Energies marines hydrolienne et houlomotrice. Exemples de projets et de travaux de R&D
Conférence Institut Coriolis – 24 septembre 2010
Tel : 01 30 87 83 51
Fax: 01 30 87 80 86
c/o EDF R&D
6 quai Watier, BP 49
78401 Chatou cedex
www.saint-venant-lab.fr
Laboratoire National
d’Hydraulique et
Environnement (LNHE)
Université Paris Est,
EDF R&D – CETMEF – ENPC
Jean-François DhédinChef projet Energies Marines
EDF R&D LNHE
Michel BenoitChercheur-senior HDR
Directeur du Labo. Saint-Venant
Giovanni MattaroloIngénieur-chercheur
EDF R&D LNHE et Labo. Saint-Venant
Énergies Marines hydrolienne et houlomotrice – Confér ence Institut Coriolis - 24/09/2010
Energies marines hydrolienne et houlomotrice
1. Introduction : contexte mondial, européen et national
2. Quid des énergies marines ?
3. Un tour d’horizon Ressources / Technologies3.a Energie marémotrice3.b Energie hydrolienne3.c Energie houlomotrice
4. Problématiques de développement technologique …et autres
5. Le soutien public au développement de la filière est nécessaire
6. Exemples de R&D au Labo. Saint-Venant et EDF R&D, illustréssur des projets du groupe EDF :
- Démonstrateur de ferme hydrolienne en Bretagne (Pa impol-Bréhat)- Prototype houlomoteur sur l’Ile de La Réunion
7. Conclusion
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1. Introduction : production électrique mondiale
Source: Observ’ER Dixième inventaire Edition 2008
Production Electrique Mondiale 2007
20 000 TWh
63TWh
68%
16%
2%
14%
0,6 TWh
8,5 TWh
170 TWh
218TWh
Nucléaire
Fossile+Déchets
HydrauliqueGéothermie
Eolien
Biomasse
Solaire
Energies Marines
ENR hors hydraulique
La proportion des ENR hors hydraulique est très faible
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1. Introduction : production électrique en France
571 TWh
0,095 TWh
4,1 TWh
0,038 TWh
0,519 TWh
4,2 TWh
11%
10%
77%
1,6%
Nucléaire
Fossile+Déchets
Hydraulique
ENR hors hydraulique
Géothermie
Eolien
Biomasse
Solaire
Energies Marines
00,005
0,0030,568
1,822
Rappel Production ENR en
1995 (TWh)
Production Electrique France 2007
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1. Introduction : contexte mondial / européen
Prise de conscience au niveau mondial / européen
Nécessité de limiter la production de gaz à effet de serre
Stock limité d’énergies non-renouvelables
Développement durable / énergies alternatives
Législation au niveau européen
12 décembre 2008, vote du « paquet Energie-Climat » (20/20/20)
o Une réduction de 20% des émissions de gaz à effet d e serre
o Une amélioration de 20% de l'efficacité énergétique
o Une part de 20% d'énergies renouvelables dans la consom mation d'énergie finale
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1. Introduction : contexte mondial / européen
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1. Introduction : le contexte français
Au niveau français :
le Grenelle de l’environnement lancé en juillet 2007
« Article 19 – Grenelle I : La recherche joue un rôle central dans l’analyse des
processus environnementaux et est à l’origine d’innovations technologiques
indispensables à la préservation de l’environnement et à l’adaptation aux
changements globaux de la planète. L’effort national de recherche privilégiera les
énergies renouvelables, notamment la production d’énergie solaire photovoltaïque à
partir de couches minces, l’énergie des mers … »
le Grenelle de la Mer lancé en mars 2009
« définir et mettre en oeuvre une stratégie ambitieuse pour les énergies marines
renouvelables afin de concilier développement et protection ».
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Energies marines hydrolienne et houlomotrice
