1. A propos des hydroliennes

Au cours des sections précédentes, les deux binômes ont pû établir les caractéristiques générales de la zone au sein de laquelle l'implantation de la ferme hydrolienne est souhaitée. Cela permet dès lors de pouvoir grâce à une étude bibliographique de déterminer quelle serait la machine la plus pertinente à mettre en place dans ce milieu.

Généralités

La dynamique océanique est une source inépuisable d'énergie, qui est depuis quelques années en plein essor. Ces mouvements marins ont pour principal objectif de pallier au déséquilibre énergétique reçu par la terre via le rayonnement issu du soleil. Ces derniers se manifestent selon trois phénomènes distincts :

  • Le marnage
  • La houle conséquence du forçage du vent sur la surface libre
  • les courants marins

L'étude porte sur l'exploitation de cette dernière catégorie qui s'effectue à l'aide d'implantation de fermes hydroliennes. Le fonctionnement de cette machine est proche de celui de l'éolienne, elle convertie l'énergie cinétique issue des courants marins (courants océaniques et courants de marée) en énergie mécanique. Cette dernière sera convertie en électricité, par le biais d'un alternateur, qui sera acheminée vers le continent.

Schéma de fonctionnement de l'hydrolienne
(http://tpe-hydroliennes.blogspot.fr/p/fonctionnement-general.html)

 

Le principal avantage des hydroliennes est que la quantification de la ressource est relativement aisée car ces courants sont prévisibles, en plus d'être particulièrement forts. De plus, la masse volumique de l'eau étant plus de huit cent fois plus élevée que celle de l'air, ces turbines, significativement plus petites que des éoliennes, permettent une production comparable.
La puissance motrice de l'eau traversant la surface du rotor est donnée par la formule suivante:

$\omega = 0.5 \rho U^3$

Il est aisé de constater que la puissance de la ressource augmente fortement avec la vitesse du courant. Il a donc été admis par les concepteurs ainsi que les futurs exploitants de cette ressource, que l'implantation d'hydroliennes est intéressante si le courant de la zone géographique prise en considération dépasse 2 m/s.

Le rendement énergétique des machines, bien que spécifique à chacune d'entre elles, est limité à 60% de la puissance théorique définie ci-dessus. Cela a pour origine l'élargissement de la veine du fluide au voisinage des pâles de l'hydrolienne faisant dès lors chuter la vitesse du fluide aux abords de cette dernière. A cela s'ajoutent les pertes de la machine liées aux frottements ainsi qu'à la conversion de l'énergie mécanique en électricité, conduisant le rendement global aux alentours de 40 à 50%.

Cette source d'énergie fait l'objet de nombreux espoirs puisqu'elle représente une énergie renouvelable propre, inépuisable et prévisible. Effectivement, outre ce fort potentiel estimé à 3 GW au large des côtes françaises, les hydroliennes ne rejettent aucun déchet, ne provoquent de gênes ni au niveau de la circulation maritime ni au niveau sonore du fait de leur faible vitesse de rotation.
Cependant, le bilan sur cette technologie ne serait pas complet sans mettre en lumière les impacts sur l'environnement comme la création de zones mortes liées à la modification du transport sédimentaire aux alentours de la zone d'implantation. Un autre point primordial à prendre en compte est la méconnaissance des coûts d'exploitation réels dûs à une absence de retour d'expérience.

Les différentes technologies

Actuellement, le développement des hydroliennes est fait par plusieurs petites entreprises, souvent  aidées financièrement par les gouvernements. Les technologies considérées comme les plus prometteuses sont présentées ci-dessous :

DeltaStream turbine

Développée par Tidal Energy Ltd., la machine est constituée de trois turbines indépendantes montées sur un socle triangulaire fixé au fond. Les trois machines sont à axe horizontal et sont capables de s'orienter par rapport au courant. Le socle commun renforce la stabilité de l'ensemble, en abaissant le centre de gravité de la structure vers le fond, et réduit les coûts d'installation et de fixation de l'hydrolienne.


