Hydrolienne : fonctionnement

Hydrolienne : définition

Hydrolienne cerf-volant de Minesto
Hydrolienne cerf-volant de Minesto
Hydrolienne a tuyère accélératrice de Guinard Energies
Hydrolienne a tuyère accélératrice de Guinard Energies

Par définition, une hydrolienne est une machine sous-marine qui produit de l’électricité avec l’énergie des courants marins ou fluviaux. Ce sont souvent des turbines qui entraînent un alternateur qui produit de l’électricité sous forme d’un courant alternatif. Un convertisseur est situé parfois après pour adapter le courant électrique. Mais il y a des modèles particuliers comme la première photo ci-dessus le montre avec l’hydrolienne cerf-volant de Minesto. En effet, il existe 7 catégories de machines.

Le courant est alors transporté par un câble posé dans le fond marin. Puis la ligne située sur le rivage est reliée parfois a un autre convertisseur et en principe a un poste de transformation dont le rôle est d’élever la tension. L’énergie est alors envoyée au poste de livraison qui est connecté au réseaux électrique.

Une hydrolienne se nome aussi turbine hydrocinétique. C’est une filière des Energies marines renouvelables notées EMR.

Une hydrolienne fluviale fait de quelques centaines à quelques milliers de watts tandis qu’une marine fait plutôt de 100 000 à 2 000 000 de watts, c’est à dire 2 MW. 

7 catégories de fonctionnement principales de turbines

Hydrolienne à axe horizontal « classique »

Hydroliennes à axe horizontal "classiques"
Hydroliennes classiques à axe horizontal

Ce sont les hydroliennes les plus utilisées, pour les hydroliennes marines. Elles ressemblent aux éoliennes. Elles ont un rotor muni de plusieurs pales, au moins deux mais parfois jusqu’à six comme la D10 du fabricant français Sabella. Les matériaux utilisés sont l’acier ou des matériaux composites réalisés par des moulages, comme pour la D10 et ont donc une fabrication proche de celle des éoliennes.

Hydroliennes Sabella France

Schéma de fonctionnement de l'hydrolienne D10 de Sabella
Schéma de fonctionnement de l’hydrolienne D10 de Sabella
Hydrolienne D10 de Sabella
Hydrolienne D10 de Sabella

L’hydrolienne Sabella utilise une technologie à axe horizontal et 6 pales en matériaux  composites. Le bout des pales n’est pas arrondi mais plutôt carré. Cette hydrolienne a un fonctionnement a entraînement direct donc pas de multiplicateur a engrenages entre l’hélice et la génératrice. Cela simplifie la maintenance de la machine et évite des pannes. A ce propos, c’est une génératrice synchrone a aimants permanents avec un convertisseur qui adapte la tension. Les pales sont fixes et sans réglage du pas donc cela évite de l’électronique et de la mécanique supplémentaire et l’entretien est facilité.

Son support a un poids suffisant pour ne pas avoir à faire des travaux de forage pour ancrer dans le sol. L’hydrolienne D10 fait 10m de diamètre et produit 1 MW si le courant est suffisant. Un démonstrateur a été installé dans le passage du Fromveur au large d’Ouessant en 2015 à proximité de Brest. Sabella vient de Hydrohelix Quimper.

Hydroliennes Atlantis

AR1500
Hydrolienne à axe horizontal AR1500 de 1.5 MW de Atlantis
Hydrolienne à axe horizontal AR1500 de 1.5 MW de Atlantis

C’est une hydrolienne à axe horizontal  de 1.5 MW : munie de 3 pales. Le diamètre du rotor est de 18 m . Un multiplicateur entraîne l’alternateur .

Seagen
Hydrolienne Seagen 1.2 MW d'Atlantis (appartenait avant à MCT)
Hydrolienne Seagen 1.2 MW d’Atlantis (appartenait avant à MCT)

Hydrolienne de 1.2 MW installée en 2008 constituée d’un mat et d’une sorte de grosse poutre qui contient une turbine de chaque coté. Cette turbine appartenait avant à MCT mais Atlantis l’acheta. La poutre est levable pour sortir les 2 turbines de l’eau et effectuer la maintenance. Mais en fonctionnement le mat est visible à la surface de l’eau ce qui est un inconvénient.

