Énergies renouvelables maritimes : libérer la puissance de l'océan pour un avenir propre

Le potentiel inexploité de l'énergie océanique

La Terre étant composée à 70 % d'océans et de mers, il n'est pas surprenant qu'une grande partie de ses ressources se trouvent en mer. Cependant, cet environnement est intrinsèquement plus difficile pour un être terrestre comme l'homme. Par conséquent, l'énergie marine a jusqu'à présent été peu exploitée, se limitant principalement à l'exploitation pétrolière et gazière offshore et aux parcs éoliens offshore.

Mais le potentiel de production d'énergie en mer est bien plus vaste sous d'autres formes. Des surfaces quasi illimitées aux marées, aux vagues et aux différences de hauteur et de température, les scientifiques du monde entier s'efforcent de trouver de nouvelles façons d'exploiter l'énergie renouvelable des vagues infinies.

Et cela pourrait être une source massive de nouvelles énergies renouvelables, avec une capacité installée potentielle de 2050 GW d'ici 352, soit proche de l'ensemble du parc nucléaire mondial actuel (399 GW).

Source: IRENA

Pourquoi le développement de l'énergie océanique est lent

Vous serez peut-être surpris d’apprendre que la production d’énergie dans l’océan n’a commencé qu’il y a quelques décennies, alors que d’autres formes d’énergie, de l’hydroélectricité à la production terrestre de combustibles fossiles, sont vieilles de plusieurs siècles.

L'une des principales raisons est qu'il est évidemment plus facile de construire sur terre. En revanche, les mers et les océans exigent que toute infrastructure soit flottante et/ou ancrée au fond marin, ce qui augmente les coûts et les contraintes techniques. Les tempêtes régulières, voire les ouragans dans les zones tropicales, compliquent la création de structures capables de résister aux océans.

Un autre facteur clé est le sel marin. La salinité de l'océan rend l'eau de mer extrêmement corrosive pour les composants métalliques, notamment les systèmes de production d'énergie comme les turbines. Cela nécessite l'application d'un ensemble complexe de solutions personnalisées de revêtements, d'huiles et d'autres mesures de protection pour éviter que les infrastructures énergétiques ne soient rongées par la corrosion. La prolifération d'organismes marins nuisibles comme les algues et les coquillages (« biofouling ») peut également contribuer aux dommages en mer, les matières organiques obstruant et recouvrant les machines.

Source: ResearchGate

Enfin, bien que vaste, l'énergie latente des océans est également très diffuse. Sur terre, la géologie et la géographie tendent à concentrer naturellement les ressources dans les gisements minéraux, les rivières et les couloirs éoliens, ce que la surface plane de l'océan ne permet pas.

Énergie éolienne offshore : développement en mer

Comme pour la quasi-totalité des plateformes énergétiques en mer, l'éolien offshore a tendance à nécessiter davantage de capitaux. L'éloignement des zones habitées et la corrosion due à l'eau salée augmentent également les coûts de maintenance et peuvent réduire la durée de vie de l'éolienne et de ses composants.

L’éolien offshore présente cependant également de nombreux avantages :

• Une production plus efficace : les vents offshore sont plus stables, plus puissants et soufflent plus fréquemment que sur terre.
  • Cela conduit non seulement à une production plus importante, mais aussi à une production plus prévisible, plus proche de la production d’électricité de base que la production éolienne terrestre plus intermittente.
  • Dans de nombreuses régions, l’éolien offshore se développe l’après-midi et le soir, lorsque la demande est maximale.
  • La majeure partie de la population mondiale vivant près des côtes, les sites offshore sont souvent très proches des consommateurs.
  • Un bon site éolien en mer peut être beaucoup plus grand qu’à terre. Cela permet une plus grande échelle.
• Impact environnemental réduit. En réduisant l'utilisation des terres et en évitant de perturber l'écosystème local par des routes d'accès et une circulation fluide dans les zones reculées, l'éolien offshore peut être plus respectueux de l'environnement que l'éolien terrestre.
  • La zone restreinte des parcs éoliens peut même aider les écosystèmes marins.
• Moins d'opposition : l'éloignement des centres de population et la limite de visibilité limitent considérablement l'opposition aux projets éoliens offshore. Les réactions « NIMBY » (Pas dans mon jardin) sont d'autant moins percutantes.

