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Dossier Océan et énergie

Calcul des potentiels exploitables des énergies marines

Michel Gauthier Octobre 2005

Calculs, Hypothèses , Approximations et Données.

  1. Données de base

  2. L'énergie hydraulique

  3. L'énergie thermique des mers

  4. L'énergie marée motrice

  5. L'énergie éolienne

  6. L'énergie de la houle

  7. Synthèse et discussions

1. Données de base

Pour chacune des énergies marines considérées on a cherché à quantifier :

Tableau 1

 

Flux entrant (dans l'océan) En PW soit 1015 W
Flux Thermique Solaire ondes courte

Dissipation interne Énergie de marée

Énergie du Vent

(Flux géothermique, p.m)

(Transfert interne de chaleur des tropiques vers les pôles, p.m.)

52,4 PW (Chaleur)

0,0035 PW (travail)

0,064 PW (travail)

0,032 PW

2 PW

Flux sortant (de l’océan vers l’atmosphère)  
Flux Chaleur Latente (vapeur d’eau)

Rayonnement Infrarouge

Chaleur Sensible

31,1 PW

17,8 PW 

3,5 PW

2. L’énergie hydraulique

Á titre de démonstration de la méthode utilisée on l’a appliquée d’abord au cas de l’énergie hydraulique. Celle-ci n’est pas habituellement considérée comme une énergie marine mais c’est une forme d’énergie renouvelable dont l’exploitation repose sur des technologies éprouvées et qui bénéficie d’une longue expérience qui « crédibilise » la valeur estimée de son potentiel techniquement exploitable- PTE
Le cycle de l’eau, le cycle hydraulique de notre biosphère, est alimenté essentiellement par l’évaporation de l’eau de l’océan - c’est à dire par le flux de chaleur latente transmis à l’atmosphère par l’océan. Seulement 10 % des précipitations retombent sur des terres émergées.
La puissance thermique qui alimente le cycle de l’eau est de 31 PW (Tableau 1). Si seulement 10 % de ce flux est responsable de l’évaporation de l’eau de l’océan qui retombe en pluie sur les continents on admettra que (31 PW/10) soit 3,1 PW représente la limite supérieure de la ressource. La valeur de la RNG pour l’hydraulique est donc égale à (3,1x8400) ou 26 000 PWh/a. Il s’agit là d’une puissance thermique. Par ailleurs le potentiel techniquement exploitable - le PTE - de la ressource hydraulique est évaluée dans la littérature à 14 PWh/a. Il s’agit de puissance primaire électrique. On en déduit la fraction PTE/RNG du flux d’énergie naturel exploitable par la filière hydraulique. Elle est égale à (14 PWh /26 000 PWh) = 0,0005 soit 0,05%.
Ce rapport est représentatif du « rendement global » - hg - de l’exploitation de la ressource hydraulique. Il est le produit (hc x hu) du rendement hc (le rendement de Carnot ) de la machine thermique océan-atmosphère, ayant l’eau comme fluide de travail, qui transforme la chaleur en énergie mécanique, et du rendement hu qui prend en compte toutes les autres pertes : celles dues au relief, à la nature des sols et autres paramètres limitants qui font que toute l’eau des précipitations sur les terres émergées n’est pas turbinable dans des centrales……..

Résumé pour l’énergie hydraulique : 
Ressource Naturelle Globale RNG = 26.10 3 PWh/an thermique
Potentiel Techniquement Exploitable PTE = 14 PWh/an mécanique/électrique 
Rendement global hg = 0,0005 avec hc et hu inconnus

 

3. L’énergie thermique des mers

Sur d’immenses régions de l’océan tropical la différence des températures entre l’eau de surface et l’eau profonde (à quelques centaines de mètres de profondeur) est supérieure à 20°C. Ce phénomène naturel peut-être exploité selon le procédé dit Énergie Thermique des Mers – ETM. La ressource est largement accessible, stable et disponible 24 heures sur 24.

La ressource naturelle exploitable par ETM est celle que l’océan mondial chauffé par le soleil absorbe sous forme de chaleur. Le flux de chaleur absorbé est estimé à 52,4 PW ou 456.10 6 TWh/an ( voir Huang; Tableau 1). 
Une étude japonaise évalue le potentiel ETM exploitable dans la ZEE (Zone Économique Exclusive) japonaise à l’équivalent de 8,6 Gtoe soit 30.103 TWh ou 16 fois la consommation annuelle du Japon en   énergie primaire en 1980 ; c’est aussi l’équivalent de la consommation mondiale d’énergie primaire en 1990. Une autre source donne pour la ZEE indienne un potentiel de 184 GW électrique . 

