Avantages et inconvénients des fermes éoliennes offshore et des énergies marines renouvelables

L'océan est le plus grand système de stockage naturel d’énergie au monde. Le potentiel énergétique théorique des énergies marines renouvelables est estimé à 2 000 000 TWh/an.¹

Un chiffre hallucinant lorsque l’on sait qu’en 2021, la consommation mondiale d’électricité s’élevait à 27 520,5 TWh². Pourtant, aujourd’hui, les énergies marines renouvelables comptent seulement pour environ 0,05 % de la production mondiale d'énergie renouvelable.³

Tour d’horizon des différentes technologies qu’il reste à exploiter dans notre course face à l’urgence climatique.

Les fermes éoliennes offshore
L’énergie marémotrice et houlomotrice ou l’énergie des marées
L’énergie hydrolienne ou énergie des courants marins
L’énergie thermique des mers (ETM)
L’énergie osmotique
Chez Lumo, la journée de la mer et des océans c’est tous les jours

Les fermes éoliennes offshore

Au large des côtes, le vent souffle plus fort et plus régulièrement. Les fermes éoliennes offshore présentent donc un intérêt certain pour la transition énergétique. Ces dernières sont généralement installées dans des zones de hautes profondeurs, à plus de 10 kilomètres du littoral. Reliées à des câbles sous-marins qui acheminent l’électricité produite vers la côte pour l’injecter dans le réseau public, elles nécessitent une maintenance et des infrastructures plus coûteuse que les éoliennes terrestres.

Une puissance éolienne inégalée

Il existe deux types d’éoliennes offshore : les éoliennes flottantes et les éoliennes fixées au fond de la mer. Les éoliennes flottantes sont fixées à des flotteurs en surface de l’eau, eux- mêmes reliés à des lignes d’ancrage. Cette technologie permet donc de s’adapter à des profondeurs de plus de 50 mètres et de réduire les coûts de construction des infrastructures.

Les fermes éoliennes offshore posées sont ancrées à des fondations en acier ou en béton sur plancher océanique et vont à des profondeurs d’eau allant de 25 à 60 mètres. Comme ses semblables terrestres, elles utilisent la force du vent pour faire tourner les pales d’une hélice. Ces pales sont reliées à un rotor, qui à son tour entraîne un générateur pour produire de l’électricité. Les éoliennes maritimes sont cependant plus grandes que ses petites sœurs terrestres avec des hauteurs allant à plus de 200 mètres, des pales pouvant mesurer plus de 80 mètres de longueur et une puissance estimée de 2 à 3 fois supérieure (selon la longueur des pales).

Si vous avez déjà eu l’occasion de faire un tour en mer, vous savez que le vent y est plus fort et plus constant. Ainsi, on estime qu’une éolienne offshore est capable de produire jusqu’à 60% d’énergie en plus qu’une éolienne onshore⁴.

Empreinte carbone et coûts de production

L’ADEME estime que l’éolien terrestre émet en moyenne 12,7 g de CO2 par kWh et l’éolien maritime 14,8 g de CO2 par kWh. En comparaison, le gaz fossile émet 490 g de CO2 par kWh et le charbon 820 g de CO2 par kWh.⁵

Quant à son coût de production, il est en moyenne de 60,5 €/MWh en France pour une éolienne terrestre et de 110€/MWh pour une éolienne offshore (le nucléaire coûte entre 42 €/MWh et 64,8 €/MW⁶) . Cela s’explique en partie à cause du coût de construction, de maintenance et de raccordement des parcs éoliens offshores.

