Les courants marins peuvent-ils générer de l’électricité ?
Courant marin est le terme utilisé pour désigner l’écoulement horizontal de l’eau à travers les océans, provoqué par le flux et le reflux continus des marées, qui sont, comme nous le savons, le mouvement vertical de l’eau des océans.
Contrairement aux courants d’eau qui sont continus, unidirectionnels, et forment un mouvement horizontal régulier dans une rivière ou un ruisseau, un courant marin ou courant de marée change régulièrement sa vitesse, sa direction et son mouvement horizontal en fonction des forces des marées qui le contrôlent.
La génération d’énergie à partir des courants marins est un schéma de marée sans barrage, contrairement à l’énergie de clôture de marée qui utilise une barrière physique pour extraire l’énergie. Les systèmes de courant marin extraient l’énergie cinétique (énergie en mouvement) de l’eau en mouvement générée par les marées sans altérer l’environnement, faisant ainsi de cela un système d’énergie hydrocinétique.
Près de la côte, le flux et le reflux des marées provoquent l’accumulation d’eau dans les océans, ce qui entraîne des marées hautes le long de la plage, certaines de ces eaux étant forcées dans des entrées de marée, des bassins et des estuaires, tandis que la majorité est poussée sur le côté le long de la côte.
Ce mouvement de la plage de marée, amplifié par les caractéristiques géographiques le long de la côte, concentre ces courants de marée en une forme renouvelable d’énergie prévisible et concentrée que nous pouvons exploiter en utilisant un générateur de courant marin. Un courant marin est généralement plus fort près de la côte où l’eau de mer est naturellement moins profonde, ce qui provoque un accélération de l’eau.
La génération d’énergie des courants marins est très similaire, à bien des égards, aux principes de la production d’énergie éolienne. Des générateurs à turbine horizontale appelés “turbines marines” ou “turbines de courant marin” sont placés sur le fond marin, les courants s’écoulant à travers les pales de la turbine alimentant un générateur, de la même manière que le vent fait tourner les pales des turbines éoliennes. En fait, dans certaines zones de génération d’énergie à partir des courants marins, le fond marin ressemble à un parc éolien sous-marin avec des rangées de générateurs de courant marin couvrant de grandes surfaces.
L’électricité générée par les marées est ensuite transmise à la côte via de longs câbles électriques sous-marins appelés câbles sous-marins. Ces turbines maritimes peuvent être partiellement ou complètement submergées sous la surface de l’eau, les turbines partiellement submergées étant plus faciles et moins coûteuses à entretenir.
Bien que les installations de courants marins réduisent certains des effets environnementaux des grands barrages maritimes, les courants océaniques majeurs comme le Gulf Stream se déplacent à des vitesses nettement plus lentes que le vent. Cependant, l’eau étant 784 fois plus dense que l’air (c’est pourquoi nous pouvons voir de l’eau mais pas de l’air), un seul générateur de marée posé sur le fond marin peut fournir une quantité significative d’énergie des courants marins à des vitesses de courant de marée faibles, ce qui est de loin supérieur au vent, en utilisant une technologie de turbine similaire ou identique.
Étant donné que la production d’énergie varie avec la densité du milieu (Kg/cm3) et le cube de la vitesse (m3/s), nous pouvons constater qu’un courant de marée de 10 mph (environ 8,6 nœuds en termes nautiques) aurait une production d’énergie égale ou supérieure à celle d’une vitesse de vent de 90 mph pour un système de turbine de même taille. Par conséquent, même de petites augmentations de vitesse peuvent entraîner des changements substantiels dans la quantité de puissance disponible et, par conséquent, des générateurs de turbines marines à vitesse de rotation plus rapide peuvent être utilisés dans un système de courant marin basé en mer.
Comme le contenu en énergie cinétique d’un courant marin s’écoule par unité de temps, ce qui est identique à la puissance hydroélectrique (P), l’énergie disponible peut être calculée en fonction de la vitesse (V), de la surface de section transversale balayée (A) perpendiculaire à la direction du flux, et de la densité de l’eau (ρ), qui pour l’eau de mer est d’environ 1025 kg/m3. À condition que la vitesse soit uniforme dans toute la surface de section transversale, à tout instant dans le cycle de marée, la quantité d’énergie disponible sera : P = ½ ρ A.V3.
Cette relation cubique entre la vitesse et la puissance est la même que celle des courbes de puissance des turbines éoliennes, mais il existe des limites pratiques à la quantité de puissance qui peut être extraite des courants marins. Certaines de ces limites concernent la conception des turbines de courant marin et les caractéristiques de la ressource sous-marine.
Conceptions de générateurs de courant marin
Contrairement à l’énergie éolienne offshore qui peut subir des dommages causés par des tempêtes ou la haute mer, les turbines de courant marin fonctionnent juste en dessous de la surface de la mer ou sont fixées en permanence au fond marin. La plupart des turbines de marée submergées fonctionnent essentiellement de la même manière qu’une turbine éolienne et sont fixées au fond marin, avec l’eau poussant la turbine au lieu du vent.
