Qu’est ce qu’une hydrolienne? fonctionnement, conception, rendement…

Auteur : Baptiste Douarche, étudiant en L1 CMI IMSAT.

Une hydrolienne se nome aussi turbine hydrocinétique. C’est une filière des « Énergies marines renouvelables ». Cependant, si le mot «hydrolienne» ressemble un peu à «éolienne», ce n’est pas par hasard. En effet, les éoliennes permettent de produire de l’électricité à partir de la force du vent, et de la même façon les hydroliennes permettent de produire de l’électricité à partir de la force des courants.

Est-ce que l’utilisation des turbulences marines sur les hydroliennes est une nouvelle source d’énergie éco-responsable ?

C’est à cette question que notre équipe conviendra de répondre et pour ce faire je vous propose une analyse sur la conception mécanique et énergétique des hydrolienne. Cette analyse se décomposera en 5 temps. Nous verrons le fonctionnement de hydrolienne puis la conversion énergétique de celle-ci et leurs rendement, nous parlerons par ailleurs des différents types de conceptions de ces hydroliennes et enfin de nous nous poserons la questions de l’avenir des hydroliennes dans le futur mais aussi en France et en Europe.

I-Principe de fonctionnement d’une hydrolienne :

La turbine de l’hydrolienne permet la transformation de l’énergie hydraulique en énergie mécanique, qui est alors transformée en énergie électrique par un alternateur.

L’hydrolienne est constituée d’une turbine qui entraîne une génératrice et produit ainsi de l’électricité sous forme d’un courant alternatif. Un convertisseur est situé parfois après pour l’adapter au réseau.

Conversion de l’énergie cinétique du courant:

Considérons une hydrolienne avec un rotor de diamètre D immergé dans un courant dont la vitesse est V. La surface du rotor est : S=п/4.D2
La masse d’eau qui traverse le rotor à chaque seconde est : M=ρ.S.V (ρ:masse volumique du fluide). L’énergie cinétique de cette masse d’eau est : E = ½ M.V2 = ½.ρ.S.V3*

La puissance de l’hydrolienne est une fraction de l’énergie cinétique:P = Cp.E    avec Cp :coefficient de performance de l’hydrolienne. On obtient : P = ½.Cp.ρ.S.V3 (remarque :Les rotors réels des hydroliennes ont un Cp voisin de 0,40 à 0,45).

Le graphique ci-dessous montre la relation entre la vitesse du courant et la puissance électrique pour une hydrolienne de 200 kW. Lorsque le courant est plus rapide que la vitesse nominale prise en compte pour le dimensionnement de la machine, la puissance est bridée à la valeur maximale. Ceci résulte du fait que le raccordement électrique est prévu pour une puissance donnée, qu’il n’est pas possible de dépasser.

Contrôle de la puissance – cas d’une hydrolienne avec rotor-hélice

La vitesse du courant est parfois inférieure à la vitesse nominale, parfois supérieure lors des grands coefficients de marée. Pour ce faire, considérons le cas d’une hydrolienne mécaniquement très simple, munie d’un rotor en forme d’hélice avec des pales non réglables, placée perpendiculairement au courant. La figure ci dessous montre que la puissance délivrée varie en fonction de la vitesse de l’eau, mais aussi de la vitesse de rotation. La puissance passe par un maximum quand la vitesse de rotation augmente, puis s’annule pour la vitesse dite de roue libre.

Pour plus de précision et de recherche au niveaux des calculs associés sur les hydroliennes, je vous prie de voir l’article de notre équipe sur les calculs direct des hydroliennes de Alexandre Fevre.

II-Production énergétique d’une hydrolienne :

Comme la vitesse du courant est proportionnelle à l’amplitude de la marée, la formule principale qu’on a décrite ci dessus montre que la puissance varie énormément d’une heure à l’autre et d’un jour à l’autre en fonction du coefficient de marée.