Turbines à axe horizontal carénées

La turbine est installée dans un entonnoir. Ainsi, les courants marins sont accélérés : c’est l’effet venturi.

Turbine à axe horizontal carénée
Turbine à axe horizontal carénée

Turbine à axe horizontal flottante

Hydrolienne flottante BlueTec
Hydrolienne flottante BlueTec

Les hydroliennes à axe horizontal flottantes sont installées sous une barge flottante. Elles ressemblent de la surface à un bateau. Pour l’installation l’hydrolienne est souvent immergée avec un système de vérins par exemple : c’est facile et rapide. Puis la maintenance est faite aisément car il suffit de remonter la turbine pour dépanner.

Les hydroliennes à axe vertical

La technologie de fonctionnement est de type Darrieus ou de type Savonius. L’entreprise Française Hydroquest conçoit des hydroliennes fluviales utilisant le type de fonctionnement Darrieus. La société française EcoCinétic fait un modèle hybride Savonius-Darrieus. L’ingénieur Français Darrieus a conçu  un modèle d’éolienne à axe vertical : c’est de ce type de fonctionnement que sont conçues les hydroliennes de type Darrieus. Mais il est a noter que les pales ne sont pas courbées ce qui les différencies des éoliennes de ce type.

Hydroliennes à ailes oscillantes ou ondulantes

Hydrolienne type hydroptère oscillant
Hydrolienne type hydroptère oscillant

L’aile est fixée à un bras et lorsqu’elle est soumise a des courants marins suffisants va monter et descendre. Un fluide circule alors et un système hydraulique permet de convertir cette énergie en énergie électrique.

L’hydrolienne à ailes oscillantes se nome aussi hydroptère oscillant. En effet, un hydroptère est un bateau qui possède des ailes (foils) et qui avec une vitesse importante est capable de voler juste au-dessus de l’eau sous l’effet de la portance. L’hydroptère oscillant (hydrofoils) reprend ce nom pour « aile oscillante ».

Hydrolienne EELV-Energy à aile ondulante

Hydrolienne à aile ondulante
Hydrolienne à aile ondulante

L’aile est une membrane souple qui se déforme sous l’effet des courants marins. Ensuite, des capteurs électromécaniques convertissent l’énergie en énergie électrique. La société Française EEL-Energie utilise ce type de fonctionnement pour son petit prototype. La membrane est conçue avec différents matériaux comme du caoutchouc, par exemple. L’avantage de cette technologie est qu’elle est utilisable en eaux peu profondes. Cela permettrais donc d’améliorer le potentiel exploitable. Les courants minimaux pour faire démarrer la production de courant électrique sont souvent plus faibles que pour les technologies à turbine.

Hydroliennes cerf-volant

Hydrolienne Minesto

Hydrolienne cerf-volant
Hydrolienne cerf-volant
Hydrolienne cerf-volant de Minesto
Hydrolienne cerf-volant de Minesto

C’est le principe du fonctionnement du cerf-volant mais dans l’eau avec les courants marins. Minesto a une hydrolienne marine utilisant ce type de fonctionnement. L’hydrolienne décrit des 8 sous l’effet de commandes électroniques. Un câble maintient l’hydrolienne comme pour un cerf-volant classique. Les courants marins font tourner la petite turbine qui produit donc du courant électrique. L’intérêt principal est que la machine capterait des courants plus faibles pour démarrer.

Hydroliennes à vis d’Archimède

C’est le vis d’Archimède qui sert aussi en hydraulique sur des petites rivières pour produire du courant électrique.

Hydrolienne Flumill

Hydrolienne de Flumill avec un type de fonctionnement vis d'Archimède
Hydrolienne de Flumill avec un type de fonctionnement vis d’Archimède

L’entreprise Flumill utilise ce type de fonctionnement pour son prototype d’hydrolienne marine. Il y a 2 vis d’Archimède qui sont positionnés à 45° pour pouvoir tourner avec les courants marins.

