Promesses et réalités des énergies renouvelables 9782759808571

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Bernard Wiesenfeld

Illustration de couverture : La Grande Vague de Kanagawa.

Imprimé en France ISBN : 978-2-7598-0622-5 Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1er de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal. © EDP Sciences 2013

Sommaire

Avant-propos.................................................................................................. 5 Introduction : L’électricité, une énergie singulière........................................... 9  Partie 1  L’énergie hydraulique................................................................... 17  Chapitre 1   •  Les aménagements hydroélectriques actuels.............................. 19 Les différents types d’aménagements................................................................ 19 Aménagement de type « centrale de lac ».......................................................... 23 Avantages de l’énergie hydraulique................................................................... 29 Hydraulique et environnement......................................................................... 30  Chapitre 2   •  L’énergie hydroélectrique en Europe......................................... 33 La grande hydraulique française en chiffres....................................................... 33 La petite hydraulique en Europe....................................................................... 35  Chapitre 3   •  Projets d’énergies renouvelables marines à moyen et long termes (au-delà de 2020)............................................... 37 L’énergie du vent.............................................................................................. 37

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

L’énergie des courants de marées....................................................................... 38 L’énergie des courants marins........................................................................... 42 L’énergie de la houle......................................................................................... 44 L’énergie thermique des mers............................................................................ 46 L’énergie osmotique du gradient de salinité...................................................... 48 Conclusion....................................................................................................... 49  Partie 2  L’éolien.......................................................................................... 51  Chapitre 4   •  D’où vient le vent ?.................................................................. 53 Définition........................................................................................................ 53 Direction du vent............................................................................................. 55 Vitesse du vent................................................................................................. 57 Qu’est-ce qu’un cyclone ?................................................................................. 58 La carte des vents et le potentiel éolien............................................................. 59  Chapitre 5   •  Démarrage de l’éolien.............................................................. 61 Des débuts difficiles......................................................................................... 61 Extension à l’océan........................................................................................... 63 Problème de l’intermittence.............................................................................. 65 Les petites éoliennes......................................................................................... 66 L’éolien et ses détracteurs.................................................................................. 66  Chapitre 6   •  Comment fonctionne une éolienne ?........................................ 69 Composantes d’une éolienne à axe horizontal................................................... 70 Puissance produite par une éolienne................................................................. 72 Systèmes de régulation dynamique................................................................... 73 Production d’énergie électrique........................................................................ 75 Les fabricants d’éoliennes................................................................................. 76 Synthèse des avantages et des inconvénients de l’éolien..................................... 77 Stockage de l’énergie d’une éolienne................................................................. 78 Le potentiel éolien............................................................................................ 79  Chapitre 7   •  État des lieux en Europe........................................................... 81 Bilan technique................................................................................................ 81 Bilan socio-économique................................................................................... 83 Les éoliennes dans le monde............................................................................. 85  Partie 3   L’énergie solaire........................................................................... 87  Chapitre 8   •  Soleil et énergie........................................................................ 89 Distribution du rayonnement solaire sur la Terre.............................................. 89 Conversion de l’énergie solaire en énergie électrique......................................... 93

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 Sommaire

 Chapitre 9   •  L’électricité solaire photovoltaïque............................................ 95 La conversion photovoltaïque........................................................................... 95 Principe de la photopile.................................................................................... 96 Fonctionnement de la photopile....................................................................... 96 Les différentes filières photovoltaïques.............................................................. 98 L’énergie photovoltaïque en Europe.................................................................. 100 Les fabricants de cellules photovoltaïques......................................................... 103 Perspectives 2020 dans l’Union Européenne..................................................... 104  Chapitre 10   •  Les centrales thermiques solaires............................................. 105 La centrale à capteurs cylindro-paraboliques..................................................... 107 La centrale à tour............................................................................................. 108 La centrale solaire à capteurs paraboliques........................................................ 109 La centrale solaire à effet de cheminée.............................................................. 110 La centrale à réflecteurs de Fresnel.................................................................... 111 Bilan................................................................................................................ 113  Partie 4   Les autres énergies renouvelables.............................................. 115  Chapitre 11   •  La biomasse............................................................................ 117 Les végétaux..................................................................................................... 118 Les déchets organiques..................................................................................... 119  Chapitre 12   •  La géothermie........................................................................ 125 Origine de la chaleur terrestre........................................................................... 125 La production d’électricité par la géothermie.................................................... 126 Les sites géothermiques.................................................................................... 127 Conclusions pour la France.............................................................................. 129  Partie 5  Les énergies renouvelables dans le contexte actuel.................. 133  Chapitre 13   •  Les énergies renouvelables et le développement durable.......... 135 Le développement durable................................................................................ 136  Chapitre 14   •  Les autres énergies primaires : l’énergie fossile et l’énergie nucléaire............................................................... 153 Énergie fossile.................................................................................................. 154 L’énergie nucléaire............................................................................................ 157 Conclusion...................................................................................................... 161 Glossaire.......................................................................................................... 167 Sigles et symboles........................................................................................... 171

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Avant-propos

La nécessité nous délivre de l’embarras du choix. Le marquis de Vauvenargues

À l’origine, l’Homme n’avait à sa disposition en termes d’énergie que le feu (maîtrisé 400 000 ans avant J.-C.) et sa propre force physique, puis celle de l’animal lorsqu’il se sédentarisa au Néolithique. Ensuite, et jusqu’à une période très récente, il y ajouta des énergies que l’on appelle aujourd’hui «  renouvelables  », pour l’aider dans ses activités quotidiennes (le vent pour se déplacer sur les mers (embarcation à voile) ou pour moudre le grain (moulin à vent), le soleil, par exemple pour chauffer une habitation ou pour sécher les vêtements une fois lavés, l’eau dans la conception de pilons et de soufflets de forges hydrauliques…). Les magnifiques enluminures du livre des Très Riches Heures du duc de Berry (début du xve siècle), représentant chaque mois de l’année par une scène caractéristique, sont une parfaite illustration du mode de vie moyenâgeux et de sa lente évolution temporelle. On y observe notamment le remplacement dans les campagnes du bœuf par le cheval de trait afin d’augmenter les performances agricoles.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

La révolution industrielle vint bouleverser cet ordre établi il y a un peu plus de deux siècles dans les pays d’Europe occidentale. On commença à utiliser des énergies commerciales pour substituer la machine à la force animale ou humaine. Ce fut également la révolution énergétique qui vit l’éclosion de trois différentes énergies en l’espace de seulement 150 ans afin de répondre à des besoins sans cesse renouvelés. Ces énergies furent d’abord le charbon, puis les hydrocarbures et enfin le nucléaire. Il en résulta une élévation de la qualité de la vie, notamment dans les secteurs du transport et du confort domestique. Cette transformation économique profonde fut longtemps limitée à l’Europe occidentale (elle naquit en Angleterre au siècle des Lumières), puis à l’Amérique du Nord et au Japon au xxe siècle, avant de se propager dans les pays émergents (Brésil, Russie, Inde, Chine). On peut décliner la chronologie d’apparition de ces énergies en trois étapes : – l’invention de la machine à vapeur fut déterminante dans l’exploitation minière du charbon qui, au siècle des Lumières, fut la seule énergie susceptible de fournir la chaleur nécessaire à la production de vapeur ; – un siècle plus tard, les premiers puits de pétrole exploités par la Standard Oil Company, fondée par W. Rockefeller en 1870 virent le jour et marquèrent le début du développement des industries utilisant les produits obtenus par distillation du pétrole : goudrons, lubrifiants, naphta, solvants et essences ; – enfin, au sortir de la deuxième guerre mondiale naquit l’industrie nucléaire civile qui avait l’avantage d’extraire de la matière une énorme quantité d’énergie, mais l’inconvénient de produire des substances radioactives. Pour de nombreux pays, dont la France, c’est véritablement la première crise pétrolière de 1973, au cours de laquelle le prix du baril de pétrole quadrupla subitement, qui marqua une accélération significative des programmes nucléaires, afin de sortir de la dépendance énergétique aux pays exportateurs de pétrole. On chercha également à économiser l’énergie et à développer les énergies renouvelables qui faisaient figures de solutions alternatives. Aujourd’hui, l’ensemble des énergies dont nous disposons – le charbon, les hydrocarbures (pétrole et gaz), le nucléaire et les énergies renouvelables (hydraulique, éolien, solaire, géothermique et biomasse)  – constituent les composantes du mix énergétique dont la composition varie d’un pays à l’autre. En effet, chaque pays a sa politique énergétique propre, en fonction de ses ressources internes, mais également de ses sensibilités politiques : l’Allemagne et la Chine sont charbonnières, la Norvège et la Suède sont hydrauliques, la France et la Finlande sont nucléaires… En 1997, 159 pays se réunirent à Kyoto afin d’adopter un protocole international dont l’objectif était de lutter efficacement contre le réchauffement climatique. Les exigences très contraignantes de ce protocole en matière d’émission de gaz à effet de serre justifièrent des mesures drastiques visant à limiter le recours aux énergies fossiles.

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 Avant-propos

En outre, des organisations hostiles au nucléaire sensibilisèrent l’opinion publique aux risques inhérents à cette industrie, notamment à la suite de l’accident de Fukushima en 2011. En conséquence, en se focalisant sur la production d’électricité, carrefour de toutes les énergies, la question est de savoir quel rôle on doit allouer aux énergies renouvelables au sein du mix énergétique, afin de satisfaire la demande d’électricité tout en garantissant un prix de revient raisonnable dans des conditions de fiabilité et de sécurité acceptables. L’objectif principal de cet ouvrage est de tenter de répondre à cette question.

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Introduction L’électricité, une énergie singulière

Le système énergétique est l’ensemble des opérations effectuées sur l’énergie, depuis sa source d’approvisionnement jusqu’à son utilisation par l’Homme. Il s’est complexifié avec le développement technologique et, en partant de la source, il convient de distinguer trois niveaux d’énergies : les énergies primaires, les énergies secondaires et les énergies finales.

Trois niveaux d’énergies Énergies primaires C’est le premier niveau du système énergétique, qui se compose de toutes les sources disponibles dans la nature. On en distingue deux catégories, les énergies primaires non renouvelables et les énergies primaires renouvelables : – les énergies primaires non renouvelables sont les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) et le combustible nucléaire (uranium et thorium pour la fission, deutérium et tritium pour la fusion) ; – les énergies primaires renouvelables sont l’hydraulique, l’éolien, le solaire, la biomasse et la géothermie.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

L’énergie non renouvelable se présente sous la forme d’une énergie stockée (c’est-àdire comparable, en mécanique, à l’énergie potentielle), chimique pour les combustibles fossiles et nucléaire pour le combustible fissile. Les énergies renouvelables peuvent être de forme libre (c’est-à-dire comparable, en mécanique, à l’énergie cinétique) ou stockée : – énergie libre : l’éolien a pour origine des mouvements météorologiques provoqués par le rayonnement solaire. L’énergie solaire provient, à l’évidence, du rayonnement solaire ayant pour origine la fusion nucléaire dans le soleil. Enfin, l’énergie marémotrice, d’origine hydraulique, est une énergie mécanique qui émane de la force d’attraction gravitationnelle de la lune (et du soleil dans une moindre mesure) ; – énergie stockée  : hydraulique (énergie potentielle qui stocke le rayonnement solaire), géothermie (énergie d’origine nucléaire puisque découlant principalement de la chaleur dégagée par la radioactivité de l’uranium, du thorium et du potassium présents dans le manteau et la croûte terrestre) et biomasse (issue du processus de photosynthèse pour les végétaux et de réactions organiques pour les déchets). L’énergie fossile (charbon, pétrole, gaz), d’origine organique, provient de l’énergie de fusion nucléaire dans le soleil. Il en est de même de la plupart des énergies renouvelables (biomasse, solaire, hydraulique, éolien). L’énergie nucléaire a pour origine la fission de l’uranium ou du thorium, ou encore la fusion du deutérium et du tritium, et la géothermie provient, comme nous venons de le voir, de la radioactivité émise dans les entrailles de la terre. En définitive, hormis l’énergie marémotrice, dont la contribution au bilan énergétique est marginale, toutes les sources d’énergies disponibles dans la nature ont pour origine des réactions nucléaires de type fusion, fission ou radioactivité.