Toutefois, comme toutes les EnR, le prix devrait baisser avec le temps et ce pour différentes raisons techniques et structurelles ⁷:

L’effet d’échelle et l’augmentation de la puissance des éoliennes : puissance unitaire déjà augmentée de 30 % depuis 2016. Par ailleurs, les usines de turbines et pales installées en France sont déjà construites et vont donc nécessiter moins d’investissements ;
Des infrastructures portuaires adaptées (de la même façon, contrairement aux premiers parcs français, l’investissement ne supportera plus le coût d’aménagement des ports) ;
L’optimisation et la mutualisation des moyens d’exploitation et de maintenance ;
Un cadre administratif adapté et flexible qui a fait l’objet de nombreuses réformes favorisant le développement de l’éolien en mer à moindre coût ;
La réalisation des premières études techniques et environnementales par l’État en amont de la procédure de mise en concurrence, puis délivrées aux candidats, ce qui leur permet de mieux connaître la zone et de mieux déterminer le coût exact d’implantation du parc ;
La prise en charge financière du raccordement par RTE (y compris le poste électrique en mer), et la mise en place d’un dispositif d’indemnités en cas de retard ou d’avarie du raccordement ;
Des conditions de prêt avantageuses, du fait du retour attendu des projets pilotes, de la baisse des taux d’intérêt sur les marchés financiers ou des solutions alternatives comme le financement participatif dédié au vent.

Ainsi l’ADEME estime que le parc offshore de Dunkerque (46 éoliennes offshore pour une capacité de 600MW) dont la mise en service est prévue pour 2026 devrait pouvoir stabiliser son prix à 44 €/MWh.⁸

L’éolien en mer est donc l’une des infrastructures énergétiques les moins émettrices de CO2 et semble très intéressante d’un point de vue économique. S’il faut encore travailler à réduire l’impact de son installation sur les écosystèmes marins, les Etats investissent de plus en plus massivement sur les parcs éoliens pour l’avenir.

Quels impacts pour la faune et la flore ?

Fixées sur des dalles d’acier, assemblées sur la zone définie et raccordées par un système de câbles enroché dans un matelas de béton sous la surface de l’eau afin de rejoindre le continent, les éoliennes offshores nécessitent une forme d’artificialisation qui détruit inéluctablement l’habitat de certaines espèces. Quant aux oiseaux, les différentes études menées sur le sujet entrent souvent en contradiction. Si certains évitent les éoliennes en mer, d’autres sont en effet victimes de collisions mortelles⁹. « La vulnérabilité des oiseaux face aux turbines, très variable d’une espèce à l’autre, laisse les scientifiques à leurs conjectures. D’après une étude récente publiée dans le journal Ecology and Evolution, peindre des pales d’éolienne en noir permettrait de diminuer drastiquement les chocs avec les oiseaux ».¹⁰

Pour alle plus loin : 10 idées reçues sur les éoliennes

Autre point encourageant, « les études de terrains sur d’autres projets du même type ont montré qu’un retour des espèces marines (crustacés, poissons, mammifères…) est attendu entre 3 à 5 ans après les travaux sur les zones concernées. Il est aussi possible qu’un « effet récif » naisse de l’ajout de ces nouvelles infrastructures, c’est-à-dire que les fondations des éoliennes pourraient devenir des espaces de peuplement importants pour les écosystèmes, à l’image des épaves de navires dans les océans. »¹¹

Des efforts semblent donc encore à faire dans ce domaine afin de trouver un meilleur équilibre pour préserver au mieux les écosystèmes marins mais il semblerait que, pris dans sa globalité, le bilan écologique soit encourageant.

L’énergie marémotrice et houlomotrice ou l’énergie des marées

L’énergie marémotrice, également connue sous le nom d’énergie des marées, est une forme d’énergie renouvelable qui utilise les mouvements des marées pour produire de l’électricité. Les marées sont un phénomène périodique lié à la force gravitationnelle de la Lune et du Soleil sur la Terre, d’une part, entrainant une déformation des océans et de la croûte terrestre, et d'autre part, à la force centrifuge liée à la rotation de la Terre sur elle-même.

Les barrages marémoteurs sont des installations permettant d’exploiter l’énergie produite par les marées. Disposées de préférence dans une baie ou un estuaire, ses turbines, semblables à celles que l’on trouve dans les barrages hydroélectriques, capturent l’eau montante qui vient faire tourner les pales convertissant ainsi l’énergie cinétique de l’eau en énergie mécanique. Cette énergie mécanique est ensuite utilisée pour faire tourner des générateurs qui produisent de l’électricité.

