L'énergie Thermique des mers

Article paru dans la revue trimestrielle du réseau ECRIN n°57 de septembre 2004

Description d'une centrale de production ETM

La production d'énergie

L'alimentation en eau

L'infrastructure

L'ETM à quel coût?

Quel impact sur l'environnement? Quel potentiel exploitable pour l'ETM?

Les énergies marines : quelques mots à propos du potentiel exploitable des ressources.

L'océan tropical est un vaste capteur d'énergie solaire et ses eaux de surface un immense réservoir de chaleur. La circulation océanique qui contribue, avec la circulation atmosphérique, à l'apport de chaleur depuis les régions tropicales vers les pôles et à l'établissement des climats crée une stratification relativement stable entre l'eau de surface chauffée par le soleil et l'eau profonde froide en provenance des régions polaires. Dans toute la région intertropicale la température de l'eau sous la thermocline (1) descend régulièrement jusqu'à 4° C à 1 000 mètres de profondeur alors qu'au-dessus elle est souvent supérieure à 20° C, 

L'idée d'exploiter ce phénomène naturel pour produire de l'énergie est née en France au 19^e siècle. Plusieurs procédés ont été expérimentés. Ils sont fondés sur le principe de thermodynamique selon lequel il est possible d'obtenir du travail mécanique à partir d'un transfert de chaleur entre deux sources à températures différentes. 

Cette ressource en énergie thermique et les procédés pour sa conversion en énergie mécanique utilisable par l'homme sont connus sous le nom d'"énergie thermique des mers " (ETM) ou " Ocean Thermal Energy Conversion " (OTEC en anglais). 

La ressource est abondante, stable, disponible 24 heures sur 24 tous les jours de l'année, largement distribuée et facile d'accès pour de nombreux pays situés dans la ceinture intertropicale. 

Description d'une centrale de production ETM  

Une centrale ETM est constituée

• D'un sous-système de production d'énergie, avec comme composants principaux :

• l'évaporateur dans lequel un fluide dit « de travail » passe de la forme 
  liquide à la forme vapeur grâce à l'apport de chaleur transmis par la circulation de l'eau chaude de surface, 
• le condenseur, refroidi par la circulation d'eau froide profonde, où la vapeur est condensée après être passée dans une turbine,
• la turbine qui transmet son énergie mécanique à un turboalternateur.

• D'un sous-système d'alimentation en eau, froide et chaude, pompée en surface et en profondeur dans l'océan. 
• De l'infrastructure, qui supporte et abrite tous les composants nécessaires au fonctionnement de l'usine. 

La production d'énergie 

La technologie des composants pour la production d'énergie dépend du choix du fluide de travail. Au stade actuel du développement de l'ETM il se dégage deux grandes options. Dans le domaine des températures disponibles, entre 4° C et 28° C, l'ammoniac et l'eau peuvent être utilisés. 

Avec l'ammoniac, NH₃ l'évaporateur et le condenseur sont des échangeurs ammoniac / eau de mer, à plaques ou à tubes métalliques, en titane ou en alliages d'aluminium. L'ammoniac liquide à la sortie du condenseur est pompé et réintroduit dans l'évaporateur. Il est ainsi recyclé sous pression (de l'ordre 900 kPa, soit 9 atmosphères) en permanence et l'on parle alors d'ETM en cycle fermé.

Photo du flotteur sphérique construit pour la mise à i'eau de la conduite d'eau froide de 2.5 mètres de diamètre pour l'usine ETM . 

La Tunisie., Brésil 1935. 

Avec de l'eau comme fluide de travail, c'est l'eau chaude de surface qui se vaporise partiellement pendant son passage dans un évaporateur maintenu sous très faible pression (voisine de 3 kPa). Chaque kilogramme d'eau chaude produit environ 5 grammes de vapeur. Le condensat - c'est ici de l'eau - n'a pas à être recyclé. On parle alors d'ETM en cycle ouvert. L'avantage de ce cycle est la simplicité de ses échangeurs « à contact » (2) et son inconvénient la grande taille de la turbine qui fonctionne avec des écarts de pression très faibles, inférieurs à 2 kPa.

