Les Pelamis

Les Pelamis

1. Présentation générale de la technologie

Les pelamis sont des structures tubulaires flottantes articulées de 180 mètres de long et de 4 mètres de diamètre. Constituées par plusieurs modules articulés, ils peuvent se déplacer sur le plan vertical et horizontal (Figure 1).

Placées en mer, la houle leur confère un mouvement permettant à des alternateurs de transformer l'énergie des vague en électricité.

 

Figure 1 : Articulation des pelamis
(Pelamis Wave Power, 2013)

Les pelamis (Figure 2) sont ancrés aux fonds à par des câbles d'ammarage. L'énergie électrique produite est ensuite transportée grâce à des câbles électriques sous-marins, jusqu'à un transformateur placé sur la côte. Elle est ensuite distribuée sur le réseau électrique à haut voltage.

Figure 2 : Pelamis installé le long des côtes écossaises
(Pelamis Wave Power, 2013)

Le Tableau 1 présente les caractéristiques techniques sommaires des pelamis de la société Pelamis Wave Power.

Tableau 1 : Caractéristiques d'un pelamis
(Pelamis Wave Power, 2013)

Constructeur Pelamis Wave Power
Puissance 750 kW
Rendement de conversion 70%
Profondeur d'eau requise 50m

Ce type d'installation ne requiert pas de surface importante. Pour des zones productives comme les côtes écossaises, une installation de pelamis d'un kilomètre carré peut fournir jusqu'à 10MW.

La Figure 3 présente la disposition globale d'une ferme de pelamis et son ancrage sur les fonds marins.

Figure 3 : Schéma d'implantation d'une ferme de pelamis.
(Pelamis Wave Power, 2013)

 

2. Plan du dimensionnement

Le dimensionnement d'une ferme de pelamis en Vendée est présenté de la façon suivante :

1. Dimensionnement global

2. Aspect réglementaire

3. Implantation

4. Aspect économique

5. Impacts environnementaux et sociétaux

Dimensionnement global

Dimensionnement global

1. Calcul de la production énergétique

Le but de cette partie est de dimensionner d'un point de vue énergétique l'installation d'une ferme de Pelamis en vue de subvenir aux besoins de l'usine de dessalement dans son ensemble soit C = 74,872 GWh/an.

La partie précédente (Evaluation de la houle) indique une production énergétique moyenne de p = 1,223479 GWh/an par pelamis.

Une simple division entre ces deux données donnent le nombre de pelamis nécessaire à subvenir à la consommation énergétique de l'usine sur une année.

$ n=C/p $

A.N. : $ n=61,19 $
 

On obtient n=61,19 soit 62 pelamis (n').

En multipliant cette donnée par la production d'un Pelamis, on trouve une production énergétique réelle P' .

$ p' = n'.p $

A.N. : $ p'=75,9~GWh/an $

La production réelle serait donc de 75,9 GWh/an.

2. Calcul de l'espace requis

Le constructeur Pelamis Wave Power estime que la surface nécessaire pour construire une ferme d'une puissance de 10 MW est de 1 km².

La puissance nominale du modèle choisi, "Pelamis PII" est de 750 kW (Pelamis Wave Power, 2013). Ainsi, la puissance de la ferme permettant de subvenir aux besoins énergétiques de l'usine serait de 46,5 MW (P). La surface nécessaire S est donc obtenue de la façon suivante :

$ S = P/10 $

A.N. : $ S = 4,65~km² = 465~ha $

La surface nécessaire à la construction d'une telle ferme est donc de 465 ha.
 

Aspect réglementaire

Aspect réglementaire

Les énergies houlomotrices sont en France plus rare que les installations utilisant l'énergie éolienne ou solaire. Les textes de lois sont demeurent donc assez généraux concernant l'implantation de pelamis.

1. Règlement sur l'implantation de pelamis

D'après la décret n°2012-41 du 12 Janvier 2012, les installations houlomotrices ne sont pas soumises au code de l'urbanisme. Elles ne nécessitent donc pas de permis de construire tout comme les raccordements au réseau.

2. Règlement sur l'exploitation de pelamis

Si la puissance de l'installation est supérieure à 12 MW, elle sera soumise à une demande d'autorisation, autrement une simple déclaration suffit.

3. Règlement sur les tarifs d'achat de l'énergie produite

Les tarifs de rachat de l'électricité sont fixés par l'arrêté du 1er Mars 2007 pour les installations utilisant l'énergie des lac, des cours d'eau ou de la mer.

