TIPE : HYDROLIENNE Introduction Les courants marins: Un courant marin est un déplacement d'eau de mer caractérisé par sa direction, sa vitesse et son débit. On distingue deux types de courants: ceux de profondeur et ceux de surface. (Les courants nécessaires aux hydroliennes sont les courants de surface. )
a. Courants de la circulation superficielle : La majeure partie de la circulation superficielle des océans est mis en mouvement par des courants de surface induits par le vent. Ces courants de surface sont situés entre 0 et 800 m de profondeur, ce qui rend l'entretien des machines plutôt facile, et le rendement meilleur (la vitesse décroit avec la profondeur). La vitesse de ces courants peut être importante : jusqu'à 2m par secondes pour le Gulf stream(situé à moins de deux kilomètre des côtes de Floride, aux Etats-Unis). La plupart de ces courants de surface sont assez proche des côtes, assez rapides et prévisibles pour être exploitables.
b. Courants de la circulation Thermoaline (profondeur). Les vents n'ayant plus d'influence après 800m de profondeur, ils ne peuvent être les moteurs des circulations océaniques profondes. Ces courants sont basés sur des différences de température (l'eau froide est plus dense que l'eau chaude) et de salinité (l'eau salée est plus dense que l'eau douce), entre les différentes couches de l'océan. Les courants thermo-halins parcourent les Océans à une vitesse comprise entre 4 et 8 km/h .
Fonctionnement de l'hydrolienne Dans cette partie, nous expliquerons le fonctionnement d'une hydrolienne. -Dans un premier temps , nous montrerons la mise en mouvement de l'hydrolienne grâce aux courants marins. -Dans un second, le fonctionnement des générateurs permettant la transformation électrique vous sera expliqué. -Enfin dans un dernier point, nous proposerons les moyens possibles de stocker cette énergie électrique
Mise en mouvement de l'hydrolienne grâce aux courants marins. Les courants marins fournissent une énergie cinétique. La puissance mécanique de ces courants marins, qui peuvent avoir lieu dans les baies (lors des marées) comme en pleine mer, permet d'entraîner les pâles de l'hydrolienne et donc de les mettre en mouvement. Ces hydroliennes sont beaucoup plus productrices en électricité que leurs cousines, les éoliennes. Car la masse volumique de l'eau (des flux) est plus importante que celle de l'air malgré que 1
la vitesse du vent soit beaucoup plus rapide que les courants océaniques. Les chercheurs innovent depuis l'invention de l'éolienne suivie de celle de l'hydrolienne. Ils essayent de développer tous les systèmes des hydroliennes pour leur permettre une augmentation de la production. - recherches dans la structure des pâles de l'hydrolienne (le nombre de pâles, leur inclinaison, leur taille ....) - les systèmes qui leur sont associés (système de freinage qui permet de protéger la machine lorsque les pâles tournent trop vite pouvant les abîmer ou même les casser).
La transformation de l'énergie cinétique en énergie électrique. Une hydrolienne peut entraîner, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un multiplicateur, 2 types de générateurs électriques : une génératrice asynchrone à courant alternatif et une génératrice à courant continu (appelée dynamo). Ces génératrices permettent la transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique.
b.1-La Génératrice asynchrone: Cette génératrice convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Les génératrices des hydroliennes diffèrent un peu des autres types de génératrices raccordées au réseau électrique. Une des raisons pour cette différence est que la génératrice d'une hydrolienne doit pouvoir fonctionner avec une source de puissance (c.-à-d. le rotor de l'hydrolienne) qui fournit une puissance mécanique (un couple) très fluctuante. C'est pourquoi cette génératrice à courant alternatif est très souvent introduite dans les constructions 2
d'hydroliennes et d'éoliennes. Mais à l'inverse elle est peu utilisée dans d'autres industries
b.2- La Génératrice à courant continu : Dynamo Cette génératrice produit du courant continu. Celle-ci fonctionne grâce à la rotation de l'aimant (le rotor : pièce en mouvement, l'induit) entouré par la bobine magnétisante ( le stator : pièce fixe , l'inducteur) qui est mise en mouvement par l'action des courants sur les pales de l'hydrolienne. L'énergie électrique est récupérée par le rotor puis elle est conduit jusqu'au collecteur par lequel le courant électrique est acheminé par le réseau électrique. (qui est raccordé au réseau national.)
