Le potentiel inexploité des vagues océaniques pour l'énergie côtière

L'énergie solaire et éolienne a fait des progrès remarquables, mais elles sont confrontées à des défis inhérents à l'intermittence. L'énergie des vagues océaniques offre un complément convaincant : une ressource renouvelable dense, prévisible et puissante qui reste largement inexploitée. Les convertisseurs d'énergie des vagues (CEM) sont les systèmes conçus pour exploiter cette immense énergie, capter l'énergie cinétique et potentielle des ondes de surface et la transformer en électricité utilisable. Avec un potentiel énergétique mondial estimé à environ 29 500 térawattheures par an, soit à peu près le même que la consommation mondiale actuelle d'électricité, les pays côtiers ont une occasion importante de diversifier leurs portefeuilles d'énergie, d'améliorer la stabilité du réseau et de favoriser de nouvelles industries marines.

Comprendre les convertisseurs d'énergie de vague

Les convertisseurs d'énergie de vague sont des dispositifs électromécaniques qui interceptent le mouvement des vagues océaniques — à la fois le mouvement orbital des particules d'eau et la pression change sous la surface — et transforment cette énergie mécanique en énergie électrique. Le principe fondamental est simple : l'action de la vague entraîne un mouvement primaire (comme une bouée flottante, un rabat à charnières ou une colonne d'air), qui à son tour conduit un générateur.

Le développement moderne des CEM a commencé avec sérieux après la crise pétrolière des années 70, avec des travaux pionniers de chercheurs comme Stephen Salter au Royaume-Uni et Kjell Budal et Johannes Falnes en Norvège. Depuis, des centaines de concepts d'appareils ont été proposés, bien que quelques-uns seulement aient progressé vers des essais en mer à grande échelle. La diversité des approches reflète la variabilité des climats des vagues — ce qui fonctionne bien dans les longues et douces houles du Pacifique peut ne pas convenir aux mers escarpées de l'Atlantique Nord.

Les systèmes d'énergie des vagues peuvent être classés selon leur principe de fonctionnement, leur emplacement (côté, près du rivage ou en mer) et leur mécanisme de décollage électrique. Les classifications les plus courantes comprennent les colonnes d'eau oscillantes, les absorbeurs de points, les atténuants, les convertisseurs de ondes oscillantes et les dispositifs différentiels de pression submergés.

La physique de l'énergie des vagues

Pour les vagues d'eau profonde, le flux d'énergie par unité de crête des vagues — souvent exprimé en kilowatts par mètre — est donné par l'équation P = (ρg2H2T) / (64π), où ρ est la densité de l'eau de mer, g est l'accélération gravitationnelle, H est la hauteur de la vague significative, et T est la période de vague. En pratique, un climat de vague modéré d'une hauteur de deux mètres et d'une période de huit secondes transporte environ 30 à 40 kilowatts de puissance pour chaque mètre de front des vagues.

Pour mettre en contexte cette situation, l'irradiation solaire à la surface de la Terre est d'environ 0,2 kW par mètre carré dans des conditions idéales, et la densité de l'énergie éolienne à une hauteur typique du moyeu de turbine est d'environ 0,5 kW par mètre carré à sept mètres par seconde. L'énergie des vagues est non seulement plus dense mais aussi plus cohérente. Bien que la production solaire et éolienne puisse changer considérablement en quelques minutes, la variabilité de l'énergie des vagues est plus douce, avec une hauteur et une période importantes de vagues qui changent au fil des heures et des jours.

Principaux types de convertisseurs d'énergie de vague

Colonnes d'eau oscillantes

Les colonnes d'eau oscillantes (OWC) sont l'une des plus anciennes et les plus étudiées. Une WC est constituée d'une chambre creuse partiellement submergée ouverte à la mer au fond. Lorsque les vagues entrent et sortent de la chambre, la surface de l'eau monte et tombe, compressant alternativement et décompressant l'air piégé au-dessus. Ce flux d'air oscillant est dirigé par une turbine — généralement une turbine de puits auto-réclamant qui tourne dans la même direction, indépendamment de la direction du flux — qui conduit un générateur.

Absorbeurs de points

Les amortisseurs de points sont des bouées flottantes qui se déplacent de haut en bas avec des mouvements d'ondes, absorbant l'énergie de toutes les directions en raison de leur petite empreinte horizontale par rapport à la longueur d'onde. Le mouvement relatif entre la bouée et un corps de référence, soit une plaque de réaction submergée ou une attache en ancre, entraîne un système de décollage de puissance, souvent un générateur linéaire ou une pompe hydraulique. Les amortisseurs de points sont bien adaptés aux eaux profondes et peuvent être déployés dans des réseaux pour former des fermes d'ondes.

