l’atmosphère pourrait être étudié avec des modèles couplés tels que ceux utilisés pour la prévision saisonnière. Les modèles couplés OGCM/ AGCM qui réalisent la prévision ENSO pourraient être utilisés pour tester l’impact des upwellings artificiels sur le déclenchement d’épisodes ENSO le long de la bande tropicale Pacifique (Régions parsemée d’îles où des test préliminaires d’usines ETM ont été réalisés ou sont envisagés). 

  1. Le couplage milieux vivant - modèles dynamiques océan-atmosphère est en plein développement dans différentes équipes de recherche. Des modèles expérimentaux existent, bientôt relayés par des modèles opérationnels. L’étude de la capacité de l’océan d’accroître sa productivité biologique par des remontées artificielles d’eaux profondes riches en nutriments est à l’ordre du jour et a donné lieu à un appel émis par un cénacle international de spécialistes (Bergen Déclaration - 2005). 

Références: 

EREC : ”EREC scénario to 2040

http://www.censolar.es/erec2040.pdf

Rui Xin HUANG : Ocean, energy flows in (Encyclopedia of Energy, vol. 4 page 500 2004)

William H. AVERY :  Renewable Energy from the Ocean. A guide to OTEC; William H. Avery & Chih Wu ; Oxford University Press, 1994. ISBN 0-19-507199-9

G. NIHOUS: Étude G.Nihous Doc pdf JRT ; Étude G.Nihous Doc pdf EGY (articles à publier) ; 

Dernier article : "Near-field Evaluation of Artificial Upwelling Concepts for Open-ocean Oligotrophic Conditions", paru dans J. of Marine Env. Eng., Vol. 8.

Bergen Declaration  : http://www.ospar.org/site/assets/files/1239/5nsc-2002_bergen_declaration_english.pdf