Introduction à la conversion de l'énergie thermique océanique (OTEC)

La conversion d'énergie thermique océanique (OTEC) est une technologie d'énergie renouvelable qui génère de l'électricité en exploitant la différence de température naturelle entre les eaux de surface chaudes et les eaux profondes froides. Ce gradient de température, généralement d'au moins 20°C (36°F) pour une exploitation efficace, existe toute l'année dans les océans tropicaux et subtropicals. Contrairement à l'énergie solaire ou éolienne, l'OTEC fournit une source d'énergie de base – elle peut fonctionner 24 heures sur 24, 365 jours par an, car la ressource thermique océanique est constamment rechargée par le rayonnement solaire et la circulation océanique profonde.

Le potentiel de l'OTEC est énorme. Les océans tropicaux absorbent chaque année environ 60 millions de térawattheures d'énergie solaire, soit plus de 4 000 fois la consommation actuelle d'électricité dans le monde. L'exploitation d'une petite fraction de cette ressource pourrait transformer les systèmes énergétiques des communautés côtières et insulaires, réduire la dépendance à l'égard des combustibles fossiles importés et réduire les émissions de gaz à effet de serre.

Cet article explore les principes de travail de l'OTEC, ses avantages pour la production d'énergie à grande échelle, les principaux défis auxquels elle fait face, les projets pilotes notables dans le monde entier et les perspectives d'avenir de cette technologie prometteuse de l'énergie océanique.

Fonctionnement de l'OTEC: Le cycle thermodynamique

Les systèmes OTEC dépendent du cycle de Rankine, semblable aux centrales à vapeur conventionnelles, mais utilisent un fluide de travail avec un point d'ébullition bas plutôt que de l'eau. La différence de température entre l'eau de surface chaude (25°C-30°C) et l'eau froide profonde (4°C-6°C) conduit le cycle.

OTEC à cycle fermé

Dans un système OTEC à cycle fermé, l'eau de mer de surface chaude traverse un échangeur de chaleur, où elle vaporise un fluide de travail tel que l'ammoniac ou un réfrigérant à hydrocarbures fluorés. La vapeur de haute pression se développe à travers une turbine reliée à un générateur, produisant de l'électricité. La vapeur se déverse ensuite dans un condenseur refroidi par eau froide profonde, où elle se condense en liquide. Le fluide de travail est pompé vers l'évaporateur, complétant la boucle fermée. Ce cycle est analogue à un réfrigérateur domestique fonctionnant en marche arrière.

L'OTEC à cycle fermé est la conception la plus étudiée car elle peut fonctionner avec une différence de température relativement faible et utilise une turbine compacte. L'efficacité des systèmes à cycle fermé est généralement de 1 à 3 % (basée sur les limites de Carnot), mais la puissance nette après avoir pris en compte les pertes de pompage varie de 30 à 70 % de la puissance brute.

OTEC à cycle ouvert

L'eau chaude est introduite dans une chambre basse pression (évaporateur à clapet) où elle se bouillit violemment dans des conditions proches du vide. La vapeur qui en résulte conduit à une turbine basse pression et est ensuite condensée par des eaux profondes froides. L'un des avantages de l'OTEC à cycle ouvert est que la vapeur condensée produit de l'eau douce dessalée comme sous-produit, un précieux coproduit dans les régions de l'eau-scarce.

OTEC hybride

L'OTEC hybride combine des éléments des deux cycles : l'eau chaude est utilisée pour vaporiser un fluide de travail (cycle fermé) tout en produisant de l'eau douce à partir de l'évaporation éclair basse pression d'un flux séparé d'eau chaude.

Avantages de l'OTEC pour la production d'électricité à grande échelle

L'OTEC offre plusieurs avantages distincts qui le rendent attrayant pour la production d'énergie renouvelable à grande échelle, en particulier dans les régions équatoriales.

Puissance de base durable et renouvelable

Contrairement à l'énergie solaire et éolienne, intermittente et variable, l'OTEC fournit une énergie continue et prévisible. Le gradient thermique océanique est stable jour et nuit, au fil des saisons, faisant de l'OTEC une source d'énergie de base fiable. Une usine OTEC de 100 MW peut fonctionner à un facteur de capacité de 90 % ou plus, comparable à un combustible fossile conventionnel ou à des centrales nucléaires.

