Les usines marémotrices
Jacques Ruer
Les marées
La marée est un phénomène qui résulte de l’action gravitationnelle de la Lune et du Soleil.
La marée est un phénomène bien documenté sur lequel une abondante information est disponible dans la littérature et sur internet. Voir notamment le site du Laboratoire d'Océanographie Physique et Spatiale.
Sur nos côtes de la façade Atlantique-Manche, on observe 2 marées hautes et 2 marées basses par jour. La hauteur d’une marée, ou marnage, varie d’un jour à l’autre selon la phase de la Lune et la période de l’année. Lors d’une lunaison, les marées les plus fortes dites de vive-eau interviennent 36 heures après la Nouvelle Lune et la Pleine Lune.
Figure 1 : Variation de la hauteur d’eau à Brest lors du mois de mars 1980 – Source : SHOM
En France, on a l’habitude de caractériser une marée par son coefficient. Une marée de vive-eau moyenne possède un coefficient de 95, une marée de morte-eau moyenne un coefficient de 45.
Figure 2 : Relevé des coefficients de marée durant l’année 2001 – On note une variation sur 2 semaines environ, avec des maxima lors des équinoxes de printemps et d’hiver – Ce diagramme varie légèrement d’une année à l’autre
La figure 3 montre l’amplitude la marée dans la Manche.
Figure 3 : Marnages de vive-eau dans la Manche pour un coefficient de 100 – Les lignes rouges indiquent l’heure de la marée haute après le passage de la Lune au sud. Lorsque la marée est haute en Bretagne, elle est basse en Picardie – Les lignes bleues montrent la hauteur de la marée – On peut noter la forte disparité selon les lieux. Elle varie de 6,1m à Brest à 11m à Saint-Malo et 2m à Bournemouth. Source : IFREMER
La figure 4 indique l’amplitude de la marée dans le Monde. On constate que le marnage est généralement inférieur à 50 cm. Seules quelques régions sont soumises à de fortes marées. Nos côtes en font partie.
Figure 4 : Marnages sur l’océan mondial. L’onde de marée tourne autour de points dits amphidromiques dans le sens indiqué par les flèches – Source : NASA
On estime que l’énergie dissipée par les marées dans le monde est de 3,8 TW, dont 1 TW dans l’océan profond. Cette dissipation d’énergie ralentit la vitesse de rotation de la Terre. La durée du jour était par exemple de 21,9 heures il y a 620 millions d’années.
Les usines marémotrices
Historique
La variation de niveau de la mer a été utilisée depuis le haut moyen-âge pour faire fonctionner des moulins à marée. Ceux-ci possèdent un bassin isolé de la mer par un barrage. On laisse l’eau envahir le bassin à marée haute, puis lorsque la marée est basse, on ouvre la vanne du moulin pour exploiter l’énergie de l’eau accumulée. Une installation a été découverte dans Londres, datant de la période romaine. Des centaines de moulins de ce type ont été construits en Europe au Moyen-âge.
Figure 5 : Moulin à marée à Bréhat
Principe
Une usine marémotrice moderne comporte également un barrage qui isole un bassin de la mer. Le mouvement de la marée provoque des différences de niveau entre les masses d’eau qui sont mises à profit pour faire tourner des turbines hydrauliques.
Figure 6 : Schéma de fonctionnement d’une usine marémotrice – Ici, les turbines travaillent dans les 2 sens, lors de la marée montante ou descendante (double effet).
On voit sur la figure 6 que le dénivelé D est une fraction de la hauteur de marnage H :
D= k.H (1)
Si S(h) est la surface du bassin de retenue quand le niveau de l’eau est à la hauteur h au dessus de la basse mer, le volume turbiné durant la marée montante est donné par la formule :
Le volume est proportionnel à 
, si bien que l’énergie produite à chaque marée est :
On constate que la production est proportionnelle au carré du marnage, ce qui montre l’intérêt des sites ayant de grandes hauteurs de marée.