Une étude du « club des argonautes » a permis d’illustrer la variation de la production d’énergie selon les jours. Pour ce faire, nous prenons un exemple théorique d’une hydrolienne de 500 kW implantée dans un site typique et proche de France : la Manche. Les schémas ci-dessous montrent la vitesse du courant sur ce site durant le mois d’octobre 2008.

Le calcul de la production cumulée pour ce site pour toute l’année 2008 montre que l’hydrolienne aurait pu fournir un total de 1 516 073 kWh. En divisant cette quantité par la puissance nominale de l’hydrolienne, on obtient : 1516073 kWh / 500 kW = 3032 h. Ce nombre d’heures constitue ce qu’on nomme la durée équivalente de fonctionnement pleine puissance.

Quand est-il alors du rendement ?

L’hydrolienne profite des courants marins et du volume important de l’eau pour produire de l’électricité. Cependant, pour que le rendement énergétique d’une hydrolienne soit optimal, il est nécessaire de réunir certaines conditions, ceci afin d’avoir une capacité de production idéale de l’ordre de 1 MW/an d’électricité. Par conséquent, elle présente un rendement très satisfaisant, mais cette énergie est assez compliquée à utiliser car nos méthodes sont encore perfectibles. De plus, il est difficile de ramener l’énergie à la surface terrestre.

III-Types d’hydroliennes

Lors de la conception d’une hydrolienne, plusieurs paramètres s’offrent au choix de l’ingénieur. Il est ainsi possible d’imaginer de nombreuses machines d’aspects fort différents. On décrit dans ce qui suit les principaux types de systèmes destinés à transformer l’énergie cinétique de l’eau en énergie mécanique puis électrique utilisable.

Rotor à axe horizontal

Le schéma montre que lorsque le rotor tourne, les pales tracent dans le fluide des hélices entrelacées. L’ensemble de l’eau qui traverse le rotor interagit avec au moins une des pales.

Hélices carénées

Certaines hydroliennes qui utilisent le principe du rotor-hélice sont munies d’un carénage. La forme interne du carénage dessine un venturi convergent-divergent.

Sabella

Elle est posée sur le fond afin de se soustraire autant que possible à l’action des vagues, car les sites visés (comme par exemple Ouessant) sont situés en mer ouverte et balayés par les tempêtes.
Nous voyons que la nacelle est posée sur un tripode lesté. L’hydrolienne est elle, fixe dans l’espace. L’ensemble est orienté lors de l’installation en tenant compte de la direction du courant et des turbulences.
Les pales sont fixées rigidement et le sens de rotation du rotor s’inverse avec le sens du courant. Les pales sont symétriques, car chaque face des ailes est alternativement extrados puis intrados.

Hydrolienne OpenHydro

L’hydrolienne comporte un carénage circonscrit au rotor. La présence du carénage améliore le flux sur le rotor. On voit que les pales sont fixées sur un anneau qui roule dans une gorge aménagée dans la surface interne du carénage.

Hydrolienne Oceade

Le rotor est positionné face au courant. La nacelle pivote lors de la renverse grâce à un propulseur auxiliaire. Les pales ont une incidence réglable à volonté et peuvent avoir un profil optimal offrant la meilleure efficacité hydrodynamique.
La nacelle peut être amenée sur le site en flottaison, grâce à un remorqueur modeste.

Hydroliennes flottantes

L’hydrolienne est constituée d’un flotteur amarré sur le fond. La traînée du rotor provoque une traction sur l’ancrage, et le flotteur doit avoir une flottabilité suffisante pour ne pas être entraîné sous la surface par la traction de l’ancrage. Un flotteur en surface est sensible aux vagues, si bien que ce type d’hydrolienne ne convient guère que pour les sites relativement abrités de la houle du large.

Un projet comme celui-ci a vu le jour à Bordeaux lors d’une expérimentation en 2018 sous le pont de pierre.