Source: http://www.tidalenergyltd.com/cms/wp-content/uploads/2013/04/DeltaStream-%C2%A9-Tidal-Energy-Ltd1.png

Evopod turbine

Cette turbine à cinq pales et à axe horizontal développée par OceanFlow Energy Ltd, a la particularité de flotter, sa fixation s'effectuant par ancrage au niveau du fond marin. La machine se trouvant proche de la surface, l'intensité du courant est donc plus importante qu'au niveau du fond. La puissance énergétique interceptée s'en trouve ainsi considérablement augmentée, en cela réside le principal avantage de cette machine.
Un premier test de ce prototype (modèle 1/10) aux alentours de l'Irlande du nord s'est avéré concluant (alimentation permanente d'un alternateur de 1kW pendant 120 jours).


Source: http://www.oceanflowenergy.com/media/project_big/23.jpg

Free Flow turbine

Cette turbine à trois pâles à axe horizontal est développée par Verdant Power. Elle est constituée d'un rotor de 5 mètres de diamètre et d'un mécanisme d'orientation qui lui permet de fonctionner dans le mouvement montant puis descendant de la marée. Ce prototype a déjà été installé sur l'Est River à New-York et a produit 70MWh en 9000 heures/turbine.


Source: http://www.adamaston.com/wp-content/uploads/2006/03/temp-verdant-turbine.jpg

Lunar Energy Tidal Turbine

Conçue par Lunar Energy Ltd, cette hydrolienne à axe horizontal est constituée d'un venturi qui guide et accélère l'écoulement impactant le rotor. Ce mécanisme permet ainsi d'extraire plus d'énergie en utilisant des pales plus petites, réduisant dès lors les coûts de production de la machine. Le venturi permet aussi de maximiser le rendement de la turbine, en redirigeant l'écoulement perpendiculairement au rotor.


Source: http://www.reuk.co.uk/OtherImages/lunar-energy-tidal-turbine.jpg

AN150

Dans le cas où le lieu d'implantation des hydroliennes se situe dans des eaux peu profondes contenant des débris de taille significative, Atlantis Resources Corporation a développé le prototype illustré ci-dessous. Il utilise des pales et la vitesse du courant pour entraîner une chaîne perpendiculaire à l'écoulement.


Source: http://atlantisresourcesltd.com/images/an-series/Installation%20112.jpg

Open-Centre Turbine

Le concepteur Irlandais OpenHydro a mis au point une turbine à axe horizontal. Afin de limiter l'impact de cette machine sur le transport sédimentaire ainsi que sur la vie sous-marine, les machines sont constituées de pâles arrondies ainsi que d'un trou central. Le poids conjugué de l'hydrolienne et de son socle triangulaire, permet à ces dernières d'être posées simplement au fond de l'océan. Les différents moyens de fixations sont alors superflus, de plus l'entretien des turbines s'en trouve facilité.


Source: http://cubeme.com/blog/wp-content/uploads/2011/10/Open_Centre_Turbine_Tidal_Turbine_OpenHydro_CM2.jpg

Pulse Tidal Hydrofoil

Le principal avantage de cette machine conçue par Pulse Generation Ltd réside en son axe de rotation vertical. Ainsi, la longueur des pâles n'est plus limitée par la profondeur des eaux de la zone d'implantation. De plus, l'énergie produite étant proportionnelle au volume d'eau déplacé par les pâles, la performance de ce type de machine peut être jusqu'à quatre fois plus importante que celle d'une hydrolienne à rotor. 


Source: http://pulsetidal.co.uk/assets/images/more_power_snip.jpg

SeaGen

Cette machine développée par Marine Current Turbines Ltd se caractérise par la présence de deux turbines à axe horizontal montées sur une poutre transversale pouvant être sortie de l'eau afin d'en faciliter la maintenance. La modification des angles d'inclinaison de ces dernières, leur permet de fonctionner en marée montante et descendante. Cependant leurs impacts, visuel sur l'environnement ainsi que sur la circulation maritime sont non négligeables.


Source: http://theirearth.com/uploads/news/1677766376_seagen_turbine_under_water.jpg

 

 

Hydrolienne D10 Sabella

Parmi toutes ces technologies il a fallu choisir un modèle pour ce projet. Contrairement à leurs voisines les éoliennes, le choix n'est pas si simple. En effet, il n'est pas possible à l'heure actuelle de trouver des courbes de fonctionnement permettant de choisir la machine au rendement optimal pour une zone étudiée.