Selon la profondeur, différentes ancres peuvent être utilisées pour les éoliennes offshore.

Source: Biche

Avec les progrès de la technologie éolienne, une nouvelle option consiste à construire non pas un pilier géant pour une éolienne géante, mais un « mur d'éoliennes » encore plus grand. Certaines unités sont en cours de développement pour des modèles de 40 MW et pourraient atteindre 126 MW.

Un tel système serait particulièrement adapté aux zones où les vents sont très forts et presque constants, comme la mer du Nord.

Source: Recharge Nouvelles

Concentration des projets éoliens offshore en mégaprojets, comme l'île énergétique de la mer du Nord de 10 GW envisagée par le géant industriel Orsted, sera probablement une tendance dominante à l’avenir, car elle réduit les coûts de maintenance et d’installation en les répartissant sur davantage d’éoliennes.

L’éolien offshore devrait rester la principale source d’énergie maritime non fossile dans la décennie à venir, grâce à l’abondance de l’énergie éolienne en mer et à la technologie déjà assez mature.

Certains analystes estiment que l’éolien offshore pourrait être 12 fois plus important d’ici 2040, et que les années 2030 verront l’installation de nombreux nouveaux types d’éoliennes flottantes.

Source: Energie Rystad

(Vous pouvez en savoir plus sur le potentiel de l'énergie éolienne dans notre rapport dédié «L’énergie éolienne peut-elle alimenter le monde ?»)

Énergie marémotrice : une énergie renouvelable prévisible provenant de la Lune

Bien que le vent soit la principale forme d'énergie maritime, c'est l'énergie marémotrice qui est la plus ancienne. Elle exploite l'énergie générée par la gravité lunaire, qui provoque la montée et la descente du niveau de la mer au gré des marées.

À l'origine, l'eau était récoltée grâce à un moulin à eau utilisant le mouvement de la mer, plutôt que celui d'une rivière, pour faire tourner la roue. La première grande centrale marémotrice a été construite en 1966, avec une puissance de 240 MW. Centrale marémotrice de Ranceen Brittany , aubergenord-ouest de la France.

Source: Dialogue Terre

L'un des principaux avantages de l'énergie marémotrice est son extrême stabilité et sa prévisibilité, ce qui permet une production d'énergie renouvelable de base très fiable. De plus, elle produit sans baisse de production la nuit et en hiver, ce qui en fait un excellent complément à l'énergie solaire.

Cependant, cette méthode de production d'énergie est complexe. Elle nécessite généralement d'être située dans une zone à marée haute ou avec un fort courant canalisant la marée vers un détroit étroit. Cela a historiquement limité les sites potentiels pour cette forme d'énergie. Cela signifie également que, dans la plupart des cas, elle nécessite la construction d'un barrage marémoteur.

La rareté des projets d’énergie marémotrice a freiné le secteur, car elle supprime les économies d’échelle possibles de la fabrication de masse, la remplaçant par des solutions personnalisées nécessitant une conception coûteuse.

Nous en sommes au stade où nous démontrons la fiabilité de la technologie et la développons à l'échelle commerciale. Il nous faut maintenant envisager des projets de taille relativement modeste, simplement pour démontrer la fiabilité de la technologie, surmonter les obstacles environnementaux et créer la dynamique et l'échelle nécessaires.

Seumas Mackenzie – Directeur de l'exploitation du développeur d'énergie marémotrice Nova Innovation

À ce jour, de nombreux modèles sont envisagés, mais aucun n’est fabriqué en série.

Source: IRENA

L’obligation pour les turbines de se déplacer constamment dans l’eau de mer augmente également les difficultés liées à la corrosion et à l’encrassement biologique.

Dans l’ensemble, il est peu probable que l’énergie marémotrice devienne bientôt un contributeur énergétique majeur à notre réseau électrique.

Cependant, cela peut constituer une excellente solution pour les îles isolées et les régions côtières, comme le démontrent les projets pilotes menés dans les îles Shetland et Orcades. Ces îles nécessitent soit un raccordement au réseau coûteux, soit des importations de combustibles fossiles.

Exploiter les courants océaniques pour les énergies renouvelables

L’exploitation des courants marins profonds, qui déplacent une quantité considérable d’eau de manière constante, pourrait fournir une source d’énergie très puissante, même supérieure à l’énergie marémotrice, est également une possibilité théorique pour l’instant.

