L’énergie des vagues utilise la force des vagues
L’énergie des vagues océaniques, ou simplement énergie des vagues, est une autre forme d’énergie renouvelable basée sur l’océan qui utilise la force des vagues pour générer de l’électricité. Contrairement à l’énergie marémotrice qui utilise le flux et le reflux des marées, l’énergie des vagues utilise le mouvement vertical de l’eau de surface qui produit des vagues de marée.
L’énergie des vagues convertit le mouvement périodique de haut en bas des vagues océaniques en électricité en plaçant des équipements à la surface des océans qui capturent l’énergie produite par le mouvement des vagues et convertissent cette énergie mécanique en énergie électrique.
L’énergie des vagues est en réalité une forme concentrée d’énergie solaire générée par l’action du vent soufflant sur la surface des océans. Lorsque les rayons du soleil frappent l’atmosphère terrestre, ils la réchauffent. Les différences de température des masses d’air autour du globe provoquent un mouvement de l’air des régions plus chaudes vers les régions plus fraîches, résultant en des vents.
Au fur et à mesure que le vent passe au-dessus de la surface des océans, une partie de l’énergie cinétique du vent est transférée à l’eau en dessous, générant des vagues.
En fait, l’océan pourrait être considéré comme un vaste collecteur de stockage d’énergie transférée par le soleil aux océans, les vagues transportant l’énergie cinétique transférée à la surface des océans. Nous pouvons donc dire que les vagues sont en réalité une forme d’énergie et que c’est cette énergie, et non l’eau, qui se déplace à la surface de l’océan.
Ces vagues peuvent parcourir (ou “se propager”) de longues distances à travers les océans ouverts avec très peu de pertes d’énergie, mais à mesure qu’elles approchent de la côte et que la profondeur de l’eau devient moins importante, leur vitesse diminue mais elles augmentent en taille. Enfin, la vague s’écrase sur le rivage, libérant une énorme quantité d’énergie cinétique qui peut être utilisée pour la production d’électricité.
Le potentiel d’énergie des vagues brisées varie d’un endroit à l’autre en fonction de son emplacement géographique et de la période de l’année, mais les deux principaux facteurs qui affectent la taille de l’énergie des vagues sont la force du vent et la distance ininterrompue en mer sur laquelle le vent peut souffler.
Nous pouvons donc dire que “l’énergie des vagues” est une forme indirecte d’énergie éolienne qui provoque le mouvement de l’eau à la surface des océans et en capturant cette énergie, le mouvement des vagues est converti en énergie mécanique et utilisé pour entraîner un générateur électrique. À bien des égards, la technologie utilisée pour capturer cette énergie des vagues est similaire à l’énergie marémotrice ou à l’hydroélectricité.
L’énergie cinétique de la vague fait tourner une turbine attachée à un générateur, qui produit de l’électricité. Cependant, les océans ouverts peuvent être un environnement tempétueux et violent, causant la destruction des machines d’énergie des vagues par l’énergie même qu’elles étaient conçues pour capturer.
En termes simples, une vague océanique est le mouvement vertical de haut en bas de l’eau de mer qui varie de manière sinusoïdale dans le temps. Cette vague sinusoïdale a des points hauts appelés crêtes et des points bas appelés creux.
La différence de hauteur d’une vague entre la crête et le creux est appelée amplitude crête à crête, puis l’amplitude ou la hauteur des vagues est le centre de ces deux points et correspond au niveau de la mer réel lorsque l’eau ne se déplace pas, en d’autres termes, une mer calme.
L’amplitude d’une vague océanique dépend des conditions météorologiques à ce moment-là, car l’amplitude d’une vague douce, ou houle, sera faible par temps calme mais beaucoup plus grande par temps de tempête avec des rafales fortes alors que l’eau de mer monte et descend.
En plus de l’amplitude de la vague, une autre caractéristique importante est la distance entre chaque crête successive, ou creux, connue sous le nom de période de la vague, ( T ). Cette période de vague est le temps en secondes entre chaque crête de la vague. Pour une houle douce, cette période peut être très longue, mais pour une mer agitée, cette période peut être très courte alors que chaque vague s’écrase sur celle qui la précède.
Le réciproque de ce temps ( 1/T ) nous donne la fréquence fondamentale de la vague océanique par rapport à un point statique. Les vagues périodiques plus petites générées ou superposées à cette vague fondamentale, comme les vagues réfléchies, sont appelées vagues harmoniques. Ensuite, les caractéristiques de fréquence et d’amplitude d’une vague générée par le vent dépendent de la distance que le vent souffle au-dessus des eaux libres (appelée le fetch), du temps que le vent souffle, de la vitesse du vent et de la profondeur de l’eau.