Maintenance des hydroliennes

Puisque une hydrolienne en fonctionnement est immergée, il faut la remonter avec des moyens lourds. Donc le coût est important. Donc les constructeurs développent des méthodes plus pratiques pour la manutention des hydroliennes : barges conçues pour l’hydrolienne par exemple ou conception d’hydroliennes flottantes. Les machines doivent êtres robustes pour que la maintenance soit réduite. En effet il faut éviter d’avoir à envoyer des plongeurs souvent, ou d’avoir la turbine à ramener à quai pour dépanner ou entretenir. L’utilisation de robots sous-marins est envisagée, des travaux sont faits pour améliorer et adapter ces engins pour des tâches d’inspection préventive ou de dépannage. 

Les supports des hydroliennes

Les hydroliennes peuvent avoir une fondation qui est un support suffisamment lourd pour être posé dans le fond. Mais le support type pieux s’utilise aussi. Ou encore une hydrolienne flottante. En effet, elle s’accroche alors sous une barge ou sous une bouée. Ou elle peut être accrochée au bout d’un câble fixé au fond et être munie d’un flotteur pour la maintenir à une dizaine de mètres du fond. C’est une méthode qui ressemble aussi a un cerf-volant : l’hydrolienne Française Blue Shark utilise ce procédé.

Avantages et inconvénients des hydroliennes

Avantages des hydroliennes

La prédictibilité

Les hydroliennes produisent du courant électrique selon la vitesse des courants marins donc selon  les marées. L’énergie hydrolienne est donc prédictible, ce qui est un avantage majeur.

Cela permet de préparer un autre moyen de production de courant électrique pour prendre le relais pendant une période d’arrêt de production. Ou de déstocker du courant électrique de des batteries. Un lâché d’eau peut avoir lieu sur un barrage hydroélectrique pour envoyer du courant de substitution dans le réseau. Un autre avantage des hydroliennes est que la production se fait tout au long de l’année et de manière répartie dans la journée donc les périodes d’arrêt sont courtes.

Discrètes dans les paysages

La plupart des hydroliennes ne sont pas visibles sur l’eau, ce qui est plus facile pour que les riverains qui habitent la cote donnent leur accord pour leur installation. Précisons qu’elles n’émettent pas de bruit audible sur la cote non plus. Cependant certains modèles comme la SeaGen d’Atlantis ont une partie visible à l’extérieure donc ne conviennent pas pour certains endroits.

Non polluantes et énergie renouvelable

Les hydroliennes ne polluent pas : elles n’émettent pas de CO2 et donc ne participent pas au réchauffement climatique.

L’énergie des courants est renouvelable : elle n’utilise aucune ressource fossile donc n’épuise pas les gisements.

Les hydroliennes n’occupent pas de surface au sol donc n’empiètent pas sur des zones agricoles par exemple.

Un avantage des hydroliennes est aussi pour le raccordement au réseau électrique qui peut se faire en faisant passer les câbles sous-marins plus loin pour se raccorder au réseau, évitant des zones plus délicates ou permettant un raccordement a un réseau existant pour éviter la construction d’une nouvelle ligne. Plusieurs lignes sous-marines peuvent êtres utilisées pour répartir la production, y compris sur une longue ligne sous-marine permettant un raccordement a un pays voisin.

La fabrication et la maintenance permettent le développement de savoir faire industriels.

Inconvénients des hydroliennes

Certain diront que c’est une énergie qui ne produit pas en continu mais comme déjà indiqué, les périodes d’arrêt sont brèves et prévisibles donc compensables.

Le prix est au début élevé comme cela a été le cas avec la plupart des autres énergies devenues maintenant compétitives. Cet inconvénient des hydroliennes est donc corrigeable avec le temps.

Les gisements hydroliens sont concentrés dans certains endroits est un inconvénient des hydroliennes souvent souligné. Mais les lignes sous marines permettent d’envoyer le courant plus loin sans impact visuel et de raccorder a des réseaux différents.

Conclusion sur les avantages et  inconvénients des hydroliennes

Les hydroliennes présentent beaucoup d’avantages et des inconvénients mineurs. La prédictibilité des courants, le non impact visuel et sonore sont les premiers avantages des hydroliennes.

https://www.sabella.bzh/fr/les-solutions/la-technologie