L’énergie houlomotrice, quant à elle, est générée à partir du mouvement des vagues de l’océan, conséquence du vent et de la rotation terrestre. Elle est obtenue en utilisant des dispositifs (flotteurs, colonnes d’eau oscillantes, vagues articulées, etc.) qui convertissent l’énergie cinétique des vagues en électricité. L’énergie houlomotrice est moins prévisible que l’énergie marémotrice car elle dépend des conditions météorologiques alors que les marées, quant à elles, sont prévisibles.

De plus, l'accumulation indésirable d'organismes aquatiques tels que des micro-organismes, des plantes ou des animaux créer un encrassement naturel qu'il est très complexe d'éviter.

Le potentiel global du marché de cette énergie (marémotrice et houlomotrice) en Europe est estimé entre 150 et 800 TWh par an soit jusqu’à 40 milliards d’euros par an. Dans des conditions réglementaires et économiques favorables, les technologies de l’énergie océanique pourraient satisfaire 10% de la demande énergétique de l’Union européenne d’ici 2050.¹²

L’énergie marémotrice offre l’avantage d’être renouvelable et ne produit pas de gaz à effet de serre (une fois le barrage construit). Cependant, la production d’électricité à partir de cette source présente quelques inconvénients. Tout d’abord, elle est intermittente, bien que prévisible, mais n’a pas la capacité de produire de l’électricité en continu. De plus, son implantation perturbe inexorablement les écosystèmes locaux et son coût d’installation est très élevé. Selon le plan SET (Strategic Energy Technology) publié par Ocean Energy Europe en 2018, les objectifs de réduction du coût nivelé de l’énergie océanique ont été fixés à 150 €/MWh pour les courants marins d’ici 2025 et 100 € /Mwh d’ici 2030.¹³ Un coût soutenable bien que très supérieur à l’éolien terrestre ou au solaire.

L’énergie hydrolienne ou énergie des courants marins

Actuellement, une tendance émerge pour explorer une troisième méthode de captage de l’énergie marémotrice, en complément des grands barrages et des lagons artificiels. Il s’agit des systèmes d’hydroliennes, qui captent les courant de la mer ou des fleuves. Ce principe implique la concentration d’un grand nombre d’hydroliennes dans les zones où les marées déplacent de grandes masses d’eau.

La rotation des turbines en mer entraîne un alternateur produisant ainsi un courant électrique dépendant du courant. Les courants marins étant assez facilement prédictibles, contrairement aux vents, l’énergie hydrolienne permet d’anticiper les baisses et les hausses d’intensité. La masse volumique de l’eau étant 832 fois plus élevée que l’air, le potentiel de captation est donc énorme. « 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 ». ¹⁴

Une hydrolienne a un impact visuel moins important, car moins imposante qu’une éolienne ou un barrage. Les hélices réalisent 10 à 15 tours / minute, soit 10 fois moins en moyenne que ceux des bateaux, ce qui réduit la perturbation de la vie marine. Des espèces peuvent s’approprier le socle et l’armature comme refuge, l’hydrolienne devient alors un récif. Elle nécessite peu d’entretien car la rotation des hélices évite le dépôt de sédiments et l’évasement de la structure.

Toutefois, car il y a toujours des limites, d’où la nécessité d’investir dans différentes énergies renouvelables, la maintenance hors de l’eau est lourde et complexe. Les matériaux composites des pales sont sensibles à l’érosion du sel et du sable. La rouille et la corrosion ne permettent pas une réutilisation des composants. Une hydrolienne en marche peut perturber la sédimentation et causer des blessures à la faune marine et son mouvement continu a certainement un impact sur leur comportement. Les nuisances sonores liées à son installation peuvent également causer des perturbations. Enfin, les coûts d’exploitation et d’investissement sont estimés du double de ceux de l’éolien en puissance égale installée.

L’énergie thermique des mers (ETM)

L’énergie thermique des mers présente un intérêt dans les zones tropicales. Elle exploite la différence de température entre l’eau de surface (plus chaude) et l’eau profonde (plus froide), au sein d’une centrale thermique. La production d’électricité au sein d’une centrale ETM fonctionne comme les centrales électriques mais avec des conditions de fonctionnement différentes. L’énergie est produite à partir d’un fluide rendu à l’état de vapeur (de l’ammoniac par exemple, dont le seuil d’ébullition est très bas) par contact avec l’eau chaude de surface. La vapeur produite passe dans une turbine couplée à un alternateur qui produit de l’électricité, puis est aspirée vers un condensateur où elle retourne à l’état de fluide au contact de l’eau froide puisée en profondeur.

