Énergie thermique des mers

En raison de la surface qu'ils occupent, les mers et les océans de la Terre se comportent comme un gigantesque capteur pour :

• le rayonnement solaire (direct : flux solaire absorbé par l'océan ou indirect : rayonnement de la Terre réfléchi par l'atmosphère terrestre) ;
• l'énergie du vent (elle-même dérivée de l'énergie solaire).

Bien qu'une partie de cette énergie soit dissipée (courants, houle, frottements, etc.), une grande partie réchauffe les couches supérieures de l'océan. C'est ainsi qu'à la surface, grâce à l'énergie solaire, la température de l'eau est élevée (elle peut dépasser les 25 °C en zone intertropicale) et, en profondeur, privée du rayonnement solaire, l'eau est froide (aux alentours de 2 à 4 °C, sauf dans les mers fermées, comme la Méditerranée, dont le plancher ne peut être « tapissé » par les « bouffées » d'eaux froides polaires qui « plongent », au nord et au sud de l'océan Atlantique, avec un débit total moyen de 25 Mm³/s[2].

De plus, les couches froides ne se mélangent pas aux couches chaudes. En effet, la densité volumique de l'eau s'accroît lorsque la température diminue ce qui empêche les eaux profondes de se mélanger et de se réchauffer.

Cette différence de température peut être exploitée par une machine thermique. Cette dernière ayant besoin d'une source froide et d'une source chaude pour produire de l'énergie, utilise respectivement l'eau venant des profondeurs et l'eau de surface comme sources.

L’ETM doit être implantée dans un endroit spécial. Tout d’abord, l’ETM doit avoir accès à la mer pour que les canalisations qui la constituent puissent puiser de l’eau des océans. C’est pour cela qu’il est nécessaire qu’elle soit installée au niveau de la mer. Ensuite, l’installation de l’ETM doit se faire au plus près des côtes, pour faciliter la construction et minimiser les coûts. Les canalisations allant jusqu’à 1 000 m de profondeur environ, il est inutile et aberrant d’éloigner à des kilomètres des côtes l’ETM, cela imposerait davantage de longueurs de tuyaux et donc un coût plus élevé.

De plus, il faut prendre en compte les endroits où l’eau de surface reste chaude durant toute l’année, avec une moyenne d’environ 24 °C. On ne peut donc mettre une ETM n’importe où sur le globe, seule une zone convient à son installation. Cette zone, qui doit correspondre à une certaine température des eaux de surface, doit aussi correspondre à une certaine profondeur des eaux.

En effet, comme l’ETM est construite près des côtes avec des canalisations allant jusqu’à 1 000 m de profondeur, il lui faut un emplacement avec présence de côte abrupte. Tout ceci n’est possible que dans une zone allant du tropique du Cancer au tropique du Capricorne, c'est-à-dire entre 30 et −30° de latitude.

L’ETM produit de l'énergie grâce à un fluide de travail (eau de mer, ammoniac ou un autre fluide dont le point de condensation est proche de 4 °C). Ce fluide passe de l’état liquide à l’état vapeur dans l’évaporateur, au contact de l’eau chaude puisée en surface. La pression produite par la vapeur passe dans un turbogénérateur pour faire tourner une turbine et produire de l’électricité, après que le gaz a perdu de la pression, il passe dans un condenseur pour retourner à l’état liquide, au contact de l’eau froide puisée en profondeur.

L’ETM a besoin de beaucoup d’eau : il faut un très grand débit d’eau de mer pour compenser la faible efficacité due au faible gradient de température et de très grands diamètres de canalisations pour limiter les pertes de charges. Actuellement, il est possible d’utiliser des tuyaux en PEHD (polyéthylène haute densité) de 1,5 m de diamètre, mais dans le futur, s’il se construit des centrales de grosses puissances, il faudra des canalisations de 15 m de diamètre.

L’ETM fonctionne avec un différentiel de températures de l'ordre de 20 °C. Plus le différentiel de température est élevé, plus la production est élevée. En descendant en profondeur, on puise de l’eau plus froide et la production à iso-volume augmente.

À ce jour, il existe trois types de centrales ETM :

• cycle ouvert ;
• cycle fermé ;
• cycle hybride.

Schéma de fonctionnement d'une usine ETM à cycle ouvert.

Le cycle commence par le pompage de l’eau de mer de surface qui se trouve dans les environs de 26 °C. On l’introduit dans un évaporateur qui sera mis sous vide, pour favoriser l’effet d’évaporation, car sous pression relative négative, l’évaporation se produit à plus faible température et la vapeur est débarrassée du sel, mais sur le débit d’eau qui traverse l’évaporateur, seulement 0,5 % de vapeur d’eau est produite, le reste de l’eau est rendu à la mer à 21 °C. La faible pression produite par la vapeur suffit à entraîner un turbogénérateur qui produira de l’électricité. Puis, la vapeur est transférée dans le condenseur à double paroi, qui avec l’eau froide pompée en profondeur vers les 5 °C, va faire condenser la vapeur en eau douce qui pourra être utilisée à la consommation.