Énergies secondaires (ou vecteurs énergétiques) Les énergies primaires doivent subir des transformations pour être transportées puis consommées. Les énergies secondaires sont le résultat de ces transformations. Il s’agit principalement : – des produits pétroliers, issus du raffinage du pétrole brut : kérosène, essence, gasoil, fuel domestique ; – de l’électricité produite dans les centrales thermiques (combustible fossile) ou nucléaire (combustible fissile) et dans les installations utilisant une énergie renouvelable ; – de la vapeur, provenant généralement de la conversion d’énergies renouvelables (biomasse, solaire, géothermie), utilisée par exemple pour des opérations de séchage industriel ;

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 Introduction

– de l’hydrogène produit par craquage thermique ou par électrolyse de l’eau, ou encore par reformage du gaz naturel (méthane). Ce vecteur énergétique pourra, à l’horizon 2050, fournir de l’électricité dans des piles à combustible utilisables pour la propulsion des voitures ou dans des centrales de production électrique.

Énergies finales En aval du système énergétique se situent les besoins élémentaires en énergie de l’activité humaine que l’on classe par secteurs d’utilisation de l’énergie. On distingue trois grands secteurs d’utilisation de l’énergie : – la consommation domestique (chauffage, confort domestique) ; – les transports ; – l’industrie. Les quatre énergies libres (thermique, mécanique, rayonnement, électricité) peuvent se décliner dans ces différents secteurs de la façon suivante : – énergie thermique : il s’agit du chauffage et de la réfrigération. Les besoins se situent dans les locaux d’habitation et de travail, ainsi que dans les processus industriels d’élaboration de matériaux divers (métaux, briques, ciment…) ; – énergie mécanique (cinétique) : des applications multiples existent dans les transports (voiture, train, avion), l’industrie (moteur, pompe, compresseur…) et le secteur résidentiel (appareils ménagers, ascenseur…) ; – rayonnement : il est utilisé dans l’éclairage, les télécommunications, la télévision, l’imagerie médicale… – la quatrième énergie libre, l’électricité, est particulière dans la mesure où elle est à la fois une énergie primaire et un vecteur énergétique. On la retrouve dans tous les secteurs d’utilisation de l’énergie. C’est au niveau final du système énergétique que l’on mesure toute l’importance de l’énergie dans l’activité économique.

Spécificités de l’électricité Parmi les différents vecteurs énergétiques, l’électricité est le plus important pour l’activité humaine si bien que l’on peut mesurer le degré de développement économique d’un pays à la contribution de l’électricité à ses besoins énergétiques. Cette contribution est aujourd’hui de 20  % en moyenne sur la planète, mais de 40 % dans les pays industrialisés. Son taux de pénétration est de 5 à 10 % par an dans certains pays en développement alors qu’il n’est que de 1,5  % par an dans les pays de l’Union européenne. Cela signifie que le recours à l’énergie électrique témoigne de la volonté d’un pays de s’industrialiser. L’électricité est également le principal besoin en énergie des économies émergentes.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Les raisons de cette prépondérance sont multiples. L’énergie électrique est en premier lieu le carrefour des énergies car elle peut être produite, en tant que vecteur énergétique, à partir de toutes les énergies primaires. Cela peut notamment s’effectuer sans pollution atmosphérique à partir d’un combustible nucléaire ou d’une énergie renouvelable. En outre, l’électricité a la faculté de satisfaire, à tout moment et en tout lieu, de multiples besoins énergétiques grâce à un réseau de distribution fiable et dense (voir « Transport et Distribution de l’électricité », ci-après). Enfin, un appareillage électrique est généralement d’un usage simple et rapide. En revanche, l’électricité possède l’inconvénient majeur de ne pas être stockable, si ce n’est en quantités faibles et à un coût élevé, sous forme d’énergie chimique dans des piles ou des batteries d’accumulateurs. C’est notamment la faible autonomie de ces systèmes de stockage de l’électricité qui retarde sa pénétration dans le domaine du transport (par exemple, la voiture électrique). On développe également d’autres technologies de stockage sous forme d’air comprimé, d’énergie thermique ou d’hydrogène produit par électrolyse de l’eau. Le moyen de loin le plus efficace pour stocker l’électricité consiste à procéder indirectement en faisant remonter l’eau d’une rivière ou d’une retenue vers un réservoir situé en amont à l’aide d’un système de pompage. L’énergie potentielle accumulée est libérée par gravité et l’énergie cinétique produite est convertie en électricité dans une turbine à eau couplée à un alternateur.

Transport et distribution de l’électricité L’énergie primaire, une fois convertie en énergie secondaire, doit être acheminée jusqu’à l’utilisateur final. Cette mission s’effectue en deux étapes : il s’agit d’abord de transporter massivement l’énergie des centres de production vers les régions consommatrices, puis de distribuer localement l’énergie vers les utilisateurs. Dans la mesure du possible, on transporte et on distribue l’électricité à l’aide de réseaux. Par analogie avec le réseau routier, le réseau de transport correspond au réseau autoroutier et le réseau de distribution au réseau de routes départementales. Afin de limiter les pertes en lignes par effet Joule, le transport d’électricité s’effectue à très haute tension, alors que la distribution est assurée à basse tension. On peut ainsi découper le réseau électrique français en fonction du niveau de tension électrique : – le réseau de transport (380 000 volts) recouvre toutes les régions de France grâce à un maillage suffisamment fin et traverse en une dizaine de points nos frontières afin de s’interconnecter aux réseaux des pays limitrophes. Il achemine de grandes quantités d’électricité des centrales de production vers les régions consommatrices ;

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 Introduction

– les réseaux de répartition (60 000 volts) sont un sous-ensemble du réseau de transport et desservent des zones de consommation dans un découpage plus fin ; – les réseaux de distribution (15 000 volts) assurent l’approvisionnement des clients finals (220 V alternatif monophasé et 380 V alternatif triphasé). Les réseaux sont reliés deux à deux par des stations de transformateurs électriques permettant de passer d’une tension donnée à la tension inférieure suivante. La figure  1 schématise le réseau électrique français depuis le transformateur de la centrale de production électrique donnant un courant de 380  000 V triphasé jusqu’au transformateur du réseau de distribution vers le consommateur permettant le fonctionnement de moteurs électriques en 380 V triphasé ou encore l’éclairage en 220 V standard monophasé. Réseau électrique Ligne à 380 kV

15 kV 380 kV

(Transport)

Transformateur de la centrale électrique 380 kV Alternateur triphasé de la centrale électrique Centre de production électrique

60 kV Ligne à 15 kV

60 kV 15 kV

(Distribution)

Ligne à 60 kV

15 kV 380 V 1 2 3 n Neutre

(Répartition) 220 V ~

Moteur 3~ Éclairage Consommateur d’électricité

 Figure 1   Transport et distribution de l’électricité en France.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Modes de production de l’électricité Les principaux moyens de production de l’électricité sont : • l’énergie fossile : – le charbon ; – les hydrocarbures (pétrole, gaz) ; • l’énergie nucléaire : – fission : -- l’uranium, -- le plutonium, -- le thorium ; – fusion : -- le deutérium et le tritium ; • les énergies renouvelables : – – – – –

l’hydraulique ; le solaire ; l’éolien ; la biomasse ; la géothermie ;

• l’hydrogène (pile à combustible). L’objet de cet ouvrage est de développer les modes de production de l’électricité à partir des énergies renouvelables. Nous ne traiterons donc pas de l’hydrogène qui, bien que « renouvelable », n’est pas une énergie primaire mais un vecteur énergétique.

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1 Les aménagements hydroélectriques actuels

Les différents types d’aménagements L’hydroélectricité est l’électricité produite par l’énergie hydraulique d’un cours d’eau ou d’un réservoir en exploitant l’énergie potentielle de gravité emmagasinée dans l’eau. Cette forme d’énergie est renouvelable puisque le cycle de l’eau provoqué par la chaleur du soleil (évaporation de l’eau de mer et condensation de la vapeur d’eau dans l’atmosphère) régénère les cours d’eau terrestres. Elle assure au pays qui en est doté une garantie d’approvisionnement à long terme, bien que limité à court terme par d’éventuelles périodes de sécheresse. En 2006, l’hydroélectricité représentait 15 % de la production d’électricité mondiale (en comparaison, la part du nucléaire était de 15 % et celle de l’énergie fossile de 67 %). C’est de loin l’énergie renouvelable la plus utilisée dans le monde pour la production électrique puisque l’ensemble des autres énergies renouvelables représentent une part d’environ 3 %. La plupart des pays développés utilisent déjà une majeure partie de leur potentiel hydroélectrique alors que des ressources non exploitées sont encore abondantes dans nombre de pays en développement.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

En France, les grands travaux de construction des barrages hydroélectriques datent des années 1950. Moins d’un demi-siècle plus tard, en 2000, l’électricité d’origine hydraulique produite dans l’année était de 73 TWhe, représentant alors 13 % de la production électrique nationale. Il existe quatre types d’aménagements hydroélectriques : – – – –

la centrale au fil de l’eau ; la centrale de lac ; la Station de transfert d’énergie par pompage (STEP) ; la centrale d’éclusée.

