Chapitre
1: La marée
Lorsque la mer monte et envahit
les rivages, refoulant l'eau des fleuves à leur embouchure, c'est
le flot. Lorsqu'elle descend et découvre les côtes, c'est
le jusant. Ce mouvement des eaux, c'est la marée.
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1.
Origine de la marée: théorie statique
A.
Les forces à l'origine du phénomène
La marée est due à la Lune et au Soleil.
Plus précisément, ce phénomène d'origine astronomique
est une manifestation de la loi de gravitation universelle appliquée
au système formé par la Terre, le Soleil et la Lune.
Sur la terre, on observe des marées océaniques,
terrestres et atmosphériques. Les marées terrestres ont la
même origine que les marées océaniques mais sont de
plus faible amplitude (au maximum de l'ordre du mètre). Les marées
atmosphériques sont essentiellement dues au rayonnement solaire
provoquant localement une évolution de la masse volumique de l'air.
Notre exposé s'intéressera aux marées
océaniques seules.
Considérons successivement les systèmes
Terre-Lune puis Terre-Soleil : dans chacun une particule d'eau de masse
M2, située à la surface de la Terre sera soumise à
2 forces : la force d'attraction gravitationnelle et la force centrifuge.
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a.
La force d'attraction gravitationnelle
Cette force Fa est exercée par un astre (Lune ou
Soleil) de masse M1 sur une particule d'eau à la surface des océans:
avec: G: constante universelle de la gravitation (G=6.672.10-11
N.m2.kg-2)
R: distance terre-astre (Lune ou Soleil)
a: rayon terrestre
psi: angle lune-centre de la terre-point d'observation
à la surface de la terre
On note que cette force est maximum au point de la Terre
qui est le plus proche de l'astre (c'est à dire quand l'astre est
au zénith du point d'observation) et minimum lorsque celui-ci est
au nadir (point diamétralement opposé à la position
de l'observateur).
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b.
La force centrifuge
Cette force Fg est due à la rotation de la Terre
autour du centre de gravité Terre-Lune ou Terre-Soleil et compense
exactement la force d'attraction gravitationnelle. Elle est identique en
tout point de la surface de la Terre et a la forme suivante :
La valeur de cette force centrifuge peut être obtenue
en utilisant la formule ci-dessous:
L'effet de la Lune est prépondérant.
Cependant, il est à noter que le Soleil, malgré sa distance,
participe pour environ 1/3 dans la force de marée, de par sa masse
imposante.
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B.
Description du phénomène
a.
Les cycles diurne et semi-diurne
Le mouvement de rotation de la Terre
conduirait à observer en un même point de la planète
deux pleines mers et deux basses mers chaque jour : la première
lorsque l'astre passe au plus près du zénith et l'autre lorsqu'il
est au plus près du nadir, chaque pleine mer étant suivie
d'une basse mer lorsque l'astre est " à l'horizon ". Cela
conduit à l'existence de deux cycles fondamentaux : le cycle diurne,
et le cycle semi-diurne. Dans une première approche, appelée
théorie statique, l'océan est en équilibre avec l'astre
attracteur à l'origine de la force génératrice de
la marée. Alors la surface de l'océan prend la forme d'un
ellipsoïde de révolution dont le grand axe est dirigé
vers l'astre.
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b.
Les marées de vives eaux et de mortes eaux - L'âge de la marée
Le mouvement de rotation de la Lune
autour de la Terre (une révolution en 27,5 jours) entraîne
l'existence de maxima de marées lorsque Soleil, Terre et Lune sont
alignés (syzygies) : on parle des marées de vives eaux.
A l'inverse, lorsque les deux astres
sont orientés à 90°, on a une minimisation de l'amplitude
des marées (quadratures): il s'agit des marées de mortes
eaux.
La figure ci-dessous montre l'effet
du cycle lunaire sur l'amplitude des marées.
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Il est à noter que ce même
mouvement de rotation de la lune entraîne un décalage de l'heure
de la marée de 50 mn par jour, en moyenne :
Ce retard dépend de la vitesse
de la Lune sur son orbite; il varie entre 30 mn lorsque la Lune est à
l'apogée (au plus loin de la Terre) et qu'elle a une vitesse maximale,
à 1h40mn lorsqu'elle est au périgée (au plus près
de la Terre) et qu'elle est donc animée d'une vitesse minimale.