Alors que des projets industriels existent pour des centrales à ammoniac en cycle fermé jusqu'à des puissances de 100 MW et plus, ceux des centrales à cycle ouvert restent à ce jour limités à des puissances de quelques dizaines de MW. 

L'alimentation en eau

Le faible différentiel de température disponible (à peine supérieur à 20° C) limite le rendement de la conversion à des valeurs très faibles (3). Pour assurer une puissance ETM de 1 MW net il faut alimenter l'usine avec des débits de l'ordre de 2 à 3 m³ s^-1 tant en eau chaude qu'en eau froide. 

Le «prix à payer» en termes d'énergie pour assurer cette alimentation est évidemment une donnée essentielle pour la viabilité du procédé. Avant que les premiers travaux expérimentaux ne démontrent qu'ils avaient tort, les détracteurs de l'ETM prédisaient que le pompage de l'eau froide utiliserait à lui seul plus d'énergie que l'usine ne pourrait en produire ! La réalité démontrée expérimentalement est que la puissance dite « parasite » de l'ensemble des « auxiliaires » nécessaires au fonctionnement peut être limitée à moins de 30% de la puissance brute produite, avec une part de l'ordre de 20% pour le seul pompage de l'eau froide. Ces performances sont le résultat d'une optimisation complexe entre de nombreux paramètres dont le plus « lourd » est le diamètre de la conduite. Il s'avère en effet que la réduction des pertes de charge passe par l'obligation d'opter pour des conduites de grands diamètres. La plus importante réalisation reste encore celle faite dans les années 1930 pour l'usine ETM « La Tunisie » à cycle ouvert flottante de 2,2 MW net. La tuyauterie pour l'alimentation, à raison de 5 m³ s^-1, en eau froide à 5°, avait un diamètre de 2,5 m et était longue de 700 m. Elle était faite de tronçons en tôle d'acier roulée de 3 mm d'épaisseur (4). Les réalisations récentes, toutes de petites tailles, utilisent des tuyaux en PEHD (5) qui sont disponibles sur le marché jusqu'à 1,5 m de diamètre. Pour la réalisation d'usines ETM de 100 MW et plus, les promoteurs étudient l'utilisation de plastiques armés ou de bétons allégés pour la construction de conduites de 15 à plus de 30 m de diamètre.

L'infrastructure

Elle dépend essentiellement du site choisi pour implanter l'usine. La théorie autoriserait d'implanter l'usine à n'importe quelle profondeur entre la source chaude et la source froide mais toutes les réalisations ont jusqu'à ce jour opté pour des infrastructures en surface construites sur .la côte (on-shore), ou sur des supports flottants en mer (off-shore) plus ou moins profonde. L'avantage de l'installation en mer profonde, à l'aplomb de la ressource en eau froide, est de minimiser la longueur de la tuyauterie alors verticale et donc le coût et les pertes de charges. Son inconvénient est de compliquer le transfert de la production énergétique vers les lieux de consommation. A contrario l'implantation à terre facilite ce trans- fert, mais oblige à allonger la conduite - alors forcément plus ou moins inclinée - pour accéder à la ressource froide, et à résoudre des problèmes toujours difficiles d'" atterrage ». 

Au stade actuel de développement de l'ETM il se dégage une certaine distribution des différentes options avec leurs avantages et inconvénients respectifs en fonction des besoins exprimés. À court terme, ce sont des unités ETM à cycle ouvert " onshore » de petite puissance (1 à 20 MW) qui répondraient le mieux aux besoins de développement de petites communautés isolées, littorales ou insulaires, en zone tropicale. À long terme ce sont des usines ETM à cycle fermé, flottantes en haute mer, d'une capacité de plusieurs centaines de MW pour la production de combustibles synthétiques transportables, qui pourraient contribuer à l'approvisionnement du marché mondial de l'énergie (6). 

L'ETM à quels coûts?

L'ETM est une forme d'énergie de faible densité, comme le sont en général les énergies renouvelables, et son exploitation requiert la construction d'installations lourdes en investissements. 