Les vagues transportent l’énergie de l’endroit où elles ont été créées par des tempêtes loin dans l’océan jusqu’à un rivage. Mais une vague océanique typique ne ressemble pas à une sinusoïde parfaite, elles sont plus irrégulières et complexes qu’une simple onde sinusoïdale. Seul le mouvement régulier de haut en bas d’une houle lourde ressemble beaucoup plus à une onde sinusoïdale que la nature chaotique des vagues de vent générées localement, car de vraies vagues maritimes contiennent un mélange de vagues avec des fréquences, hauteurs et directions différentes.
Appareils utilisant l’énergie des vagues
L’énergie des vagues océaniques présente de nombreux avantages par rapport à l’énergie éolienne des océans, car elle est plus prévisible, moins variable et offre des densités d’énergie disponibles plus élevées. En fonction de la distance entre le dispositif de conversion d’énergie et le rivage, les systèmes d’énergie des vagues peuvent être classés comme étant des appareils de rivage, appareils côtiers ou appareils au large. Quelle est donc la différence entre ces trois types de dispositifs d’extraction d’énergie.
Appareils de rivage : ce sont des dispositifs d’énergie des vagues fixés ou intégrés dans le rivage, c’est-à-dire qu’ils sont à la fois dans et hors de l’eau.
Appareils côtiers : ils sont caractérisés par leur utilisation pour extraire la puissance des vagues directement de la zone de rupture et des eaux immédiatement au-delà de la zone de rupture (c’est-à-dire à une profondeur de 20 m).
Appareils au large : ces dispositifs ou dispositifs en eau profonde sont les plus éloignés en mer et s’étendent au-delà des lignes de rupture en exploitant les densités d’énergie élevées et les profils de vagues plus puissants disponibles dans les vagues et les vagues de mer profonde.
L’un des avantages des dispositifs en mer est qu’il n’est pas nécessaire de procéder à d’importants travaux de terrassement côtiers, comme c’est le cas avec les dispositifs terrestres.
Comme la plupart de l’énergie à l’intérieur d’une vague est contenue près de la surface et décroît rapidement avec la profondeur. Une gamme surprenante de conceptions est disponible pour maximiser l’énergie disponible pour la capture. Ces dispositifs d’énergie des vagues sont soit des conceptions fixes au fond utilisées dans des eaux peu profondes et qui percent la surface de l’eau, soit des dispositifs entièrement flottants utilisés pour capturer le contenu d’énergie cinétique du mouvement d’une vague et convertir chaque mouvement en électricité à l’aide d’un générateur.
Il existe actuellement quatre méthodes de « capture » de l’énergie des vagues :
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Absorbeurs ponctuels : il s’agit de petits dispositifs verticaux fixés directement au fond de l’océan ou attachés par une chaîne qui absorbent l’énergie des vagues venant de toutes parts. Ces dispositifs génèrent de l’électricité par l’action de l’oscillation d’un dispositif flottant.
Les dispositifs typiques d’énergie des vagues incluent des bouées flottantes, des sacs flottants, des canards et des radeaux articulés, etc. Ces dispositifs convertissent le mouvement de haut en bas des vagues en mouvements rotatifs ou oscillatoires dans une variété de dispositifs pour générer de l’électricité. Un des avantages des dispositifs flottants par rapport aux dispositifs fixes est qu’ils peuvent être déployés dans des eaux plus profondes, où l’énergie des vagues est plus importante. -
Atténuateurs de vagues : également connus sous le nom d’« absorbeurs linéaires », ce sont de longs dispositifs semi-submergés orientés parallèlement à la direction des vagues. Un atténuateur de vagues est composé d’une série de sections cylindriques reliées par des joints flexibles qui permettent à ces sections individuelles de pivoter et de bouger par rapport les unes aux autres.
Le mouvement induit par les vagues de l’appareil est utilisé pour comprimer un piston hydraulique, appelé « ram », qui force l’huile haute pression à travers des accumulateurs lisses pour faire tourner un générateur turbine hydraulique produisant de l’électricité. Ensuite, les atténuateurs de vagues convertissent le mouvement oscillant d’une vague en pression hydraulique. -
Colonne d’eau oscillante : c’est une chambre partiellement submergée fixée directement au rivage qui convertit l’énergie des vagues en pression d’air. La structure peut être une caverne naturelle avec un trou de soufflage ou une chambre ou un conduit fabriqué par l’homme avec un générateur éolien situé en haut, bien au-dessus de la surface de l’eau.
La structure est généralement construite perpendiculairement aux vagues afin que le mouvement d’aller et venir des vagues force l’eau piégée à l’intérieur de la chambre à osciller verticalement.
Lorsque les vagues entrent et sortent de la chambre, la colonne d’eau monte et descend et agit comme un piston sur l’air au-dessus de la surface de l’eau, le poussant d’avant en arrière. Cet air est compressé et décompressé par ce mouvement et est canalisé à travers un générateur éolien pour produire de l’électricité. La vitesse de l’air dans le conduit peut être augmentée en réduisant la section transversale du conduit par rapport à celle de la colonne. -
Dispositifs de déversement : également connus sous le nom de dispositifs « de trop-plein », ce sont des structures fixes ou flottantes utilisant des rampes et des côtés effilés positionnés perpendiculairement aux vagues. Les vagues maritimes sont poussées de travers sur la rampe et sur les côtés, remplissant un petit réservoir marée situé à 2 à 3 mètres au-dessus du niveau de la mer. L’énergie potentielle de l’eau piégée à l’intérieur du réservoir est ensuite extraite en renvoyant l’eau à la mer à travers un générateur turbine Kaplan à faible hauteur pour produire de l’électricité.
