Barrages marémotrices – inverser la tendance de la production d’énergie
Le barrage marémoteur ou centrale marémotrice, tel qu’il est également connu, est un système de génération d’énergie “marine renouvelable” qui utilise de longs murs, des barrages, des vannes ou des sas marins pour capturer et stocker l’énergie potentielle de l’océan.
Un barrage marémoteur est un dispositif de génération d’énergie marémotrice qui implique la construction d’un barrage à parois relativement basses, connu sous le nom de “barrage marémoteur”, s’étendant à l’entrée d’un estuaire, d’une lagune ou d’une baie, créant un réservoir marémoteur unique, semblable à un réservoir de retenue hydroélectrique.
Le bas de ce barrage est situé au fond marin, tandis que le sommet du barrage marémoteur se trouve juste au-dessus du niveau le plus élevé que l’eau peut atteindre lors de la marée haute annuelle. Le barrage comporte un certain nombre de tunnels sous-marins construits dans sa largeur, permettant à l’eau de mer d’y circuler de manière contrôlée grâce à des “vannes” à leurs points d’entrée et de sortie. Fixés à l’intérieur de ces tunnels, on trouve d’énormes générateurs à turbines marémotrices qui tournent lorsque l’eau de mer les frôle, que ce soit pour remplir ou vider le réservoir marémoteur, générant ainsi de l’électricité.
L’eau qui circule dans ces tunnels sous-marins porte d’énormes quantités d’énergie cinétique, et la tâche du barrage marémoteur est d’extraire autant de cette énergie que possible, qu’il utilise pour produire de l’électricité. La génération par barrage marémoteur utilisant les marées est très similaire à la génération hydroélectrique, sauf que l’eau coule dans deux directions plutôt que dans une seule.
Le flux et le reflux des marées
Lors des marées montantes, l’eau s’écoule dans une direction et remplit le réservoir marémoteur avec de l’eau de mer. Lors des marées descendantes, l’eau de mer s’écoule dans la direction opposée, le vidant. Comme la marée est le mouvement vertical de l’eau, le générateur de barrage marémoteur exploite cette montée et descente naturelle des eaux marémotrices causée par l’attraction gravitationnelle du soleil et de la lune.
Les effets gravitationnels du soleil ou de la lune sur les océans du monde entraînent d’énormes quantités d’eau de mer vers la côte la plus proche. Ce mouvement d’eau entraîne une hausse du niveau de la mer. Dans l’océan ouvert, cette élévation est très faible car il y a une grande superficie avec des profondeurs plus importantes dans lesquelles elle peut s’écouler.
Cependant, à mesure que l’eau des océans se rapproche de la côte, le niveau de la mer augmente fortement, surtout autour des entrées et des estuaires, en raison de la pente ascendante du fond marin. L’effet de cette pente est de canaliser l’eau dans les estuaires, les lagunes, les entrées de rivières et autres “goulots d’étranglement” marins le long de la côte.
Le résultat de cette canalisation de l’eau est que la hauteur du niveau de la mer à l’intérieur de ces entrées peut augmenter verticalement de plusieurs mètres chaque jour, le tout étant poussé par l’eau de mer entrante, comme indiqué sur l’image. Cette augmentation du niveau de la mer peut créer une amplitude marémotrice de plus de dix mètres de hauteur dans certaines estuaires et localités, qui peut être exploitée pour produire de l’électricité.
L’amplitude marémotrice est la différence verticale entre le niveau de la mer lors de la marée haute et celui lors de la marée basse. L’énergie marémotrice extraite de ces marées est une énergie potentielle alors que la marée se déplace dans une direction verticale de bas en haut, puis de haut en bas, créant ainsi une différence de hauteur ou de pression.
Un schéma de génération par barrage marémoteur exploite cette différence de hauteur pour produire de l’électricité en créant une différence de niveaux d’eau de chaque côté d’un barrage, puis en faisant passer cette différence d’eau à travers les turbines. Les trois principaux schémas de barrage d’énergie marémotrice qui utilisent cet avantage de différence d’eau sont :
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Génération Montante : – L’énergie marémotrice est générée lorsque l’eau entre dans un réservoir marémoteur lors de la marée montante. -
Génération Descendante : – L’énergie marémotrice est générée lorsque l’eau quitte un réservoir marémoteur lors de la marée descendante. -
Génération Bidirectionnelle : – L’énergie marémotrice est générée lorsque l’eau s’écoule dans les deux sens dans le réservoir lors des marées montantes et descendantes.
Génération Marémotrice Montante
Une Génération Marémotrice Montante utilise l’énergie d’une marée montante à mesure qu’elle se dirige vers la terre. Le bassin marémoteur est vidé par des vannes ou des sas situés le long d’une section du barrage, et à marée basse, le bassin est effectivement vide.
Lorsque la marée se retourne et commence à entrer, les vannes sont fermées et le barrage retient la montée du niveau de la mer, créant une différence de hauteur entre les niveaux d’eau de chaque côté du barrage.