Faible impact environnemental

Les systèmes OTEC ne produisent pas d'émissions de combustion, pas de CO2, SOx, NOx ou particules. Les fluides de travail (p. ex. l'ammoniac) sont utilisés en boucles fermées avec un rejet négligeable. Les principales préoccupations environnementales concernent l'absorption et le rejet de grands volumes d'eau de mer. Cependant, les conceptions modernes intègrent des écrans pour empêcher l'imperméabilisation et l'entraînement des organismes marins, et les rejets d'eau profonde peuvent être diffusés pour minimiser les panaches thermiques et nutritifs.

Sécurité énergétique et indépendance des nations insulaires

De nombreuses îles tropicales dépendent fortement du diesel importé ou du mazout lourd pour l'électricité, ce qui les rend vulnérables à la volatilité des prix et aux perturbations de l'offre. L'OTEC peut déplacer ces importations en utilisant une ressource locale inépuisable. Par exemple, une usine de 10 MW d'OTEC dans un petit État insulaire pourrait compenser des millions de barils de pétrole sur sa vie, en maintenant des dollars énergétiques dans l'économie locale.

Scalabilité et conception modulaire

Les petites centrales (1 à 10 MW) peuvent desservir des collectivités ou des stations de villégiature éloignées, tandis que les grandes installations (100 MW ou plus) pourraient alimenter des réseaux nationaux ou des industries à forte intensité énergétique telles que la production d'hydrogène, la synthèse d'ammoniac ou les centres de données. L'approche modulaire permet également des investissements échelonnés, réduisant les risques financiers.

Coproduits et synergies

Au-delà de l'électricité, les systèmes OTEC peuvent produire des coproduits précieux.Les eaux profondes froides (5°C–6°C) peuvent être utilisées pour la climatisation, la réfrigération ou l'aquaculture, comme le montre le Laboratoire d'énergie naturelle de l'Autorité d'Hawaii (NELHA).Les eaux douces provenant de conceptions à cycle ouvert ou hybrides peuvent répondre aux besoins en eau potable.

Défis à relever pour la mise en oeuvre de l'OTEC

Malgré sa promesse, l'OTEC est confrontée à des obstacles techniques, économiques et logistiques importants qui ont empêché l'adoption généralisée.

Coûts initiaux élevés des immobilisations

Une usine de 100 MW à cycle fermé est estimée à 1 000 $–2 500 $ par kilowatt installée (sur le même ordre que le vent en mer ou le nucléaire).Une grande partie de cette dépense provient des grands échangeurs de chaleur, des longs pipelines d'admission d'eau froide (généralement de 1 à 2 km de long et de 3 à 10 mètres de diamètre) et de la plate-forme ou installation terrestre offshore.

Infrastructure d'apport d'eau froide

L'OTEC exige un approvisionnement continu en eau froide profonde, généralement à des profondeurs de 600 à 1 000 mètres. Le déploiement de tuyaux à grande diamètre à ces profondeurs est un défi technique majeur. Les tuyaux doivent résister à de forts courants océaniques, à des différentiels de pression et à des dommages potentiels causés par les tempêtes ou les navires.

Contraintes d'efficacité thermique

L'efficacité théorique maximale (Carnot) d'un système OTEC fonctionnant entre 26°C et 5°C est d'environ 7%. L'efficacité nette réelle après avoir comptabilisé les pertes de pompage est d'environ 2% à 4%. Cela signifie qu'une usine OTEC doit traiter d'énormes volumes d'eau pour générer une puissance significative. Pour chaque mégawatt de production nette, il faut traiter environ 10 à 20 mètres cubes par seconde d'eau chaude et un débit égal d'eau froide.

Questions environnementales et réglementaires

Bien que l'OTEC soit peu polluante, les grands flux d'eau de mer peuvent entraîner le retrait d'organismes marins (empiètement et formation), le mélange de couches d'eau (qui peuvent modifier les cycles locaux des nutriments) et le rejet potentiel de chlore ou de biocides utilisés pour contrôler la biosoudure. Des évaluations approfondies des incidences environnementales sont nécessaires et des mesures d'atténuation - telles que des écrans fins, des apports à faible vitesse et des stratégies antisoudure de rechange - doivent être mises en oeuvre.

Développements récents et projets pilotes

Plusieurs projets pilotes de l'OTEC dans le monde entier ont démontré la faisabilité de la technologie et sont en train de pousser vers la commercialisation.