L’Etat américain d’Hawaï envisage sérieusement cette technologie afin de profiter d’une énergie verte et assurer son indépendance énergétique.

Toutefois, la mise en œuvre de tels systèmes peut avoir un impact sur les écosystèmes marins locaux et affecter la qualité de l’eau. Elles sont encore au stade de développement et peuvent être coûteuses à mettre en place mais représentent un énorme potentiel pour les régions insulaires et les zones côtières tropicales.

L’énergie osmotique

L’énergie osmotique est encore au stade d’expérimentation à ce jour. Elle serait capable de produire de l’électricité à partir du mouvement chimique des molécules créé par la différence de salinité entre l’eau de mer et l’eau douce des fleuves lorsqu’elles se rencontrent. Il est donc nécessaire d’installer les centrales osmotiques à l’embouchure des fleuves.

L’eau douce et l’eau de mer son pompés, l’eau de mer est filtrée puis pressurisée dans un échangeur de pression, 80 à 90% de l’eau douce pompée traverse une membrane semi-perméable ce qui provoque un état de surpression dans le bassin d’eau salée et augmente le débit. 1/3 de cette eau est dirigée vers une turbine pour produire de l’électricité. Le reste est acheminé vers l’échangeur de pression pour pressuriser à nouveau l’eau de mer pompée. L’énergie produite est totalement propre (sans prendre en compte la construction de l’infrastructure) et ne dégage aucune pollution sonore.

Aucune centrale osmotique n’a été construite pour le moment cependant, on estime qu’elle pourrait produire jusqu’à 1.700 TWh d’électricité par an à travers le monde (le nucléaire en produit 2.700).¹⁵

Petit bémol cependant, d’où la phase expérimentale du projet, la production de membranes semi-perméable est impossible à grande échelle aujourd’hui, leur coût est très élevé et leur performance est insuffisante. Les scientifiques cherchent donc une alternative. Qui plus est, les estuaires sont déjà très urbanisés ou industrialisés et l’artificialisation imputable à la construction des centrales osmotiques pose un problème majeur.

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Sources :1 https://www.futura-sciences.com/planete/questions-reponses/energie-renouvelable-potentiel-energetique-energies-marines-962/2 https://www.connaissancedesenergies.org/sites/default/files/pdf-actualites/Report-GER22.pdf3 https://www.futura-sciences.com/planete/questions-reponses/energie-renouvelable-potentiel-energetique-energies-marines-962/4 https://www.edf.fr/groupe-edf/espaces-dedies/l-energie-de-a-a-z/tout-sur-l-energie/produire-de-l-electricite/l-eolien-en-mer5 https://bilans-ges.ademe.fr/documentation/UPLOAD_DOC_FR/index.htm?renouvelable.htm= 6 https://www.ccomptes.fr/sites/default/files/2021-12/20211213-S2021-2052-analyse-couts-systeme-production-electrique-France.pdf7 https://eolbretsud.debatpublic.fr/wp-content/uploads/enjeux-cout.pdf 8 https://librairie.ademe.fr/energies-renouvelables-reseaux-et-stockage/4638-eolien-offshore-analyse-des-potentiels-industriels-et-economiques-en-france.html 9 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0006320722003482 10 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ece3.659211 https://youmatter.world/fr/deploiement-conteste-eolien-mer-avantages-inconvenient/12 https://ec.europa.eu/research-and-innovation/en/projects/success-stories/all/tidal-flows-generate-huge-potential-clean-electricity13 https://energy.ec.europa.eu/system/files/2020-10/final_report_levelised_costs_0.pdf14 https://www.choisir.com/energie/articles/104452/lhydrolienne15 https://www.linfodurable.fr/technomedias/quest-ce-que-lenergie-osmotique-definition-avantages-et-inconvenients-31505