Une valeur du PTE mondial de la ressource ETM est celle donnée par W.Avery . D’après cet expert on pourrait extraire 0,19 MW de l’énergie solaire captée par 1 km2 de surface océanique située dans la zone tropicale la plus propice à l’exploitation ETM. Cette zone s’étale sur 60 millions de kilomètres carrés. Elle représente un PTE de 12 TW électrique soit 100 000 TWh/a. La fraction du flux d’énergie naturelle qu’il serait donc possible d’exploiter est hg = (PTE/RNG=100/456 000) =0,00023. 
Par ailleurs avec des écarts de température exploitable de l’ordre de 22 °C , Avery évalue le rendement hc de la conversion ETM de chaleur (en travail puis) en électricité à 2,7% ou 0,027. 

Résumé pour l’Energie Thermique des Mers
Ressource Naturelle Globale RNG = 456.103 PWh/a thermique
Potentiel Techniquement Exploitable PTE = 100 PWh/a mécanique 
hg = 0,00023 avec hc = 0,027 et hu = 0,0085

4. L’énergie marémotrice.

Le phénomène de marée est scientifiquement bien connu ; il est prévisible avec une grande précision dans le temps et l’espace. Les zones privilégiées pour son exploitation sont les régions côtières là où la marée est à la fois de grande amplitude et aussi, selon les sites, propices à l’installation soit d’usines du type « la Rance», soit de parc d’hydroliennes là où les « courants de marée » sont intenses.

La puissance mécanique dissipée naturellement dans l’océan par les marées (Tableau 1) est de 0,0035 PW soit RNG =29,4 PWh/a.

L’usine française marémotrice de 240 MW construite sur la Rance et exploitée depuis 1968 est le meilleur exemple d’exploitation techniquement réussie. Elle produit annuellement de l’ordre de 0,5 TWh/a. Une évaluation du potentiel de production des sites mondiaux répertoriés susceptibles d’aménagements de ce type est de 400 Twh/a avec un parc mondial de 150 GW installés et une disponibilité de 2 300 heures par an. 

Quant au potentiel du captage des courants de marée par hydroliennes, certains estiment le potentiel des mers européennes à 12 GW pour la puissance installable et 48 TWh de production annuelle. Compte tenu des ordres de grandeur impliqués et en l’absence de données sur la puissance techniquement exploitable par cette technologie d’hydroliennes, on la supposera arbitrairement égale à celle du type « la Rance » .
Le PTE mondial du phénomène de la marée exploitée par les deux procédés : barrages plus hydroliennes, serait alors de 800 TWh/an et la fraction d’énergie naturelle exploitable : PTE/RNG = (800 TWh /29,4 PWh) = 0,027 ou 2,7 % de la ressource naturelle soit hg = 0,027 .

Il est important de souligner qu’ici la puissance du phénomène naturel exploitée est une puissance mécanique et non plus thermique comme vu précédemment pour l’ETM et l’ hydraulique.

 

Résumé pour Énergie des marées
Ressource Naturelle Globale RNG = 29,4 PWh/an (énergie mécanique)
Potentiel Techniquement Exploitable PTE = 800 TWh/an (idem) 
hg = hu = 0,027. (Ici hc est sans objet car RNG est ici de l’énergie mécanique).

 

 4. L’énergie éolienne

Le vent puise son énergie dans les variations des caractéristiques thermodynamiques des masses d’air atmosphérique. Le vent est caractérisé par son intensité et sa direction qui résultent de l'équilibre entre des forces de pression, de Coriolis et de frottement, variables selon les latitudes, la nature des sols, la répartition des océans et des continents, etc. 
Il est convenu de différencier les équipement éoliens « offshore », implantés en mer, de ceux sis «à terre» qui sont assujettis à des contraintes techniques et juridiques différentes. On ne considère ici que le captage de l’énergie du vent dit «offshore». 

La puissance mécanique dissipée par le vent sur l’océan mondial est estimé à 64 TW. (Tableau 1). La RNG éolienne est donc de (64x8400) =537 PWh/a.