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d.
L'influence de la déclinaison
Le Soleil et la Lune présentent
des déclinaisons qui varient au cours de l'année (Lune :
28° de part et d'autre du plan de l'équateur, avec une période
de 27,2 jours, et Soleil : 23°, avec une périodicité
annuelle).
Lorsque la déclinaison est
forte, la variation de l'amplitude est forte au cours de la même
journée (une forte marée suivant une faible marée).
Au contraire, lorsque la déclinaison
est nulle, les deux marées journalières sont d'intensité
égale. Lorsque ce phénomène est conjugué avec
une syzygie, l'amplitudes des marées est encore plus grande : il
s'agit des grandes marées d'équinoxe, les 21 mars et 23 septembre.
Les deux schémas ci-dessous
illustrent l'influence de la déclinaison sur la variation journalière
de l'amplitude des marées:
La théorie statique n'est
pas satisfaisante car elle n'est que la représentation d'un équilibre
qui, en raison de l'inertie des masses d'eau, n'est jamais atteint.
La force de marée est faible
(de l'ordre de 9.106 fois plus faible que la gravité
terrestre), et conduirait si elle était seule à une amplitude
maximum de l'ordre de 51 cm.
En réalité, on observe
de par le globe des amplitudes de marée variables. Les marnages
maxima sont atteints dans la Baie de Fundy (de l'ordre de 16 m), alors
que ceux des mers fermées telles que la Méditerranée
sont trés faibles (moins de 50 cm).
De plus, on observe un retard par
rapport à la force génératrice; ce retard est appelé
âge de la marée. Ces différences sont dues à
plusieurs phénomènes :
1. La longueur d'onde du bourrelet
de marée est relative à la profondeur h des océans
(qui est faible devant le rayon terrestre). Les vagues de marées
voyagent donc en "eau peu profonde" ou "shallow water"
et leur vitesse relative est donnée par :
Les océans ayant une profondeur
moyenne de 4 000 m environ, la vitesse de l'onde de marée ne peut
pas dépasser 200 m/s. Or du fait de la rotation de la Terre, la
vitesse de l'eau à la surface des océans est de 463 m/s.
On voit donc que l'onde de marée ne peut pas suivre, de par l'inertie
des masses d'eau, sa position théorique. Il s'en suit un déphasage,
qui peut atteindre 6h12mn (une demie période de marée semi-diurne).
Il existe trois zones de propagation
de la marée, en fonction de la latitude :
· de part et d'autre de l'équateur
et jusqu'à la latitude de 26° environ se trouve une zone de
déphasage 6h12mn
· de 26 à 65°,
le déphasage se réduit progressivement jusqu'à s'annuler
à la latitude 65°
· entre cette latitude et
le Pôle, l'onde de marée n'a aucun retard
2. La présence d'obstacles
terrestres empêche le renflement de la marée directement autour
du globe. La forme des bassins océaniques contraint la direction
des ondes de marées.
3. De par l'inertie des masses d'eau,
l'océan réagit à l'action de la force de gravité
avec un certain temps de retard.
4. Les mouvements d'eau latéraux
provoqués par des forces génératrices de marées
sont sujets à la force de Coriolis qui crée des circulations
dans le sens horaire pour l'hémisphère Nord, et dans le sens
inverses pour l'hémisphère Sud. Ce courant provoque localement
l'existence de points amphidromiques. Leur existence est expliquée
par le schéma suivant:
Le flot de marée haute est
dévié vers la droite sous l'effet de la force de Coriolis
(on s'est placé dans le cas d'un chenal placé dans l'hémisphère
Nord : sens des aiguilles d'une montre). Le niveau de l'eau monte donc
du côté Est du chenal. A marée basse, l'eau est déplacée
vers l'autre bord. On constate que la contrainte du lieu a mis en place
un système amphidromique, dans le sens contraire des aiguilles d'une
montre.