La production annuelle en 2010 de ces différents aménagements est indiquée dans le tableau 1.1. • L’aménagement au fil de l’eau fonctionne au gré des conditions hydrauliques naturelles du site et n’a pratiquement pas de capacité de stockage. Ces centrales sont installées sur un canal de dérivation ou directement dans le lit du cours d’eau et fonctionnent 24 h/24 en fournissant une électricité en base. Elles sont adaptées aux fleuves à faible pente et à fort débit. Les aménagements au fil de l’eau fournissent une électricité régulière et prévisible qui est déterminée par le débit du fleuve (par exemple : la centrale de Beauharnais sur le fleuve Saint-Laurent au Québec : puissance installée 1 673 MWe, hauteur de chute 24 m). • L’aménagement de lac (figure 1.1) est associé à une retenue d’eau. Il permet une gestion annuelle des réserves hydrauliques. L’eau est captée en altitude et acheminée par une série d’ouvrages vers une réserve, où elle est stockée en amont d’un barrage. Un aménagement avec gestion annuelle possède un réservoir d’une capacité de stockage suffisante (supérieure à 400 heures) pour permettre le stockage d’eau en cas de forte crues, provoquées notamment par la fonte des neiges, afin de la turbiner en période sèche dans une centrale hydroélectrique située en contrebas. Le réservoir peut être construit en tête d’un bassin hydrographique afin d’assurer l’alimentation en eau de plusieurs usines centrales disposées en cascade le long du cours d’eau. La régulation s’effectue à l’aide de vannes qu’on ouvre plus ou moins afin d’adapter la production d’électricité à la demande. • La Station de transfert d’énergie par pompage (STEP) (figure 1.2) remonte par pompage l’eau d’un bassin aval (ou inférieur) vers un bassin amont (ou supérieur) à l’aide d’une machine réversible turbine-pompe. Cette opération s’effectue aux heures creuses afin d’utiliser une électricité excédentaire bon marché. L’énergie ainsi stockée est restituée au réseau électrique pendant les heures de pointe par turbinage de l’eau du bassin amont vers le bassin aval, en produisant une énergie

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1. Les aménagements hydroélectriques actuels

à tarif élevé (par exemple, la station de Grand-Maison dans la région Rhône-Alpes d’une puissance installée de 1 800 MWe). • La centrale d’éclusée est installée dans des régions de moyenne montagne (par exemple Vouglans dans le Jura ou Grangent dans le Massif central) où la hauteur de chute est intermédiaire entre la centrale au fil de l’eau et la centrale de lac. La réserve d’eau s’effectue au moyen d’une barrière sur des périodes courtes (capacité de stockage entre 2 et 400 heures). L’eau est stockée aux heures les moins chargées de la journée ou de la semaine (par exemple la nuit) et turbinée aux heures pleines en contribuant ainsi à la régulation quotidienne ou hebdomadaire de la production d’électricité.  Tableau 1.1  Production hydroélectrique en France en 2010 (source : mémento 2010 du CEA sur l’énergie). Puissance (GWe)

Production (TWhe)

%

Fil de l’eau

7,6

33,3

53

Éclusée

4,3

10,7

17

Lac

9,3

12,6

20

Pompage

4,2

6,6

10

TOTAL

25,4

63,2

100

Hauteur de chute

Retenue

Usine Turbine Pelton Alternateur Transformateur

 Figure 1.1  Schéma de principe d’une centrale de lac (exemple d’une centrale de haute chute).

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Bassin supérieur

Usine

Tur

bina

Pom

ge

Bassin inférieur

pag

e

Machine reversible turbine – pompe  Figure 1.2  Schéma de principe d’une Station de transfert d’énergie par pompage (STEP).

Les aménagements hydroélectriques peuvent se différencier par rapport à la puissance électrique disponible : – – – –

micro hydroélectricité : puissance inférieure à 100 kWe ; mini hydroélectricité : puissance comprise entre 100 kWe et 2 MWe ; petite hydroélectricité : puissance comprise entre 2 MWe et 10 MWe ; grande hydroélectricité : puissance supérieure à 10 MWe.

Remarque 1 : la micro hydroélectricité (MHE) peut contribuer à l’alimentation d’un réseau interconnecté à d’autres centrales, mais sera utilisée principalement hors réseau pour fournir l’électricité nécessaire à un village ou un complexe industriel local éloignés des lignes d’interconnexion au réseau électrique. Il s’agit, dans la plupart des cas, de centrales au fil de l’eau, avec ou sans réservoir régulateur. Les microcentrales sont souvent installées par des particuliers désireux de récupérer l’électricité des chutes d’eau. Elles sont notamment utilisées dans les alpages pour fournir l’énergie nécessaire à la traite ou à la fabrication du fromage. Remarque 2 : la hauteur de chute est la différence d’altitude entre le niveau de l’eau en amont du barrage et la turbine hydraulique. On classe les ouvrages hydrauliques en fonction de leur hauteur de chute : – hautes chutes (supérieures à 200 mètres) ; – moyennes chutes (entre 50 et 200 mètres) ; – basses chutes (inférieures à 50 mètres).

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1. Les aménagements hydroélectriques actuels

Aménagement de type « centrale de lac » À titre d’illustration, détaillons l’aménagement de type « centrale de lac », dont la contribution à l’électricité d’origine hydraulique est de l’ordre de 20 % au plan national (voir tableau 1.1).

Réservoir Le réservoir (ou retenue) constitue une provision en eau dont les principaux objectifs sont de: – maximiser l’énergie annuelle produite ; – contrôler les crues.

Barrage Le barrage est un ouvrage construit en travers d’une vallée dans le but de retenir l’eau pour créer une réserve et de réguler ou de détourner les eaux d’un cours d’eau. Les barrages se classent en deux grandes familles selon les matériaux utilisés : les barrages en matériaux rigides et les barrages en remblai.

Les barrages en matériaux rigides (béton ou maçonnerie) On distingue les barrage-poids et les barrages-voûtes. • Les barrages-poids (figure 1.3) sont rectilignes et de section trapézoïdale. Ils sont adaptés aux larges vallées. Citons en France le barrage de Chambon (293 m de hauteur de chute, 1 294 m de long) ou encore les barrages de Génissat, Sarrans, Bissorte… Une variante est le barrage-poids évidé, qui est creusé à intervalles réguliers depuis la fondation afin d’alléger la structure. Citons le barrage d’Itaipu sur le fleuve Parana, près des chutes d’Iguaçu, à la frontière entre le Brésil et le Paraguay (118 m de hauteur de chute, 7 900 m de long). Le chantier démarra en 1975 et se termina à la mise en service du premier tronçon huit années plus tard. Il employa jusqu’à 30 000 hommes aux périodes de forte activité. Les terres inondées en amont s’étendent sur 170 km de longueur. L’énergie électrique annuelle produite est d’environ 90 TWhe, ce qui équivaut à 13 centrales nucléaires.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

 Figure 1.3   Schéma d’un barrage-poids.

• Les barrages-voûtes (figure 1.4) sont convexes, le centre de courbure étant situé à l’extérieur de la retenue. Ils sont adaptés aux vallées étroites. On en dénombre plus de 1 500 en service dans le monde. Citons en France le barrage de Tignes (233 m de hauteur de chute, 375 m de long), ou encore les barrages de Vouglans, Laparan, Sainte-Croix-du-Verdon…

 Le Hoover Dam  Le Hoover Dam sur le Colorado, aux limites de l’Arizona et du Nevada, à moins de 50 km de Las Vegas (barrage combiné poids-voûte) est l’un des plus anciens et prestigieux ancêtres du barrage-voûte. La politique du New Deal de Franklin Roosevelt fit des grands travaux un passage obligé dans la lutte contre la Grande Dépression et le chômage. C’est ainsi que le barrage Hoover décidé en 1933 devait fournir une puissance moyenne de 2 000 MWe, soit l’équivalent de deux centrales nucléaires actuelles, propice à accélérer l’industrialisation de l’immense Californie et la mise en valeur de vastes régions encore vierges. Haut de 220 mètres et long de 579 mètres, il pèse quelque 6,6 millions de tonnes, soit un million de tonnes de plus que la pyramide de Chéops à Gizeh en Égypte ! Il bat à l’époque tous les records de gigantisme. Une main-d’œuvre hautement qualifiée forte de plus de 3 500 hommes creuse d’abord dans le roc quatre larges tunnels de dérivation, avec des dispositifs retenant les déchets de la construction que charrie le Colorado, procédé largement utilisé par la suite, puis édifie le barrage par tranches de 30 mètres. On le couronne enfin symboliquement par le passage sur sa crête d’une route permettant de relier en ligne droite les villes de Phoenix (Arizona) et de Las Vegas (Nevada).

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1. Les aménagements hydroélectriques actuels

 Figure 1.4   Schéma d’un barrage-voûte.

En France, sur les 117 grands barrages d’EDF, 40 sont des barrages-poids en béton et 51 des barrages-voûtes.

Les barrages en remblai (ou en « matériaux meubles », roche et terre) Lorsque le matériau est de la roche, on parle de barrage en enrochement. On peut également utiliser des terres suffisamment étanches telles que l’argile ou le limon. Ce sont les plus anciens barrages. L’étanchéité est généralement assurée par un revêtement en béton du côté de la retenue. À l’instar des barrages-poids, c’est le poids des matériaux qui s’oppose aux forces exercées par l’eau de retenue. Citons en France le barrage de Serre-Ponçon, haut de 125 mètres. Il forme la plus grande retenue artificielle d’Europe avec près de 3 000 hectares sur la Durance. Citons également le barrage du Vieux-Pré. Situé sur un affluent de la Meurthe, il soutient les étiages de la Moselle et répartit les eaux selon les besoins de l’agriculture et de l’industrie. On dénombre 26 barrages de ce type en France.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Centrale hydroélectrique La centrale hydroélectrique est constituée d’un bâtiment qui abrite les équipements de production d’énergie (turbine, alternateur et transformateur) et les différents services de maintenance. L’alimentation en eau de la centrale est assurée par le système d’adduction et le retour de l’eau vers le cours d’eau se fait par le système de restitution. Citons les principaux types de turbines à eau : la turbine à action et la turbine à réaction.

Turbine à action Les turbines à action sont actionnées par la pression de l’eau injectée directement sur les augets d’une roue. C’est le cas de la turbine Pelton (figure 1.5) qui équipe les aménagements de haute chute. Injecteur Déflecteur

Roue à augets

Pointeau reglable

 Figure 1.5   Schéma de la turbine Pelton.

Turbine à réaction L’eau arrive par une bâche spirale puis est injectée sur la périphérie d’une roue à aubes noyée. Tel est le cas de la turbine Francis (figure 1.6).

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1. Les aménagements hydroélectriques actuels

Axe de rotation

Bâche spirale

Bâche spirale

Roue à aubes

 Figure 1.6   Schéma de la turbine Francis.

Il existe deux variantes à hélice, la turbine Kaplan (figure 1.7) et la turbine à bulbe (figure 1.8). La turbine Kaplan est adaptée aux basses chutes, les pales de l’hélice sont réglables en fonction du débit de l’eau injectée. Axe de rotation

Pales mobiles

 Figure 1.7   Schéma de la turbine Kaplan.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

La turbine à bulbe est une turbine Kaplan couplée à un alternateur enfermé dans un conteneur étanche. Les groupes bulbes sont utilisés pour des hauteurs de chute inférieures à 20 mètres. Ils ont bénéficié de l’expérience acquise sur l’usine marémotrice de la Rance (près de Saint-Malo). Distributeur mobile

Alternateur

Roue à pales orientables

 Figure 1.8   Schéma de la turbine à bulbe.

Structures d’évacuation Les structures d’évacuation font partie des ouvrages de retenue et servent à l’évacuation des surplus d’eau ou des débits de crue qui ne peuvent être emmagasinés dans le réservoir ou qui peuvent être turbinés dans le cas des aménagements au fil de l’eau. Leur fonction est très importante car plusieurs barrages ont cédé à cause d’une insuffisance des capacités d’évacuation. En effet, les barrages en enrochement n’ont pas la résistance nécessaire contre l’érosion lorsque des déversements importants s’effectuent par leur crête (par exemple en 1889, le barrage en terre de Johnstown aux États-Unis, emporté par une crue, fit 2 000 victimes). Les deux principaux types d’organes d’évacuation sont le déversoir et la vidange de fond, ouverture à la base des ouvrages de retenue.