b.3- Le multiplicateur Un générateur nécessite souvent un multiplicateur car les pâles dont le diamètre est supérieur à 5m ont des vitesses de rotation trop faibles (moins de 200 tours/min) pour pouvoir entraîner un alternateur classique. Donc pour ces génératrices, il est indispensable d’interposer entre elle et les pales un multiplicateur qui permet d’augmenter (de multiplier) la vitesse de rotation. Le plus simple et le plus utilisé est le multiplicateur à engrenages à un ou plusieurs trains de roues dentées cylindriques. Cependant, il devient encombrant quand le rapport de multiplication est important.
b.4- Avantages et inconvénients des deux types de génératrices •
Avantages Dynamo -> Elle ne nécessite pas de dispositif complexe pour charger les batteries. Une simple diode suffit pour éviter le court-circuit de la batterie due à l’induit lorsque le moteur est à l’arrêt. Alternateur -> Il n’a pas à être entretenu car il n’y a pas de pièces en frottement. De plus, à puissance égale, il est moins lourd et moins chère (Surtout avec les rotors à aimant permanent). En général, on se sert d’alternateurs triphasés à aimant permanent.
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Inconvenients Dynamo -> Présence de balais et collecteurs qu’il faut vérifier souvent. De plus, la dynamo est plus lourde et plus chère. Alternateur -> Il doit tourner à une vitesse plus élevée et plus stable que la dynamo (environ 3000 tr/min). Mais il a aussi besoin d’un redresseur pour la charge des batteries.
Récupération de l’Energie 3
1. Sans multiplicateurs : Le générateur électrique est toujours placé dans la partie mobile de l’appareil. L’énergie électrique est transmise au support fixe par l’intermédiaire d’un "ensemble collecteur-balais". 2. Avec multiplicateurs : Le multiplicateur a alors ses 2 axes (de sortie et d’entrée) à 90°. Mais dans le cas de récupération d’énergie électrique, l’entreprise d’exploitation d’hydrolienne a intérêt à utiliser le "système collecteur-balais" car les problèmes d’étanchéité sur l’arbre vertical sont sérieux.
Conditions de fonctionnement Il est préférable d’utiliser l’hydrolienne dans les courants de marrée. En effet ils présentent, par rapport aux courants généraux, comme le Gulf Stream (courant océanique qui prend sa source entre la Floride et les Bahamas et se dilue dans l'océan Atlantique) des caractéristiques particulièrement favorables : •
Intensité importante (dans certaines zones les courants de marée peuvent atteindre ou dépasser 10 nœuds, soit 5 m/s, alors que les courants généraux dépassent rarement 2 nœuds, soit environ 1 m/s.) ; •
Proximité de la côte : les veines de courant intense apparaissent dans des zones de faibles profondeurs situées à proximité de la côte, ce qui en facilite l'exploitation ; •
Direction stable : (Pour capter au mieux leur force). Les courants de marée sont généralement alternatifs, ce qui simplifie le dispositif de captage ; •
Enfin, prédictibilité : les courants de marée sont parfaitement prévisibles
Il faut également que l'hydrolienne soit implantée à une profondeur de plus de 15m mais moins de 100m à cause de la maintenance et de l'entretient.