Le trajet des ondes de marée
à la surface du globe terrestre est indiqué sur la figure
ci-dessous :
Echelle de marnages moyens
(m)
Ainsi, l'onde de marée est-elle
déviée dans l'Atlantique nord dans le sens inverse des aiguilles
d'une montre autour d'un point où la marée est nulle, ou
point amphidromique. Dans l'océan Pacifique et Indien il existe
plusieurs points amphidromiques.
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2.
Onde de marée
A.
Amplitude de la marée
La marée peut être
considérée comme la somme de marées élémentaires
strictement périodiques, appelées composantes harmoniques.
La courbe de marée d'une onde composante est une sinusoïde
dont l'amplitude et la phase ne dépendent que du lieu d'observation.
Ainsi la hauteur de la marée à un instant t peut s'exprimer
par la formule suivante:
· Z0 est le niveau moyen, rapporté au zéro
des cartes, autour duquel oscille le niveau de l'eau.
· Ai et Gi , appelés constantes harmoniques,
sont respectivement l'amplitude et la situation à Greenwich de l'onde
élémentaire, et ne dépendent que du point considéré.
· qi est la vitesse angulaire de l'onde élémentaire
· V0i est la valeur de l'argument astronomique
pour t = 0
Les composantes harmoniques sont réparties en quatre
grands groupes :
· ondes semi-diurnes (période voisine de
12 heures)
· ondes diurnes (période voisine de 24 heures)
· ondes de longues périodes (bimensuelle,
mensuelle, semestrielle, annuelle,…)
· ondes supérieures, composées de
périodes quart-diurnes, tiers-diurne,…
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B.
Différents types de marées
On distingue quatre grands types
de marées, selon les importances respectives des composantes semi-diurnes
et diurnes.
· Type semi-diurne:
les composantes diurnes sont négligeables devant les composantes
semi-diurnes. Il y a lors deux pleines mers et deux basses mers, d'importance
sensiblement égales par jour. Ce type de marée est prépondérant
en Atlantique. En effet, celui-ci, plus long que large, permet auxd ondes
perturbatrices de s'exprimer avec une période de 12 heures, et vont
s'ajouter à la force de la marée et donc l'amplifier. En
France on associe à l'amplitude de l'oscillation de la marée
semi-diurne un coefficient dit coefficient de marée.
· Type diurne: les
composantes semi-diurnes sont négligeables devant les composantes
diurnes. Il y a une pleine mer et une basse mer par jour. On les trouve
dans les petites mers comme la Baltique ou le Golfe du Mexique.
· Type semi-diurne à
inégalité diurne: c'est un cas intermédiaire entre
les deux marées précédentes. Les composantes diurnes
ne sont pas négligeables. La marée présente toujours
deux pleines mers et deux basses mers par jour, mais les hauteurs des pleines
mers ou des basses mers consécutives peuvent être très
différentes.
· Type mixte: c'est
un autre cas intermédiaire, avec cette fois des composantes diurnes
très importantes. Il y a tantôt deux pleines mers et deux
basses mers par jour (lorsque la Lune est à l'équateur) et
tantôt une pleine mer et une basse mer par jour (lorsque la déclinaison
de la Lune est proche de son maximum). Le Pacifique et l'Océan Indien,
aux grandes dimensions, en longueurs comme en largeurs, permettent aussi
bien le développement d'ondes semi-diurnes que diurnes. Ceci explique
que les marées y sont souvent mixtes, c'est à dire alternant
entre diurnes et semi-diurnes.
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3.
Amplification du phénomène de marée
A.
Résonance de l'onde de marée
La période de résonance
T d'un chenal est de la forme :
Avec l : longueur du chenal
d : profondeur du chenal
g : gravité terrestre = 9,81
m.s-1
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B.
Quelques sites aux marées exceptionnelles
a.
La Baie de Fundy
La Baie de Fundy est située au Nord du golfe du
Maine entre la province du Nouveau Brunswick et la Nouvelle-Ecosse à
l'extrême sud-est du Canada. Cet endroit est réputé
pour avoir les amplitudes de marées les plus importantes du monde
(16 m). Cette baie a un fond très haut (profondeur : 50 m par endroits)
et mesure environ 270 km de long.
Les deux photos ci-dessous donnent une idée de
l'importance du marnage à l'extrémité Est de la baie
de Fundy.