Des études - la plupart américaines - donnent des estimations de coûts d'investissement et de production 
pour des usines ETM flottantes jusqu'à 100 MW. Ils varient dans des fourchettes très larges, de 4 à 12 US $/Watt pour la construction et de 7 à 22 US cent/kWh pour le fonctionnement, selon les distances à la côte - de 10 à 400 km (7). Ces estimations reposent sur l'extrapolation de données expérimentales à des échelles de temps et de puissance - de l'ordre de quelques mois et quelques centaines de kW seulement. Elles ne sont pas jugées suffisamment crédibles ni suffisamment attrayantes au prix actuel du marché de l'énergie traditionnelle, pour attirer des investisseurs privés.

Un programme de construction d'usines pilotes de 1 à 10 MW électriques apporterait une réponse à ce besoin d'expériences ETM à échelles intermédiaires tout en contribuant au développement de petites communautés insulaires particulièrement isolées où le prix de l'énergie produite souvent par des petites centrales diesels-électriques est très élevé. C'est dans cette perspective que la France avait entrepris au début de la décennie1980 l'étude d'une centrale ETM de 5 MW électrique à Tahiti. Le projet a été abandonné en 1986 (8).

Les États-Unis ont plusieurs projets de centrales ETM pour leurs bases militaires d'outre-mer, une de 8 MW pour Diégo Garcia dans l'Océan Indien et l'autre pour celle de Guam. L'Inde et le Japon se sont associés pour réaliser une ETM de 1 MW. Montée sur une barge flottante l'usine « Sagar Shakthy " a été présentée en 2001 avant d'être remorquée pour essais sur la côte près de Tuticorin au sud-est du continent. 

Photo de la barge ETM indo-japonaise " Sagar Shakthi " porteuse d'une centrale ETM expérimentale de 1 MW. Elle est ici à quai avant son remorquage au large où elle sera équipée pour essais de sa conduite vel1icale d'amenée d'eau froide en PEHD de 1 m de diamètre et longue de 1000 mètres 

Quel impact sur l'environnement ? Quel potentiel exploitable pour l'ETM ? 

L'ETM ne génère par principe ni chaleur ni polluants mais perturbe des flux naturels d'énergie et de matière. Il convient donc de définir la nature et l'ampleur de ces perturbations sur le milieu naturel avant de pouvoir évaluer leurs effets aux niveaux local, régional et global. 

Pour assurer une production ETM d'1 MW il faut alimenter l'usine avec des débits de l'ordre de 2 à 3 m³ s^-1 tant en eau chaude qu'en eau froide. Ce sont donc des volumes d'eau considérables qui seront pompés puis rejetés dans le milieu naturel. Les organismes vivants entraînés au travers des crépines d'aspiration seront affectés et probablement tués par les effets physiques et les traitements biocides (anti-fouling) qu'ils subiront durant leur transit dans l'usine. Quant aux effluents liquides, Ieur redistribution dans le temps et dans l'espace, dépendra des caractéristiques hydrographiques du site, de la puissance de l'usine et de sa conception. Ils seront réintroduits dans le milieu naturel à des températures de quelques 
degrés différentes (2 à 3° C) de celles des eaux à leur entrée dans l'usine et selon les choix: eaux du condenseur et de l'évaporateur séparées ou mélangées, profondeurs et formes des évacuations... les effets sur l'environnement pourront être différents et plus ou moins sensibles. 

Pour les petites centrales littorales, les résultats d'études et d'essais indiquent que les risques associés à leur exploitation ne devraient pas altérer gravement la faune et la flore marines vivant à proximité et que les effets des rejets dans l'océan resteraient minimes (9). 

Pour de grosses centrales de 100 MW et plus, les résultats des travaux de simulation réalisés aux USA donnent des informations sur les limites et les procédures à respecter pour leur exploitation. Elle serait 
« durable » à condition de rester en deçà de 0,07% de la chaleur solaire absorbée par l'océan (10). Dans les régions propices, là où un écart de températures supérieur à 22 °C existe en permanence entre les eaux en surface et à 1 000 m de profondeur, la puissance ETM exploitée devrait rester inférieure à 0,5 MW net par km² d'océan. La superficie totale de ces zones étant évaluée à 60 millions de km², le potentiel de la ressource permettrait l'instalation d'usines - soigneusement espacées les unes des autres - d'une puissance globale de 10 000 GW ! 
C'est un ordre de grandeur équivalant aux besoins mondiaux actuels. 