D'après cet arrêté, l'énergie fournie par les pelamis est rachetée au tarif de 15 c€/kWh.

 

Implantation

Implantation de la ferme de Pelamis

Afin de choisir une zone d'implantation pour la ferme de Pelamis, plusieurs contraintes sont à prendre en compte :

- la bathymétrie

- les espaces protégées

- les couloirs maritimes

- les zones d'activités aquacoles

1. Bathymétrie

La première contrainte à prendre en compte est la profondeur minimale d'installation d'une ferme de pelamis. Les fiches techniques du constructeur (Pelamis Wave Power, 2013) indique une profondeur minimale de 50m.

Le profil bathymétrique obtenue sur la base de données du SHOM est présenté en Figure 1.

Figure 1 : Carte de la Bathymétrie de la côte vendéenne
(SHOM, 2013)

La zone en vert correspond à une profondeur minimale de 50m. Cette zone se situe à environ 15 km de la bouée donnant les données de houle. Cependant nous extrapolerons les données trouvées afin de faciliter nos calculs.

La Figure 2 représente cette zone par extrapolation sur ArcGis. Comme nous n'avions pas pu obtenir le MNT de la carte bathymétrique du SHOM, nous avons considéré que la zone située entre 15 et 50 km de la côte était à profondeur acceptable pour l'implantation de pelamis.

Figure 2 : Carte de la zone située entre 15 et 50 km de la côte
(J. Le Ster, A.Marty, 2013)

2. Espaces protégés

La région littorale comporte un ensemble d'espaces protégés comme les zones Natura 2000 ou les ZNIEFF. Les Pelamis ne seront pas implantés dans ces zones.

La carte suivante (Figure 3) représente l'ensemble des espaces protégés au large de la Vendée

Figure 3 : Carte des zones protégées sur le littoral vendéen.
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)

 

3. Voies navigables et zones de pêche

3.1. Couloirs maritimes

Pour des raisons pratiques et de sécurité, l'implantation des pelamis ne doit pas interférer avec les diverses voies navigables. La carte suivante (Figure 4) présente les routes commerciales suivies par les navires ainsi que les trajets de navettes touristiques (données fournies par la Préfecture Maritime de l'Atlantique).

Figure 4 : Routes maritimes majeures au large de la Vendée
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)

Ces routes maritimes ne recoupent donc pas la zone potentielle où sont implantables les pelamis. Le risque de collision et les manoeuvres de détournement seront réduits.

 

3.2. Aquaculture et zones

Afin d'éviter d'éventuels conflits d'usage de l'espace, les pelamis ne doivent pas être implantés sur des espaces déjà utilisés à des fins économiques comme les parcs ostréicoles, ou les zones de conchyliculture.

La carte suivante (Figure 5) regroupe l'ensemble de ces zones. Les zones d'aquaculture, les parcs ostréicoles, ou zones conchylicoles sont présentes à proximité immédiate des côtes. Ces espaces ne sont donc pas problématiques pour l'implantation de pelamis qui s'effectue au-delà de ces zones.

 

Figure 5 : Zones d'exploitation des ressources maritimes le long des côtes vendéennes
(IGN, 2013)

La carte suivante (Figure 6), présente les zones soumises à réglementation concernant le chalutage pelagique au large de la Vendée. La zone d'intérêt comporte ici une interdiction concernant le chalutage pelagique. De ce fait les impacts sur ces acivités seront limités.

Figure 6 : Zones réglementées pour la pêche professionnelle le long des côtes vendéennes
(Service de régulation des activité marines et portuaires, Délégation à la mer et au littoral de la Vendée, 2013)

 

4. Bilan

A partir de ce premier bilan on constate que l'implantation de pelamis ne comporte pas de contraintes majeures liées aux activités ou aux déplacements maritimes, si ce n'est la bathymétrie qui impose une profondeur de 50 m minimum. Ainsi, la zone retenue est celle encadrée en rouge dans la Figure 4.

 

Aspect économique

Aspect économique

Afin d'évaluer l'aspect économique de la mise en place d'une ferme de 62 pelamis au large des côtes vendéennes nous prendrons en compte :

- le coût d'investissement, (construction et entretien)

- la rentabilité économique (prix de revente de l'énergie produite)

Certains paramètres ne sont pas pris en compte, n'ayant pas de données concrètes, comme les taxes professionnelles ou foncières. De plus, des retombées économiques peuvent être prises en compte pour la communauté de communes comme la création d'emploi.

