Alors que le monde intensifie ses efforts pour décarboniser la production d'énergie, les ressources offshore, en particulier l'énergie des vagues, offrent une source immense, constante et largement inexploitée d'énergie propre. Contrairement à l'énergie éolienne ou solaire, l'énergie des vagues est prévisible à l'avance et a une densité d'énergie plus élevée, ce qui en fait un complément convaincant au mix énergétique mondial. Bien que l'énergie des vagues soit encore à l'étape pré-commerciale, les progrès rapides dans les sciences des matériaux, l'hydrodynamique et l'électronique de l'énergie entraînent une baisse des coûts et améliorent la fiabilité.

Comment fonctionnent les convertisseurs d'énergie de vague

Au cœur de ces convertisseurs d'énergie ondulatoire, on peut concevoir des structures qui interagissent avec le mouvement des vagues, que ce soit par le houle, le soulèvement, le tangage ou l'oscillation des colonnes d'eau, pour conduire un générateur ou un système hydraulique. Le principe fondamental consiste à convertir l'énergie mécanique des forces induites par les vagues en électricité.

Types primaires de convertisseurs d'énergie de vague

Les ingénieurs ont élaboré des dizaines de conceptions de CEM, mais la plupart d'entre eux appartiennent à quelques grandes catégories en fonction de leur mode de fonctionnement et de leur emplacement par rapport au rivage ou au fond marin.

  • Colonnes d'eau oscillantes : Ces dispositifs sont constitués d'une chambre partiellement submergée avec une ouverture sous la ligne d'eau. Lorsque les vagues entrent et sortent de la chambre, la colonne d'eau oscille, forçant l'air à travers une turbine (généralement une turbine de puits) qui conduit un générateur. Les TCO peuvent être construites dans des falaises côtières ou des brise-lames, réduisant ainsi les coûts structuraux. Exemple : l'usine LIMPET en Écosse.
  • Point Absorbeurs: bouées flottantes ou montées au fond qui oscillent en hache (mouvement vertical) par rapport à un point de référence fixe. Le mouvement relatif entraîne un système de décollage de puissance (PTO), souvent un générateur linéaire ou une pompe hydraulique. Les absorbeurs de points sont compacts et adaptés aux eaux profondes, ce qui les rend populaires dans les premiers réseaux commerciaux. Exemple: Technologie de bouée CorPower Ocean.
  • Attenuateurs: Des structures flottantes longues et multisegmentées alignées perpendiculairement à la direction dominante des vagues. Lorsque les crêtes et les creux des vagues passent le long de la structure, les segments fléchissent et les cylindres hydrauliques aux articulations résistent au mouvement, le convertissant en fluide pressurisé qui tourne un générateur. Le Pelamis P2 (maintenant retiré) était un célèbre atténuateur.
  • Convertisseurs de surtensions d'onde oscillant[: Généralement montés en bas, ils disposent d'un rabat ou d'une pagaie qui oscille en aller et retour en raison des forces de surtension induites par les vagues. Le mouvement est couplé à un PTO hydraulique ou à entraînement direct.
  • Dispositifs différentiels de pression submergés: Ils sont ancrés au fond des mers et utilisent les changements de pression des vagues qui passent pour pousser l'eau à travers les turbines. Ils sont moins visibles et ont un impact visuel plus faible, mais nécessitent des structures plus fortes.

Chaque technologie présente des caractéristiques de performance uniques en ce qui concerne le facteur de capacité, la survie en tempête et le coût. Aucune conception n'a encore atteint la position dominante du marché, et l'industrie continue de perfectionner les architectures qui conviennent aux différents climats de vagues.

Les avantages de l'énergie des vagues dans les paramètres offshore

L'énergie des vagues offshore offre plusieurs avantages distincts qui en font un ajout attrayant au portefeuille des énergies renouvelables. Contrairement aux énergies renouvelables terrestres, les appareils de vagues fonctionnent dans un environnement dur mais prévisible, fournissant de l'énergie même lorsque le vent ne souffle pas et le soleil ne brille pas.

Ressources renouvelables et abondantes

Les vagues sont générées par le vent sur de vastes zones océaniques et l'énergie est concentrée comme des vagues. Le flux de puissance des vagues mondiales est estimé à une moyenne de 10 à 50 kW par mètre de crête des vagues, les points chauds dans l'Atlantique Nord et le Pacifique atteignant plus de 70 kW/m. Cette ressource est reconstituée naturellement et indéfiniment. Dans des régions comme le Royaume-Uni, le Portugal et la côte ouest des États-Unis, l'énergie des vagues pourrait théoriquement fournir une fraction importante de la demande d'électricité.