1. Introduction : contexte mondial, européen et national
2. Quid des énergies marines ?
3. Un tour d’horizon Ressources / Technologies3.a Energie marémotrice3.b Energie hydrolienne3.c Energie houlomotrice
4. Problématiques de développement technologique …et autres
5. Le soutien public au développement de la filière est nécessaire
6. Exemples de R&D au Labo. Saint-Venant et EDF R&D, illustréssur des projets du groupe EDF :
- Démonstrateur de ferme hydrolienne en Bretagne (Pa impol-Bréhat)- Prototype houlomoteur sur l’Ile de La Réunion
7. Conclusion
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2. Quid des énergies marines ? Définitions
Le terme « Énergies Marines » désigne habituellement les énergies renouvelables qui peuvent être directement extraites du milieu marin :
L’énergie marémotrice : exploitation de l’énergie potentielle des masses d’eau mues par les marées (nécessite un barrage ou un bassin de retenue)
L’énergie hydrolienne : exploitation de l’énergie cinétique des courants de marées ou océaniques (via une turbine)
L’énergie houlomotrice : exploitation de l’énergie des vagues
L’énergie thermique des mers : exploitation de la différence de température qui peut exister entre l’eau de surface et celle de fond
L’énergie osmotique : exploitation de la différence de salinité entre deux masses d’eau
Energie éolienne offshore : installation d’éoliennes en mer
Biomasse marine (principalement biocarburants par micro-algues)
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2. Quid des énergies marines ? Une projection des ressources « théoriquement » exploitables
Monde Europe continentale France métropolitaine
2 - Energie hydrolienne 400 à 800 TWh/an
15 à 35 TWh/an(6 à 8 GW installés)
5 à 14 TWh/an(2 à 3 GW installés)
3 - Energiehoulomotrice
2 000 à 8 000 TWh/an
150 TWh/an(environ 50 GW
installés)
environ 40 TWh/an(10 à 15 GW installés)
4 - Energie thermique des mers
10 000 TWh/an 0 0 (Outremer seulement)
5 - Energie osmotique 1 700 TWh/an 200 TWh/an Non évaluée
1 - Energie marémotrice : de l’ordre de 400 TWh/an au niveau mo ndial
Maturité technologique, Intermittence (facteur de charge), prédictibilité …Source Ifremer –Energies Renouvelables
Marines - Etude prospective à l’horizon 2030
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Energies marines hydrolienne et houlomotrice
1. Introduction : contexte mondial, européen et national
2. Quid des énergies marines ?
3. Un tour d’horizon Ressources / Technologies3.a Energie marémotrice3.b Energie hydrolienne3.c Energie houlomotrice
4. Problématiques de développement technologique …et autres
5. Le soutien public au développement de la filière est nécessaire
6. Exemples de R&D au Labo. Saint-Venant et EDF R&D, illustréssur des projets du groupe EDF :
- Démonstrateur de ferme hydrolienne en Bretagne (Pa impol-Bréhat)- Prototype houlomoteur sur l’Ile de La Réunion
7. Conclusion
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3. Un tour d’horizon Ressources & Technologies
3.a - L’énergie marémotrice
3.b - L’énergie hydrolienne
3.c - L’énergie houlomotrice
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3.a « Le moteur » : la marée
La marée est le mouvement montant (flux ou flot) puis descendant (reflux ou jusant) des eaux des mers et des océans causé par l'effet conjugué des forces de gravitation de la Lune et du Soleil.L’amplitude de la marée à un endroit précis est le résultat des positionnements relatifs du soleil et de la lune par rapport à la Terre ainsi que des caractéristiques locales de la côte et des fonds sous-marinsIn fine l’énergie marémotrice estpuisée sur l’énergie cinétique derotation de la terre
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3.a Localisation de la ressource marémotrice
Worldwide Potential (World Energy Council):
160 GW – 380 TWh/year
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3.a En France, l’usine marémotrice de La Rance
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3.a Depuis 1966, l’usine de la Rance
Ecluse
Usine de 24 groupes Digue Barrage mobile : 6 vannes
BASIN
SEA
� Capacité installée : 240 MW (24 groupes bulbes identiques de 10MW)
� Production moyenne : 538 000 MWh / an
� 28 agents EDF; longueur : 750 m
� Réservoir : 184 Mm3 (20 km vers l’amont)
� 75 000 visiteurs par an
Les plus grandes marées de France :
Marnage moyen de 8.2 m et maximum de 13.5 m
10 m
9 m
8 m
7m
6m
5m
4m
3m
10 m
9 m
8 m
7m
6m
5m
4m
3m
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3. Un tour d’horizon Ressources & Technologies
3.a - L’énergie marémotrice
3.b - L’énergie hydrolienne
3.c - L’énergie houlomotrice
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3.b Exploitation de l’énergie des courants de marée
Example of tide coefficient time profile over one y ear period, and current speed time profile over one tidal cycle
Avantages:• Totalement prédictible;
• Performance (masse vol. de l’eau bien plus élevée que l’air);
• Impact visuel et sonore très limité (voire nul).