1. Coûts d'investissement

Les données de coût d'installation du pelamis ont été collectées sur le projet de BEI réalisé en 2009-2010 (D. Carrer, C. Iman, 2010).

Sachant que l'installation d'un pelamis (coûts de matériaux, travaux d'ancrage et raccordement au réseau électrique...) est de 800 000 €, le coût d'investissement total d'une ferme de 62 pelamis est de 49 600 000 €.

De plus, les coûts d'entretien sont estimés à 80 000 €/an par pelamis, soit 4 960 000 €/an pour l'ensemble de la ferme. Sur une durée d'exploitaiton de t = 20 ans, cela représente un montant d'entretien de 99 200 000 €.

Le coût total d'installation et d'exploitation de la ferme de pelamis est de 148 800 000€.

2. Recettes

  • Scénario 1 : Utilisation de l'énergie produite et vente du surplus

     - Economie d'énergie

Le premier scénario envisagé est que l'énergie houlo-motrice produite est directement utilisée par l'usine de dessalement. Dans ce cas, l'entreprise n'aura pas à acheter l'électricité à un fournisseur tel qu'EDF et économisera donc 8,09 c€/kWh, tarif d'achat moyen de l'électricité en France pour les industries en 2012 (a) (Eurostat, 2013).

En considérant un taux d'inflation de 2% chaque année, on obtient un coût de l'énergie présenté dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Prix du kWh en prenant en compte un taux d'inflation de 2%

Année 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032
a : Prix du kWH (c) 8,25 8,42 8,59 8,76 8,93 9,11 9,29 9,48 9,67 9,86 10,06 10,26 10,47 10,67 10,89 11,11 11,33 11,55 11,79 12,02

Sachant que la consommation énergétique annuelle est C = 74,872 GWh/an et en considérant le contrat d'achat de l'électricité de t = 20 ans, l'économie totale faite grâce à l'exploitation d'une ferme de pelamis en Vendée est de 150 116 146 €.

$ E=C*\sum_{i=2013}^{2032}{(a_{i})}~$

A.N. : $ E=150~116~146~€ $

     - Vente du surplus

De plus, la production réelle (p') de la ferme de Pelamis est de 75,9 GWh/an. Un surplus énergétique (S) est donc produit et revendable :

$ S=p'-C $

A.N. : $ S=1,028~GWh $

Sachant que le prix d'achat de l'énergie (A) est estimé actuellement en France à 15 c€/kWh (Ministère de l'écologie, du développement durable  de l'énergie, 2013), le bénéfice lié à la vente du surplus (B) est de :

$ B=A.S $

A.N. : $ B=154~200~€/an $

Sur une durée d'exploitation de la ferme de t = 20 ans, la vente du surplus énergétique est alors estimé à 3 084 000 €.

     - Bénéfice total

Le bénéfice total s'estime alors à 153 200 146 €.

  • Scénario 2 : Vente totale de l'énergie produite

Avec un prix d'achat de l'énergie (a) estimé à 15 c€/kWh et une production annuelle réelle p' = 75,9 GWh, on obtient ainsi une recette annuelle (R) de :

$ R=a.p' $

A.N. : $ R=11~385~000~€/an $

En considérant que la durée de vie et donc de l'exploitation des pelamis est de t = 20ans, on peut estimer la recette totale de l'exploitation du projet de ferme de pelamis en Vendée :

$ R_{tot}=R.t $

A.N. : $ R_{tot}=227~700~000~€ $

En posant l'hypothèse que le prix d'achat des énergies renouvelables est fixe à 15 c€/kWh en 20 ans, la recette totale s'élève à 227 700 000 €.

  • Bilan

Le scénario 2 est le scénario le plus rentable pour l'exploitation d'une ferme de pelamis avec une recette de 227 700 000 €.

Nous retiendrons ce scénario pour le calcul du seuil de rentabilité.

3. Seuil de rentabilité

Deux fonctions sont posées :

  • F1(t) : représente le coût d'exploitation de la ferme de pelamis au cours du temps. Elle vaut :

$ F_{1}(t)= 49,6+4,96.t $

  • F2(t): représente le bénéfice annuel lié à la revente de l'énergie produite :

$ F_{2}(t)=11,385.t $

Le graphique suivant (Figure 1), permet de déterminer le nombre d'années à partir duquel l'exploitation devient rentable.