La sélection s'est donc basée sur deux critères :

  • hydroliennes bidirectionnelles qui permettrait d'exploiter le jusant (courant de marée descendante) et le flot (courant de marée montante)
  • accès aux caractéristiques de l'hydrolienne de la part de l'entreprise détentrice

Étant en contact avec un ingénieur chez Sabella, le choix s'est porté sur le modèle D10 Sabella (figure ci-dessous). Cette hydrolienne de 10 mètres de diamètre permet un fonctionnement bidirectionnel.

 

(Source : http://bretagnepolenaval.org/?titre=&mode=espace_info-news&id=1423)

 

Le concept d'hydrolienne sous-marine SABELLA se différencie des technologies qui émergent à travers le monde par sa simplicité d'implantation et sa robustesse. Ceci n'est pas négligeable en considérant l'hostilité du milieu dans lequel elle sera implantée, et permet de limiter à la fois les coûts de mise en place mais aussi de maintenance.

Ce modèle se caractérise par une configuration de turbines posées sur le fond marin, sans emprise en surface. Ces turbines sont stabilisées par gravité et/ou ancrées en fonction de la nature du fond.

Elles sont pré-orientées face aux courants de marée, et le profil de leurs pales symétriques permet de capter le flot et le jusant. Le rotor activé à faible vitesse (10 à 15 tr/min) par le flux de la marée, entraîne une génératrice dont la production électrique est exportée à la côte par un câble sous-marin ancré et ensouillé à son atterrage.

A l'instar d'une éolienne, un module de conversion transformation régule la production électrique issue de la génératrice "à vitesse variable" pour livrer un signal électrique conforme aux spécifications du réseau local.

Pour la turbine D10, Sabella renseigne quelques valeurs de puissance en fonction des vitesses de l'eau :

Puissances théoriques de la turbine D10
   Vitesses     Puissances
   2.5 m/s 0.3 MW
   3 m/s 0.5 MW
   3.5 m/s 0.75 MW
   4 m/s 1.1 MW

Fixation des machines

Les hydroliennes sont des machines destinées à fonctionner immergées, dans un milieu hostile, où l'accès est rendu délicat à cause de l'existence même des courants dont on désire exploiter l'énergie. Il est donc essentiel que les hydroliennes soient conçues d'emblée en vue d'obtenir une grande fiabilité et un besoin très faible en maintenance. Dans cette optique, la fixation de l'hydrolienne au fond marin doit être réfléchie et dimensionnée de manière à maintenir cette dernière et ce même en cas de courants de tempête.

Il existe trois grands types de fixations :

  • fixation gravitaire : l'hydrolienne est posé sur un socle lourd. L'ensemble résiste aux courants par son propre poids.

Dans le cas de sites à très forts courants, le poids de l'hydrolienne peut s'avérer insuffisant. On fait alors le choix entre deux autres types de fixations :

  • pieux d'ancrage unique de gros diamètre
  • multiples pieux d'ancrage de faible diamètre

Leur dimensionnement tient compte des effets du courant et de la houle et du poids de l'hydrolienne.

Le choix de la fixation dépend du type d'hydrolienne mais aussi des caractéristiques du site d'implantation. Dans le cas présent, Sabella a fait le choix de la robustesse avec son hydrolienne D10 qui possède un poids important. Ainsi la fixation gravitaire semble la solution d'ancrage la plus adaptée. De plus, le passage du Fromveur étant un site au sol rocheux, la mise en place de pieux d'ancrage semble compromise tant d'un point de vue pratique qu'économique. L'emploi d'une fixation gravitaire permet aussi de réduire les impacts environnementaux (pas de forages nécessaires).

Une étude de stabilité simplifiée a été effectué pour le modèle d'hydrolienne retenu. Dans un premier temps, les efforts exercés sur l'ensemble hydrolienne ont été recensé.