Inconvénients :• Caractère intermittent de la marée (=> stockage ?);
• Nombre limité de sites avec courants suffisamment forts(V>2 m/s typiquement);
• Partage de l’accès à la mer avec les autres acteurs/secteurs
• Installation et maintenance en mer
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3.b Exploitation de l’énergie des courants de marée
Comparaison entre une hydrolienneet une éolienne de même puissance (1 MW)
Estimation de la puissance mécanique :
P = ½ ρ Cp S V3
ρ : masse volumique de l’eau (environ 1025 kg/m3)
Cp : coefficient de puissance hydrodynamique,limité à 59% (Loi de Betz)
En pratique de l’ordre 30 à 35 %
S : surface balayée par rotor (m2) S = π D2/4
V : vitesse moyenne du courant (m/s)
A.N. D = 18 m, Cp =0.35, V = 2.8 m/s => P = 1 MW
tPE deviceT ∆⋅=∆
Energie produite :En pratique :
Pdevice = 0 si V < Vmin
Pdevice = P si Vmin< V < Vmax ∑ ∆=year
Tyear ENE (pour N machines)
(∆t = 10-15 min)
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3.b La ressource hydrolienne en Europe
Potentiel du reste de l’Europe(Norvège, Grèce)
0,7 GW~ 3 TWh
Potentiel en Italie0,5 GW~ 2 TWh
Estimation du potentiel hydrolien européen « théorique et réaliste »
Hypothèse : facteur de charge ~ 31 à 58% (45% +/- 30%)
d’après l’Université d’Oxford (2005) et Black&Veatch (2004-05)
+ 80% potentiel hydrolien européen
Potentiel hydrolien en France ~2 à 3 GW5 à 14 TWh
Potentiel hydrolien au Royaume-Uni
5 à 6 GW 13 à 23 TWh
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3.b la ressource hydrolienne en EuropeChamp de vitesses maximum dans la
Manche – modélisation TELEMAC
Potentiel hydrolien au Royaume-Uni
5 à 6 GW 12 à 23 TWh
Potentiel hydrolien en France ~2 à 3 GW5 à 14 TWh
Sites potentiels : détroits, goulets, caps … où lesvitesses de courant sont accélérées
Source Renewables atlas UK – mai 2008
Potentiel : Source Ifremer –Energies Renouvelables Marines - Etude prospective à l’horizon 2030
Carte : source EDF R&D - LNHE
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3.b Classification des technologies hydroliennes
• Trois catégories :
1. turbines à flux axial (axe horizontal)
2. turbines à flux transverse (axe vertical)
3. autres (roues à aubes, profils oscillants,…)
• Deux variantes :
• canalisées ou non (effet venturi)
• Principe : utilisation de la vitesse des courants des marées pour faire tourner le rotor d’une turbine immergée ou actionner un mécanisme
1
2
3
Autres
Axe vertical
Axe horizontal
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3.b Les technologies hydroliennes: SEAGEN (1)
SEAGEN (Marine Current Turbines)
• Détroit de Strangford, Irlande du Nord
• Installation : avril 2008
• Puissance de 2x600 kW = 1.2 MW(atteinte début 2009)
• Pieu fiché dans le fond
• Vitesse courants > 3,5 m/s
• Profondeur = 20-30 m
• Diamètre turbine : 16 m
• Diamètre pieu : 3,5 m
• Raccordement au réseau
• 1000 h de fonctionnementseront atteintes en 2010
Grue-Barge « Rambiz » pour installer SeaGen
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3.b Les technologies hydroliennes: SEAGEN (2)
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3.b Les technologies hydroliennes : OpenHydro (1)
• Prototype de 250 kW (diamètre 6 m) testé à l’EMECdepuis fin 2007 :
• Montage sur 2 pieux pour essais/réglages.• Génératrice périphérique à aimant permanent.• Connecté au réseau en 2008
• Essai de la procédure d’installation de la structuregravitaire à l’EMEC en 2008
• Catamaran construit pour l’installation (base gravitaire)
• Développement en cours d’un prototype (0.5-1.0 MW)• Turbine déployée au Canada (diamètre 10 m)
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3.b Les technologies hydroliennes : OpenHydro (2)
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Tidal Generation LTD :
• 1 MW prototype under development
• Installation of a scaled prototype (500kW)started at EMEC
Hammerfest Strøm :
• 300 kW prototype tested for 4 years inNorway
• 1MW system under development
Sabella :
• French technology
• 10 kW prototype (scale 1:3, 3m diameter)tested in Brittany
• Final system : 200 kW, 10 m diameter
3.b Les technologies hydroliennes : axe horizontal
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HARVEST:
• Developed by Grenoble INP
• Scaled model (1:4) tested
• Prototype (scale 1:2, diameter 0.5 m) tobe tested in the Pont de Claix channel
Kobold turbine:
• Floating turbine
• 25kW prototype(scale 1:5)
• Diameter 6m, height 5 m
3.b Les technologies hydroliennes : axe vertical
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3.b Les technologies pour faibles profondeurs
MORILD
Turbine Turbine
PM Generator
Turbines modulaires à axe transverse