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1. Les aménagements hydroélectriques actuels

L’aménagement du barrage des Trois-Gorges sur le Yangtsé Kiang  Les travaux de réalisation sur le Yangtsé Kiang (ou Yangzi jiang en transcription pinyin, le plus grand fleuve d’Asie avec 6 300 km de longueur) de la plus grande usine hydroélectrique de la planète ont démarré en 1994 et se sont terminés en 2008, avec un an d’avance sur le planning. D’une puissance de 18 700 MWe (soit la puissance d’une vingtaine de réacteurs nucléaires) fournie par 26 turbo-alternateurs de 720 MWe chacun, l’installation fournit à la Chine l’équivalent de 10 % de la production nationale d’électricité pour l’année 2000. Le barrage de 90 mètres de hauteur de chute et 2,3 km de longueur dispose d’un réservoir de 483 mètres en son milieu et au niveau du lit naturel du fleuve. Sa réalisation permet d’atteindre trois objectifs auxquels les gouvernements chinois successifs étaient attachés depuis Sun Yat-sen, le fondateur en 1921 de la République chinoise : – maîtriser le débit du Yangtsé Kiang, sujet à des crues dévastatrices régulières ; – produire de l’énergie pour accompagner le développement industriel de la Chine ; – améliorer les capacités de navigation du fleuve. En contrepartie, l’installation a provoqué l’inondation des terres sur 600 km en amont du barrage et le déplacement de près de 1,5 million de riverains. Notons qu’il existe en Chine pas moins de 20 000 barrages hydrauliques et un potentiel non encore exploité très important. Les centrales hydrauliques fournissent environ 16 % de l’électricité mondiale, à égalité avec l’énergie nucléaire, mais cette part varie selon les pays. Elle atteint 80 % en Norvège, mais n’est que de 6 % aux États-Unis. En France, la puissance installée est de 25 400 MWe et la production d’environ 68 TWh par an, soit environ 12 % de l’électricité nationale. Le parc français d’EDF est constitué de 445 centrales hydrauliques et de multiples STEP. Ces dernières avaient en 2008 une capacité totale de 4 300 MW, qu’elles peuvent fournir pendant quelques heures.

Avantages de l’énergie hydraulique L’énergie hydraulique est la première source d’électricité renouvelable. Elle est prévisible, modulable et stockable. Cette dernière caractéristique deviendra d’autant plus nécessaire que les énergies intermittentes, comme l’éolien et le solaire, prendront de l’ampleur : on pourra par exemple stocker l’électricité fournie par les éoliennes grâce aux STEP, pour la restituer en l’absence de vent.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Un avantage notable de l’électricité hydraulique réside dans la possibilité de démarrer et d’arrêter très vite une installation pour servir d’appoint en cas de déséquilibre entre la production et la consommation d’électricité (rappelons – voir « Spécificités de l’électricité » ci-dessus – que l’électricité ne se stockant pas, la production et la consommation d’électricité doivent en permanence être à l’équilibre). Parmi toutes les énergies primaires, l’énergie hydraulique est celle qui concentre par unité de production la puissance la plus élevée. Le record est détenu, nous le savons, par le barrage chinois des Trois-Gorges (18 700 MWe), suivi du barrage brésilien d’Itaipu (14 200 MWe). Certaines installations, bien que plus modestes, sont néanmoins remarquables à l’instar de la grande Dixence, sur l’un des affluents du Rhône (en Suisse, en amont du lac Léman). Elle est constituée d’un barrage de 285 mètres de haut à 2 300 mètres d’altitude et de trois centrales hydroélectriques situées à 1 880 mètres en contrebas. Ce dénivelé est le plus élevé du monde. Il crée une pression énorme en raison du poids de la colonne d’eau. La puissance totale de l’installation avoisine 2 000 MWe. Quatre STEP y sont associées à des altitudes intermédiaires. La marge de progression de la puissance unitaire d’un aménagement hydroélectrique est faible car les techniques sont mûres et n’évolueront sans doute plus beaucoup. Les progrès techniques concerneront la limitation des impacts environnementaux des barrages. En outre, si la puissance installée ne progressera plus beaucoup en Europe, où tous les grands fleuves sont aménagés, un potentiel important reste à développer dans le monde, notamment en Russie, Amérique du Sud et Afrique. Ce dernier continent exploite moins de 13 % de son potentiel économiquement viable. Au plan mondial, la production annuelle est de l’ordre de 3 000 TWh, alors que l’on pourrait produire près de 9 000 TWh de façon rentable. En ne tenant compte que du potentiel technique, on pourrait atteindre 14 600 TWh, ce qui correspond à plus de 75 % de la consommation mondiale d’électricité !

Hydraulique et environnement Les aménagements hydrauliques modifient le régime des cours d’eau. Ils ont un impact sur la faune, la flore et le paysage. En outre, les retenues présentent un risque potentiel en cas de rupture (ou submersion) de barrage. La création de retenues est parfois vivement contestée. En France, l’évacuation de deux villages lors de la mise en eau, en 1959, de la retenue du barrage de SerrePonçon, sur la Durance, a suscité de vives protestations. Plus récemment, les projets de régulation du cours de la Loire, notamment par le barrage de Serre-de-la-Fare, ont dû être abandonnés face aux nombreuses oppositions locales. Une retenue a un impact environnemental en amont et en aval du barrage.

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1. Les aménagements hydroélectriques actuels

La mise en eau d’un barrage noie une étendue dont la biomasse se décompose en consommant l’oxygène (respiration) contenu dans l’eau de la retenue. Cet appauvrissement en oxygène tue la flore et la faune aquatiques en amont du barrage. Cependant, l’impact des zones inondées sur la faune peut être limité par des actions de capture et de relâchage dans des zones voisines et protégées. Une telle opération a été menée avec succès en Guyane au barrage de Petit-Pas. Une fois la mise en eau de la retenue réalisée, les nuisances sont multiples. Les barrages entravent la circulation des sédiments, d’où le risque d’envasement en amont et de creusement en aval. Du fait de la montée des eaux qu’ils provoquent en amont, ils peuvent affecter la biodiversité et causer le déplacement de populations, comme ce fut le cas au barrage des Trois-Gorges. La stagnation de l’eau peut nuire à sa qualité et perturber les poissons, notamment les espèces migratrices (les saumons qui remontent vers la source ou encore les anguilles qui descendent vers la mer, dans le même but de reproduction). Afin d’illustrer les problèmes environnementaux posés par une retenue après sa mise en eau, évoquons l’exemple du barrage d’Assouan situé sur le lac Nasser en HauteÉgypte, construit par le président égyptien Gamal Abdel Nasser dans le but de fournir de l’électricité au pays mais également d’étendre les surfaces irriguées, de produire de l’eau douce en toute saison et d’améliorer la navigation sur le Nil. Il s’agit d’un barrage-poids de 111 mètres de hauteur mis en service en 1973. Il fournit une puissance installée de 2 100 MWe. Les alluvions qui fertilisaient la vallée du Nil lors des crues sont maintenant retenues en amont du barrage, d’où un appauvrissement des terres le long du Nil (le reste du pays est quasiment désertique). En outre, les poissons nourris par ces alluvions ont disparu. Du point de vue sanitaire, la bilharziose, deuxième maladie parasitaire après le paludisme, qui se contracte par baignade en eau douce et responsable au plan mondial de plusieurs centaines de milliers de morts par an, s’est répandue dans les régions irriguées. Enfin, l’érosion marine a détruit le delta du Nil privé du dépôt des sédiments retenus par le barrage. Un problème environnemental atypique s’est également avéré avant la construction du barrage d’Assouan, étant donné l’existence sur les bords du lac Nasser de nombreux sites archéologiques de l’Égypte ancienne. Abou Simbel, magnifique temple rupestre construit sous le règne du pharaon Ramsès II (xixe dynastie) a dû être déplacé, grâce à une exceptionnelle campagne de solidarité et de coopération internationale orchestrée par l’Unesco dans les années 1960, pour ne pas être englouti par les eaux de la retenue du barrage que les autorités égyptiennes envisageaient de construire. Découpé en blocs transportables, le temple fut intégralement transféré puis reconstruit sur une falaise avoisinante. Malheureusement, de nombreux sites archéologiques n’eurent pas la même félicité. En l’absence d’initiatives salvatrices, ils furent inondés et à jamais perdus pour le patrimoine mondial. Il existe des moyens de réduire l’impact des barrages sur l’environnement. On cherche à rendre les barrages plus perméables aux sédiments en ouvrant des vannes

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

de fonds à intervalles réguliers. Afin de ne pas bloquer les espèces migratrices, des passes à poissons sont mises en place. Celles-ci prennent de multiples configurations, depuis le canal de dérivation jusqu’à l’ascenseur à poissons. Accidents sur les barrages Comme toute installation industrielle, les aménagements hydroélectriques subissent des accidents, qui peuvent être parfois catastrophiques. Depuis l’année 1800, on dénombre 25 accidents ayant fait plus d’une centaine de victimes. Citons-en quelques-uns parmi les plus marquants : • Chine, 1975 : rupture du barrage de Banqiao dans le sud du pays lors du passage du typhon Niña, provoquant la rupture en série de plusieurs barrages en aval. Bilan : 26 000 morts à cause des inondations et plus de 145 000 morts des suites des épidémies et de la famine qui s’ensuivirent. C’est l’une des plus grandes catastrophes dues à l’activité humaine. • Italie, 1963 : un glissement de terrain dans les eaux du lac de retenue entraîne la submersion (sans rupture) du barrage de Vajont. Bilan : plus de 2 000 morts dans les six communes en contrebas. • États-Unis, 1889 : rupture du barrage de Johnstown à la suite de pluies diluviennes (rivière South Fork, Pennsylvanie). Bilan : le raz de marée qui s’ensuivit provoqua 2 200 morts dans la ville de Jonhstown qui fut totalement détruite. • France, 1959 : rupture du barrage de Malpasset. Un raz-de-marée déferle sur les populations vivant en aval jusqu’à Fréjus. Bilan : 423 victimes. Le meilleur moyen de prévenir les accidents consiste à surveiller et à entretenir les installations. Récemment, EDF a ainsi lancé le programme de maintenance SuperHydro, doté de 50 millions d’euros pour la période 2007-2011.