Source: Encyclopédie de l'énergie

Cependant, la profondeur et l’éloignement extrêmes des côtes pour l’installation de telles installations, ainsi que le risque potentiel de perturber ces courants, qui sont très importants pour la régulation du climat, ne rendent pas cette possibilité réaliste dans un avenir prévisible.

Toutefois, des courants moins puissants mais plus proches du rivage pourraient peut-être constituer une option plus réaliste pour ce concept.

Énergie des vagues : transformer la houle océanique en électricité

Encore plus omniprésentes que les marées, les vagues sont une partie naturelle de l’océan et une source d’énergie théoriquement illimitée, représentant près de la moitié du potentiel énergétique de l’océan (hors vent).

Source: IRENA

Là encore, de nombreux concepts sont encore à l'étude, aucun n'ayant démontré une nette supériorité ni n'ayant été produit en série. Globalement, l'idée est de récupérer de l'énergie soit par la montée et la descente du niveau de l'eau, soit par l'oscillation de la bouée, soit par sa rotation.

Source: IRENA

Bien que son niveau de maturité technologique soit encore inférieur à celui de l’énergie marémotrice, l’énergie des vagues pourrait être un contributeur majeur à la production d’énergie d’ici 2040, l’Union européenne envisageant une production d’énergie dérivée de l’océan d’un gigawatt d’ici 1 et de 2030 gigawatts d’ici 40.

« Les dispositifs d’énergie houlomotrice doivent être conçus pour résister et survivre aux conditions de tempête, ce qui pourrait être une préoccupation majeure dans un monde en réchauffement où les tempêtes sont de plus en plus extrêmes.

Il y a beaucoup d’énergie des vagues, mais elle est certainement plus coûteuse et techniquement plus difficile à exploiter.

Conchúr Ó Brádaigh - Vprésident de la Faculté d'ingénierie de l'Université de Sheffield

Cette solution énergétique dépendra fortement de la taille des vagues locales, certaines régions étant plus susceptibles d'être concernées que d'autres. L'Atlantique Nord, le Pacifique Nord et le sud de l'Australie semblent les meilleurs candidats.

Source: ResearchGate

Énergie thermique des océans : exploiter la chaleur souterraine

L'ETM exploite la différence de température entre les eaux chaudes de surface et les eaux beaucoup plus froides en profondeur. Un tel gradient thermique est théoriquement très puissant pour la production d'énergie.

Source: Britannique

Pour être économiquement pratique, la différence de température doit être d’au moins 20 °C (36 °F) dans les 1,000 3,300 premiers mètres (environ XNUMX XNUMX pieds) sous la surface.

Étant donné que plus le gradient est élevé, plus le potentiel de production d’énergie est important et plus les coûts sont faibles, il s’agit probablement d’une meilleure solution pour les eaux tropicales chaudes combinées à des fonds marins qui s’abaissent rapidement, notamment en Asie du Sud-Est et au large des côtes du Mexique et du Brésil.

Source: Systèmes énergétiques océaniques

Les installations OTEC peuvent être terrestres (avec des conduites se jetant dans l'océan) ou flottantes. Si les surfaces flottantes offrent un potentiel bien plus important, leur construction et leur entretien seront plus coûteux. La production d'énergie offshore devrait être renvoyée à terre, soit par câbles électriques, soit par production in situ d'hydrogène, de méthanol ou d'ammoniac, qui serait ensuite réexpédié vers les centres urbains.

Un effet secondaire potentiellement positif de l'OTEC pourrait également être de faire remonter à la surface des eaux profondes riches en nutriments. Cela pourrait être utilisé pour une aquaculture marine respectueuse de l'environnement et même contribuer à la capture du carbone grâce à la croissance du phytoplancton.

Parcs solaires flottants : maximiser la surface de la mer pour une énergie propre

En plus d’utiliser l’énergie des océans eux-mêmes, les mers nous fournissent une autre ressource abondante : la superficie.

Contrairement aux terres, souvent utilisées pour l’agriculture ou les habitats naturels, et relativement chères au mètre carré, la majeure partie de la surface de la mer est relativement improductive, en particulier dans les zones tropicales à fort rayonnement solaire.