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b.
La mer d'Okhotsk
La mer d'Okhotsk est située entre la côte
Russe et la presqu'île du Kamchatka (au nord des îles Kourilles
et du Japon) qui présente des marées semi-diurnes d'une amplitude
d'environ 12 m.
Le golfe de Californie est situé sur la côte
Pacifique du Mexique. C'est un chenal très étroit : 90 km
de large aux points les plus resserrés pour une longueur totale
de 1100 km environ, et peu profond dans sa partie nord (environ 100 m).
La photo aérienne ci-dessous montre l'étroitesse
du chenal et l'animation sur la figure de droite met en évidence
l'amplification de l'onde de marée à son extrémité
Nord (bord gauche du schéma) sur la durée d'une journée
(de 0 à 24 heures).
d. La
Manche
La Manche est une mer épicontinentale et intracontinentale,
qui forme un couloir entre le Sud de la Grande Bretagne et le Nord Ouest
de la France. Du fait de sa faible profondeur moyenne, qui est de l'ordre
de la cinquantaine de mètre, et de sa situation géographique,
des marnages importants y sont observés. En plus des forts marnages
observés, la caractéristique majeure des marées dans
la Manche est la diversité des hauteurs d'eau d'un point à
l'autre. En effet la Manche est le siège de phénomènes
de résonances des ondes de Kelvin, venant de la mer du Nord et du
golf de Gascogne.
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Chapitre
2: L'énergie marémotrice
1.
Historique de l’utilisation de l’énergie des marées :
Les premiers moulins à marées apparurent
en l'an mille et étaient utilisés par les arabes pour moudre
le blé. Il firent ensuite leur apparition sur les côtes normandes
et bretonnes au 12ème siècle.
Ils fonctionnaient sur le principe suivant : une
digue équipée d'une vanne ferme une anse pour créer
un bassin. A marée montante, on ouvre la vanne ; le bassin
se remplit. Puis on ferme la vanne et on attend que le niveau de la mer
descende. Lorsque la différence de niveau est suffisante, on relâche
l’eau qui entraîne une roue à aubes produisant ainsi de la
force motrice. Le moulin fonctionne donc 2 fois par jour en simple effet
(c'est à dire lors du vidage du bassin vers la mer), soit environ
4 h 30 par marée descendante de 6 heures.
Le schéma de gauche représente l'alimentation
du bassin à marée montante et celui de droite la production
de force motrice à marée descendante:
On retrouve à l’heure actuelle encore de telles
moulins comme celui du Birlot par exemple, qui fut construit en 1633 sur
le chenal du Kerpont à l’ouest de l’île de Brehât. Une
digue de 140m barre une anse pour former une réserve d’eau de 2
ha qui alimente le moulin. Ce moulin permettait de moudre du froment, de
l'orge et du blé noir pour en faire de la farine.
Ci-dessous, le moulin du Birlot :
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2.
Le site de la Rance:
A.
Géographiquement:
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B.
Historiquement:
Le site de l'estuaire de la Rance avait déjà
été repéré en 1897 par l'ingénieur Louis
PILA de FEZ qui présenta un projet ressemblant en de nombreux points
à celui de l'usine de la Rance.
A partir des années 20, les scientifiques étudient
l'énergie marémotrice pour la production d'énergie.
Leur projet : réaliser un "moulin à marée"
de taille industrielle fonctionnant aussi bien à marée montante
qu'à marée descendante.
Dans les années 40, le meilleur site envisagé
pour la construction d'une usine marémotrice est l'estuaire de la
Rance. La décision de la construction du barrage est née
lors d'une période de grands projets comme la construction de l'usine
nucléaire de Chinon, grande nouveauté à l'époque,
en vue de rattraper le retard technologique que présentait la France
par rapport aux U.S.A. Certains voyaient dans le barrage une solution au
nucléaire.
Le construction de l'usine marémotrice a débutée
en janvier 1961 et elle a produit son premier kilowatt le 19 août
1966. Le Président de la République de l'époque, le
Général de Gaulle, a inauguré le barrage le 26 novembre
1966.
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C.