Schéma de fonctionnement d'une usine ETM à cycle fermé.

Le cycle fermé utilise le même matériel qu’une pompe à chaleur (évaporateur, condenseur), mais tandis qu’une pompe à chaleur produit une énergie thermique à partir d’une énergie électrique, le cycle fermé d’une centrale ETM utilise le procédé inverse. Cela veut dire qu’à partir d’une énergie thermique, on va produire une énergie électrique. On utilise donc toujours l’eau chaude de surface qui se trouve à 26 °C, qu’on met dans l’évaporateur à double paroi. D’un côté, il y aura l’eau et de l’autre de l’ammoniac NH₃, et donc l’eau va donner ses calories à l’ammoniac pour lui permettre de s’évaporer, car l’ammoniac a une température d’évaporation inférieure à celle de l’eau. L’eau passée dans l’évaporateur retourne à la mer, à la température de 23 °C. L’ammoniac évaporé passe dans un turbogénérateur pour produire de l’électricité. Puis l’ammoniac passe dans un condenseur à double paroi pour se condenser, car l’ammoniac passe ses calories à l’eau froide puisée en profondeur à 5 °C, pour y retourner à 9 °C. Une fois condensé, l’ammoniac revient dans l’évaporateur, grâce à un circulateur, pour refaire le cycle.

Le cycle thermodynamique fonctionne avec plusieurs transformations à la suite, ce qui en fait un cycle. En tout, il y a quatre transformations :

• entre 1 et 2, une compression adiabatique avec la pompe ;
• entre 2 et 3, un échauffement isobare avec l’évaporateur ;
• entre 3 et 4, une détente adiabatique avec le turbogénérateur ;
• entre 4 et 1, un refroidissement isobare avec le condenseur.

Ce cycle utilise les deux précédentes techniques, car nous retrouvons le cycle fermé en premier lieu, avec toujours le cycle de l’ammoniac qui traverse l’évaporateur, le turbogénérateur et le condenseur, c’est-à-dire un cycle thermodynamique qui produit de l’électricité. La nouvelle technique intègre un deuxième étage qui va produire de l’eau potable, grâce à un cycle ouvert en utilisant le différentiel d’eau après le cycle fermé.

Remarques sur le cycle ouvert :

• production d’eau potable en plus de l’électricité ;
• moins de paroi dans l’évaporateur donc moins de problèmes de bio salissure ;
• grande turbine à cause de la faible pression donc procédé très coûteux ;
• problème pour faire le vide d’air.

Remarques sur le cycle fermé :

• petit turbogénérateur grâce à la forte pression, donc moins coûteux ;
• évaporateur volumineux et à double paroi, donc plus de problèmes de bio salissure ;
• l’utilisation de l’ammoniac est un problème pour les matériaux.

Remarques sur le cycle hybride :

• produit deux énergies en grande quantité ;
• plus gros coût d’investissement, car deux fois plus de matériel ;
• plus grand phénomène de refroidissement des eaux de surfaces.

Comme toutes machines thermiques, le rendement est le rapport de la quantité d'énergie récupérée sur l'énergie utile (ici cette dernière est l’énergie de vaporisation du fluide de travail). Dans le cas d'une ETM, le rendement s'exprime par :

${\displaystyle r={\frac {W_{(}turbine)}{Q_{(}evap)+W_{(}pompe\;du\;fluide\;de\;travail)}}}$.

Le rendement maximum que l'on puisse obtenir est le rendement de Carnot (dans cette formule, ${\displaystyle T_{f}}$ est la température de l'eau froide et ${\displaystyle T_{c}}$ celle de l'eau chaude) :

${\displaystyle r_{Carnot}=1-{\frac {T_{f}}{T_{c}}}}$.

Considérant ${\displaystyle T_{f}=278K\left(5^{o}C\right)}$ et ${\displaystyle T_{c}=298K\left(25^{o}C\right)}$, on obtient ${\displaystyle r_{Carnot}=6,7\%}$ pour un cycle fermé.

Ce rendement théorique maximum est faible comparé au rendement classique de machines thermiques (40 % pour une turbine à gaz naturel). De plus, ce dernier ne prend pas en compte le travail nécessaire pour pomper les eaux des profondeurs.

Le rendement varie en fonction de la puissance de l’usine : plus elle est puissante, meilleur est le rendement, et cela dépend aussi du cycle utilisé. Le rendement sera maximum pour une différence de température maximale entre la surface et la profondeur.

La production d'énergie maréthermique ne fait pas intervenir de combustion, (il n'est pas nécessaire d'apporter de l'énergie à la source chaude), et ne rejette donc pas de dioxyde de carbone (CO₂) qui est un gaz à effet de serre.