Ces turbines ont un axe de rotation horizontal par rapport au sol et fonctionnent comme un moulin à vent traditionnel, comprenant un rotor, un réducteur et un générateur électrique. Ces trois parties sont montées sur une structure de support en acier avec trois types principaux de supports : une structure de gravité, une structure à pieux enfoncés ou une structure en trépied.
Supports de générateurs de courant marin
Pour un support à pieux enfoncés, un seul pieu en acier est enfoncé profondément dans le fond marin avec l’assemblage du générateur de courant marin fixé à celui-ci. Ce support tubulaire est moins rigide que d’autres types et peut fléchir sous les forces de traction des eaux marines lorsqu’il est utilisé dans des eaux peu profondes. Un support de gravité utilise généralement un gros bloc de béton qui repose sur le fond marin.
En raison du poids lourd du bloc de béton, la structure est plus rigide et donc plus résistante à la flexion. Un support en trépied ou en treillis utilise un cadre tubulaire avec une empreinte beaucoup plus grande positionnée sur le fond de l’océan pour soutenir l’ensemble du générateur. Ce type de système est utilisé dans l’exploration pétrolière et gazière, c’est donc une technologie bien connue.
D’autres conceptions de générateurs de courant marin fixés au fond de l’océan comprennent des Dispositifs de courant marin à mouvement alternatif utilisant un grand hydrofoil similaire à la nageoire d’une baleine, qui se déplace de haut en bas parallèlement à la direction du courant marin au lieu de faire tourner des pales, et des Dispositifs de courant marin à effet Venturi, où les turbines de marée sont situées dans un conduit cylindrique, comme un boîtier de ventilateur. Le flux de marée est canalisé à travers ce conduit, qui concentre le flux, produisant une différence de pression provoquant un flux d’eau secondaire à travers la turbine de réaction, améliorant ainsi l’efficacité.
De plus, il existe plusieurs avantages pratiques à placer la turbine de marée à l’intérieur d’un conduit de type ventilateur, comme moins de dangers provenant des pales tournantes pour la vie marine et les plongeurs, un grillage de sécurité ou un couvercle pouvant être placé sur l’ouverture amont, ce qui aurait également l’avantage supplémentaire d’empêcher les débris flottants d’être attirés ou aspirés dans la turbine, provoquant des dommages. Le conduit lui-même peut fournir de l’ombre et/ou un abri pour la turbine de réaction contre la lumière directe du soleil, empêchant la croissance d’algues, de crabes ou d’autres organismes s’accumulant sur les pales et les mécanismes, comme c’est le cas sous les bateaux.
Nous savons que les courants marins se forment par de rapides courants horizontaux d’eau provoqués par le flux et le reflux des marées, le profil du fond marin provoquant l’accélération ou le ralentissement des courants d’eau près de la côte. Par conséquent, les turbines de courant marin peuvent générer de l’énergie tant à l’ébb que lors du flux des marées. L’un des inconvénients de la génération d’énergie par courant marin est que, comme les turbines sont submergées sous la surface de l’eau, elles peuvent représenter des dangers pour les grands mammifères marins, la navigation et le transport maritime.
Étant donné les difficultés techniques résultant de la corrosion sous-marine, des problèmes d’entretien accrus, de la croissance d’algues sur les pales, ce qui pourrait réduire leur efficacité, et des préoccupations de stabilité, d’autres formes de conceptions de générateurs de courant marin alternatives sont désormais utilisées.
Celles-ci incluent la turbine de marée étant connectée à une barge flottante ou à un navire à la surface de l’eau, fonctionnant essentiellement comme une turbine horizontale retournée au lieu de fixer les turbines directement au fond de l’océan.
Il y a de nombreux avantages à ce type de conception de générateur de courant marin, y compris un entretien facile et un accès facile aux turbines, simplement en les retirant ou en les remplaçant hors de l’eau, et pas de supports en acier coûteux ou d’altérations du fond marin.
De plus, étant donné que les turbines de marée sont situées sous une barge, un ponton ou directement fixées à la coque d’un navire, elles peuvent avoir leurs connexions électriques et équipements montés en toute sécurité au-dessus et hors de l’eau. De plus, le dispositif de flottaison de soutien peut être facilement déplacé vers des zones de courants marins plus forts si nécessaire, mais ils sont limités par la distance en raison de leur câble électrique ombilical connecté à la côte.
Résumé de la génération d’énergie par courant marin
Turbines de marée ou Turbines de courant d’eau, fonctionnent de manière très similaire à une turbine éolienne et peuvent générer de l’énergie électrique à partir de forts courants de marée horizontaux appelés courants marins avec très peu d’impact environnemental.
Ces courants de marée entraînent les hélices des générateurs de courant marin, avec les pales s’ajustant automatiquement à l’orientation du courant dominant, mais ne convertissent qu’une fraction de l’énergie cinétique des courants de marée en énergie électrique et la renvoient à la côte via un câble sous-marin. Étant situés sous l’eau, les générateurs de turbines marines ne produisent pas d’émissions ni de bruit, et leur impact environnemental est bien moindre que celui d’un barrage de marée.
Dans le prochain tutoriel sur l’énergie marémotrice, nous examinerons une autre manière alternative d’utiliser les turbines de marée et les courants de marée pour générer de l’électricité en utilisant une clôture de marée sous-marine.
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