Les attraits du site:
Le courant dans l'estuaire est fort (le débit de
la Rance peut atteindre six fois celui du Rhône), l'amplitude de
la marée y atteint aux équinoxes le chiffre exceptionnel
de 13,50 mètres et les deux rives sont relativement rapprochées
: la digue nécessaire à la création d'un bassin artificiel
de 22 km², serait alors longue de 750 mètres. Le débit
naturel du courant est mesuré à 18.000m3 à
la seconde.
De plus cette grande amplitude est accentuée par
la faible profondeur des fonds marins ( moins de 35 mètres).
L’énergie disponible E d’un site, est proportionnelle au carré
de l’amplitude moyenne des marées (c’est à dire à
la différence entre une marée haute et une marée basse
successive), et à la surface du bassin.
Une grande amplitude et une grande surface de bassin sont des éléments
qui permettront de produire une énergie importante.
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D.
Les aménagements du site :
Ci dessous une photo de l’écluse :
- D’une usine constituée d’une digue creuse en béton
armée de 390 mètres de longueur et 33 de large, recouverte
d’une route à quatre voies de circulation. Cette digue comporte
28 travées : les trois premières contiennent les ateliers
d’entretien et aires de démontage ; les 25 autres abritent
les 24 groupes bulbes, les trois transformateurs et la salle de contrôle.
Les 3 transformateurs sont connectés au réseau national de
120 000 volts.
- Une digue morte. C’est un barrage de 163 mètres
de longueur en enrochement, entre l’usine proprement dite et le rocher
de Chalibert.
- Un barrage mobile de 116 mètres de long constitué
de 6 vannes (ou pertuis) permettant un remplissage rapide du bassin lors
de la marée (9600m3 d’eau à la seconde).
La photo ci-dessous nous donne une vue d’ensemble du barrage :
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En 1951, après 10 ans d’avant d’avant-projet, sous
l’impulsion de l’ingénieur GIBRA une équipe d’EDF met au
point un système qui permet d’utiliser la force des marées
à temps plein. C’est le groupe bulbe ; sorte de petit sous-marin
composé d’une turbine KAPLAN (dont l’hélice est à
4 pâles orientables) et d’un alternateur. La turbine peut tourner
indifféremment dans les deux sens. On l’essai dès 1955 en
rivières et grandeur nature dans une écluse désaffectée
du port de Saint-Malo.
L’usine comprend 24 groupes bulbes de puissance unitaire
10MW, soit une puissance totale de 240 MW.
Une chute de hauteur H et de débit Q représente
une puissance P égale à :
avec: n : rendement
w = r. g : poids volumique de l’eau
r : masse volumique de l’eau ( = 1 000 kg/m3 )
g : accélération de la pesanteur ( = 9,81
m/s-2 )
Ces groupes bulbes, de part leur construction à
4 pales orientables, fonctionnent aussi bien en pompes (pour améliorer
le remplissage du bassin ) qu’en turbine. Ils mesurent 13.85 mètres
de longueur, 6 mètres de diamètre et pèsent chacun
467 tonnes. Ils assurent chacun un débit maximum de 275m3/s. La
production dépend directement de la hauteur d’eau. Mais grâce
aux pâles orientables, la vitesse de rotation de l’hélice,
donc de l’alternateur, se maintient à la vitesse constante de 93.75
tr/min.
Ci-dessous, on peut observer un groupe bulbe en coupe:
en rouge: l’alternateur et le cône turbine
en bleu: le distributeur avant
en vert: le distributeur conique et le cercle de vannage
L’avant-distributeur, constitué par deux rivoles
coniques reliées entre elles au moyen de 12 aubes directrices, est
la seule pièce d’appui des efforts du groupe ; c’est un ensemble
mécanosoudé de très grande rigidité.
Le distributeur est de type conique. Il est constitué
de 24 aubages orientables en acier inoxydable. Ces aubages contrôlent,
en direction, l’alimentation des pales de la roue de turbine dans le sens
mer-bassin. Il permet d’assurer le meilleur rendement pour toutes les chutes
et pour tous les débits. Il permet également d’isoler l’eau
du bassin de l’eau de la mer en se fermant complètement. Il régule
la vitesse de rotation de la turbine.
L’orientation des aubes varie de 0° à 95°.