Atténuateurs

Les attenateurs sont longs, les structures à plusieurs segments orientés parallèlement à la direction dominante des vagues. Au fil des vagues, chaque segment se déplace par rapport aux autres, et le mouvement de flexion aux charnières est utilisé pour pomper le fluide hydraulique, qui conduit un générateur. L'attestateur le plus connu était Pelamis, développé par Pelamis Wave Power en Ecosse. Bien que Pelamis ait été testé avec succès à pleine échelle et même livré de l'électricité au réseau au Portugal de 2008 à 2009, l'entreprise a finalement cessé ses opérations en raison de défis commerciaux. Néanmoins, Pelamis a fourni des informations techniques inestimables et a ouvert la voie à des conceptions ultérieures, y compris des dispositifs segmentés plus récents qui intègrent des matériaux plus robustes et des systèmes de contrôle avancés.

Convertisseurs de surpression d'onde oscillante

Les convertisseurs de surtensions oscillantes (OWSC) sont des volets à charnières montés au fond qui oscillent en arrière et en arrière en réponse au mouvement horizontal des particules d'eau dans l'eau peu profonde. Ce mouvement de tangage entraîne un piston ou une pompe hydraulique, qui à son tour conduit un générateur. Les OWSC sont particulièrement efficaces dans les environnements près du rivage où l'énergie des vagues est concentrée par réfraction et par bourrage. Un exemple notable est le système Oyster développé par Aquamarine Power, qui a été testé au Centre européen de l'énergie marine (EMEC) à Orkney, Écosse. Bien qu'Oyster ait démontré une forte capture de puissance par unité de capacité installée, la survie dans des conditions extrêmes de tempête s'est révélée difficile.

Dispositifs différentiels de pression immergée

Ces dispositifs sont montés sur le fond marin et dépendent des variations de pression qui se produisent lorsque les vagues passent au-dessus. Une membrane souple ou une plaque rigide se déplace en réponse à la différence de pression, conduisant à un système de décollage électrique. Parce qu'ils sont entièrement submergés, ces dispositifs sont invisibles du rivage, réduisant les impacts visuels, et ils sont moins exposés aux dommages causés par les tempêtes.

Principaux avantages de l'énergie des vagues

L'énergie des vagues offre une série d'avantages qui en font un ajout attrayant au bouquet énergétique renouvelable. D'abord et avant tout, il s'agit d'une source d'énergie zéro carbone sans émissions directes de gaz à effet de serre pendant l'exploitation. La densité énergétique des vagues est significativement plus élevée que celle du solaire ou du vent, ce qui signifie qu'il faut moins d'infrastructures pour produire la même quantité d'énergie.

La prévision est un autre avantage majeur : les vagues océaniques sont générées par des vents qui peuvent être prévus jours à l'avance, et la propagation des vagues est bien comprise par des modèles numériques. Cela permet aux opérateurs de prévoir avec précision la production d'énergie pour les prochains jours, une capacité précieuse pour équilibrer le réseau que le solaire et le vent ne peuvent pas correspondre sans une production de stockage ou de sauvegarde coûteuse.

Les systèmes d'énergie des vagues peuvent être installés en co-implantation avec des parcs éoliens offshore, le partage de câbles sous-marins et d'autres infrastructures pour réduire les coûts globaux du projet. Les concepts émergents comprennent des plates-formes hybrides qui intègrent la production d'ondes, d'énergie éolienne et solaire aux côtés du stockage de l'énergie ou même de la production d'hydrogène, maximisant la valeur de l'espace marin.

Pour les nations insulaires et les communautés côtières éloignées, l'énergie des vagues est un moyen d'accéder à l'indépendance énergétique, car beaucoup de ces régions dépendent du diesel importé pour l'électricité, qui entraîne des coûts élevés et des dommages à l'environnement.

Défis et obstacles à l'adoption généralisée

Défis techniques

Les CEM doivent résister à des eaux salées corrosives, à la biosoudure des organismes marins et à des charges hydrodynamiques extrêmes pendant les tempêtes. Un dispositif conçu pour une capture efficace de l'énergie dans les mers modérées doit également survivre à des vagues de tempête d'un an sur 50 qui peuvent être de l'ordre de grandeur plus grande. Cela oblige les concepteurs à intégrer des marges structurales robustes, des modes de protection contre les tempêtes et des sous-systèmes redondants, qui tous ajoutent coût et complexité.

Les systèmes hydrauliques offrent un couple élevé et un bon contrôle, mais souffrent de pertes d'efficacité et de risques de fuite. Les générateurs linéaires à entraînement direct éliminent l'hydraulique mais nécessitent une conception magnétique et structurelle sophistiquée pour obtenir une efficacité et une fiabilité acceptables. Les boîtes de vitesses et les générateurs rotatifs sont bien compris mais ajoutent des exigences de complexité mécanique et de maintenance. Le choix de la technologie de décollage de puissance a de profondes implications pour le coût, l'efficacité et la longévité.