• Profils oscillants
Pulse Tidal (proto de 100kW)
OCGen
Nereus
Base de données de technologies hydroliennes sur :
http://www1.eere.energy.gov/windandhydro/hydrokinetic (en Anglais)
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3.b Les technologies hydroliennes - Vue d’ensemble
Amélioration du rendement : flux libre ou canalisé
Flottant
CanaliséLibreCanaliséLibre
Flottant
Emergeant
Immergé
Turbine flux
transverse(axe Val)
Emergeant
Immergé
Turbine flux axial(axe Hal)
Structure flottanteStructure JacketMono-PieuFondationGravitaire
Structure d’ensemble – liée à la profondeur d’eauPrincipe de captage de l’énergie cinétique
Accessibilité (m
aintenance)
59%27%
9%5%
Turbines à fluxaxial
Turbines à fluxtransverse
Venturi
Systèmesoscillants
CatCatCatCatéééégorisation des technologies selon le gorisation des technologies selon le gorisation des technologies selon le gorisation des technologies selon le concept dconcept dconcept dconcept d’’’’extractionextractionextractionextraction
SourceSourceSourceSource : adapt: adapt: adapt: adaptéééé de Futurede Futurede Futurede Future EnergyEnergyEnergyEnergy Solutions, 2006Solutions, 2006Solutions, 2006Solutions, 2006
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3. Un tour d’horizon Ressources & Technologies
3.a - L’énergie marémotrice
3.b - L’énergie hydrolienne
3.c - L’énergie houlomotrice
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3.c Ressource houlomotrice : Monde et Europe
Ressource brute importante
• Une des énergies renouvelables les plus denses (dérivée de l’énergie éolienne, condensé d’énergie solaire)
• Au niveau mondial, ressource 2000-8000 TWh/an
• Puissance moyenne côte Atlantique ~ 45 kW/m au large, 25 kW/m plus près des côtes (unité = kW / mètre linéaire de front de vague)
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3.c Technologies houmotrices : une classification
Systèmes ancrés au fond (ou en mvt / à une structure ancrée au fond)
Systèmes fixés/articulés au fond (ou en mvt / à une structure fixée au fond)
Systèmes fixés/articulés ou intégrés sur un ouvrage côtier ou portuaire
Systèmes spécifiques construits à la côte
Offs
h ore
Offs
h ore
Offs
h ore
Offs
h ore
Côt
eC
ôte
Côt
eC
ôte
Nea
rsho
reN
ears
hore
Nea
rsho
reN
ears
hore
Systèmes OWCSystèmes OWCSystèmes OWCSystèmes OWC(colonne d’eau(colonne d’eau(colonne d’eau(colonne d’eau
oscillante)oscillante)oscillante)oscillante)
Systèmes oscillantsSystèmes oscillantsSystèmes oscillantsSystèmes oscillants Systèmes à Systèmes à Systèmes à Systèmes à franchissementfranchissementfranchissementfranchissement
AutresAutresAutresAutres
TAPCHANTAPCHANTAPCHANTAPCHAN (avec concentrateurs)
SSGSSGSSGSSG
Wave Wave Wave Wave DragonDragonDragonDragon
PICOPICOPICOPICO,,,,WavegenWavegenWavegenWavegen ((((LimpetLimpetLimpetLimpet, , , , SeWaveSeWaveSeWaveSeWave))))
Wavegen Wavegen Wavegen Wavegen ((((MutrikuMutrikuMutrikuMutriku, , , , Ile LewisIle LewisIle LewisIle Lewis))))SakataSakataSakataSakataEstuaire DouroEstuaire DouroEstuaire DouroEstuaire Douro
Translation RotationTranslation RotationTranslation RotationTranslation Rotation
PelamisPelamisPelamisPelamis,,,,SEAREVSEAREVSEAREVSEAREV,,,,PS PS PS PS FrogFrogFrogFrog
OysterOysterOysterOyster,,,,WaveRollerWaveRollerWaveRollerWaveRoller,,,,BioWaveBioWaveBioWaveBioWave
ECOFYSECOFYSECOFYSECOFYS(sur éolienne)
SDE (SDE (SDE (SDE (IsraelIsraelIsraelIsrael))))
FO3FO3FO3FO3WaveStarWaveStarWaveStarWaveStarCETOCETOCETOCETO,,,,AWSAWSAWSAWSSeabasedSeabasedSeabasedSeabasedWavetreaderWavetreaderWavetreaderWavetreader(sur éolienne)
WavebobWavebobWavebobWavebob,,,,OPT OPT OPT OPT PowerbuoyPowerbuoyPowerbuoyPowerbuoy,,,,((((AquabuoyAquabuoyAquabuoyAquabuoy))))
OceanLinxOceanLinxOceanLinxOceanLinx((((Mighty Whale)Mighty Whale)Mighty Whale)Mighty Whale)OceanEnergyOceanEnergyOceanEnergyOceanEnergySperbuoySperbuoySperbuoySperbuoy
AnacondaAnacondaAnacondaAnacondaPolymères Polymères Polymères Polymères électroélectroélectroélectro----actifs actifs actifs actifs (SRI)(SRI)(SRI)(SRI)
Rotors de type Rotors de type Rotors de type Rotors de type SavoniusSavoniusSavoniusSavonius(au fond ou sur éolienne)
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Exemple : Wavegen (Voith-Siemens) et Oceanlinx
• Oceanlinx : système flottant ;puissance de 100 kW à 1.5 MW ;deux prototypes installés en Australie (P totale 450 kW).
• Wavegen : prototype onshore de 100 kW en fonction ;projet de 4 MW en Écosse (approuvé début 2009).
Systèmes à colonne d’eau oscillante
Caractéristiques :• Cavité ouverte au fond et communiquant avec l’extérieur
• Les vagues font monter et descendre la colonne d’eau,qui compresse et décompresse l’air au-dessus.