Densité de haute énergie

L'eau est plus de 800 fois plus dense que l'air, de sorte qu'une onde transporte beaucoup plus d'énergie cinétique par mètre carré qu'un flux de vent de taille équivalente. Cela signifie que les CEM peuvent générer une puissance comparable à partir d'une empreinte beaucoup plus petite.

Utilisation minimale des terres et intégration environnementale

Contrairement aux parcs solaires ou aux éoliennes terrestres, les CEM ne concurrencent pas les terres résidentielles ou agricoles. De plus, les appareils à ondes ont un impact visuel relativement faible lorsqu'ils sont situés assez loin de la côte, et leurs structures sous-marines peuvent agir comme récifs artificiels, ce qui peut stimuler la biodiversité marine locale.

Complémentarité avec les autres sources d'énergie renouvelables

Dans de nombreuses régions du milieu des latitudes, l'énergie des vagues est la plus forte pendant les tempêtes, ce qui peut coïncider avec une faible irradiance solaire. Un système hybride combinant vent en mer, énergie solaire flottante et énergie des vagues peut faciliter la distribution d'énergie et réduire le besoin de stockage à l'échelle du réseau. Par exemple, le Centre européen de recherche sur les vagues et les vents en mer (ECOWE) a démontré que les parcs à ondes éoliennes situés dans des mêmes emplacements atteignent des facteurs de capacité supérieurs à 50 %.

Défis à relever face à la conversion de l'énergie des vagues

Malgré sa promesse, la conversion de l'énergie des vagues a connu un long voyage, de prototype à déploiement. Plusieurs obstacles techniques, économiques et environnementaux ont ralenti la commercialisation.

Coûts élevés et intensité de capital

Le coût de l'énergie (LCOE) pour l'énergie des vagues varie actuellement entre 0,15 $ et 0,30 $/kWh, soit un coût nettement plus élevé que le vent en mer (0,05 $ à 0,10 $) ou le solaire. Les coûts élevés découlent de matériaux coûteux nécessaires à la survie dans les périodes d'onde extrême, de systèmes de décollage de puissance complexes et de la nécessité de câbles sous-marins et d'amarrages robustes.

Survivabilité et fiabilité dans les milieux difficiles

Les vagues océaniques peuvent être violentes, avec des hauteurs d'ondes de tempête supérieures à 15 mètres et des forces qui peuvent endommager les structures conventionnelles. Les CEM doivent être conçus pour survivre à des conditions de vagues d'une année sur 50 sans défaillance catastrophique, tout en fonctionnant efficacement dans les mers à basse énergie. Cette exigence conduit souvent à des conceptions lourdes et sur-enginées qui augmentent les coûts matériels.

Prise de courant et intégration du réseau

Les systèmes de décollage de puissance doivent gérer des vitesses et des couples variables tout en maintenant une grande efficacité. Les systèmes hydrauliques avec accumulateurs peuvent lisser les pics, mais ils introduisent des inefficacités supplémentaires. Les générateurs linéaires à entraînement direct sont prometteurs mais nécessitent des matériaux magnétiques avancés et un contrôle précis. De plus, la connexion des fermes à ondes offshore au réseau nécessite des câbles sous-marins et des systèmes de gestion du réseau capables de manipuler des intrants renouvelables stochastiques. Le Centre européen de l'énergie marine (EMEC) à Orkney a été le pionnier dans les essais de CEM reliés au réseau, fournissant des données essentielles sur la qualité de l'énergie et la fiabilité.

Les obstacles environnementaux et réglementaires

Bien que l'énergie des vagues ait généralement un faible impact, il faut étudier les effets sur les écosystèmes marins, notamment les risques de collision pour les mammifères marins et les tortues marines avec des parties mobiles, le bruit pendant l'installation et l'exploitation et la modification des modes de transport des sédiments locaux. Cependant, des recherches préliminaires indiquent que les impacts sont souvent localisés et peuvent être atténués par une localisation et une conception prudentes.

État actuel de la technologie et des projets notables

Au cours des deux dernières décennies, Wave Energy a vu une vague de projets pilotes et de démonstrations à l'échelle commerciale. Bien que plusieurs développeurs aient cessé leurs activités, de nouveaux acteurs continuent de se développer avec des conceptions et des modèles d'affaires plus robustes.