Principes de la conception d’une hydrolienne 1. Généralités
Il est intéressant de comparer la problématique des hydroliennes à celle des éoliennes offshore, car ces dernières ont déjà fait l’objet d’une large réflexion et de nombreux développements. On va voir dans ce qui suit qu’une partie des problèmes est similaire, mais que de nombreux autres sont foncièrement différents. Une hydrolienne est une machine qui doit répondre notamment aux critères suivants : Se maintenir en place et résister aux forces hydrodynamiques du courant 4
Turbiner au mieux le flux d’eau du flot et du jusant pour produire de l’énergie mécanique Transformer l’énergie mécanique en énergie électrique Exporter la production électrique vers le réseau à terre Ne nécessiter qu’un minimum de maintenance Gêner au minimum la navigation et le milieu vivant Produire une énergie à un coût acceptable 2. Puissance de la ressource La puissance motrice de l’eau qui traverse la surface du rotor est donnée par la formule : W = ½ . ρ . U3 Avec : W : puissance en W/m² - ρ = 1024 kg/m3 - U : vitesse de l’eau en m/s La puissance de la ressource augmente très vite avec la vitesse du courant, et on considère que les hydroliennes deviennent intéressantes si le courant dépasse 2 m/s. Dans un chenal de 50 m de profondeur où le courant atteint 3 m/s, l’énergie cinétique de l’eau est de 530 MW par kilomètre de largeur de ce chenal, ce qui est considérable. Ce calcul tient compte du fait que la vitesse de l’eau varie avec la distance sous la surface. Une hypothèse fréquente est que la vitesse varie selon la formule : U = U0 . ( z / p) 1/7
Avec z la distance au-dessus du fond, p la profondeur, U0 la vitesse du courant en surface. 3. Caractérisation de la ressource d’un site et choix de la puissance nominale de l’hydrolienne. L’amplitude des marées varie au fil des jours selon les positions respectives du Soleil et de la Lune. On caractérise la force d’une marée par son coefficient. L’amplitude de la marée a bien entendu un effet sur la vitesse du courant. A proximité des côtes, on peut considérer en première approximation que l’intensité maximale atteinte par le courant lors d’une marée est proportionnelle au coefficient de cette marée. Souvent, la vitesse du flot est différente de celle du jusant, mais les vitesses restent grossièrement proportionnelles à l’amplitude. En général, le flot a une intensité plus forte avec une croissance et une décroissance rapide, alors que le jusant est plus faible en amplitude avec un régime plus stable dans le temps. 4. Installation et maintenance Les éoliennes offshore sont des structures de grande taille (environ 100m) qui sont installées en mer par des navires équipés de grues. Le navire est muni de jambes s’appuyant sur le fond, ce qui assure la stabilité malgré les vagues. Pour que les opérations de levage puissent se dérouler efficacement, il faut que le vent soit modéré. On considère que la période estivale est 5
relativement favorable, et on s’efforce de planifier les opérations de montage ou de maintenance lourde durant la belle saison. Dans le cas des hydroliennes, les conditions sont radicalement différentes. Il existe des périodes parfaitement prévisibles de mortes eaux pendant lesquelles les courants sont très faibles, ces périodes durent 2 à 3 jours et se renouvellent 2 fois par mois. Dans les périodes de production, la durée de la renverse du courant n’octroie qu’une vingtaine de minutes de courant relativement calme. La périodicité et les horaires des interventions peuvent être prédits avec précision d’après les tables de marée, corrigées en fonction des conditions météorologiques. La technique d’installation, de relevage, ainsi que les procédures correspondantes doivent tenir compte de ces particularités. La profondeur à laquelle les hydroliennes sont installées est modérée (quelques dizaines de mètres). Il serait envisageable d’intervenir sur les machines avec des plongeurs. Toutefois, une plongée doit avoir une durée minimale (à cause des paliers de décompression) et ne peut pas s’inscrire dans une période de courant modéré. Les courants forts posent de gros problèmes de sécurité et exigent des techniciens parfaitement formés à ce type d’intervention. Il est indispensable de concevoir l’ensemble des équipements afin que les interventions de plongeurs soient réduites au strict minimum. 5. Chargements mécaniques Ici aussi, le parallèle avec les éoliennes est instructif. Dans une éolienne, le principal souci 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 siége d’une turbulence importante, les irrégularités du fond 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. 6. Vitesse de rotation La vitesse de rotation d’une hélice sous-marine est limitée par le risque de cavitation en extrémité de pale. Pour éviter la cavitation, cette vitesse doit être limitée à environ 10 m/s. La vitesse de rotation maximale dépend alors du diamètre du rotor, mais est relativement faible. Ceci implique que le couple exercé sur l’arbre moteur est très élevé. Des considérations similaires montrent que la poussée du fluide sur le rotor est très forte. Les butées mécaniques doivent être dimensionnées en conséquence, et les pales doivent être suffisamment rigides.