• L’air active une turbine bidirectionnelle (Wells)
• Technologie onshore, nearshore ou offshore (flottante)
Oceanlinx
Wavegen
Wavegen
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Systèmes oscillants (rotation) flottants (1)
Caractéristiques :• Perpendiculaire à la crête des vagues
• Les mouvements le long de la machine sontexploités par un système de conversion
• Technologie offshore
Exemple : Pelamis
• Conversion hydraulique
• 4 segments, 3 jonctions
• Longueur de 140 m
• Diamètre de 3.5 m
• Puissance de 750 kW
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Pelamis : 1er parc de 3 machines :
• Agucadoura, au Portugal (2008)
• Puissance 3 x 750 kW = 2.25 MW
• Projet pour installer autres 25 machinespour une puissance totale de 21 MW
• Surface nécessaire prévue < à 1 km 2
SEAREV : Ecole Centrale Nantes
• R&D depuis plusieurs années(Alain Clément et collab.)
• Mouvement relatif de 2 corps
• Contrôle optimisé (latching)
• Etudes et tests en laboratoire
Systèmes oscillants (rotation) flottants (2)
SEAREVSEAREVSEAREVSEAREV
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Caractéristiques :
• La machine exploite la vitesse des particules d’eau due aux vagues
• Une paroi oscillante «suit» les vagues et convertit l’énergie cinétique
• Technologie nearshore, pour faibles profondeurs, ou onshore
Exemple : Oyster et Waveroller• Profondeur : 10-15 m
• Eau sous pression pompée onshore � turbine
• Oyster : Unités de 300 kW jusqu’à 600 kWPrototype pré-commercial installé en fin 2009
• Waveroller : Deux prototypes à l’échelle 1/3 testéUnité de 1 MW programmée pour 2010
Oyster
Waveroller
Systèmes oscillants (rotation) immergés / au fond
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Caractéristiques :• La machine exploite la variation des forces de pression
générées par les vagues
• L’oscillation verticale est exploitée pour produire de l’énergie
• La machine est ancrée au sol
• Technologie nearshore, pour faibles profondeurs (30-40 m)
Exemples : AWS et CETO :
• AWS : chambre d’air comprimée et décomprimée ;hauteur 32-37 m; puissance ~2 MW ;générateur linéaire ou conversion hydraulique ;premiers essais en 2004.
• CETO : une bouée active une pompe qui comprime de l’eau ;une turbine est opérée onshore ;trois prototypes réduits testés ;
Systèmes oscillants (translation) immergés
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Exemple : OPT et WaveBob
• OPT : conversion hydraulique ;prototypes de 40kW installées et en fonctionprototype de 150kW en développement7 projets en cours aux USA et en Europe
• WaveBob : multi-body concept ;conversion hydraulique ;prototype de 40 kW en fonction ;prototype à l’échelle 1/4 testé en Irlande.
Caractéristiques :• Structure flottante qui absorbe l’énergie des vagues
dans toutes les directions
• L’énergie est générée par les mouvements du corps
• Différents systèmes de conversion ont été proposés
• Technologie nearshore ou offshore
WaveBob
WaveBob
OPT
Systèmes oscillants (translation) flottants
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Systèmes à franchissement
Caractéristiques :• Les vagues sont capturées dans un réservoir et l’eau
accumulée fait tourner une turbine à basse chute
• Des collecteurs peuvent être utilisés pour concentreret recueillir les vagues
• Technologie onshore ou offshore (flottante)
Exemple : Seawave Slot Cone Generator(SSG) et Wave Dragon (WD) :
•SSG : construit sur la côte, peut intégrer une digue ;utilise une turbine multi-stage ;projet pour installer un prototype de 150 kW.
• WD : système flottant avec collecteurs ;prototype 1/4.5 du modèle testé en mer intérieure ;prototype échelle 1 (7 MW) en 2010-2011 :� surface couverte: 300 x 170 m ;� 16 turbines Kaplan.
SSG
Wave Dragon
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Quelques autres solutions (…parmi beaucoup !)
Trident
Orecon
Anaconda
OWEL
Base de données de technologies houlomotrices sur :
http://www1.eere.energy.gov/windandhydro/hydrokinetic (en Anglais)
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Energies marines hydrolienne et houlomotrice
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2. Quid des énergies marines ?
3. Un tour d’horizon Ressources / Technologies3.a Energie marémotrice3.b Energie hydrolienne3.c Energie houlomotrice
4. Problématiques de développement technologique …et autres
5. Le soutien public au développement de la filière est nécessaire
6. Exemples de R&D au Labo. Saint-Venant et EDF R&D, illustréssur des projets du groupe EDF :
- Démonstrateur de ferme hydrolienne en Bretagne (Pa impol-Bréhat)- Prototype houlomoteur sur l’Ile de La Réunion
7. Conclusion
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4. Les problématiques technologiques communesaux énergies hydrolienne et houlomotrice
Les verrous technologiques principaux :� Haute fiabilité globale du système intégrant les contraintes de
l’environnement marin, tout en restant dans des coûts compatibles avec un
développement industriel
� Raccordement électrique en mer (connectique sous-marine)
� Ancrage / fondation (<= souvent poste très lourd)
� Installation en milieu marin (intégrant l’accessibilité)
� Corrosion et fouling
� Exploitation et maintenance des parcs
� Démantèlement
Spécifique à l’houlomoteur : résistance aux conditions de tempêtes et extrêmes (installations souvent dans sites exposés)
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4. Les problématiques technologiquesFoisonnement : une sélection est nécessaire…
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4. Le développement des énergies marines n’est pas qu’un « simple » problème technologique…
L’équation technico-économique / la mise en concurrence avec les autres énergies renouvelables
La maîtrise de l’impact environnemental / visuel
L’intégration avec les autres usagers de la mer
La maîtrise de l’accessibilité des unités ou parcs
La garantie de sécurité des hommes depuis la construction jusqu’au démantèlement
Le challenge du cadre juridique
La gestion d’une production d’énergie « subie » (marée, conditions océano-météo), irrégulière et très variable :
=> intégration dans le réseau électrique et stockage
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Energies marines hydrolienne et houlomotrice