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2

L’énergie hydroélectrique en Europe

La grande hydraulique française en chiffres Les turbines hydrauliques bénéficient d’une mise en route et d’un arrêt très rapide, ce qui permet au réseau de faire face à de brusques variations de la consommation. Tôt le matin, par exemple, les centrales de lac sont les seules à pouvoir fournir 100 MWe supplémentaires par minute. Exemple de la panne de courant du 4 novembre 2006 Détaillons l’exemple symptomatique de la panne de courant du 4 novembre 2006 qui paralysa une partie de l’Europe. Que s’est-il réellement passé ? Vers 21 h 30, E.ON, l’un des quatre gestionnaires du réseau allemand de transport d’électricité mit hors service la ligne de très haute tension qui traversait la rivière Ems afin de permettre à un bateau de croisière norvégien, le Norwegian Pearl, de quitter le chantier naval de Papenburg pour rejoindre la mer du Nord. Le réseau électrique dans cette zone étant très chargé, les limites de sécurité furent dépassées, ce qui décida E.ON à effectuer une modification du schéma d’exploitation visant à réduire les flux de puissance.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Or cette manœuvre eut l’effet inverse et provoqua la déconnexion d’une ligne trop chargée. Les flux d’électricité se répartirent instantanément sur les lignes restantes du Nord de l’Allemagne. Celles-ci, par effet de saturation, se déconnectèrent en cascade, entraînant par effet domino de nombreuses lignes d’Allemagne et de pays voisins (Autriche et Croatie). La conséquence immédiate fut un déséquilibre dans toute d’Europe entre l’offre et la demande d’électricité. Du fait des interconnexions, le réseau européen se trouva divisé en trois zones isolées les unes des autres : – dans la zone Nord-Est, la production devint supérieure à la consommation, ce qui entraîna une augmentation de la fréquence du réseau au-delà de 51 hertz ; – dans les zones Ouest et Sud-Est, où la production était inférieure à la demande, on assista a contrario à une chute de la fréquence du réseau (à 49 Hz dans la zone Ouest) ; – dans la zone Ouest où se situe la France, du fait de la chute de fréquence, une partie importante des groupes de production raccordés au réseau se déconnectèrent à leur tour, aggravant ainsi le déficit de production avec la menace imminente de black-out, c’est-à-dire d’un effondrement total du réseau. Ce dernier fut évité in extremis en interrompant la chute brutale de fréquence par deux moyens distincts, d’une part le déclenchement des automatismes de sauvegarde qui privèrent d’électricité quelque 10 % des consommateurs, d’autre part la décision de faire intervenir en urgence des sources de production hydroélectriques. Aussi est-ce l’injection en moins de 20 minutes de 5 000 MWe d’origine hydraulique dans le réseau qui permit d’éviter le pire. À 22 h 24, la fréquence de 50 Hz était rétablie. Au total, 15 millions de foyers furent touchés par la panne en Europe. Remarque : dans la zone Ouest, les éoliennes, bien que contribuant pour seulement 6 % à la puissance électrique totale au moment de l’incident, ont joué un rôle aggravant car elles se sont déconnectées du réseau lorsque la fréquence du courant atteignit 49,5 Hz, creusant alors le déséquilibre entre la production et la consommation d’électricité au moment où l’on avait justement besoin d’elles pour soutenir le réseau. Outre les centrales de barrage, le réseau peut aussi faire appel aux stations de transfert par pompage (STEP). Ainsi, comme nous le savons, les STEP fournissent de l’électricité pendant les heures de pointes (mode turbinage), tandis qu’elles en consomment aux heures creuses afin de remonter l’eau dans le lac supérieur (mode pompage). Ces grandes centrales hydroélectriques particulières ont été créées pour profiter de la surcapacité du parc nucléaire, mais elles peuvent tout aussi bien être utilisées en complément des sources d’énergies renouvelables. Les STEP sont un moyen de répondre efficacement à la problématique du stockage de l’électricité.

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2. L’énergie hydroélectrique en Europe

Contrairement au cas de la plupart des énergies renouvelables, l’évolution attendue de la grande hydraulique est plutôt limitée. La Programmation pluriannuelle des investissements (PPI) prévoit bien trois TWh nets supplémentaires d’ici à 2020. Cependant, aucune installation de grande taille (plus de 100 MW) n’est prévue. EDF envisage la création de nouvelles STEP à partir de retenues de barrages existants. Nous assisterons également dans les années à venir à la rénovation des centrales les plus anciennes. Par exemple, EDF envisage d’arrêter six centrales au fil de l’eau installées avant guerre sur la basse vallée de la Romanche pour les remplacer par une seule usine hydroélectrique implantée à Gavet (Isère). D’une puissance de 90 MWe, elle permettra un gain de productivité d’environ 30 % tout en assurant une meilleure intégration dans l’environnement (centrale souterraine). Quelques chiffres pour la France en 2010 sont donnés dans le tableau 2.1. :  Tableau 2.1   La grande hydraulique en France. Puissance hydroélectrique installée dont petite hydraulique

23 500 MW 2 500 MW

Part des capacités électriques françaises

20 %

Part de la production électrique française

12 %

Production annuelle moyenne

69 TWh

La petite hydraulique en Europe Bilan technique La petite hydroélectricité, qui regroupe les installations d’une puissance comprise entre 2 et 10 MWe, joue un rôle majeur dans la production d’électricité renouvelable de l’Union européenne. En 2009, la filière a généré 42 TWh d’électricité, en recul de 0,4 % par rapport à 2008 en raison d’une pluviosité moins importante. Outre son rôle dans la production d’électricité nationale, la petite hydroélectricité joue également un rôle dans l’approvisionnement électrique local et permet la valorisation de sites ruraux éloignés du réseau. La filière présente également l’avantage, nous le savons, de pouvoir être mobilisée rapidement. Aussi est-elle utilisée comme appoint à la production d’électricité nationale lors des pics de consommation. La petite hydroélectricité obéit à une réglementation stricte. Les cours d’eau sont des ressources fragiles soumises à diverses utilisations qui, souvent, cohabitent : fourniture d’eau potable, irrigation, usage dans l’industrie ou le transport.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

La Directive européenne sur l’eau du 23 octobre 2000 fixe une réglementation stricte en matière de gestion et de protection des eaux. L’Italie demeure, en 2009, le premier producteur européen de la filière (tableau 2.2). Le parc français occupe, quant à lui, la deuxième place. Le système de soutien financier à la filière reste inchangé. L’arrêté du 1er mars 2007 définit un tarif d’achat de 6,07 cts €/kWhe, applicable aux installations hydrauliques, auquel s’ajoute une prime pour les petites installations et pour la période d’hiver qui correspond aux fortes consommations.  Tableau 2.2  Capacité nette et production brute de la petite hydroélectricité dans les 5 premiers pays d’Europe (2009, source EurObserv’ER). Pays

Capacité (MW)

Production (GWh)

Italie

2 588

10 382

France

2 082

6 119

Espagne

1 909

3 770

Allemagne

1 590

6 344

923

3 595

Suède

Bilan socio-économique L’industrie de la petite hydroélectricité requiert de nombreuses compétences depuis la conception jusqu’à la connexion au réseau. De nombreuses petites et moyennes entreprises ont une activité dans le domaine des petites turbines qui représentent l’essentiel du marché européen. La filière emploierait environ 15 000 personnes (dont plus de 10 000 pour les 5 premières pays, tableau 2.3), générant un chiffre d’affaires de 2,6 milliards d’euros dans l’Union européenne.  Tableau 2.3  Emplois générés en 2009 par la petite hydroélectricité dans les cinq principaux pays d’Europe (source EurObserv’ER). Pays

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Emplois (directs et indirects)

Italie

3 000

France

2 500

Espagne

2 200

Allemagne

1 600

Suède

1 450

3

Projets d’énergies renouvelables marines à moyen et long termes (au-delà de 2020)

Les énergies marines renouvelables (EMR) sont très disparates tant par leur nature que par leur degré de maturité, mais elles dérivent toutes du rayonnement solaire reçu par notre planète. On peut décliner ces énergies, ainsi que les dispositifs associés qui les convertissent en électricité, de la façon suivante : – – – – – –

le vent : éoliennes offshore ; le courant de marées : usines marémotrices ; le courant marin : hydroliennes ; la houle : centrales houlomotrices : l’énergie thermique des mers : systèmes ETM ; l’énergie osmotique du gradient de salinité : systèmes PRO et RED.

L’énergie du vent Voir dans le chapitre 5, le paragraphe sur l’éolien offshore « Extension à l’océan ».

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

L’énergie des courants de marées Rappel sur les marées La marée est le mouvement périodique de montée et de descente de la mer, qui résulte de l’attraction exercée par la lune et le soleil sur les grandes masses liquides de la planète (figure 3.1). Marée basse

Marée haute

Terre

Marée haute

Lune

Marée basse  Figure 3.1   Principe simplifié de formation des marées.

Ce mouvement n’est pas identique en tous points du globe. Dans certains endroits très limités de l’océan, le cycle des marées dépend de l’attraction du Soleil et de la Lune, mais également de la topographie du littoral et de la force de Coriolis consécutive à la rotation de la Terre. En conséquence, il s’étend sur une journée entière (par exemple, golfe du Mexique, Petites Antilles, Hawaï…). La marée est alors dite « diurne ». Autrement dit, il y a une seule marée par 24 heures. À l’opposé, dans les mers « fermées » telles que la mer Méditerranée, la marée est pratiquement inexistante. Entre ces deux extrêmes, sur les côtes d’Europe occidentale par exemple, le cycle s’étend sur un peu plus de 12 heures. La marée est dite « semi-diurne ». Il y a deux marées par 24 heures. Plus précisément, la mer monte pendant 6 h 12 min en moyenne : c’est la marée montante ou « flot ». À la fin du flot, le niveau reste sensiblement constant pendant un certain laps de temps : c’est l’étale de pleine mer (PM). Puis le mouvement s’inverse et la mer descend pendant 6 h 12 min : c’est la marée descendante ou « jusant », jusqu’à l’étale de basse mer (BM). Et ainsi de suite… La durée d’un cycle est donc en moyenne de 12 h 25 min, ce qui signifie que la marée est décalée de 50 min chaque jour.

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3. Projets d’énergies renouvelables marinesà moyen et long termes(au-delà de 2020)

Si l’on trace une courbe des marées durant 1 mois, on constate que la différence de niveau entre la pleine mer et la basse mer, appelé marnage, varie d’un jour à l’autre. Ces variations d’amplitude (l’amplitude de la marée est égale à la moitié du marnage) sont liées aux positions relatives de la Terre, de la Lune et du Soleil. Lorsque la lune et le soleil sont en conjonction ou en opposition de phase (situations où la Terre, la Lune et le Soleil sont alignés, ou « syzygie »), l’amplitude est maximale : c’est la période des grandes marées, ou « vives-eaux ». Les vives-eaux se produisent donc au voisinage de la pleine lune et de la nouvelle lune. Ensuite, l’amplitude décroît, les marées « perdent ». Lorsque la Lune et le Soleil sont en quadrature de phase (l’axe Terre-Lune est perpendiculaire à l’axe Terre-Soleil), l’amplitude est minimale : c’est la période des petites marées, ou « mortes-eaux ». Les morteseaux correspondent au premier et au dernier quartier de lune. Ensuite, l’amplitude croît à nouveau, les marées ont « du rapport », jusqu’aux vives-eaux suivantes. Le cycle complet dure 14,5 jours. Enfin, l’amplitude de la marée varie d’une lunaison à l’autre, les plus grandes amplitudes étant constatées au voisinage des équinoxes de printemps et d’automne (marée d’équinoxe). L’amplitude des marées d’équinoxes varie elle-même d’une année sur l’autre.

Exploitation des courants de marées Les installations convertissant l’énergie des marées en électricité sont appelées usines marémotrices (figure 3.2). Elles sont logées dans des barrages traversant des estuaires où le courant de marées est particulièrement important. Bien que d’une technologie classique et éprouvée, elles suscitent néanmoins des réserves car elles requièrent un investissement important et, par ailleurs, elles dégradent les écosystèmes en modifiant les courants dans l’estuaire, ce qui perturbe la répartition des zones de concentration des sédiments. Pour pallier ce dernier inconvénient, une solution pourrait consister à positionner la centrale à l’intérieur d’un lagon artificiel situé en mer. Un tel système pourrait, en outre, stocker l’énergie d’éoliennes marines ou de systèmes convertissant l’énergie des vagues installés à proximité : l’électricité produite servirait à actionner des pompes de remplissage du lagon qui contiendrait alors une réserve d’énergie potentielle. L’investissement ne se justifierait économiquement qu’à partir d’une puissance minimale de l’ordre de quelques centaines de mégawatts. Plusieurs projets de lagons artificiels sont en cours d’étude au Royaume-Uni et en Chine. On ne compte que trois usines marémotrices en fonctionnement dans le monde, pour une capacité totale installée de 265 MW. Celle située sur l’estuaire de la Rance, près de Saint-Malo, est de loin la plus importante (puissance installée de 240 MW), production de 550 GWh/an). Les autres se situent au Canada (20 MW) et en Chine (5 MW). Une quatrième centrale marémotrice, d’une puissance installée de 254 MW, devrait bientôt voir le jour à Sihwa (Corée).