Impact sur l’environnement : 6
Bien que l’hydrolienne produise une énergie renouvelable, elle a quand même un impact sur l’environnement, souvent amplifié par de fausses rumeurs. 1 La faune marine : Selon une idée très répandue, l’implantation d’hélices en milieu sous-marin bouleverserait la vie de la faune marine et surtout celle des poissons qui se déplacent le plus souvent aux grés des courants. Il est facile d’imaginer des poissons happés par une hélice. En réalité la vitesse de rotation des pales est bien trop lente (dix tours minute) pour affecter de quelque manière que ce soit la vie des poissons. L’entreprise « Sabella » basée en Bretagne et la première en France à avoir expérimenté les hydroliennes en milieu naturel et mené des expériences en parallèle pour évaluer l’impact qu’elles ont sur l’environnement. Du point de vu environnemental leurs tests n’ont noté aucune augmentation anormale de la mortalité des poissons, ni de modification du comportement de la faune marine dans le secteur d’implantation de l’hydrolienne, ils ont cependant remarqué que le socle et l’armature de l’hydrolienne étaient devenus un vrai récif ou un grand nombre d’espèces avaient trouvées refuge. Dans le Finistère la principale cause de mortalité des poissons est due à la pollution de l’eau de mer par le lisier de cochon, dans la région, l’élevage porcin est source d’une pollution très importante de l’eau. Les hydroliennes n’auront jamais un impact aussi important sur l’environnement que celui qu’a l’élevage. La technologie en matière d’hydrolienne ne cesse d’évoluer, on voit donc apparaitre de nouveaux types d’hydroliennes toujours plus performantes en matière de production électrique et dont l’impact sur l’environnement est moindre. (Voir photo) Cette Hydrolienne représente un exemple concret de réalisation visant à réduire l’impact sur l’environnement du à la rotation des pales. Ici les pales aplaties et l’ouverture centrale permettent aux poissons de circuler sans danger à travers les hydroliennes car de face les pales créent un mur visuel pour les poissons qui sont obligés, soit de contourner cet obstacle, soit de passer dans l’ouverture ce qui n’affecte en rien leur vie. Malgré toutes ces évolutions technologiques les pêcheurs sont longtemps restés réticents à l’implantation de champs d’hydroliennes dans leurs secteurs de pêche. Problème pour la pêche ? : Le lancement des premiers projets d’hydroliennes est apparu comme une menace pour les pêcheurs. Ils pensaient que la pêche leur serait totalement impossible dans les champs d’hydroliennes s’ils ne voulaient pas endommager leurs filets. Les lieux favorables à l’implantation des hydroliennes se situent le plus souvent dans les zones de pêches les plus exploitées. Les concepteurs les ont rassurés en leur garantissant que les hydroliennes ne gêneraient en aucun cas la pêche. Les hélices étant disposées sur les fonds marins dans des zones où les courants sont trop forts pour pratiquer la drague, les chalutiers pourront pratiquer la pêche sans désagrément. Par ailleurs en France les hydroliennes sont le plus souvent placées dans des estuaires ou près des cotes qui sont des zones de plaisances et non de pêche.
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Influence sur les courants et la dispersion des sédiments : On peut également s’interroger sur l’influence des hydroliennes sur la dispersion des sédiments et sur une possible déviation du courant entrainé par la rotation de l’hélice. Une expérience simple nous montre que le passage de l’eau à travers les pales crée des perturbations à l’arrière de l’hydrolienne. Ces perturbations entraînent une dispersion des sédiments plus importante que la normale qui n’a aucun effet majeur sur le dépôt des sédiments dans les zones d’implantation des hydroliennes. La faible vitesse de rotation des hélices empêche la formation de perturbations trop importantes. Les hydroliennes du type « turbine » n’ont pas ce problème car l’ouverture centrale et les pales inclinées ne dévient pas les sédiments qui peuvent circuler normalement. Après deux années d’expérimentation les ingénieurs de « Sabella » n’ont pas remarqué la présence d’une zone morte en avale de l’hydrolienne, le dépôt de sédiment s’est donc effectué normalement. En ce qui concerne les courants marins on pourrait s’attendre à une déviation ou à un ralentissement de celui-ci. Les hydroliennes sont placées dans le sens du courant, pour que le rendement soit maximum et de ce fait elles ne modifient pas la trajectoire du courant. Il pourrait y avoir une influence sur la vitesse du courant si une grande quantité d’hélices était disposées sur une petite surface. Mais les ingénieurs en charge des projets d’hydroliennes recherchent le meilleur rendement possible, pour cela ils évitent d’aligner plus de cinq hydroliennes cote à cote afin de prévenir le moindre ralentissement du courant, ils préfèrent une disposition en décalé des hélices qui tout en respectant l’environnemnt offre le meilleur rendement possible.
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