1. Introduction : contexte mondial, européen et national
2. Quid des énergies marines ?
3. Un tour d’horizon Ressources / Technologies3.a Energie marémotrice3.b Energie hydrolienne3.c Energie houlomotrice
4. Problématiques de développement technologique …et autres
5. Le soutien public au développement de la filière est nécessaire
6. Exemples de R&D au Labo. Saint-Venant et EDF R&D, illustréssur des projets du groupe EDF :
- Démonstrateur de ferme hydrolienne en Bretagne (Pa impol-Bréhat)- Prototype houlomoteur sur l’Ile de La Réunion
7. Conclusion
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5. Le soutien public au développement de la filièreest nécessaire …
tant au niveau européen que national :
Nécessité d’un financement/soutien publicPhase de développement technologique
Sites d’essais en mer
Phase exploitation : tarif de rachat mis en place en 2007 = 150 €/ MWh
Nécessité d’un cadrage européen / étatiquePlanification énergétique (cibles à 2020 / 2030)
« Zonage »
Définition des règles et protocoles administratifs
Nécessité d’un soutien public / politiqueConcertation et dialogue avec les autres usagers de la mer
(in)suffisant ?
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Cartographie des acteurs en énergies marines
Acteurs institutionnels : MEEDDM, ADEME
Acteurs de la recherche :académiques : CNRS, ECN, INPG, ENS Cachan, ENSTA, ENSIETA, Univer sités,…
institutionnels : IFREMER, CETMEF, Météo-France, …
Acteurs économiques :Industriels : DCNS, Alstom , …Ingénieries offshore : Technip, Saipem, DORIS, …Développeurs de parcs : Nass&Wind, Enertrag, …Bureaux d'études : Creocean, In Vivo, Principia (AREVA), Sogreah, Acri,…Énergéticiens et Électriciens : EDF, AREVA, TOTAL, …Pôles de compétitivité : PMB, PM PACA, Tenerrdis, …Acteurs de la finance (et capital-risque) : …Assurance : …
Acteurs de la société civile :Usagers : CNPMEM, plaisanciers, transport, …Associations : environnement, …ONG, …
Coordinations/associations/réseaux : IPANEMAANCRE
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Discours du Havre du président de la république (16 Juillet 2009) :« d’ici le début de l’année prochaine une planification stratégique ait défini les zones de déploiement, afin de sécuriser les projets et de faciliter le raccordement au réseau »« appuyer cette stratégie d’équipement en énergies renouvelables, issue du Grenelle de l’environnement, sur une véritable politique industrielle »« Voilà pourquoi je souhaite qu’une grande plate-forme technologiquesoit mise en place sur les énergies marines, avec pour chef de filel’IFREMER . Dans un lieu à déterminer, que j’imagine dans une région littorale, il s’agira de concentrer les moyens de recherche publics et privés, et de valoriser l’innovation au profit des entreprises françaises, les grandes comme les petites. J’attends que cette plateformetechnologique unique, qui peut être la première sur le plan mondial, soit constituée d’ici à la fin de cette année. »
5. Le soutien public au développement de la filièreest nécessaire …
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Objectifs chiffrés de l’état français
Déclarations du Plan Energies Bleues (Grenelle de la Mer) : juillet 2009
cible 2020 d’installer 6 000 MW d’Energies Marines en Franc e en développant une
filière industrielle française
5 200 MW éolien off-shore, 600 MW hydrolien / houlo moteur, 200 MW ETM
Arrêté du 15 décembre 2009 relatif à la Programmation Pluriannuelle des
Investissements pour la production d’électricité (MEEDDAT)
Pour les énergies éolienne et marines, en termes de puissance totale installée :
11 500 MW au 31 décembre 2012, dont 10 500 à partir de l’énergie éolienne à terre et
1 000 MW à partir de l’énergie éolienne en mer et des autres énergies marines
25 000 MW au 31 décembre 2020, dont 19 000 à partir de l’énergie éolienne à terre et
6 000 MW à partir de l’énergie éolienne en mer et des autres énergies marines
5. Le soutien public au développement de la filièreest nécessaire …
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Energies marines hydrolienne et houlomotrice