IV-Le fort potentiel de l’hydrolien en France et en Europe

Les courants et turbulences marines constituent une ressource énergétique intéressante, car la densité de l’eau étant ~ 800 fois supérieure à celle de l’air. D’après EDF, qui s’intéresse de près à cette énergie, le potentiel français exploitable serait d’environ 2,5 GW sur les côtes Françaises avec une durée de fonctionnement de 2500 h par an c’est-à-dire une production d’environ 6 TWh par an, soit l’équivalent d’une centrale nucléaire.

La France, deuxième pays européen en termes de potentiel hydrolien après le Royaume-Uni, accueille plusieurs projets prometteurs, dont le projet NH1 de Normandie Hydroliennes, prévu pour une capacité de 12 MW, ainsi que divers projets en Bretagne, près d’Ouessant et du raz de Sein. L’Europe reste leader dans cette technologie, avec des projets en cours au Royaume-Uni et dans des pays comme les îles Féroé. Toutefois, la concurrence internationale est vive, notamment avec les initiatives en Chine et aux États-Unis.

V-Les énergies marines : les hydroliennes, un enjeu pour l’avenir

Le Grenelle de la Mer, organisé en 2009, a marqué un tournant en mettant en avant l’urgence des énergies renouvelables, notamment l’énergie hydrolienne, et a conduit au plan “Énergie bleue”. La France ambitionnait alors une production de 6 000 MW d’énergies marines renouvelables d’ici 2020, incluant l’ouverture de trois sites hydroliens.

La Nouvelle-Aquitaine, avec ses 720 km de côte, a lancé une initiative pour promouvoir la croissance bleue, notamment dans le secteur émergent de l’énergie renouvelable en mer. La Région se positionne pour développer les trois principales formes d’énergies marines renouvelables sur son littoral :

• L’éolien en mer, posé et flottant, principalement au nord, avec le projet de parc éolien en mer d’Oléron en cours d’études environnementales.
• L’énergie houlomotrice (vagues), soutenue par la Région près du port de Bayonne, avec des zones identifiées pour son développement dans le sud.
• L’hydrolien estuarien, au centre de la région.

Les régions d’Outre-Mer jouent elles aussi un rôle clé en tant que vitrines technologiques et territoires expérimentaux pour ces innovations, comme l’installation de sites hydroliens sur les îles.

Ce développement mobilise le ministère de l’Énergie, les industriels, les instituts de recherche, les agences spécialisées et la Commission européenne. Selon l’Ifremer ( Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer), l’avenir de ces énergies dépendra de l’engagement international en faveur d’une politique durable. La recherche s’oriente vers des technologies à moindre impact environnemental, comme les hydroliennes de grande profondeur, bien que leur expansion implique des risques à surmonter.

Conclusion :

Les hydroliennes exploitent donc l’énergie crée par les turbulences marines et les courants de marées. Cette source d’énergie mécanique est particulièrement intéressante car elle est régulière et inépuisable. En effet, la production d’électricité est prévisible, par exemple les marées peuvent être calculées à l’avance. L’avenir de l’hydrolien en France semble prometteur. Les initiatives en cours, placent la France en bonne position pour devenir un leader européen dans ce domaine, renforçant ainsi la contribution des énergies marines renouvelables à la transition énergétique mondiale.

Bibliographie :

• présentation : https://www.choisir.com/energie/articles/117578/ce-quil-faut-savoir-sur-les-centrales-electriques
• références sur la conversion et production énergie : le club des argonautes, EDF réseau
• Article de journaux présentant les projets régionaux : https://www.sudouest.fr/premium/dans-vos-departements/bordeaux-un-deuxieme-testeur-d-hydroliennes-sur-la-garonne-2906880.php , https://www.nouvelle-aquitaine.fr/actualites/des-hydroliennes-dans-la-garonne-bordelaise, https://www.lemonde.fr/planete/article/2018/04/12/a-bordeaux-la-filiere-hydrolienne-se-jette-a-l-eau_5284477_3244.html
• video sur leurs positionnement dans la garonne : https://youtu.be/w5fZCqvIUqQ?si=DxufYOzSHubhowNT