Principaux développeurs de CEM

CorPower Ocean (Suède) a testé avec succès son absorbeur de points, le C4, à EMEC, avec des facteurs de capacité record de 30 à 40 %. L'entreprise prévoit un réseau de 10 MW au Portugal d'ici 2025. Un autre notable est AW-Energy (Finlande) avec son WaveRoller, un volet à charnières qui est monté au fond près de la rive. WaveRoller a été déployé au large des côtes du Portugal et progresse vers des réseaux commerciaux.

Arrays et installations d'essai reliés au réseau

Aujourd'hui, les installations d'essai comme EMEC en Écosse, le Wave Hub à Cornwall (Royaume-Uni) et le WETS de la Marine américaine (Wave Energy Test Site) à Hawaii fournissent une infrastructure pour les déploiements de plusieurs appareils, avec des câbles sous-marins et une surveillance.Ces installations réduisent la barrière d'entrée pour les développeurs et accélèrent les courbes d'apprentissage. Le rapport d'IRENA 2023 sur l'énergie océanique note que l'énergie des vagues pourrait atteindre 10 GW de capacité installée d'ici 2030 si le soutien politique et l'intégration du réseau suivent le rythme.

Le rôle de l'énergie des vagues dans les systèmes d'énergie offshore intégrés

L'énergie éolienne peut combler les lacunes de production d'électricité pendant les périodes de faible vent, améliorant ainsi la prévisibilité de la production combinée. Des plates-formes flottantes qui soutiennent à la fois les éoliennes et les CEM sont à l'étude, partageant les coûts d'amarrage et de sous-structure. Le projet EU-SCORES financé par l'UE vise à démontrer ces parcs offshore multisources. De plus, l'énergie des vagues peut être utilisée pour dessalement direct (osmose inverse sous pression) ou pour produire de l'hydrogène vert, contournant le réseau électrique et réduisant les coûts de transmission.

Régions clés pour le développement de l'énergie des vagues

Le potentiel énergétique des vagues est très concentré géographiquement, les régions les plus prometteuses étant celles qui ont des mers cohérentes et énergiques et qui sont fortement orientées vers les énergies renouvelables.

  • Atlantique Nord (Royaume-Uni, Irlande, Norvège, Portugal)[: Ces pays ont une partie des plus hautes densités de puissance des vagues au monde, couplées à des installations d'essai d'énergie marine établies et à des incitations gouvernementales.
  • Pacific Rim (Japon, États-Unis Côte Ouest, Canada, Chili) : Le Japon et les États-Unis (en particulier Hawaii, Oregon et Californie) ont des climats de vagues solides.Le département américain de l'énergie a financé plusieurs projets d'énergie de vagues dans le cadre du Water Power Technologies Office.
  • Hémisphère Sud (Afrique du Sud, Australie, Nouvelle-Zélande): La côte ouest de l'Australie et les côtes sud de la Nouvelle-Zélande disposent de ressources importantes en vagues.L'Agence australienne pour l'énergie renouvelable (ARENA) a soutenu des essais énergétiques sur les vagues, tandis que l'Afrique du Sud étudie la puissance des vagues pour les communautés côtières éloignées.
  • Méditerranée et mer Baltique[: Bien que les densités énergétiques soient plus faibles, les mers fermées peuvent offrir des créneaux pour les dispositifs à petite échelle, en particulier pour les réseaux insulaires et les applications de protection côtière.

Perspectives d'avenir et tendances de l'innovation

La réduction continue des coûts par la normalisation de la conception, la fabrication avancée (p. ex., les composants imprimés en 3D) et la modélisation numérique à deux dimensions devraient rapprocher le CDO de la valeur du vent en mer au cours de la prochaine décennie. Les innovations dans les matériaux – alliages résistant à la corrosion, polymères souples et composites recyclables – amélioreront la longévité.

La directive de l'Union européenne sur les énergies renouvelables et le système britannique de contrats pour les différences comprennent désormais l'énergie des vagues, tandis que les États-Unis ont introduit des incitations fiscales pour l'énergie marine. La collaboration internationale par l'intermédiaire d'organisations comme Ocean Energy Systems (OES) favorise le partage des connaissances et l'harmonisation de l'évaluation des ressources.

Conclusion

Les convertisseurs d'énergies à ondes ont un potentiel considérable pour devenir la pierre angulaire de la production d'énergie en mer. Leur densité énergétique élevée, leur prévisibilité et leur complémentarité avec d'autres énergies renouvelables en font un outil inestimable dans la lutte contre le changement climatique. Bien que des obstacles techniques et économiques subsistent, l'industrie progresse constamment grâce à des projets pilotes, à un soutien politique et à une innovation collaborative.