1. Introduction : contexte mondial, européen et national
2. Quid des énergies marines ?
3. Un tour d’horizon Ressources / Technologies3.a Energie marémotrice3.b Energie hydrolienne3.c Energie houlomotrice
4. Problématiques de développement technologique …et autres
5. Le soutien public au développement de la filière est nécessaire
6. Exemples de R&D au Labo. Saint-Venant et EDF R&D, illustréssur des projets du groupe EDF :
- Démonstrateur de ferme hydrolienne en Bretagne (Pa impol-Bréhat)- Prototype houlomoteur sur l’Ile de La Réunion
7. Conclusion
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6. Exemples de R&D à EDF et Labo Saint-Venant(aspects hydrauliques et hydrodynamiques)
I. Evaluation de la ressource brute des sites (sans machines):Simulations numériques + mesures en mer => choix des sites
II. Etude locale et fine des interactions fluide/machine :Détermination des efforts et sollicitations => design
Déplacements et comportement dynamique => production, rendement
III. Estimation du productible pour une technologieValeurs moyennes, maximum, effets de la saisonalité
IV. Interactions entre plusieurs machinesEffets d’obstruction ou de sillage => optimisation de parcs de machines
V. Impacts hydro-sédimentaires de parcs à échelle régionale
VI. Accessibilité des unités (conditions hydro-météos)
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Projet de démonstrateur hydrolien à Paimpol-Bréhat
Site de démonstration
Choix du site annoncé en Juillet 2008Projet porté par EDF DPIHTechnologie choisie : OpenHydro (Oct. 2008)Cible 2 MW : 4 turbines (0.5 MW chacune)Mise en service : 2012, avec raccordement au réseau1ère machine installée à l’été 2011Etudes en cours (R&D, ingénierie,…)
~15 km
~20 m
~20 m
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Code TELEMAC- 2D solving the non-linear shallow-water equations (Saint-Venan tequations) in 2DH on unstructured grids (finite element or finite volume technique)
Application to the area of Paipol-Brehat (French Brittany)
Bathymetry (SHOM: French Navy Hydrographic and Oceanog raphic Service + extra survey on the future site in 2008-2009)
4 main tidal harmonic components (M2, S2, N2 and M4)
Boundary conditions: from EDF R&D – LNHE model (near Atla ntic Ocean - English Channel) + Thompson-type boundary conditions
Calibration: tidal sea level and velocity ; SHOM data + loca l ADCP measurements(3D velocities and water levels)
I. Tidal site characterization: implementation of a simulation model
))((1 ugradhdivh
Fx
gyuv
xuu
tu
ex ν++∂η∂−=
∂∂+
∂∂+
∂∂
))((1 vgradhdivh
Fy
gyvv
xvu
tv
ey ν++∂η∂−=
∂∂+
∂∂+
∂∂
AdvectionGradient of hydrostatic
pressure
Diffusion Turbulence Dispersion
Source terms, friction
0=∂
∂+∂
∂+∂∂
yhv
xhu
th
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TELEMAC-2D simulation results: current velocity field during a mean spring tidal cycle (coef. 95)
≈≈≈≈ 14000 nodes and ≈≈≈≈ 27000 triangular elements (from 50 m to 1.6 km size)
20 km
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Tidal site characterization: measures campaigns
Two measurement campaignsApril 2005: 2 weeks (1 spring tide and 1 neap tide)Spring (March to June) 2008: 3 months (4 spring tides and 6 neap tides)
Bathymetry and location of the site + ADCP deployment Location of ADCP deploymentin the crustacean reserve
Zoom
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Tidal site characterization: calibration of the numerical model
Asymmetry of the flow (magnitude and direction)Maximum of velocity during flood
Bi-directional with two main directions (ebb/flood)
Tidal rose for measureddepth-averaged velocity (2008)
Simulated tidal rose during one mean spring tide.
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IV. Tidal turbine array performance evaluation
Purpose : to determine the arrangement of the turbi ne array to maximize the energy yieldtaking into account the wake effects to define the lateral and axial spacing between the turbines
Grid and numerical model adaptation⇒ Implementation of a friction-like term in the shallow water equation⇒ Refined grid⇒ Numerical optimisation
Vitesse du courant
l ~ 2D
l ~ 4D
L ~ 10D L ~ 20DVitessecourant
(m/s)Theoretical study: array of 32 turbines
in a channel
� Importance of the turbines spacing to
maximize the energy converted
L
l
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Tidal farm annual energy yield evaluation
Simulation of characteristic tidal cycles with and without wake effects
⇒ Production with MST(95), MNT(45), MT(70)
⇒ Estimation of the losses due to the wake-effect
With turbines
Without turbines
Average tide
IV. Tidal turbine array performance evaluation
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Code d’états de mer de 3ième gén. TOMAWACMaillage non-structuré en espace
Évolution de la densité d’action d'onde:
Cinématique basée sur théorie linéaire
Forçage instationnaire (vent, courants, niveau marin)
Recherche sur les processus physiques et leur modélisation numérique(interactions non-linéaires : Gagnaire-Renou et al., JGR 2010, JFM sous presse)