L'installation de génie océanique de Makai OTEC (Hawaii)

Situé au Laboratoire d'énergie naturelle de l'Autorité d'Hawaii (NELHA) sur la Big Island, Makai Ocean Engineering exploite une usine de démonstration OTEC à cycle fermé de 100 kW, la plus grande de son genre aux États-Unis. Terminée en 2015, cette installation fonctionne presque en permanence, prouvant la fiabilité du processus à cycle fermé. Elle fournit des données précieuses sur les performances des échangeurs de chaleur, le contrôle des émissions de biosalissure et la dynamique des tuyaux d'eau froide. Makai prévoit une usine commerciale de 1 à 5 MW dans un proche avenir. En savoir plus sur le travail de Makai=s OTEC

Japon : efforts de recherche et de commercialisation de l'OTEC

Le Japon est un leader dans la recherche OTEC depuis des décennies. L'Institut d'énergie océanique de l'Université Saga exploite une usine expérimentale de 50 kW et a développé un cycle Uehara qui améliore l'efficacité en utilisant un processus de condensation en plusieurs étapes. En 2018, la société d'ingénierie japonaise IHI Corporation a annoncé des plans pour une usine commerciale de 1 MW à Okinawa, et plus récemment, une usine de 100 kW a été installée aux Maldives dans le cadre d'une collaboration Japon-Maldives. Le gouvernement japonais a fixé un objectif de 10 GW de capacité OTEC d'ici 2050. Visitez le site de recherche OTEC de l'Université Saga.

Le pilote philippin OTEC

Les Philippines, avec leurs tranchées profondes et leur climat tropical, sont considérées comme un site privilégié de l'OTEC. Le Département de l'énergie des Philippines et l'Institut des sciences marines de l'Université des Philippines ont mené des études de faisabilité. En 2019, une usine d'essai de 10 kW a été déployée dans les eaux au large de la province de Batangas.

Initiatives OTEC mondiales (Royaume-Uni/France)

Des entreprises comme Global OTEC Resources (basée au Royaume-Uni) développent des plateformes -OTEC Series--des installations modulaires et montées par barge destinées aux nations insulaires. Global OTEC vise à déployer une usine de 1,5 MW à São Tomé et Príncipe dans les années à venir. Entre-temps, la France a financé la recherche TEC dans ses territoires d'outre-mer (Réunion, Martinique, Tahiti) et l'Institut français d'énergie océanique France Energies Marines coordonne des projets de recherche sur des plateformes TEC flottantes. Explorer les plans OTEC Global.

Perspectives d'avenir et voie de la commercialisation

La voie menant au déploiement à grande échelle de l'OTEC consiste à combler le fossé de coûts, à intensifier les projets pilotes et à élaborer des politiques de soutien.

Réduction des coûts par l'apprentissage et l'échelle

Comme pour les autres technologies renouvelables, les coûts de l'OTEC devraient diminuer à mesure que d'autres unités seront construites.Le Laboratoire national des énergies renouvelables des États-Unis (NREL) estime qu'avec un déploiement cumulatif de 10 GW, le coût de l'électricité (LCOE) de l'OTEC pourrait tomber à 0,10 $–0,15 $ par kWh, en concurrence avec l'éolien offshore et le stockage solaire plus dans de nombreux endroits.

Intégration avec l'hydrogène vert et l'ammoniac

L'une des voies prometteuses pour l'OTEC est d'utiliser son électricité pour l'électrolyse pour produire de l'hydrogène vert, qui peut être converti en ammoniac vert pour l'expédition de carburant ou d'engrais.Comme l'OTEC fournit de l'énergie de base, il peut fournir un courant cohérent pour les électrolyseurs, évitant les problèmes d'intermittence du solaire ou du vent.

Appui aux politiques et coopération internationale

Les gouvernements et les organisations internationales peuvent accélérer le déploiement de l'OTEC en lui accordant des droits de douane d'entrée, des crédits d'impôt à l'investissement et en intégrant les objectifs en matière d'énergie renouvelable. L'Agence internationale des énergies renouvelables (IRENA) et la collaboration des systèmes d'énergie océanique (OES) échangent des connaissances et des pratiques exemplaires.

Conclusion

La conversion de l'énergie thermique océanique est une source d'énergie renouvelable à grande échelle et à charge de base qui peut transformer les systèmes énergétiques des régions côtières tropicales. Sa capacité à fournir une énergie propre et fiable 24 heures sur 24, tout en offrant des coproduits comme l'aquaculture en eau douce et en eau froide, en fait une technologie extrêmement polyvalente.