Il n'y a pas non plus de voisins ni de personnes offensées par l'aspect esthétique de ces champs solaires offshore. Cela rend possible champs solaires flottants offshore un attractif.

Source: RWE

De plus, la réflexion de la lumière solaire par la surface de la mer augmente l'isolation thermique. Ce phénomène pourrait même être exploité pour produire davantage d'énergie grâce aux panneaux solaires bifaces.

L’eau relativement froide contribue également à maintenir les panneaux au frais, ce qui améliore leur durabilité et leur rendement maximal.

Plusieurs autres pays, d'Afrique, des Caraïbes, d'Amérique du Sud et d'Asie centrale, pourraient satisfaire entre 40 et 70 % de leur demande annuelle d'électricité en déployant des FPV. Même des pays développés comme la Finlande et le Danemark pourraient tirer respectivement 17 % et 7 % de leur demande annuelle de ces sources.

Il existe cependant quelques risques associés à cette conception de ferme solaire.

Le premier défi réside dans la présence de sel. Non seulement celui-ci peut entraîner les risques habituels de corrosion sur les systèmes électriques et les structures de support sensibles, mais des dépôts de cristaux de sel provenant des embruns marins peuvent s'accumuler sur les panneaux, réduisant ainsi leur efficacité de conversion photoélectrique. Une solution potentielle consisterait à installer la plateforme de panneaux solaires plus haut au-dessus du niveau de la mer, comme dans le projet pilote Yellow Sea No. 1 du promoteur chinois Huaneng Group.

Source: Galaxie quotidienne

Un autre problème potentiel est celui des tempêtes et des ouragans, qui peuvent détruire les installations solaires flottantes bien avant qu’elles ne parviennent à « rembourser » l’énergie nécessaire à leur construction.

Ainsi, au lieu d’avoir une structure flottant directement sur l’eau comme dans un lac d’eau douce, les centrales solaires en mer sont peut-être plus susceptibles d’être montées sur des plates-formes flottantes semblables à des mini-plates-formes pétrolières.

L'énergie géothermique en eaux profondes : une frontière d'avenir

Il s’agit d’une forme d’énergie qui, à très long terme, pourrait s’avérer importante pour de nombreux pays, notamment ceux situés le long de la « Ceinture de feu » autour de l’océan Pacifique.

Source: HowStuffWorks

Comme la croûte océanique est beaucoup plus mince que la croûte continentale (4 miles d'épaisseur au lieu de 10 à 43 miles), des températures très chaudes peuvent être atteintes avec des forages moins profonds.

Source: GéologieDans

Pour exploiter ce potentiel énergétique, il faudra de nouveaux progrès dans le domaine de l'énergie géothermique, un sujet que nous avons abordé en détail dans «L'énergie géothermique : une énergie verte qui fait fureur ».

Il est probable que la forme finale de cette source d’énergie sera la combinaison du forage en eaux ultra-profondes (actuellement utilisé pour la production pétrolière) et de la production d’énergie géothermique en boucle ouverte ou fermée.

Source: BGS

L'uranium issu de l'eau de mer : une nouvelle source de combustible nucléaire

Outre le vent, le soleil, les marées et les vagues, l’océan pourrait également être une source d’énergie à faible émission de carbone d’une manière surprenante : en étant la plus grande mine d’uranium de la planète.

L’eau de mer contient des traces d’uranium dissous, et le volume considérable de l’océan signifie que tout processus efficace pour extraire cette ressource la transformerait en une réserve pratiquement illimitée de combustible radioactif, avec jusqu’à 4.5 milliards de tonnes, soit près de 1000 XNUMX fois plus que les réserves d’uranium terrestres.

Nous avons écrit récemment que une avancée technique utilisant un tissu en fibre de carbone traité avec une surface suffisante pour capturer les ions d'uranium pourrait permettre la récolte d'uranium par une réaction électrochimique.

Associé à des centrales nucléaires flottantes, avec un modèle déjà exploité par la Russie et des prototypes expérimentés par des entreprises comme Saltfoss danois, cela pourrait faire des océans l’avenir de l’énergie nucléaire.

Source: Saltfoss

Biocarburants à base d'algues : produire de l'énergie à partir de l'océan

Enfin, une façon pour la mer de produire directement de l’énergie pourrait être de récolter la croissance des microalgues pour produire des biocarburants et d'autres biomatériaux comme les plastiques.