L’orientation est choisie par l’ordinateur qui gère le fonctionnement
de l’usine. L’ouverture et la fermeture des aubes du distributeurs est
de 1° par seconde, ces mouvements s’effectuent par des servomoteurs.
L’action conjuguée des pales et du distributeur assure la régulation
de la vitesse de rotation de la turbine.
Les photos ci-dessous donne une idée des dimensions
des groupes bulbes:
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3.
Le chantier:
| Les travaux ont duré 6 ans occupant 500 à
600 ouvriers.
Les ouvrages ont été construits à
sec, à l'intérieur de trois enceintes.
|
|
|
La photo ci-dessous montre le chantier en 1963.
La première enceinte fut installée sur la
rive gauche, pour la construction de l'écluse, la seconde sur la
rive droite pour la construction des pertuis, et la grande enceinte centrale
pour la construction de l'usine et de la digue morte.
Les travaux débutèrent sur la rive
gauche, à la pointe de la Brebis, par la construction de l'écluse
qui autoriserait ultérieurement le passage des bateaux entre la
mer et le bassin de retenue. L’enceinte de l'écluse fut obtenue
par un mur en béton accroché sur les flancs de la pointe
de la Brebis, et construit en travaillant au moment des basses-mers. Cette
partie fut mise en service le 19 novembre 1962.
Parallèlement, on a construit le barrage
mobile à partir de la rive droite, entre la pointe de la Briantais
et l'îlot de Chalibert. Le barrage mobile est long de 115 mètres ;
c’est un mur percé de 6 pertuis qui permettent le passage du flot
vers l'amont. Un pertuis est une vanne de type wagon, manoeuvrée
par un servomoteur à huile. L’enceinte des pertuis fut obtenue en
construisant deux lignes de batardeaux, d'environ 175 m de long chacune,
en gabions de palplanches métalliques (diamètre 19 m) remplis
de sable. Le barrage mobile fut achevé le 24 mars 1963.
L’enceinte de l’écluse et du barrage mobile apparaissent
sur le schéma ci-dessous :
Les caissons en béton armé apparaissant
sur le schéma ci-dessus sont représentés un peu plus
en détail ci dessous:
L'enceinte principale (voir schéma ci-dessous)
fut obtenue en construisant deux lignes de batardeaux de 600 m de longueur
chacune ; au Nord, un batardeau spécial côté mer,
dit "batardeau de coupure ", et au Sud, un batardeau côté
estuaire, en gabions de palplanches. La construction de ces deux batardeaux
à permis de former entre eux un lac intérieur de quelques
dizaines d'hectares. Ensuite, il a suffi de vider le lac intérieur
afin de pouvoir travailler au fond à pied sec. On a construit à
l'intérieur l'usine marémotrice proprement dite, c'est-à-dire
une digue creuse en grande partie, longue de près de 400 mètres,
large de 33 mètres et haute de 32 mètres. La mise en eau
de l'usine marémotrice a eu lieu le 14 mars 1966.
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L’usine de la Rance est commandée en fonction des
besoins en électricité par le centre inter-régional
des mouvements d’énergie de Nantes. Il est nécessaire d’exploiter
l’usine de la Rance de manière optimale pour produire l’énergie
au meilleur coût et la rendre disponible au meilleur moment (par
exemple pendant les heures de pointe).
Les turbines de l’usine peuvent fonctionner selon 2 modes :
le simple ou le double effet. Ce choix est fait en fonction du marnage
et de la hauteur d’eau disponible (c’est à dire la différence
de niveau entre le bassin et la mer) qui varie dans le temps. Il faut au
moins une différence de hauteur de 5 mètres pour produire
de l’électricité.
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A.
Le simple effet:
Le simple effet est utilisé lors des marées
de marnage inférieur à 12 mètres, ce qui représente
environ 3 semaines dans le mois. Le principe est le suivant : à
marée montante on laisse entrer l’eau de la mer dans le bassin.
Les groupes bulbe fonctionnent en orifice (c’est à dire qu’ils laissent
passer l’eau sans être couplés au réseau électrique ;
les pales sont ouvertes en grand). Le turbinage se fait uniquement à
marée descendante, du bassin vers la mer.