Un aspect particulier de l'eau profonde froide est qu'elle est non seulement froide mais aussi riche en éléments nutritifs. Les rejets d'usines ETM de grandes puissances pourraient donc agir à la 
manière des «upwellings» (11) naturels qui refroidissent et « fertilisent » les eaux de surfaces. À très long terme, l'exploitation contrôlée de l'ETM pourrait stimuler la production biologique primaire des eaux dans des régions de !'océan où elles sont naturellement pauvres, et aussi diminuer le risque de formations cycloniques en abaissant la température de surface des « loupes » d'eau chaudes tropicales où elle puisent leur énergie. 

Michel Gauthier 

Les énergies marines : quelques mots à propos  du potentiel exploitable des ressources

Les formes d'énergies marines théoriquement exploitables sont nombreuses et variées. On ne considère ici que celles dont on estime avoir démontré la faisabilité technique. Elles sont des composantes du «cocktail» d'énergies renouvelables que les experts recommandent de développer pour apporter des solutions aux problèmes que pose la croissance des besoins mondiaux d'énergie primaire, besoins qui 
pourraient atteindre selon les scénarios entre 14 à 25 Gtoe (12) en 2050, à comparer à ceux actuels proches de 10 Gtoe (13). Leur potentiel en termes économique et écologique est encore mal connu faute d'expériences in situ suffisantes par la taille, le nombre et la durée. 

Toutes ces énergies ont pour origine des phénomènes naturels dus à l'influence du Soleil et de la Lune sur 
l'océan. Leur exploitation n'implique pas d'apports anthropiques dans la biosphère, contrairement à la combustion d'un fuel fossile ou nucléaire, mais seulement des perturbations de flux naturels d'énergie et de matière. Pour donner des ordres de grandeur réalistes à la ressource exploitable, il conviendrait donc pour chacune d'elles de faire l'inventaire de ces flux et de la fraction qu'il peut-être convenu de perturber.

1. Thermocline : couche d'eau de mer où s'observe une variation rapide. Retour texte

2. Le choix d'un condenseur à surface permet de récupérer le condensat : c'est de l'eau douce. L'ETM en cycle ouvert permet d'intégrer directement production d'eau douce et production d'énergie. Retour texte

3. Le rendement théorique dit de Carnot est égal à (T°chaud-T°froid)/T°Kchaud Retour texte

4. L'installation de cette usine, "La Tunisie", du pionnier de l'ETM, G. Claude, au large de Rio de Janeiro en 1935, fut un échec. Cet échec est plus imputable à l'absence de prévisions météo-marines fiables et au manque d'expérience pour les travaux en mer qu'à la technologie de la construction de la conduite. Retour texte

5. PEHDou poly-éthylène haute densité, utilisé notamment pour toutes Ies alimentations d'eau du Natural Energy Laboratory of HawaII Authority (NELHA) aux USA (http://www.nelha.org) Retour texte

6. On peut se référer à l'article daté 2003 de W. Avery pour la réévaluation économique de la production par l'ETM de combustibles exportables. Retour texte

7. Luis Vega, Ocean Thermal Energy Conversion-OTEC (III), Article IOA Newsletter. Vol. 12 n°4, Winyer 2001 Retour texte

8. La réduction brutale du prix du pétrole (le prix du baril fut divisé par deux en moins d'un an) a rendu le coût du KWh ETM moins compétitif. Retour texte

9. Y. Monbet. Rapport Ifremer / Deroet« Avant projet Tahiti 5MW. Etudes des impacts sur l'environnement ". Décembre 1987. Retour texte

10. W. Avery and C. Wu "Renewab e energy from the ocean". A guide to OTEC Oxford U.P 1994. Retour texte

11. Il s'agit de "remontées naturelles d'eau froide profonde" qui, chargées de sels minéraux (nutriments), viennent "fertiliser" les eaux de surface. Retour texte

12. Gtoe: Gigatonnes équivalent pétrole (10⁹). Retour texte

13. Energy.. The Next Fifty Years ". OECD, 1999. Retour texte