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )t,,f,y,xBQBF
fBF
fy
BFy
xBF
xt
BFr
rr θ=
∂θ∂θ+
∂∂+
∂∂+
∂∂+
∂∂ &&&&
( ) ( )t,,f,y,xF.Bt,k,k,y,xN ryx θ=2
g
2
CCB
πσ=
Q Q Q Q Q Q QinW ind input
nlQ uadruplets
trtriads
wcW hitecapping
bfbottom friction
brBreaking
G ENERATION TRANSFER D ISSIPATIO N
= + + + + + 123 1 244 344 1 244444 344444
I. Évaluation de la ressource houlomotrice (1)
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I. Évaluation de la ressource houlomotrice (2)
Base de données ANEMOC (EDF & CETMEF)
• Base de données d’états de mer construite à partir desimulations numériques effectuées avec TOMAWAC
• Simulations en continu sur 23 ans et 8 mois,du 01/01/1979 au 31/08/2002
• Forçages issues de la ré-analyse météo ERA40 ducentre européen ECMWF (vents tous les 6 h et 0.5 deg)
• Deux modèles emboîtés : océanique et côtier
• Niveaux marins constant et pas de courant prisen compte dans cette version
• Validation par rapport à mesures in situ (bouées)
• Sorties horaires (spectres + paramètres intégrés)
Une partie des données est accessible sur :
http://anemoc.cetmef.developpement-durable.gouv.fr/
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I. Évaluation de la ressource houlomotrice (3)
Évaluation de la ressource brute(flux d’énergie par unité de longueur de crête)
Approché en grande profondeur d’eau par :
Ressource brute : puissance moyenne annuelle le lon g des côtes françaises (modèles océanique et côtier)
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I. Projet houlomoteur sur l’île de La Réunion (1)
Projet porté par
Basé sur la technologie CETO.partenariat avec développeurs(Carnegie, Australie)
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I. Projet houlomoteur sur l’île de La Réunion (2)
Comparaison hauteur Hmo entre mesures (bouée) et mod èle (TOMAWAC) après calibration, sur tout 2001
Hauteur significative Hmo moyenne et flux d’énergie moyenne calculée sur 20 ans (1989-2008)
Même méthodologie générale que ANEMOCDeux modèles emboîtés, simulations TOMAWAC, ré-analyse ERA-int erim ECMWF
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II. Interactions fluide-structure locales (1)
Modélisation hydro-mécanique du comportement d’un système houlomoteurimmergé soumis à l’action des vagues, pour des états de mer réels.(thèse en cours au Labo. Saint-Venant)
o Approche potentielle (fluide parfait, écoulement irrotationnel)o Conditions de surface libre totalement non-linéaireso Vagues irrégulières (spectre de variance quelconque imposé)o Méthode d’éléments frontières d’ordre élevé (BIEM) pour l’hydrodynamiqueo Couplage hydro-mécanique non-linéaire : méthodologie implicite très
précise (Van Dalen, 1993) pour cas d’un corps en mouvement « libre »o Système REV représenté par ressorts + termes dissipatifs
Cas d’un mouvement orbital circulaire imposé (cas de validation) :
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II. Interactions fluide-structure locales (2)
Cas de 2 cylindres « libres » soumis à des vagues irrégulières :• Vagues irrégulières : Hs = 0.10 m, Tp = 1 s, spectre JONSWAP avec γ =3.3. • Cylindres identiques, R = 0.10 m, zc = -0.2 m séparés de 5 m• Paramètres ancrage/PTO : k = 292 N/m², d = 50 kg/m/s (par unité de longueur).
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Energies marines hydrolienne et houlomotrice
1. Introduction : contexte mondial, européen et national
2. Quid des énergies marines ?
3. Un tour d’horizon Ressources / Technologies3.a Energie marémotrice3.b Energie hydrolienne3.c Energie houlomotrice
4. Problématiques de développement technologique …et autres
5. Le soutien public au développement de la filière est nécessaire
6. Exemples de R&D au Labo. Saint-Venant et EDF R&D, illustréssur des projets du groupe EDF :
- Démonstrateur de ferme hydrolienne en Bretagne (Pa impol-Bréhat)- Prototype houlomoteur sur l’Ile de La Réunion
7. Conclusion
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7. En guise de conclusion…
Les énergies marines en France Du retard par rapport à beaucoup de pays européens (UK, Danem ark,…), mais …
Le contexte economico-politique évolue favorablement : Grenelle(s), recommandations OPECST, AMI de l’Ademe, ANCRE, initiative IPANEMA, lancement d’une plateforme technologique nationale…Des premiers ordres de grandeur sont disponibles (prospective Ifremer)
Tous les types d’acteurs commencent à se mobiliser
Des premiers projets de démonstration sont annoncés.
La contribution du Groupe EDF à cette dynamiqueAlimentation des comités/groupes du Grenelle de l’environnement et de la merContributeur à l’étude prospective Ifremer « Energies marines horizon 2030 »
Membre fondateur et actif d’IPANEMA
Co-organisation avec IFREMER de la conférence internationale ICOE 2008
Porteur du 1er projet de parc démonstrateur hydrolien en FranceContributeur aux travaux d’ANCRE et de mise en place de la Plate-forme techno.
Développement de programmes de R&D en anticipation des besoins et en support.
Beaucoup de R&D scientifique et technologique devant nous !