Figure 1 : Calcul du seuil de rentabilité pour la ferme de Pelamis
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)

En posant F1(t) = F2(t), on trouve que l'investissement est remboursé au bout de t=7,72 années, soit environ 8 ans.

Impacts environnementaux et sociétaux

Impacts environnementaux et sociétaux

1. Impacts environnementaux

L'implantation de fermes de pelamis est susceptible de générer quelques interactions parfois indésirables avec le milieu marin. La section suivante décrit les principaux impacts à prendre en compte.

  • Le remaniement des fonds et la mise en suspension de matériaux

Dans le cadre de l'installation de pelamis, seule la mise en place des systèmes d'ancrage et de placement des câbles électriques par ensouillage (enfouissement) sont susceptibles de perturber les fonds marins. Les pelamis étant des structures flottantes, ils n'affectent pas directement les fonds marins.

Cependant, les chaînes d'ancrage peuvent parfois remettre en suspension des sédiments si celles-ci frottent sur les fonds marins.
 

  • Bruits et vibrations

Il existe encore peu de recul sur les effets de ce type d'installation. Cependant on estime la production sonore à 165-175 rms pour les dispositifs houlomoteurs. Les fréquences des sons produits sont comprises entre 10 et 50 000 Hz.
 

  • Electromagnétisme

Les pelamis étant relié au transformateur par un câble électrique, il existe nécessairement une activité électromagnétique. Si l'effet de ces champs est encore peu connu sur les différentes espèces, leur niveau dépendra essentiellement du voltage transporté du type de câble et de courant (alternatif ou continu).  La figure suivante (Figure 1) présente l'intensité du champ magnétique (en µT) en fonction de la distance au câble d'alimentation.

Figure 1: Comparaison de l'intensité du champ magnétique en fonction de la distance au câble électrique pour un courant alternatif (à droite) et continu (à gauche)
(Ministère de l'énergie et du développement durable, 2012)

Si l'on prend l'exemple du projet de ferme de pelamis "Aegir Wave Power" en Ecosse, le courant est exporté sous forme continue, ce qui diminue ainsi l'étendue du champ magnétique généré.

  • Température

Une ferme de pelamis ne sera pas source de chaleur pour le milieu, toutefois ce sont les câbles électriques sous-marins qui sont à prendre en compte dans l'élévation de la température. Cette augmentation est locale et dépend du type de câble, de la profondeur de son enfouissement, des sédiments constituants le fond marin, de la tension, et du type de courant.

Pour une tension de 132 kV des observations réalisées en Allemagne ont permi de relever une élévation de température de l'ordre de 2°C (OS PAR, 2008, in CETMEF 2010).

La tension de sortie d'un pelamis est de 690V (Pelamis Wave Power, 2013). Un montage en série des 62 pelamis permettrait donc d'atteindre une tension théorique maximale de 43.4 kV, soit environ un tiers des 132 kV cités précédemment.On peut alors penser que l'élévation de température sera inférieure à 2°C et quasi négligeable.

En exportant le courant sous forme continue, on réduit également la dissipation thermique.
 

  • Contamination du milieu

Malgré l'étanchéité des structures, on peut garder à l'esprit que des fuites d'huile ou des substances provenant des peintures peuvent être libérées dans le milieu. Il existe cependant les huiles biodégradables utilisables pour réduire cet impact.
 

  • Présence physique des installations

La zone d'implantation des pelamis peut créer une zone refuge pour la faune marine, cependant le bruit des machines peut compenser l'effet attracteur de la zone (Ministère de l'énergie et du développement durable, 2013).

L'implantation de récifs artificiels est parfois envisagée pour favoriser le développement de la faune marine sous la zone d'accès restreint.

2. Impacts sociétaux

  • Présence physique des installations

L'implantation d'un tel projet nécessite l'acceptation de la part des populations environnantes. Les pêcheurs par exemple ne doivent pas voir leurs zones de travail réduites significativement, ou leurs routes étendues pour atteindre ces mêmes zones de pêche.

  • Impact visuel sur le paysage

Lors de la mise en place d'une installation, plusieurs critères sont à prendre en compte afin de déterminer sa visibilité. Les mouvements, l'éclairage, l'orientation, le contraste avec l'horizon et la hauteur sont les principaux facteurs. Les structures houlomotrices comme les pelamis sont en partie immergées et constituent des installations discrètes.

Sachant que la distance à la côte est supérieure à 15 km, cet impact est négligeable.