Les vannes à l’entrée des tunnels du barrage peuvent être fermées pendant que l’eau de mer monte pour permettre à une hauteur d’eau suffisante de se développer entre le niveau de la mer et le niveau du bassin avant d’être ouvertes, générant ainsi plus d’énergie cinétique au fur et à mesure que l’eau s’écoule, faisant tourner les turbines en passant. Ou elles peuvent rester complètement ouvertes, remplissant le bassin plus lentement et maintenant le même niveau d’eau à l’intérieur du bassin que dans la mer.
Le réservoir marémoteur est donc rempli à travers les tunnels de turbines qui font tourner les turbines, générant de l’électricité marémotrice lors de la marée montante, puis est vidé par les vannes ou sas ouverts lors de la marée descendante. Ainsi, un schéma de barrage marémoteur montante est un schéma de génération unidirectionnelle lors de la marée montante, avec une génération marémotrice restreinte à environ 6 heures par cycle de marée alors que le bassin se remplit.
Le mouvement de l’eau à travers les tunnels au fur et à mesure que le bassin marémoteur se remplit peut être un processus lent, des turbines à faible vitesse étant utilisées pour générer la puissance électrique. Ce cycle de remplissage lent permet aux poissons ou à d’autres formes de vie marine d’entrer dans le bassin enfermé sans danger face aux pales de turbine tournant rapidement. Une fois le bassin marémoteur plein d’eau à marée haute, toutes les vannes sont ouvertes, permettant à toute l’eau emprisonnée derrière le barrage de retourner à l’océan ou à la mer alors qu’elle se retire.
La génération d’électricité par le générateur de marée montante produit de l’électricité lors d’une marée montante, mais cette forme de génération d’énergie marémotrice est généralement beaucoup moins efficace que la génération d’électricité lorsque le bassin marémoteur se vide, appelée “Génération Descendante”.
Cela est dû au fait que la quantité d’énergie cinétique contenue dans la moitié inférieure du bassin, dans lequel la génération montante opère, est beaucoup moins importante que l’énergie cinétique présente dans la moitié supérieure du bassin, où la génération descendante opère, en raison des effets de la gravité et du remplissage secondaire du bassin à partir des rivières et ruisseaux situés à l’intérieur liés à lui par la terre.
Génération Marémotrice Descendante
Une Génération Marémotrice Descendante utilise l’énergie d’une marée descendante, appelée “marée descendante”, alors qu’elle retourne à la mer, ce qui en fait l’opposée du schéma de génération marémotrice montante antérieur.
À marée basse, toutes les vannes le long du barrage sont complètement ouvertes, permettant au bassin marémoteur de se remplir lentement à un rythme déterminé par la marée montante.
Lorsque le niveau de l’océan ou de la mer alimentant le bassin atteint son point le plus haut lors de la marée haute, toutes les vannes sont ensuite fermées, emprisonnant l’eau à l’intérieur du bassin marémoteur (réservoir). Ce réservoir d’eau peut continuer à se remplir en raison des rivières et des ruisseaux situés à l’intérieur qui y sont connectés depuis la terre.
Lorsque le niveau de l’océan à l’extérieur du réservoir diminue lors de la marée descendante vers son niveau de marée basse, une différence entre le niveau supérieur de l’eau emprisonnée à l’intérieur du réservoir marémoteur et le niveau de la mer à l’extérieur existe désormais. Cette différence de hauteur verticale entre le niveau supérieur et le niveau inférieur est connue sous le nom de “hauteur de pression”.
À un moment donné après le début de la marée descendante, la différence de hauteur de pression entre l’eau à l’intérieur du réservoir marémoteur et le niveau de la marée descendante à l’extérieur devient suffisamment grande pour commencer le processus de génération électrique, les vannes connectées aux tunnels des turbines étant ouvertes, permettant à l’eau de s’écouler.
Lorsque les vannes fermées s’ouvrent, l’énergie potentielle emprisonnée de l’eau à l’intérieur s’écoule à nouveau vers la mer sous l’énorme force de la gravité et du poids de l’eau dans le réservoir derrière elle. Cette sortie rapide de l’eau à travers les tunnels lors de la marée descendante fait tourner les turbines à grande vitesse, générant ainsi de l’électricité.
Les turbines continuent à produire cette électricité marémotrice renouvelable jusqu’à ce que la hauteur de pression entre le niveau de la mer externe et le bassin interne soit trop basse pour entraîner les turbines, moment auquel les turbines sont déconnectées et les vannes sont à nouveau fermées pour éviter que le bassin marémoteur ne se vide trop et n’affecte la faune locale. À un moment donné, le niveau de la marée montante sera à nouveau à un niveau suffisant pour ouvrir toutes les vannes, remplissant à nouveau le bassin et répétant tout le cycle de génération.
Production d’énergie durant la marée descendante
Dans le graphique ci-dessus, nous pouvons voir que le bassin marémoteur se remplit entre les points E et B via A lors de la marée montante. Une fois la marée haute atteinte, les vannes sont ensuite fermées entre les points B – C pour empêcher le bassin marémoteur de se vider. Par conséquent, aucune énergie n’est produite entre les points E – C pendant que le bassin se remplit.