D'autre part, les groupes bulbes peuvent aussi fonctionner
en pompe, et remonter artificiellement le niveau de l'eau afin d'élever
le niveau du bassin au-dessus du maximum atteint par la marée. Cette
opération consomme de l'énergie électrique au lieu
d'en produire, et n'est rentable qu'en heures creuses, la nuit par exemple.
Ceci permet de produire une quantité d’énergie supérieure
quelques heures plus tard lorsque la demande redevient importante sur le
réseau électrique. Ce système de pompage-turbinage
permet d'ajuster la production en fonction des besoins en électricité
du réseau.
Le principe du pompage est schématisé ci-dessous :
Pour une marée à coefficient faible, l’usine
produit en fonctionnement simple effet, 450 000 kWh par heure de pointe
et consomme 150 000 kW pour le pompage.
Le cycle de fonctionnement en simple effet est donc
constitué de cinq étapes successives par marée ;
celles-ci apparaissent sur le graphique ci-dessous:
La courbe bleue représente la variation de niveau
d’eau dans l’estuaire (ou du bassin) et la courbe rouge la variation du
niveau de la mer. Verticalement, le graphique indique l’amplitude en mètres.
1: Ouverture des six vannes. Démarrage des groupes
en orifice. La marée montante remplit l'estuaire, il n'y a pas de
production d'énergie
2: Fermeture des vannes. Couplage des groupes en pompe.
L'énergie électrique prélevée sur le réseau
permet une surélévation du niveau de l'estuaire.
3: Arrêt des groupes.
4: Démarrage des groupes en turbinage direct. L'énergie
électrique est fournie au réseau, les mètres cubes
d'eau pompés sous faible chute pendant la phase 2 sont cette fois
turbinés sous une chute plus importante. Le gain en énergie
est ainsi 2 fois supérieur à l'énergie absorbée
lors du pompage.
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B.
Le double effet:
Le double effet quant à lui est utilisé
pour les fortes marées lorsque le marnage dépasse les 12
mètres et que les coefficients de marées sont supérieurs
à 105 ; c’est à dire environ une semaine par mois. Dans
ce mode de fonctionnement, le turbinage se fait dans les deux sens, à
marée montante et descendante comme le montre le schéma ci-dessous.
Le cycle à double effet peut être divisé
en 7 étapes par marée comme le monte le graphique ci-dessous:
1: Démarrage des groupes en turbinage inverse Contrairement
au cycle à simple effet, la variation rapide du niveau de la mer
permet d'obtenir une chute suffisante pour coupler les groupes au réseau
et produire de l'énergie au remplissage.
2: Ouverture des vannes. Accélération du
remplissage.
3-4: Fermeture des vannes. Passage des groupes en orifice
puis couplage en pompe.
5: Arrêt des groupes.
6: Démarrage des groupes en turbinage direct.
7: Arrêt des groupes.
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C. Bilan:
Le cycle simple effet avec pompage est plus utilisé
car c’est le mode de fonctionnement des turbines qui offre le meilleur
rendement.
Les pourcentages du temps de fonctionnement des turbines
dans les différents modes sont les suivants :
- turbinage direct : 60% du temps (sens de rotation
que l’on a en simple effet c’est à dire avec un écoulement
allant du bassin vers la mer)
- pompage : 20% du temps
- turbinage inverse : 5 à 10% (sens de rotation
inverse au sens direct)
- fonctionnement en orifice : 10 à 15%
Les groupes bulbes permettent donc d'obtenir une énergie
non plus en rapport avec le rythme lunaire des marées mais avec
le rythme solaire qui est celui des activités humaines.
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5.
Bilan après 30 ans de fonctionnement :
A.
Quelques chiffres généraux:
La construction du barrage a coûté 617 millions
de francs en 1967, soit l'équivalent de 3,5 milliards de francs
en 1996. On peut estimer le coût de l’énergie marémotrice
à 18 centimes du kWh contre 15 centimes pour les centrales hydroélectriques
de type fil de l’eau, 25 centimes pour le nucléaire, et 30 centimes
pour les centrales hydroélectriques de type lac.
L’usine est connectée au réseau 80,6% du
temps. Sa production annuelle brute est de 600 millions de kWh dont 100
millions sont utilisés pour le pompage.