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

L’usine de la Rance, opérationnelle depuis plus de quarante ans, comporte des turbines à eau très spéciales : 24 groupes bulbes (comprenant chacun une turbine et un alternateur de 10 MWe intégrés) peuvent fonctionner dans les deux sens d’écoulement de l’eau, à marée montante et marée descendante, par le truchement de pales orientables et permettent ainsi une utilisation optimale de l’énergie des marées. Flux

Baie

Reflux

Mer

Baie

Mer

 Figure 3.2   Schéma de principe d’une usine marémotrice.

En outre, les turbines peuvent fonctionner en pompage-turbinage : – en mode turbinage, l’énergie du courant de marées est convertie en électricité par l’alternateur ; – en mode pompage, l’alternateur est converti en moteur électrique alimenté par le réseau et actionne les pales de la turbine afin de compléter le remplissage du bassin à marée montante. Lorsqu’on souhaite récupérer cette énergie stockée lors de pics de consommation, on vide le bassin par turbinage. Le potentiel mondial de l’énergie marémotrice est estimé à 380 TWh/an. Le courant de marées peut également être utilisé pour actionner des sortes d’« éoliennes sous-marines » appelées hydroliennes.

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3. Projets d’énergies renouvelables marinesà moyen et long termes(au-delà de 2020)

Courant  Figure 3.3   Schéma de principe de l’hydrolienne Seagen (double turbine à flux axial).

Les hydroliennes En pratique, les hydroliennes sont des éoliennes immergées, les courants remplaçant le vent en tant qu’énergie primaire. À l’instar de l’éolienne (voir chapitre 6 « Puissance produite par une éolienne »), sa puissance est proportionnelle au cube de la vitesse du courant, à la surface balayée par l’hélice opposée à ce courant et à la densité de l’eau. La formule donnant la puissance d’une hydrolienne s’écrit donc : P = ½ ρ S V 3 Avec ρ : densité de l’eau (kg/m3) ; V : vitesse du courant (m/s) ; S : surface balayée par l’hélice (m2).

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Bien que les courants soient 4 à 5 fois moins rapides que le vent, les hydroliennes sont beaucoup plus puissantes que les éoliennes de même dimension en raison de la forte densité de l’eau de mer (plus de 800 fois plus élevée que celle de l’air). En conséquence, à puissance égale, elles sont beaucoup plus petites et de ce fait, utilisables à faible profondeur. Dans ce même domaine, les idées foisonnent : en 2008, le Centre européen des énergies marines (EMEC), qui teste des démonstrateurs en grandeur nature au large de l’Écosse, recensait plus de 50 systèmes visant à convertir l’énergie des courants de marées en électricité ! Ceux-ci, à support fixe ou flottant, sont divers et variés : turbines à flux axial (courant et axe de rotation parallèle) (figure 3.3) ou à flux transverse (courant et axe de rotation perpendiculaire), convertisseurs non fondés sur des turbines à l’instar de la roue à aube partiellement immergée ou encore l’hydroplaneur oscillant, sorte d’aile articulée sur un bras vertical fixé sur le fond. Des progrès techniques sont encore nécessaires, notamment pour réduire les procédures d’installation et de retrait des structures en mer, ainsi que leur maintenance, étant donné la corrosion par l’eau de mer et l’érosion par le sable. En effet, les méthodes actuelles, développées par l’industrie pétrolière, sont coûteuses et ne se justifient qu’en contrepartie de bénéfices comparables à ceux qui sont dégagés dans l’exploitation d’une plate-forme pétrolière. La première hydrolienne opérationnelle a néanmoins déjà vu le jour. Nommée Seagen, cette double turbine de 1,2 MW a produit une électricité vendue sur le marché britannique en 2009, pour l’alimentation d’environ 1 000 foyers. Le potentiel mondial des courants de marées est difficile à évaluer car les rendements dépendent du site et des vitesses de courant disponibles. On admet que ces vitesses doivent être supérieures à deux mètres par seconde pour que l’exploitation soit économiquement viable. EDF a réalisé une estimation pour l’Europe, dont le potentiel serait compris entre 15 et 35 TWh/an, concentré pour l’essentiel au Royaume-Uni et en France. Cependant, le plus gros potentiel des hydroliennes réside dans l’utilisation des courants marins, objet du prochain paragraphe.

L’énergie des courants marins Les courants marins constituent une énergie gigantesque qui, contrairement au vent, sont constants et prévisibles (figure 3.4). C’est un avantage certain par rapport aux autres énergies renouvelables intermittentes. Les courants océaniques de surface sont provoqués par les vents, mais également par le rayonnement solaire et la pesanteur. Comme toute masse en mouvement dans le système terrestre soumis à une rotation, ils sont déviés par la force de Coriolis. Les courants de surface mobilisent environ 10 % de l’eau des océans. Ils se limitent généralement aux 300 premiers mètres de profondeur.

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3. Projets d’énergies renouvelables marinesà moyen et long termes(au-delà de 2020)

2

4

1

3 6 5

Courant chaud

5

1- Gulf Stream

4- Oya Chivo

- - - - - - - Courant froid

2- Labrador

5- Courant équatorial



3- Kouro Chivo

6- Courant de mousson

 Figure 3.4   Principaux courants à la surface du globe.

Le potentiel européen de l’énergie hydrolienne est évalué à 12,5 GW, susceptible de produire annuellement une énergie de 48 TWh, ce qui représente la capacité d’une dizaine de centrales électronucléaires. Selon EDF, la France possèderait le deuxième réservoir européen en énergie hydrolienne correspondant à une capacité de 10 TWh/an (3 GW installés), répartis entre la Bretagne et le Cotentin.

Avantages de l’hydrolienne – Énergie gratuite, inépuisable, non polluante. – Non bruyante (rotation lente et pas d’engrenage). – Impact négligeable sur la vie marine (aucune pièce mobile n’a une vitesse supérieure à 2 ou 3 fois celle du courant). – Pas de gêne pour la navigation (la partie la plus élevée de l’hydrolienne est située à 15 mètres sous la surface de l’eau au moment des plus basses mers).

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Inconvénients de l’hydrolienne – Le principal problème technique provient de la corrosion de l’eau de mer. – L’énergie hydrolienne est aujourd’hui 10 à 30 fois plus coûteuse que l’énergie thermique. – La maintenance serait rendue difficile à cause de la profondeur des hydroliennes et de la circulation maritime. Exemple d’application  Au large des côtes de la Floride (États-Unis), le Gulf Stream se trouve à moins de deux kilomètres du rivage. Une zone de 100 × 25 km2, située à 5 km du rivage, est considérée comme très favorable à la production d’électricité. Les turbines seraient immergées à 60 mètres de profondeur. Le Gulf Stream y possède une vitesse quasi constante de 8 km/h. L’eau de mer étant plus de 800 fois plus dense que l’air, l’énergie cinétique de l’hydrolienne est équivalente à celle d’une éolienne soumise à un vent de 230 km/h. Avec un débit d’eau total de 14 000 m3/s, le Gulf Stream constitue un gisement d’énergie renouvelable quasiment illimité qui a pour origine le transport du « trop-plein » d’énergie solaire des tropiques vers le pôle Nord. Un plan de développement prévoit un premier parc de 1 500 MW pour un coût total de 650 M€ et un retour sur investissement de quatre ans. Au total, le projet prévoit plus de 3 500 turbines de 2,4 MW chacune, pour une production totale de 8 GW. Le système est limité aux zones côtières pour éviter les pertes en ligne associées au transport de l’électricité par câbles sous-marins sur de trop longues distances. Enfin, on pourrait en parallèle produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau, ce qui augmenterait sensiblement la rentabilité du système.

L’énergie de la houle L’énergie apportée aux couches d’eau de surface par le vent n’est pas intégralement transformée en courant marin : une partie de cette énergie produit des vagues. Une fois créées, celles-ci interagissent et deviennent plus longues et plus régulières. Elles évoluent ainsi sur des milliers de kilomètres avec très peu de pertes par dissipation d’énergie, à moins de rencontrer des vents contraires ou des obstacles. Elles sont modifiées par la topographie du fond et par les courants marins et de marées. Elles transportent de l’énergie mécanique sous deux formes d’importance égale : l’énergie cinétique et l’énergie potentielle (due au déplacement vertical des masses d’eau). Les vagues sont intenses entre 30° et 60° de latitude, où dominent des vents soufflant d’ouest (voir figure 4.2-b), et ceci dans les deux hémisphères (cf. les quarantièmes

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3. Projets d’énergies renouvelables marinesà moyen et long termes(au-delà de 2020)

rugissants de l’hémisphère Sud). Elles sont irrégulières dans le temps et variables selon les saisons. Sous nos latitudes, leur puissance peut décupler de juin à janvier. Les ressources technologiques exploitables sont comprises entre 150 et 750 TWh/an avec les dispositifs actuels et pourraient s’élever à 2 000 TWh/an selon certains experts avec de nouveaux systèmes qu’il reste à concevoir. En France métropolitaine, on estime le gisement naturel à 400 TWh/an (concentrés pour l’essentiel sur la façade atlantique) et le potentiel techniquement exploitable à 10 % au moins de ce gisement, soit 40 TWh/an. Les départements et territoires d’outre-mer (Polynésie française et Nouvelle-Calédonie) ont également un fort potentiel. Les vagues se transforment en houle lorsqu’elles sortent du champ d’action du vent qui leur a donné naissance. Par exemple, nées d’un vent qui a soufflé très loin dans l’Atlantique Nord et qui a cessé ou changé de direction, de telles vagues ont emmagasiné une énergie considérable qui ne s’atténue que très lentement. Un mouvement régulier et harmonieux s’établit progressivement, qui peut se propager sur des centaines de kilomètres : c’est le phénomène de la houle (figure 3.5). On peut la voir arriver par beau temps et en l’absence de vent. La houle est caractérisée par sa hauteur de vague H (différence de hauteur entre le creux et la crête), par sa période T (temps qui sépare en un point donné les passages successifs de deux crêtes et par sa longueur d’onde L (longueur entre deux crêtes successives).

 Figure 3.5  Principe de la houle.   Remarque : les cercles dessinées sur la figure indiquent que, malgré les apparences, un bouchon flottant sur la vague ne se déplace pas avec elle mais demeure sur une trajectoire circulaire le ramenant après chaque période à son point de départ.

La puissance mise en jeu est proportionnelle à H 2 T. On calcule que sur 1 mètre de largeur face à la vague, une houle courte de période de 3 secondes et de hauteur de 0,6 mètre développe une puissance de 1 kW. La puissance est près de 600 fois supérieure pour une houle longue d’une hauteur de 7,5 mètres et d’une période de 11 secondes ! Les réalisations permettant de capter, concentrer et transformer cette énergie naturelle en énergie exploitable sont souvent appelées « houlomotrices ». Cependant, la captation de l’énergie de la houle a fait l’objet de démonstrations à ce jour peu convaincantes.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Des prototypes de machines ont été construits, tel Pelamis, sorte de serpent métallique flottant… Devant le foisonnement des idées sur le sujet, il est nécessaire de conduire une étude technico-économique permettant de sélectionner les meilleurs concepts capables de résister à de fortes tempêtes et économiquement viables.

