L'hydrolienne : principe de fonctionnement
Les intérêts et inconvénients des machines houlomotrices
Utilisation des récupérateurs de houle
Premiers résultats expérimentaux
Calcul de la puissance théoriquement récupérable
Récupération de l'énergie
de la houle
La houle et les vagues constituent une source d'énergie dont la récupération occupe l'esprit de l'homme depuis la fin du XIXème siècle. Dans l'ouvrage de A.Berget de1923 intitulé "Vagues et marées", on peut déjà trouver quelques dispositifs proposés pour récupérer l'énergie mécanique représentée par le mouvement des vagues. Plusieurs mécanismes peuvent être utilisés:
Les flotteurs : un support stable porte un axe de rotation autour duquel peut tourner une poulie. A cette poulie est accrochée d'un côté un flotteur et de l'autre un contre-poids. Cette idée a été adoptée en 1886 par l'abbé Le Dantec pour son "moteur à vagues". Le flotteur, en montant et en descendant alternativement, actionnait, par une tige verticale à double denture, deux pignons à l'aide de deux "roues libres"; le premier tournait à l'ascension, le second à la descente, et tous deux transmettaient, par engrenages, leur mouvement à une roue unique qui se trouvait avoir ainsi un mouvement de rotation continu.
Les palettes : ce n'est plus la poussée hydrostatique occasionnée par l'ascension de l'eau au passage d'une vague qui est utilisée ici, mais le choc d'une vague sur une surface mobile, par exemple sur une palette.
L'air comprimé : tout comme cela a pu être imaginé pour la récupération de l'énergie marémotrice, on peut utiliser un mécanisme de compression d'air. L'air comprimé peut être alors utilisé par exemple pour un moteur à vapeur.
Cependant, tous ces dispositifs ne résistent pas pour la plupart aux tempêtes. Un dispositif à amortisseur fut imaginé par Fusenot, utilisant un "bassin à vagues" et un mur afin d'amortir les effets destructeurs des vagues de tempêtes. Mais la plupart des mécanismes imaginés sont restés à l'état d'expériences.
Le choc pétrolier de 1973 relance dans les pays occidentaux la recherche sur les énergies renouvelables; parmi elles, l'énergie de la houle libère les imaginations: en effet, l'utilisation de cette source d'énergie propre et inépuisable serait aussi de nature à calmer l'amplitude de la houle dans les ports et leurs abords.
Nous exposerons ici un de ces projets imaginés alors: l'hydrolienne, développée par Monsieur Paroldi.
L'hydrolienne est constituée principalement d'un flotteur, d'un rotor et d'un stabilisateur.
- Le flotteur est de capacité réglable, en le lestant avec plus ou moins d'eau; le réglage idéal étant que la hauteur d'air emprisonné dans le flotteur corresponde à la hauteur des vagues.
- Le rotor est composé de quatre pales, chacune étant articulée autour de son axe: la houle, en faisant pivoter les pales autour de leur axe, met le rotor en rotation. Il a été développé de manière à ce qu'il tourne toujours dans le même sens, que la houle ait tendance à le soulever ou à le rabaisser.
- Le stabilisateur est composé de quatre grandes pales, qui doivent s'opposer à ce que l'hydrolienne entre en rotation: en effet, le rotor serait alors inactif.
Lorsque la hauteur d'eau augmente ou diminue, le flotteur oblige l'hydrolienne à se déplacer verticalement; le rotor est alors mis en rotation.
Le premier intérêt de la houle en temps que source d'énergie est qu'elle est gratuite, inépuisable et non polluante: en cela, elle constitue un cas quasiment unique: seule l'énergie solaire possède les mêmes caractéristiques.
De plus, les récupérateurs de houle seraient de nature à calmer les eaux d'un port, puisqu'ils retirent de l'énergie aux mouvements d'eau: la navigation y serait aisée.
Cependant, son prix est un obstacle à sa mise en place: selon des études réalisées il y a vingt ans, l'énergie houlomotrice reviendrait 10 à 30 fois plus cher que les énergies thermiques.
Deux utilisations ont été imaginées, compte tenu du fait que l'exploitation d'une centrale électrique immergée n'est pas des plus faciles:
- Stockage de l'énergie par électrolyse de l'eau, et récupération de l'oxygène et de l'hydrogène produits.
- Utilisation immédiate de l'électricité: l'hydrolienne sert alors de balise lumineuse:
.
Le fait que le rotor doive tourner toujours dans le même sens a obligé l'inventeur a étudier de manière précise l'architecture des pales:
Le profil adopté est de type "aile d'avion": le sens de rotation du rotor est alors imposé.
- L'équilibrage cinématique de la pale doit être réalisé, de manière à ce qu'en l'absence de houle, la pale reste à l'horizontale. Ainsi, à chaque montée ou descente de la houle, la pale s'incline du même angle.
- L'équilibrage dynamique est réalisé par l'expérience: on modifie l'emplacement et la masse du lest pour obtenir le rendement maximal.
Un premier engin, qui n'avait pas la forme du prototype final, fut testé dans le port de Doélan, en Bretagne, au printemps 1979 avec un prototype dont le rotor avait une aire de 7 m². La hauteur de la houle étant de 80 centimètres, les expérimentateurs récupérèrent une puissance de 3 kW.
Etant donné un domaine D(t) advecté par un mouvement u(x,t) solution des équations de
Navier-Stokes incompressibles, l'équation de bilan de l'énergie cinétique s'écrit:
où dD(t) est la frontière du domaine D et U3 la vitesse verticale. De même l’équation de conservation
de l’énergie totale entraîne :
Le flux d’énergie totale à travers une surface quelconque S est donc
Dans le cas d’un écoulement périodique en temps d’un écoulement à surface libre, le flux à travers une section verticale S par unité de longueur Ly et moyenné en temps est :
Dans le cas d’une houle monochromatique,
on peut utiliser l’équation de Bernouilli
et
pour calculer
où l’intégration jusqu'à la surface est approximée par l'intégration jusqu'à la côte 0.
On en déduit
On a utilisé la relation de dispersion
dont la vitesse de groupe est
On peut donc écrire F=Cg . e
où e est l’énergie volumique et vaut:
En connaissant le volume d'eau qui traverse le rotor ( qui dépend de la surface offerte par le rotor et de la vitesse de propagation de la houle ), on peut donc déterminer la puissance théoriquement récupérable par un tel appareil.