L’usine produit 8% de l’énergie consommée
dans les 4 départements bretons ; elle subvient aux besoins
en électricité d’une ville comme Rennes (qui est de 300 000
habitants).
C’est aussi un pont routier entre Saint-Malo et Dinard
où passent 25 à 35 000 véhicules/jour. Il ramène
de 45 à 15 kilomètres la distance entre ces deux villes.
Le trafic à l'écluse peut témoigner
de l'attrait de la Rance sur la plaisance : il a plus que triplé
entre 1960 et 1980. Cependant, l'explosion de la plaisance conduit peu
à peu à des encombrements navals à l'écluse
surtout au mois d'août avec plus de 8 000 passages (1 800 en temps
normal), et cela malgré les dimensions impressionnantes de l'écluse
permettant de livrer passage à un sous-marin.
L'usine emploie en temps normal 58 personnes. Le chantier
de rénovation des turbines qui va durer jusqu'en 2005, a créé
sur le site 30 nouveaux postes.
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B.
Impact environnemental :
Tout estuaire est un fragile équilibre entre eau
douce et eau salée, et en barrer l'embouchure bouleverse l'écosystème.
La flore et la faune ont été modifiées et restent
sous surveillance constante. Après la construction du barrage, il
a fallu attendre 10 ans avant que l'estuaire ne redevienne marin et que
les bancs de poissons ne retrouvent le chemin de l'estuaire. Les vannes
et les turbines empêchent une grande quantité d'espèces
marines de remonter dans l'estuaire où elles ont en grande partie
disparu. Maquereaux, lançons et autres congres sont maintenant rares;
il reste cependant des bars et des lieus.
De plus, l'envasement naturel de l'estuaire de la Rance
s'est accéléré depuis la construction du barrage.
La présence du bassin de retenue et les marées artificielles
favorisent la décantation. On a donc lancé des programmes
de valorisation de la vase (épandages dans les champs agricoles,
réalisation de talus, utilisation comme matière de comblement
pour les terrassements). La vase contient du calcium mais également
de l'argile.
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C.
D'autres projets d'usine marémotrice:
Juste après la fin de la construction de l'usine
de la Rance, il y eut un projet d'usine marémotrice au Mont Saint-Michel
où les marées font partie des plus importantes du monde.
Ce projet prévoyait d'abriter l'usine sous une digue de 80 km de
long pour produire soixante fois plus d'énergie que la Rance. Mais
la politique énergétique de la France dans les années
1965, sous l'impulsion du Générale de Gaulle, fut de se tourner
vers le nucléaire. Ce projet ne vit donc jamais le jour.
L'usine de la Rance est le seul exemple d'utilisation
industrielle de l'énergie marémotrice sur la planète .
La Grande Bretagne prolonge ses études sur le projet d’aménagement
de l’estuaire de la Severn. Un groupe expérimental existe en baie
de Fundy au Canada. D’autres études sont en cours en Corée
et en Inde.
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Bibliographie
"Waves, tides and shallowwater processes" (prepared by an
Open University Course Team, THE OPEN UNIVERSITY)
Le serveur de la station biologique de Roscoff présente un article
sur la marée et son influence sur la biologie des organismes de
l'estran
Les pages du SHOM consacrées à ce phénomène
:
Le serveur d'un étudiant, sur les aspects théoriques du
phénomène de marée :
Un serveur suisse, donnant des considérations plus générales
:
Sur le site Internet de l'EDF :
L'usine marémotrice de la Rance décrite à travers
des pages personnelles d'étudiants, sur différents serveurs
:
http://www.enitab.fr/eleves/GUILLA~1.PRE/RANCE.HTM
http://mtn-cremli.ac-nice.fr/~ere/St_vallier/energie/chap6.html
http://multimania.com/larance/main1.html
http://usinedelarance.multimania.com
Un site sur les moulins à marées
en Bretagne:
En baie de Fundy- Nouvelle Ecosse - Canada :
http://parkscanada.pch.gc.ca/nmca/amnc/atlantique/fundy/index.html
http://www.scottwalking.com/quickfacts.html
Un serveur du Mexique :