L’énergie thermique des mers L’énergie thermique des mers (ETM), ou Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC), est produite en exploitant le gradient de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans. Parmi les 170 W/m2 provenant du rayonnement solaire et absorbés par notre planète (voir fig. 8.1), une partie importante est utilisée pour chauffer les couches supérieures de l’océan, qui peuvent dépasser 25 °C en zone intertropicale. Sous les hautes latitudes, ces couches se refroidissent, ce qui entraîne la plongée de l’eau froide, plus dense, vers le fond des grands bassins océaniques. Des hétérogénéités verticales de température en résultent : dans la zone intertropicale, la température de l’eau est comprise entre 26 et 30 °C en surface, alors qu’à 1 000 mètres de profondeur, elle reste uniformément voisine de 4 °C. Ce gradient de température entre la surface et les profondeurs peut être exploité pour produire de l’électricité dans une centrale thermique, comportant classiquement une turbine, actionnée par un fluide évaporé sous l’effet d’une source chaude (l’eau de surface), reliée à un alternateur. Cette centrale thermique est située sur un support flottant ou sur le littoral (les deux types d’installations ayant leurs avantages et leurs inconvénients). En cycle ouvert, ce fluide est directement l’eau profonde, pompée et ramenée au niveau de la centrale. Elle doit alors passer par un détendeur qui fait baisser sa pression et lui permet de s’évaporer bien au-dessous de 100 °C. Aucun échangeur n’est requis, mais le fonctionnement à basse pression (20 à 30 mbar) nécessite des turbines de grande taille, limitées à une faible puissance (inférieure à 1 MW). En cycle fermé, c’est un liquide spécifique ayant un point d’ébullition bas tel l’ammoniac, circulant dans une tuyauterie isolée, qui fait tourner la turbine (figure 3.6). Le fluide thermodynamique choisi ne doit être ni toxique pour les populations voisines, ni nocif pour la couche d’ozone, dans le cas où il serait accidentellement dégagé sous forme de gaz dans l’atmosphère. Après son passage dans la turbine, le fluide est condensé grâce à une source froide, ici l’eau profonde. Cette eau profonde, riche en substances nutritives et peu polluée, peut concomitamment servir à d’autres applications : production d’eau douce, aquaculture marine, réfrigération de bâtiments… Plus généralement, l’eau des océans peut être utilisée comme source de chaleur pour des installations de chauffage et de climatisation par pompe à chaleur.

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3. Projets d’énergies renouvelables marinesà moyen et long termes(au-delà de 2020)

Électricité Eau de mer chaude

Générateur

Turbine Évaporateur

Condenseur Pompe Fluide de travail

Eau de mer froide  Figure 3.6   Exploitation de l’énergie thermique des mers (ETM) en cycle fermé.

Cycle thermodynamique Nous avons généralement affaire à un cycle de Rankine qui peut, en première approximation, être assimilé à un cycle de Carnot. Le rendement maximum (cas d’une machine idéale réversible) est donc donné par la formule : µ = 1 – Tf   /Tc avec Tc : température chaude (de surface) ; Tf : température froide (en profondeur). À titre d’exemple on obtient le faible rendement de 7 % avec : Tc = 298 K (25 °C) et Tf  = 277 K (4 °C) En conséquence, le système ETM n’est rentable, étant donné la nécessité de dépenser beaucoup d’énergie pour pomper l’eau des profondeurs, que dans l’océan Intertropical, là où le gradient de température est supérieur à 20 °C. Dans cette zone, la ressource mondiale est d’environ 10 000 TWh/an. L’électricité peut être produite sans discontinuer toute l’année. Bien que massive, cette ressource n’est pour l’instant que très faiblement exploitable du fait de son éloignement des grandes zones de consommation électrique. À court terme, l’ETM pourrait constituer une alternative aux énergies fossiles à condition, bien entendu, de la rendre compétitive.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

L’exploitation de l’énergie thermique des mers n’est pas récente. Dès 1881, Arsène d’Arsonval (1851-1940), médecin, physicien et inventeur français, fut le premier à en concevoir le principe. Bien que Georges Claude, son élève, ait produit 22 kW à l’aide d’une installation flottante construite en 1930 à Cuba, aucune centrale opérationnelle ne fut construite par la suite. Les États-Unis et le Japon sont en avance dans l’élaboration des techniques et la mobilisation des industriels, mais la France revient dans la course, grâce notamment à la société DCNS qui ambitionne de mettre en service au large de la Réunion la première centrale ETM : d’une puissance de 10 MW, celle-ci devrait fournir de l’électricité à 10 000 foyers à partir de 2015. Un projet similaire a vu le jour en Polynésie début 2010. Trois axes de développement sont actuellement poursuivis : – le premier réside dans l’augmentation du rendement des cycles thermodynamiques ; – le second concerne les échangeurs, qui doivent être améliorés pour rester performants malgré la corrosion par l’eau de mer ; – enfin, on cherche à perfectionner la fixation et la résistance de la conduite d’aspiration d’eau froide, dont la taille importante pose problème : remontant de l’eau avec un grand débit (quelques m3/s pour 1 MW produit) depuis une profondeur de 800 à 1 000 mètres, la conduite doit avoir un diamètre élevé, sinon les pertes de charge (et donc l’énergie dépensée pour le pompage) seraient rédhibitoires. On estime ainsi à 15 mètres le diamètre nécessaire pour une production de 100 MW.

L’énergie osmotique du gradient de salinité Ce type d’énergie peut être mis en œuvre dans les sites géographiques de type estuaire, là où l’eau de mer est en contact avec l’eau douce d’un fleuve au niveau de son embouchure. La ressource potentielle mondiale est estimée à 2 000 TWh/an. En pratique, on envisage deux façons de récupérer cette énergie : les méthodes PRO (Osmose à Pression Réduite) et RED (ÉlectroDialyse Inversée). Dans le premier cas, un compartiment d’eau de mer, concentré en sel, et un compartiment d’eau douce sont séparés par une membrane semi-perméable. L’osmose (phénomène où un flux de solvant passe d’une solution diluée à une solution concentrée) fait migrer l’eau douce vers l’eau de mer, un phénomène qui se traduit par une surpression dans le compartiment d’eau de mer. Cette pression est utilisée pour faire fonctionner une turbine couplée à une génératrice électrique. Ce procédé nécessite une alimentation continue des réservoirs d’eau pour stabiliser la production d’électricité. La puissance est de 2,8 MW pour un débit d’eau traversant une membrane de 1 m3/s (figure 3.7).

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3. Projets d’énergies renouvelables marinesà moyen et long termes(au-delà de 2020)

Pression

eau salée

Membrane

eau douce

 Figure 3.7  Principe de production d’énergie osmotique du gradient de salinité (technologie PRO).

Dans le second cas, l’eau douce et l’eau salée sont séparées par une membrane ionique sélective, à travers laquelle migrent les ions salins, ce qui produit un courant électrique. En dépit de la validation du principe, le coût des membranes paralyse actuellement son développement commercial. À ce jour, seul un démonstrateur de 2 à 4 kW, fondé sur une technologie PRO, a été construit en 2008 en Norvège par la société Starkraft. Cette dernière espère dépasser 10 kW avec des composants plus performants. L’objectif final est la fabrication d’une centrale de grande taille en 2015. Selon Starkraft, une centrale à taille réelle, c’est-à-dire répartie sur 5 000 m2 de surface aquatique, pourrait produire 25 MW, soit de quoi alimenter 15 000 foyers norvégiens. En ce qui concerne la France, celle-ci dispose d’un gisement limité étant donné l’encombrement de ses estuaires. Au bilan, cette filière, qui autoriserait une production continue, est néanmoins l’énergie marine renouvelable la moins aboutie. Elle se heurte notamment à la difficulté de mettre au point des membranes à la fois performantes, résistantes à la corrosion par le sel et à l’érosion par le sable tout en demeurant économiquement viable.

Conclusion Hormis l’éolien offshore, traité au chapitre consacré à l’énergie du vent, les énergies marines renouvelables mettront plusieurs décennies pour aboutir industriellement. C’est à la fois un défi humain de premier plan au vu des nombreux obstacles à surmonter et une opportunité à saisir étant donné la forte croissance des besoins énergétiques et la nécessite de lutter efficacement contre le réchauffement climatique.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Une feuille de route européenne a été établie pour la période 2010-2050. Elle vise une production de 9 TWh/an d’ici à 2020 et de 645 TWh/an (équivalent à une centaine de réacteurs nucléaires) en 2050, soit respectivement 0,3 et 15 % de la consommation électrique du continent à ces dates. Dans cette perspective, l’Europe doit mettre en place une stratégie volontariste qui suppose la structuration d’une industrie forte et un financement public important. Ce dernier est évalué à 2,6 milliards d’euros, dont un milliard serait apporté par la Commission européenne. Plus de 400 000 créations d’emplois en résulteraient selon la feuille de route. Ce n’est qu’au prix de ce soutien de la part de l’Europe et des États que les énergies marines renouvelables pourront se développer. L’effort est certes important mais le succès en dépend. Selon un groupe d’experts britanniques « si seulement 0,1 % de l’énergie renouvelable disponible dans les océans pouvait être converti en électricité, cela suffirait à satisfaire plus de 5 fois la demande mondiale actuelle ».

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4 D’où vient le vent ?

Définition Le vent qui souffle entre deux points provient de la différence de pressions entre ces deux points. Il souffle de la haute pression vers la basse pression. Aussi le vent dépend-il de la pression atmosphérique, elle-même dépendant de la température : l’air froid est plus lourd que l’air chaud. Donc les zones de haute pression seront plus froides que les zones de basse pression. À ces facteurs de pression et de température s’ajoutent deux facteurs dynamiques : la rotation de la Terre et les mouvements des masses d’air. La comparaison des pressions relevées en différents points de la surface terrestre fait apparaître des lignes d’égales pressions appelées « isobares ». Tracés généralement sur des cartes météorologiques de 5 en 5 millibars, les isobares révèlent une sorte de « relief » atmosphérique, de même que les cartes d’état-major révèlent le relief terrestre et les lignes de sonde des cartes maritimes, le relief sous-marin. Ce relief atmosphérique est composé de figures dites isobariques correspondant aux mouvements caractéristiques du relief aérien. Les isobares sont en certains endroits des lignes fermées sur elles-mêmes qui s’emboîtent les unes dans les autres.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Lorsque la cote des isobares diminue à mesure que l’on se rapproche du centre de la figure, on est en présence d’une zone de basses pressions, appelée dépression. A contrario, lorsque la cote des isobares augmente à mesure que l’on converge vers le centre, on a affaire à une zone de hautes pressions ou anticyclone. Le vent est en rapport direct avec ce relief atmosphérique. Il correspond à un déplacement d’air de l’anticyclone vers la dépression. Au-dessus de l’équateur, l’air chaud, donc léger, monte et s’écoule vers les régions situées au pôle où il se refroidit donc s’alourdit et redescend. L’équateur est donc une zone de basse pression atmosphérique et les pôles, des zones de haute pression atmosphérique. En réalité, il se crée, à cause de l’inclinaison de l’axe des pôles, des zones intermédiaires de haute pression aux tropiques et de basse pression sur les cercles polaires, d’où le système circulatoire décrit sur la figure 4.1.

Masse d’air polaire

Pôle

Masse d’air équatorial

Masse d’air tropical

60˚

30˚

Tropopause

Équateur

 Figure 4.1   Circulation verticale des masses d’air entre le pôle et l’équateur.