Ici le parallèle avec les éoliennes est instructif. Pour une éolienne, la principale inquiétude est la fatigue des pales, due notamment aux efforts alternés de la pesanteur à chaque rotation. Dans une hydrolienne, la flottabilité des composants peut être mise à profit pour annuler l'effet de la pesanteur, et donc la fatigue cyclique. L'autre cause de fatigue des pales est la turbulence du vent. Les courants sont aussi le siège d'une turbulence importante, les irrégularités du fond marin créant des remous. De plus, si la zone est balayée par la houle, le mouvement cyclique des particules d'eau se superpose au courant, et la vitesse locale de l'eau varie d'un instant à l'autre. La conception des hydroliennes du consortium français tient compte de ces phénomènes éventuels, plus ou moins marqués selon le site d'implantation.

Dans la cas étudié, seul les effets cinétiques dus au courant seront pris en compte. En effet, le passage du Fromveur présente l'avantage de ne pas être animé par une forte houle. Les effets hydrodynamiques de la houle sont ainsi négligeables. De plus, la participation individuelle de chaque élément constituant l'hydrolienne (rotor, stator, pales, socle...) ne sera pas étudié, seule une étude globale sera conduite. L'hydrolienne D10 de Sabella peut s'apparenter dans l'ensemble à un triangle de base 20 mètres et de hauteur 15 mètres. L'ensemble présente un poids de 500 tonnes.

  • Étude de stabilité pour le cas de tempête :

Ne connaissant pas en détails les caractéristiques de la machine pour des raisons de confidentialité, le volume de l'ensemble a été déterminé en supposant que le matériaux principal était de l'acier de masse volumique 7500 kg/m3. De là, connaissant le poids total de l'ensemble, le volume V a été estimé à 67 m3.

Force Formule Valeurs (N)
Pression hydrodynamique exercée par l'eau $F_d = \frac{1}{2} \rho C_d S U²$ $1.306~10^6$
Poids apparent $P = (\rho_{acier} - \rho_{eau}) V g$ $4.355~10^6$

Avec :

- $ C_d = 0.86$ : coefficient de traînée de l'hydrolienne

-  $U = 4.5 m/s$ : vitesse maximale des courants en cas de tempête

- $\rho_{eau} = 1000 kg/m^3$ : masse volumique de l'eau

- $\rho_{acier} = 7500 kg/m^3$ : masse volumique de l'acier

- $S = 150 m^2$ : surface caractéristique perpendiculaire à l'écoulement (ici, triangle de base 20 m et de hauteur 15 m)

- $V = 67 m^3$ :  volume occupé par l'ensemble de la machine

Le principe fondamental de la statique peut s'écrire dans ce cas :

$\frac{F_d}{P} = \mu$

où $\mu$ est le coefficient de frottement. Ce dernier est une constante pour les couples de matériaux. Il est déterminé de manière expérimentale. Pour éviter le mouvement de l'hydrolienne il faut donc respecter l'inégalité suivante :

$F_d \leq \mu P$

Il a été impossible de trouver dans la littérature le coefficient de frottement statique entre l'acier et la roche. Cependant, sachant que ce coefficient est estimé à 0.6 pour un contact acier-acier et à 1 pour un contact chaussure- roche, on peut supposer que le frottement entre l'acier et la roche se situe aux alentours de 0.7. Même si aucunes données précises viennent appuyer cela, il faut garder en tête que la faune et la flore et les sédiments présents au fond favoriseront sûrement l'adhérence. Il n'est donc pas totalement faux de supposer que le coefficient de frottement est un petit peu plus élevé que celui correspondant au contact acier-acier.

Le poids minimal à respecter pour résister aux courants est donc de $P_{min} = \frac{F_d}{0.7} \approx 1.9~10^6 N$

 

Bilan :

Le poids de l'hydrolienne et de son socle lui permettent de résister aux courants que ce soit en cas de  de tempête extrême. On remarque d'ailleurs que Sabella a choisi de surdimensionner son hydrolienne. Ceci sûrement car une part importante des coûts pour de tels ouvrages est la maintenance.

Il faut cependant garder ici à l'esprit qu'il ne s'agit pas d'une étude approfondie du problème. Il serait intéressant de réaliser une étude prenant en compte les effets de fatigue des matériaux et peut-être aussi intégrer les effets de la houle.