L’usine marémotrice de la Rance
L’utilisation de la marée pour produire de l’électricité a été abondamment étudiée depuis le milieu du 20éme siècle. Quelques projets ont été réalisés, le plus emblématique étant l’usine de la Rance, exploitée par EDF depuis 1966.
Les dossiers que l'on trouve sur internet donnent beaucoup d’information sur cette réalisation :
Dossier usines marémotrices – La Houille Blanche 1976
Dossier impact écologique de la Rance – La Houille Blanche 1989
L’usine de la Rance comporte 24 groupes bulbe de 10 MW chacun. Ils fonctionnent dans les 2 sens du flux, lors de la marée montante ou descendante.
Figure 7: Schéma de l’usine marémotrice de la Rance – La coupe permet de visualiser un des bulbes, son conduit hydraulique, la halle de maintenance sous la route.
Figure 8: Schéma d’un groupe bulbe – Diamètre du rotor : 5,3m – Les pales sont orientables selon le sens du flux – Notez l’homme qui donne l’échelle
Figure 9: Vue d’un rotor coté mer durant une maintenance – Les 12 pastilles blanches sur la paroi correspondent aux anodes du système de protection cathodique
La production annuelle est de 500 GWh par an, ce qui correspond à la consommation d’une agglomération telle que Rennes.
L’énergie extraite par l’usine n’est qu’une fraction de l’énergie apportée par la marée. Par exemple, en vive-eau, environ 25 GW sont consommés par frottement sur les fonds du golfe de Saint-Malo (à l'est de la ligne Bréhat-Guernesey-Aurigny-cap de la Hague), alors que la puissance de l’usine de la Rance est de 0,24 GW.
La présence de l’usine a profondément modifié l’environnement de l’estuaire de la Rance. Les étales durent plus d’une heure, ce qui favorise la sédimentation. L’envasement du bassin constitue l’impact le plus notable.
Autres usines marémotrices
L’Usine de la Rance devait initialement servir d’installation pilote en vue d’une unité de 12 000 MW qui aurait comporter une digue englobant les îles Chausey (projet Chaussey).
Malgré le succès technologique de la Rance, des projets de ce genre sont difficiles à développer étant donné les incertitudes sur les impacts environnementaux.
Liste des usines marémotrices en fonctionnement dans le monde.
La Rance est restée l’usine marémotrice la plus puissante au monde jusqu’en 2011, date à laquelle la centrale de 254 MW de Sihwa Lake a été mise en service en Corée du Sud. Une des raisons de ce projet est de mettre en communication le lac avec la mer pour évacuer la pollution présente dans le lac.
Figure 10: Vue de l’usine de Sihwa Lake – L’usine visible au premier plan fait 400 m de longueur et comprend 10 bulbes - Le lac est barré par une digue de 12km qui avait été construite en guise de protection contre les inondations
En Grande-Bretagne, l’estuaire de la Severn est soumis à de fortes marées (voir figure 3) et divers projets sont régulièrement proposés. Une première réalisation de 320 MW devrait été construite à Swansea grâce à une digue de 9,5 km encerclant un lagon artificiel de 11,5 km2, à condition que le financement soit garanti. L’avantage d’un lagon artificiel est qu’on ne modifie pas l’écologie d’un estuaire existant. (Projet de Swansea).
Figure 11: Vue du projet de Swansea dans l’estuaire de la Severn au Pays de Galles – Le lagon artificiel n’englobe pas les estuaires des rivières avoisinantes, ce qui devrait réduire l’impact environnemental.
Documentation :
(1) Note présentant la théorie de la marée
(2) Site de l’Ifremer : animation de l’onde de marée sur l’océan mondial
(3) Dossier usines marémotrices – La Houille Blanche 1976
(4) Dossier impact écologique de la Rance – La Houille Blanche 1989