Lorsque la hauteur de pression entre chaque côté du barrage est suffisante, les vannes sont ouvertes au point C, relâchant l’eau emprisonnée de nouveau vers la mer et la production d’électricité commence. Le bassin marémoteur continue de se vider, entraînant les générateurs marémotrices jusqu’à ce que le niveau d’eau dans le bassin atteigne le point D.
Au point D, la hauteur de pression de l’eau de mer par rapport au barrage n’est plus suffisante pour faire tourner les turbines, donc les vannes sont fermées et la génération s’arrête jusqu’à ce que le niveau de l’eau de mer atteigne à nouveau le point E et que tout le processus recommence. Ainsi, Génération Marémotrice Descendante, également connue sous le nom de génération sortante, tire son nom du fait que la génération électrique ne se produit que lorsque la marée descend.
Au point E, le niveau de la mer est suffisant pour re-remplir le bassin et les vannes s’ouvrent. Par conséquent, le réservoir marémoteur est rempli à travers les vannes ou sas lors de la marée montante et est vidé à travers les tunnels des turbines qui font tourner les turbines, générant de l’électricité marémotrice lors de la marée descendante. Ainsi, un schéma de barrage marémoteur descendante est un schéma de génération unidirectionnelle qui fonctionne entre les points C – D sur le graphique ci-dessus.
Schéma de Génération Marémotrice Bidirectionnelle
Nous avons vu ci-dessus que les installations de barrage marémoteur montante et de barrage marémoteur descendante sont des schémas de génération marémotrice “unidirectionnels”, mais pour augmenter le temps de production d’énergie et donc améliorer l’efficacité, nous podemos utiliser des turbines à double effet spéciales qui génèrent de l’énergie dans les deux directions. Un Schéma de Barrage Marémoteur Bidirectionnel utilise l’énergie sur des parties de la marée montante et de la marée descendante pour produire de l’électricité.
La génération électrique bidirectionnelle nécessite un contrôle plus précis des vannes, les maintenant fermées jusqu’à ce que la hauteur de pression différentielle soit suffisante dans chaque direction avant d’être ouvertes. À mesure que la marée monte et descend, l’eau de mer s’écoule dans ou hors du réservoir marémoteur par le même système de vannes. Ce flux d’eau marémotrice va et vient fait tourner les générateurs de turbines situés dans le tunnel dans les deux sens, produisant ainsi de l’électricité.
Cependant, cette génération bidirectionnelle est généralement moins efficace que la génération unidirectionnelle montante ou descendante, car la hauteur de pression nécessaire est beaucoup plus faible, réduisant ainsi la période pendant laquelle la génération unidirectionnelle normale pourrait avoir eu lieu. De plus, les générateurs de turbines marémotrices bidirectionnels conçus pour fonctionner dans les deux directions sont généralement plus coûteux et moins efficaces que des générateurs marémotrices unidirectionnels dédiés.
Une manière d’améliorer le temps d’exploitation et l’efficacité d’un schéma de barrage marémoteur bidirectionnel est d’utiliser des turbines marémotrices unidirectionnelles individuelles installées le long du barrage. En contrôlant leurs vannes individuelles, un ensemble de turbines peut fonctionner lors de la marée montante entre les points E – B et l’autre ensemble en fonctionnant sur la marée descendante entre les points C – D. Bien que cette méthode augmente le nombre total de turbines marémotrices sur le barrage marémoteur, elle présente l’avantage d’étendre considérablement la période de génération.
Résumé de la Génération par Barrage Marémoteur
Nous avons vu que la quantité d’énergie disponible pour extraction par un schéma de Génération par Barrage Marémoteur est approximativement proportionnelle au carré de l’amplitude des marées, en d’autres termes, au carré de la pression (H2). Il est donc important de sélectionner un site qui présente une bonne capacité de génération d’énergie, c’est-à-dire qu’il dispose d’une bonne hauteur de pression verticale, car la quantité d’énergie générée est liée au volume d’eau qui peut passer à travers les turbines.
De plus, l’électricité produite par les schémas de génération de barrage marémoteur est déterminée par les périodes pendant lesquelles la génération peut avoir lieu, toutes les douze heures au fur et à mesure que la marée monte et descend. Il n’y aura donc pas de puissance marémotrice générée à l’heure de six heures entre et pendant les temps de marée haute et basse stationnaires. Également, puisque le temps réel de la marée haute avance d’environ une heure chaque jour, l’approvisionnement en électricité d’un schéma de génération de barrage marémoteur peut donc ne pas correspondre aux exigences de pointe horaires ou quotidiennes de la demande d’électricité.
Dans le prochain tutoriel sur l’énergie marémotrice, nous examinerons une autre forme de génération d’énergie marémotrice appelée courant de marée, qui utilise l’énergie cinétique des courants marémotrices se déplaçant dans les mers pour faire tourner des turbines sous-marines.
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