Si la Terre ne tournait pas autour de l’axe des pôles, on obtiendrait le système de circulation des masses d’air à basse altitude indiqué sur la figure 4.2-a. La rotation de la Terre introduit une force supplémentaire, appelée force de Coriolis, qui dévie les masses d’air en mouvement, vers la droite dans l’hémisphère Nord et vers la gauche dans l’hémisphère Sud. Finalement, la circulation générale de l’atmosphère à basse altitude prend l’allure décrite sur la figure 4.2-b.

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4. D’où vient le vent ?

vents d’est

N

+90˚ –60˚

vents d’ouest

+30˚

Alizés –0˚ Alizés +30˚

vents d’ouest S  



vents d’est

a) La Terre ne tourne pas.

–60˚ +90˚

b) La Terre tourne.

Nota :

– 60° signifie : 60 degrés de latitude (Nord ou Sud) et basse pression.

 

+ 30° signifie : 30 degrés de latitude (Nord ou Sud) et haute pression.

 Figure 4.2   Circulation de l’atmosphère à basse altitude.

Direction du vent La force de Coriolis, qui découle des équations de la dynamique, s’applique aussi bien aux vents qu’aux courants marins. À terre, on peut également constater que sur une ligne de chemin de fer de l’hémisphère Nord, le rail de droite s’use toujours plus vite que le rail de gauche. Et c’est le rail de gauche qui s’use plus vite dans l’hémisphère Sud. Finalement, le vent ne souffle pas en ligne droite de l’anticyclone vers la dépression mais, en prenant le cas de l’hémisphère Nord, il a une trajectoire spiraloïde divergente autour de l’anticyclone et convergente autour de la dépression, telle que décrite sur la figure 4.3.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

Courant ascendant Courant descendant

anticyclone dépression direction du vent  Figure 4.3   Trajectoire du vent dans l’hémisphère Nord.

La circulation atmosphérique décrite ci-dessus correspond aux vents dominants autour de la planète, par exemple les alizés ou encore les vents d’ouest aux moyennes latitudes de l’hémisphère Nord. En réalité, les irrégularités thermiques locales à la surface de la Terre influent également sur les courants atmosphériques. Citons deux exemples : – la Terre s’échauffe plus vite dans la journée que l’eau des océans, et a contrario se refroidit plus vite la nuit. En conséquence, le jour, le vent souffle de la mer vers la terre : c’est la brise de mer. La nuit, en revanche, le vent souffle de la terre vers la mer : c’est la brise de terre ; – en Inde, le phénomène de mousson a une explication similaire : pendant l’été, l’intérieur du continent asiatique est constamment plus chaud que l’océan Indien et les vents soufflent de la mer vers la terre. C’est la mousson d’été du Sud-Ouest humide. Pendant l’hiver, le sens du vent est inversé. C’est la mousson d’hiver du Nord-Est sèche. Dans la région de France Atlantique, le système météorologique, de type océanique, est déterminé principalement par deux phénomènes singuliers : – la présence de l’anticyclone des Açores et la dépression d’Islande, qui constituent des zones respectivement anticyclonique (haute pression) et dépressionnaire (basse pression) permanentes ; – l’existence du front polaire entre les latitudes 50° et 60° Nord, qui sépare la masse d’air froid polaire de la masse d’air chaud tropical. La masse d’air chaud, qui se dirige vers le Nord-Est, tend à repousser la masse d’air froid qui vient en sens inverse, tout en s’élevant au-dessus d’elle car plus légère. Une pointe d’air chaud s’avance ainsi au-dessus de l’air froid et son côté Est constitue l’amorce d’un front chaud. De son côté, l’air froid s’enfonce sous la masse d’air

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4. D’où vient le vent ?

chaud en formant l’amorce d’un front froid. Une dépression se crée alors au point de contact entre le front chaud et le front froid (figure 4.4). Ces dépressions, qui se déplacent d’ouest en est, apportent sur nos côtes des phénomènes atmosphériques caractéristiques mêlant vent, nuages et précipitations. Ce sont les perturbations. ouest

est

Air froid

Isobare

Air chaud

Front chaud Front froid Dépression

Air froid

 Figure 4.4   Formation d’une dépression sur la ligne de front polaire.

Outre les anticyclones et dépressions remarquables cités ci-dessus, il peut à l’évidence se créer localement des zones anticycloniques ou dépressionnaires particulières.

Vitesse du vent La vitesse du vent est en relation simple avec le gradient de pression, représenté sur les cartes météorologiques par l’écartement des isobares. Plus les isobares sont rapprochés et plus le gradient de pression est élevé et donc plus le vent est fort. À nos latitudes, des isobares espacés de 100 km indiquent des vents de 100 km/h. On peut remarquer que, dans les anticyclones, les isobares sont généralement assez espacés : les vents y sont faibles. En revanche, autour des dépressions, ils sont souvent très serrés et indiquent des vents violents. Notons enfin qu’en raison du frottement, le vent au sol est nettement moins fort qu’en altitude. À dix mètres d’altitude, la différence est déjà sensible puisque le vent gagne 10 % de sa vitesse. L’échelle de Beaufort (tableau 4.1) permet d’évaluer la vitesse du vent en fonction des dégâts occasionnés sur l’environnement. Elle est surtout utilisée en navigation. On y observe qu’un vent de 100 km/h correspond à une tempête et de 120 km/h à un cyclone.

57

Promesses et réalités des énergies renouvelables

 Tableau 4.1   L’échelle de Beaufort. Degré Beaufort

Vitesse du vent (km/h)

Effets observés

0

nulle

« Pétrole », les voiliers sont à l’arrêt et la fumée s’élève verticalement

1

1à5

Le vent est imperceptible mais incline les fumées

2

6 à 11

Perception du courant d’air sur le visage

3

12 à 19

Les feuilles sont agitées

4

20 à 28

Papiers et poussières sont emportés

5

29 à 38

Les risées deviennent plus marquées, apparition des premières vagues à la surface des lacs

6

39 à 49

Les branches des arbres sont agitées

7

50 à 61

Il devient difficile de marcher contre le vent

8

62 à 74

Le vent est violent, il casse des branches

9

75 à 88

Les toitures sont endommagées

10

89 à 102

Le vent souffle en tempête

11

103 à 117

La violence du vent déracine les arbres, abat les lignes électriques, les toitures s’envolent. En mer, les vagues sont énormes

12

> 117

Ouragan : aucun navire n’est en sécurité : sauve qui peut

Qu’est-ce qu’un cyclone ? Aux latitudes intertropicales, un système dépressionnaire isolé peut se transformer en cyclone, encore appelé ouragan en Atlantique et typhon dans le Pacifique Ouest. Par exemple, aux Philippines, dans le Sud-Est asiatique, chaque année, des typhons de plus de 200 km/h apportent des pluies diluviennes qui anéantissent les récoltes et provoquent des glissements de terrains entraînant la destructions d’habitations. Ce phénomène semble s’amplifier avec le réchauffement climatique. Le cyclone se forme au-dessus de l’océan lorsque sa température de surface est supérieure à 26 °C jusqu’à une profondeur d’au moins 50 mètres et dans des conditions atmosphériques particulières. Un cyclone tropical est constitué d’un centre d’une trentaine de kilomètres de diamètre, l’« œil du cyclone », où règnent un calme apparent et un ciel dégagé, et d’une périphérie d’un diamètre de plusieurs centaines de kilomètres où les nuages, typiquement des cumulonimbus, entre lesquels sont intercalés des nuages stables, s’enroulent en bandes tourbillonnaires. Le contour de l’œil, appelé « mur de l’œil », est le siège de vents dévastateurs pouvant dépasser 250 km/h.

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4. D’où vient le vent ?

Le cyclone tropical est un régulateur thermique qui transporte le « trop-plein » d’énergie d’origine solaire des tropiques vers les pôles. Il puise son énergie dans la condensation en pluie de la vapeur d’eau prélevée de l’océan surchauffé, se déplace à une faible vitesse de l’ordre de 20 km/h et finit sa course à l’intérieur des terres en provoquant souvent des ravages par l’action combinée du vent, des précipitations et des vagues (par exemple : le cyclone Katrina, septembre 2005, EU. Vents supérieurs à 250 km/h, diamètre supérieur à 300 km). Le tableau 4.2 donne le classement des cyclones sur l’échelle Saffer-Simpson.  Tableau 4.2   Classement des cyclones sur l’échelle Saffer-Simpson. Classe

Pression (mbar)

Vitesse du vent (km/h)

1

> 980

118 à 130

2

980 - 965

154 à 177

3

964 - 945

178 à 209

4

944 - 920

210 à 249

5

 250

La carte des vents et le potentiel éolien Un vent régulier et suffisamment puissant est nécessaire au bon fonctionnement de l’éolienne. Les sites les plus favorables sont ceux où le vent rencontre peu d’obstacles tels que forêts, bâtiments, pylônes… En conséquence, une éolienne est installée de préférence dans un endroit surélevé et dégagé. Les zones côtières, les plateaux, les montagnes et les couloirs des grands fleuves constituent ainsi des zones privilégiées. La carte des vents renseigne globalement sur les régions les plus favorables. La figure 4.5 représente la carte des vents pour l’Europe telle qu’établie en 1989 par le laboratoire national de Riso, créé en 1956 au Danemark par le physicien Niels Bohr, auteur des premiers modèles de représentation de la structure atomique. Il faut également tenir compte des spécificités géographiques locales qui peuvent rendre l’énergie éolienne particulièrement intéressante. Ainsi, à l’intérieur des terres, la présence d’une colline à pente douce et progressive peut faire doubler la vitesse du vent. C’est l’effet de colline. Un quart de la surface de la Terre (1,25 · 108 km2) est exposé à un vent dont la vitesse annuelle moyenne est supérieure à 5 m/s (vitesse d’amorçage d’une éolienne, voir tableau 4.3). On considère que 4 % seulement de cette surface peuvent être utilisés en pratique et par conséquent constituer de bons sites éoliens. Le tableau 4.3 donne les vitesses du vent caractéristiques de l’exploitation d’un site éolien.

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Promesses et réalités des énergies renouvelables

 Tableau 4.3   Vitesses de fonctionnement d’une éolienne. 16 km/h

Bien que cela varie en fonction du type d’éolienne, il faut un minimum de vent pour les faire fonctionner. C’est la vitesse d’amorçage

22 km/h

Vitesse moyenne minimale permettant l’exploitation rentable d’une éolienne

29 à 54 km/h

Plage de vitesses recommandée pour l’exploitation d’une éolienne

90 km/h

Les petites éoliennes doivent être arrêtées

108 km/h

Toutes les éoliennes doivent être arrêtées (mise en drapeau). Risque de dommages importants (perte de pales, rupture de la tour…)

Terrains protégés m/s

W/m2

5

>6

4

Rase campagne m/s

W/m2

> 250

> 7,5

5-6

150-250

6,5-7,5

Littoral

Crêtes et collines

m/s

W/m2

m/s

W/m2

> 500

> 8,5

> 700

> 11,5

> 1 800

300-500

7-8,5

400-700

10-11,5

1 200-1 800

3

4,5-5

100-150

5,5-6,5

200-300

6-7

250-400

8,5-10

700-1 200

2

3,5-4,5

50-100

4,5-5,5

100-200

5-6

150-250

7-8,5

400-700

1

< 3,5

< 50