En utilisant l’eau de mer, le biocarburant à base d’algues peut résoudre le problème de l’approvisionnement en eau des installations de biocarburant, les meilleures zones étant les régions semi-désertiques avec beaucoup de soleil, mais des ressources limitées en eau douce.

Pour devenir commercialement viable, cette technologie devra continuer à optimiser le rendement des algues, bien gérer le risque de contamination des cultures et améliorer l’efficacité de la conversion en carburants utilisables comme le biodiesel.

Hydrogène, ammoniac et méthanol

L'eau de mer pourrait également servir de matière première pour la production d'hydrogène, notamment par électrolyse. En général, la production d'hydrogène à partir d'eau de mer peut s'avérer problématique, car le sel peut endommager les électrocatalyseurs. Idéalement, l'eau de mer doit donc d'abord être transformée en eau douce par dessalement.

Les processus de production d'énergie, de dessalement et d'électrocatalyse pourraient être fusionnés comme nous l'avons récemment évoqué. une conception fusionnant panneau solaire, dessalement par évaporation et production locale d'hydrogène.

Source: Énergie et sciences de l'environnement

L’hydrogène produit pourrait ensuite être transformé en ammoniac ou en méthanol pour faciliter le stockage et le transport du carburant vert.

Production d'hydrogène et de carburants verts à partir de l'eau de mer

Dessalement à l'énergie solaire : des solutions d'eau douce plus écologiques

En plus de produire de l’énergie directement à partir de l’océan, les mers pourraient également contribuer à remplacer des activités qui sont actuellement de grandes consommatrices d’énergie, ce qui entraînerait une réduction des émissions.

Le premier est le dessalement mentionné ci-dessus, qui devient une source cruciale d’eau douce pour de nombreux pays. Méthodes de dessalement améliorées utilisant la lumière directe du soleil frappant l'océan pourrait réduire la demande énergétique pour la production d’eau douce.

Systèmes de refroidissement à l'eau de mer : climatisation côtière efficace

Ce concept est similaire à la conversion de l'énergie thermique des mers (ETM) dans la mesure où il exploite la température beaucoup plus fraîche des eaux profondes. Cependant, il peut être beaucoup plus efficace, car il ne nécessite pas de conversion en électricité, mais utilise simplement l'eau froide comme fluide de refroidissement dans les systèmes de climatisation.

Source: Solar Impulse

Ce système peut économiser environ 42 % d'énergie par rapport à un système de climatisation conventionnel (2,6 km de canalisation dans l'océan pour atteindre une zone de 930 m de profondeur).

Les projets expérimentaux phares comprennent le Thassalia de 20 MW d'ENGIE et Massileo de 21 MW d'EDF projets.

La limite de ce système réside dans la nécessité de se connecter à un système de climatisation centralisé préétabli. Il nécessite également que le fond marin de la zone côtière soit suffisamment escarpé pour permettre d'atteindre la profondeur requise avec une conduite suffisamment courte.

Stockage d'énergie sous-marin : hydroélectricité pompée et batteries gravitationnelles

Stockage hydroélectrique par pompage en haute mer

Une autre option pour utiliser la mer comme source d’énergie est de l’utiliser comme une batterie.

La première méthode pour y parvenir est le stockage hydroélectrique par pompage en eaux profondes. Il s'agit d'un système similaire au stockage hydroélectrique par pompage utilisant des barrages et des montagnes, mais qui exploite les profondeurs de l'océan.

Source: Ministère de l'Énergie

Cela pourrait résoudre un problème majeur du pompage-turbinage hydroélectrique : le manque de sites disponibles de taille suffisante pour déployer cette technologie à grande échelle. C'est un problème regrettable, car le pompage-turbinage est une technologie éprouvée et évolutive, capable de stocker de l'énergie pendant des semaines, voire des mois, avec peu de pertes, et offrant un rendement de stockage remarquable de 70 à 80 %.

Un projet pilote explore cette idée : StEnSea, ou « Énergie stockée dans la mer ».

Une série de sphères creuses en béton sur le fond marin à des profondeurs de 600 à 800 mètres, où la pression est déjà considérable.