Cependant, compte tenu du faible écart de température entre source chaude et source froide, le rendement n'est que de quelques pour cent, et ce système implique l'utilisation de volumes d'eau importants (quelques m³/s et par MW). Durant le pompage de cette eau, de nombreuses espèces vivantes peuvent être entraînées et tuées (poissons, larves, etc.)

De plus, l'utilisation de chlore est fréquente pour éviter le développement des biofilms et des incrustations d'organismes marins (moules, coquillages). Celui-ci endommage l'écosystème.

Certaines interactions mineures méritent d’être évaluées. Ces études ont été menées par des laboratoires à Hawaii, Ditmars, Paddock, Vega, Nelha.

En plus de l'électricité, une centrale ETM peut produire :

• eau douce : utilisation du cycle ouvert ;
• réfrigération de bâtiments : utiliser l’eau de sortie (froide) et la distribuer pour réfrigérer des infrastructures environnantes ;
• aquaculture : réutiliser l’eau froide issue de la production d’électricité pour élever des poissons dans de bonnes conditions, car l’eau de profondeur est riche en nutriments ;
• agriculture : refroidir le sol par des canalisations d’eau de mer et condenser l’air ambiant pour humidifier et stimuler la pousse ;
• biomasse : utiliser la biomasse marine qui pousse plus rapidement et alimenter des centrales thermiques.

Étude sur le laboratoire de l’énergie thermique des mers d’Hawaï (NELHA). Historique du NELHA :

• NELHA se nommait « NELH » en 1974 quand l’État législatif de Hawaï créa le « Natural Energy Laboratory of Hawaii » sur 322 acres (≈ 129 ha) de terre à Keahole Point. NELH a été créé pour la recherche sur l’énergie thermique des mers (ETM).
• En 1979, une usine ETM nommée « Mini-OTEC » est ancrée sur la mer de Keahole Point, démontrant la première production nette d’électricité par le biais d’une ETM en cycle fermé.
• En 1980, Le NELH construit sa première canalisation à Keahole Point allant à 610 m en profondeur et à 14 m en surface.
• En 1981, la recherche sur l’ETM aboutit au projet de tester le bio-rejet et les mesures de précaution sur la corrosion pour le cycle fermé.
• En 1984, l'utilisation du pompage de l’eau par l’ETM permet aussi de mettre à profit plusieurs moyens d’utilisation de cette eau.
• En 1985, la législature créa le HOST (Hawaï Ocean Science and Technology), parc de 548 acres (≈ 220 hectares) à Keahole Point, pour anticiper sur une éventuelle expansion, du fait de l’agrandissement du business de NELH.
• En 1990, les parcs HOST et NELH ont été rassemblés en une seule compagnie, le NELH Authority (NELHA), attaché au département du business, du développement économique et du tourisme du gouvernement de l’état d’Hawaï.
• De 1993 à 1998, utilisation de la plus grande ETM à cycle ouvert, possédant les caractéristiques techniques suivantes :
• En 1998-99, la législature autorisa l’expansion d’activités au NELHA, incluant d’autres activités de business, en vue d’augmenter le développement économique et de générer des revenus pour financer l’expansion du parc.
• Aujourd’hui, NELHA est le propriétaire foncier de près de trente entreprises qui génèrent un budget économique d’environ 30 à 40 millions de dollars par an, incluant les revenus des taxes des deux cents métiers, de l’activité des constructions et des taxes sur les produits exportés. Il existe à Keahole Point, deux systèmes de canalisations en profondeur et en surface pour avoir des températures de 24 °C et de 7 °C, et une troisième, la plus large et profonde au monde allant jusqu’à 900 m, est en voie de développement.
• Avec ses 870 acres de terrains, le NELHA possède les trois critères pour l’installation d’ETM dans son parc.

En effet, on se situe à la pointe de l’île de Big Island, une des îles d’Hawaï, et il est alors facile d’avoir accès à l’eau. De plus, Hawaï est une sorte de récif où le tombant atteint des profondeurs abruptes, à quelques mètres du plateau corallien de l’île d’Hawaï. Et d’un point de vue géographique, Hawaï se trouve dans la zone où les eaux de surface restent relativement constantes tout au long de l’année, avec une température moyenne de 26 °C.

Cette source d'énergie ne doit pas être confondue avec la géothermie, qui vise – schématiquement – à exploiter la chaleur du sous-sol terrestre, et avec la thalassothermie qui utilise la technologie des pompes à chaleur.

Sites :

• www.ifremer.fr
• www.eurocean.org
• https://argonautes.club/dossier-energies-marines.html
• https://argonautes.club/documentation.html
• www.nelha.org
• www.arte.tv/fr
• www.seao2.com
• www.oceansatlas.com
• hmf.enseeiht.fr/travaux/CD0405/beiere/1/html/otec/binome3.html

Ouvrage :

• William H. Avery, Renewable Energy From The Ocean, Oxford University Press, 1994

Dossiers [PDF] :

• étude de Michel Gautier
• étude de David Levrat
• étude de Pierre Guerin

Film documentaire :

• Johannes Bünger, L’énergie de la mer, Arte