L’Allemagne prévoit de s’équiper d’installations offshore capables de 25 GW à l’horizon 2030 . Le Canada prévoit de disposer de 3,4 GW installés d’éoliennes offshore produisant 12 TWh/a, en 2025 . Le Royaume Unis estime qu’en 2010 sa ressource éolienne pourrait satisfaire 6 % de sa demande en électricité avec une contribution de la part « offshore » proche de 15 TWh/an ; le potentiel global de la ressource pour l’Europe entière serait de 1845 TWh annuels .
En l’absence de données pour la PTE spécifique de la ressource mondiale on supposera de façon arbitraire qu’elle pourrait être dix fois celle donnée ci-dessus pour l’Europe seule, soit 1845x10=18 450 TWh/a. 

La fraction techniquement exploitable de la ressource éolienne offshore est donc :

PTE/RNG = (18,45 PWh/537 PWh ) soit hg = 0,034 ou 3,4 %.

 

Résumé pour l’énergie éolienne offshore. 
Ressource Naturelle Globale RNG = 537.103 TWh/an (mécanique)
Potentiel Techniquement Exploitable PTE = 18450 TWh/an (mécanique) 
hu =hg = 0,034

 

6. L’énergie de la houle.

La dissipation par frottement de l’énergie du vent soufflant sur la mer est à l’origine des vagues et de la houle; ce phénomène peut se propager très loin des zones où il s’est formé. En un point donné sa puissance mécanique s’exprime en kW par mètre de largeur de crête. 

La puissance moyenne dissipée par la houle sur la façade atlantique française est évaluée à 45 kW/m et l’exploitation de la ressource nationale serait capable de produire annuellement 417 TWh ; ce qui est équivalent à la production électrique du parc nucléaire national de 420 TWh en 2001. Le potentiel de la ressource sur la côte ouest des Etats-Unis est évalué à 440 TWh/a; soit du même ordre de grandeur que la production hydraulique du pays, 350 TWh/a en 1998 .

Selon le World Energy Council, 10 % de la demande annuelle mondiale en électricité – qui est de 14 000 TWh/a  pourrait être couverte par la production houlomotrice. On adoptera donc cette valeur de (14 000/10)=1 400 TWh/a comme valeur de la PTE – Potentiel Techniquement Exploitable - par des houlomotrices. 
C’est dix fois moins que la PTE estimée pour les éoliennes qui puisent dans la même ressource : le vent. 

Le Tableau 1 ne fournit aucune évaluation pour la RNG - l’énergie dissipée naturellement par la houle dans l’océan mondial - mais seulement celle dissipée par le vent. Nous conviendrons donc que le vent produit la houle avec un rendement égal à 1; ce qui est évidemment irréaliste ; c’est une valeur maximum adoptée pour les besoins de cet essai d’évaluation.

La somme (1 400 TWh houle + 18 450 TWh éolien) serait alors la fraction maximale de la ressource naturelle du vent offshore exploitable par l’ensemble des parcs mondiaux houlomoteur et éolien, soit un PTE de 19 850 TWh/a

 

Résumé pour l’ensemble Houle + Vent.
Ressource Naturelle Globale RNG = 537.103  TWh/an (mécanique)
Potentiel Techniquement Exploitable PTE = 19 850 TWh/an (mécanique) 
hg = hu = 0,037.

7. Synthèse et discussion.

La production annuelle d’énergie primaire que l’on pourrait extraire des énergies marines serait de l’ordre de 120 000 TWh d’électricité. 

Ceci est équivalent à la totalité de l’énergie primaire consommée par l’humanité en l’an 2 000 (et environ 10 fois la consommation annuelle d’électricité des pays de l’OCDE qui était de 10 000 TWh en 2000 avec 15 % de production renouvelable, pour l’essentiel d’origine hydraulique). 

Les contributions respectives des procédés de conversion des phénomènes marins à cette production seraient de:

  •  800 TWh pour l’énergie des marées, 

  • 1 400 TWh pour celle de la houle,

  • 18 450 TWh pour l’énergie éolienne, 

  • 100 000 TWh pour la conversion par ETM. 

Ces contributions entraîneraient des perturbations :

  • pour l’ETM, de 0,02 % du flux de chaleur solaire absorbé par l’océan,

  • de 4 % de l’énergie mécanique du vent « offshore », et

  • de 2% de l’énergie mécanique dissipée par la marée.