Source: Clean Technica

Lorsque la demande d'électricité est faible, ces sphères sont vidées de leur eau à l'aide de pompes électriques, qui stockent le surplus d'électricité. Lorsque la demande augmente, elles se remplissent à nouveau, la pression fournissant l'énergie.

Source: Institut Fraunhofer

Ces systèmes pourraient être déployés conjointement avec des parcs éoliens offshore, leur permettant de amortir la production d'énergie éolienne intermittente tout en utilisant le même câble électrique pour transmettre l'énergie vers la côte.

L'évaluation technico-économique montre que le système StEnSea est compétitif en termes de coûts par rapport au stockage d'énergie hydroélectrique par pompage conventionnel (PHES).

Un autre avantage réside dans la modularité de la configuration, obtenue en combinant plusieurs unités StEnSea au sein d'une même installation. Cela accroît la flexibilité de l'installation et, par conséquent, la diversité des applications possibles.

Batteries à gravité océanique : stocker l'énergie en profondeur

Une idée similaire à l'exploitation des profondeurs océaniques consiste à construire des batteries gravitationnelles offshore. La batterie gravitationnelle est un concept parmi d'autres que nous avons abordé dans « Alternatives non chimiques aux batteries pour la transition énergétique« : des objets ultra-lourds comme des roches, des blocs de béton ou des agrégats de minerai de fer sont soulevés et abaissés pour stocker ou générer de l'électricité.

Les composants clés des batteries gravitationnelles sont également assez simples et déjà produits en série : ancres, câbles métalliques, alternateurs et moteurs électriques. Les batteries gravitationnelles ont un rendement de stockage d'énergie de 80 à 85 % et peuvent durer jusqu'à 50 ans, sans utiliser de matériaux ou de métaux rares. La production d'électricité peut également être très flexible, réactive et durable.

La limite du « stockage d'énergie solide » par gravité réside dans le fait que l'énergie stockée à quelques dizaines ou centaines de mètres de profondeur n'est pas si importante. Idéalement, il en faut donc une grande quantité, et si possible aussi longue qu'un puits de mine ou une falaise.

Une plateforme flottante pourrait surplomber une zone de grands fonds marins et permettre de faire descendre ou remonter un poids sur plusieurs milliers de mètres. Ce concept est appelé Stockage d'Énergie Gravitationnelle en Mer Profonde (DOGES). Une start-up française travaille notamment sur ce concept. Solutions de flotteurs d'évier.

« Actuellement, les grues offshore ayant la plus grande capacité de charge peuvent soulever des masses de 4000 20 tonnes, ce qui, pour une vitesse verticale de 200 km/h, correspondrait à une puissance de XNUMX MW. Plusieurs treuils sur un même chantier peuvent être utilisés en parallèle.

L’avantage de cette méthode est que les pièces exposées à l’eau de mer peuvent être très simples, juste un câble métallique et de la roche/du béton, laissant le composant électrique et électronique sensible bien au-dessus du niveau de la mer dans la plate-forme flottante.

Réflexions finales : Inverser la tendance en matière d'énergie propre

Les mers et les océans de la Terre constituent peut-être les plus grandes ressources énergétiques inexploitées, de l'éolien offshore à l'exploitation du gradient thermique des eaux profondes, des marées et des vagues. Les mêmes caractéristiques de l'eau de mer pourraient également être utilisées pour le dessalement ou le refroidissement.

La lumière du soleil frappant la mer pourrait également être utilisée pour la production d’hydrogène ou de biocarburant, contribuant ainsi à décarboner les secteurs difficiles à électrifier.

Les océans pourraient également être une source essentielle de ressources ou de production d’énergie future, avec, par exemple, la purification de l’uranium à partir de l’eau de mer et l’énergie géothermique offshore profonde.

Enfin, ils pourraient constituer une option puissante et évolutive pour le stockage d’énergie, notamment avec les batteries gravitationnelles et l’hydroélectricité pompée en eaux profondes.

Cependant, toutes ces possibilités doivent être calculées en tenant compte des difficultés bien réelles créées par la corrosion saline, les dépôts de sel, l’encrassement biologique et les tempêtes et ouragans violents.

Paradoxalement, les solutions à ces problèmes bénéficieront probablement grandement de l’expérience de longue date de l’industrie pétrolière et gazière dans la construction de plates-formes offshore et la maintenance de machines complexes et fragiles en mer.