Les dispositifs de déversement convertissent ainsi l’énergie potentielle disponible dans la hauteur de l’eau en énergie mécanique. L’inconvénient des dispositifs de déversement à terre est qu’ils ont une production d’énergie relativement faible et ne conviennent qu’aux sites où il y a un rivage en eau profonde et une variation marée faible de moins d’environ un mètre.
La notion d’exploiter l’énorme puissance des vagues de l’océan n’est pas nouvelle. Comme d’autres formes d’hydroélectricité, l’énergie des vagues ne nécessite pas la combustion de combustibles fossiles, qui peuvent polluer l’air, contribuant aux pluies acides et au réchauffement climatique. L’énergie est entièrement propre et renouvelable à l’infini. L’énergie des vagues présente de nombreux avantages par rapport à d’autres types de systèmes énergétiques, son principal avantage étant qu’elle est prévisible.
Cependant, comme de nombreuses autres formes d’énergie, l’énergie des vagues océaniques a également ses inconvénients, tels que ses temps de génération flexibles dépendant des marées, l’impact visuel des dispositifs de vagues sur la surface des mers, ainsi que la menace de collision pour la navigation maritime.
Voici quelques-uns des principaux avantages et inconvénients de l’énergie des vagues.
Avantages de l’énergie des vagues
- L’énergie des vagues est une ressource énergétique abondante et propre puisque les vagues sont générées par le vent.
- Sans pollution car l’énergie des vagues génère peu ou pas de pollution par rapport à d’autres énergies renouvelables.
- Réduit la dépendance aux combustibles fossiles car l’énergie des vagues n’utilise aucun combustible fossile durant son fonctionnement.
- L’énergie des vagues est relativement constante et prévisible, les vagues pouvant être prévues avec précision plusieurs jours à l’avance.
- Les dispositifs d’énergie des vagues sont modulaires et faciles à placer, avec un ajout de dispositifs d’énergie des vagues supplémentaires au besoin.
- Dissipe l’énergie des vagues, protégeant ainsi le rivage de l’érosion côtière.
- Ne présente aucune barrière ou difficulté pour les poissons migrateurs et les animaux aquatiques.
Inconvénients de l’énergie des vagues
- Impact visuel des dispositifs de conversion de l’énergie des vagues sur le rivage et des bouées flottantes ou plates-formes au large.
- Les dispositifs de conversion d’énergie des vagues dépendent de leur emplacement, nécessitant des sites où les vagues sont régulièrement fortes.
- Production d’électricité intermittente, comme les vagues arrivent par intervalles et ne produisent pas d’énergie durant les périodes de calme.
- Les dispositifs d’énergie des vagues au large peuvent poser une menace pour la navigation qui ne peut pas les voir ou les détecter avec un radar.
- Coûts de distribution d’énergie élevés pour envoyer l’énergie générée des dispositifs au large vers la terre en utilisant de longs câbles sous-marins.
- Ils doivent pouvoir résister aux forces de la nature, ce qui se traduit par des coûts élevés de capital, de construction et de maintenance.
Résumé du tutoriel
Nous avons vu qu’il existe une grande variété de dispositifs de conversion d’énergie des vagues qui peuvent être utilisés pour exploiter l’énergie capturée par un système de génération d’énergie des vagues. Certains des dispositifs d’énergie des vagues mentionnés ci-dessus sont construits sur le rivage, ce qui facilite grandement l’ingénierie et la construction de ces installations, éliminant le besoin de longues lignes de câbles sous-marins. Mais la densité de puissance des vagues est bien inférieure à ce que l’on trouve à une certaine distance au large. Cependant, cela peut être partiellement compensé par la concentration de l’énergie des vagues.
Les dispositifs au large sont situés dans des eaux beaucoup plus profondes, avec des profondeurs typiques de plus de 30 mètres. La puissance des vagues disponible à ces sites océaniques profonds est environ trois à huit fois la puissance des vagues disponible à des sites côtiers, avec une gamme de dispositifs de conversion d’énergie des vagues complètement submergés disponibles pour une utilisation en mer. Le type de dispositif de conversion d’énergie des vagues utilisé à un endroit particulier dépend du type de dispositif et de sa distance par rapport au rivage.
Dans le prochain tutoriel sur l’énergie des vagues, nous examinerons en détail certains des types et conceptions plus courantes des dispositifs d’énergie des vagues actuellement utilisés pour générer de l’électricité à partir de la mer.
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