Défis économiques

Les estimations actuelles vont de 100 à 200 euros par mégawattheure pour les premiers projets commerciaux, selon la localisation et la technologie. En revanche, le vent et l'énergie solaire terrestres atteignent souvent des CLO en dessous de 40 euros/MWh, et le vent en mer est tombé à 50 à 80 euros/MWh sur les marchés matures. Cet écart de coûts est le plus grand obstacle au déploiement d'énergie par vague. Les coûts d'investissement élevés découlent du besoin d'équipements marins robustes, de navires d'installation coûteux et de câblage sous-marin étendu. L'absence de chaîne d'approvisionnement, de conceptions normalisées et d'échelles de fabrication gonfle encore les coûts.

Cependant, les courbes d'apprentissage de l'énergie des vagues devraient suivre le modèle observé pour l'énergie éolienne et solaire en mer. L'Association européenne de l'énergie océanique prévoit que, avec une capacité installée cumulative de 2 à 3 gigawatts, le COFE pourrait tomber à 60 à 80 euros/MWh, ce qui rendrait l'énergie des vagues compétitive par rapport aux autres énergies renouvelables.

Problèmes environnementaux et réglementaires

Bien que l'énergie des vagues soit généralement considérée comme étant respectueuse de l'environnement, les impacts potentiels doivent être soigneusement évalués et atténués. Les CEM et leurs amarrages peuvent modifier les régimes des vagues locales, le transport des sédiments et les modèles d'érosion côtière. La présence d'appareils peut affecter le comportement des mammifères marins, des poissons et des oiseaux de mer par le risque de collision, le bruit et les champs électromagnétiques provenant des câbles sous-marins.

Les cadres réglementaires relatifs à l'énergie des vagues sont fragmentés et souvent mal adaptés aux énergies renouvelables en mer. La délivrance de permis peut impliquer de multiples organismes responsables de l'aménagement du territoire marin, de la protection de l'environnement, de la sécurité de la navigation, de la pêche et de la production d'électricité.

Déploiements mondiaux et projets pilotes

L'énergie des vagues est encore en phase précommerciale, avec seulement quelques mégawatts de capacité installée dans le monde entier. La majorité des projets actifs sont des installations pilotes et de démonstration, mais ils fournissent des données critiques pour la validation de la technologie et la réduction des coûts. L'Europe est le leader du développement de l'énergie des vagues, grâce à un solide soutien politique et à la présence d'installations d'essais de calibre mondial telles que le Centre européen de l'énergie marine (EMEC) à Orkney, en Écosse, et Wave Hub au large des côtes de Cornwall, en Angleterre.

En Amérique du Nord, le Bureau des technologies de l'énergie de l'eau du ministère américain de l'Énergie finance des recherches et des essais au Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) et dans un réseau de sites d'essais d'énergie marine. Le Pacifique Nord-Ouest, avec son climat de vague énergétique au large de Washington et de l'Oregon, a été un centre de développement de l'énergie des vagues. Le Centre de recherche pour l'énergie de Fundy Ocean (FORENCE) du Canada en Nouvelle-Écosse fournit un site d'essai pour les dispositifs d'énergie des marées et des vagues.

Malgré ces progrès, la capacité totale installée d'énergie par vague reste inférieure à 5 MW. La lenteur est en partie due à la difficulté d'obtenir des investissements pour des projets d'énergie océanique à forte intensité de capital, surtout après l'échec commercial d'entreprises de pointe comme Pelamis. Cependant, une nouvelle génération de développeurs se concentre sur des dispositifs plus petits et plus modulaires qui peuvent être fabriqués en volume, réduisant les coûts unitaires et permettant un déploiement progressif.

L'énergie des vagues dans le contexte des autres énergies renouvelables

L'énergie des vagues ne doit pas être considérée comme étant en concurrence avec l'énergie solaire et éolienne, mais plutôt comme une complémentarité. Les ressources les plus fortes se trouvent souvent dans des régions où l'énergie solaire et éolienne sont moins cohérentes, et la production d'énergie des vagues atteint des sommets en hiver, où la production solaire est la plus faible et où la demande d'électricité est souvent la plus élevée.

Par rapport au vent en mer, l'énergie des vagues présente plusieurs avantages : un impact visuel moindre, des conflits potentiellement plus faibles avec le transport maritime et la pêche si les appareils sont déployés dans des réseaux, et une ressource plus distribuée qui peut être accessible plus près de la rive où les coûts de transmission sont plus faibles. Le vent en mer a un facteur de capacité plus élevé (40-50% pour les turbines modernes) et a bénéficié de réductions de coûts spectaculaires par l'échelle et la maturation de la chaîne d'approvisionnement.

L'énergie des marées, qu'il s'agisse de l'aire de marée (barrages) ou du cours d'eau, est encore plus prévisible que l'énergie des vagues, mais elle est géographiquement limitée aux sites à forte portée ou à fort courant de marée. L'énergie des vagues est plus largement disponible, en particulier le long des côtes exposées.

L'avenir de l'énergie des vagues : les voies vers la viabilité commerciale

L'avenir de l'énergie des vagues dépend du développement continu de la technologie, de la réduction des coûts et de l'appui aux politiques. Plusieurs tendances clés sont source d'optimisme. Premièrement, les progrès des matériaux et de la fabrication, y compris les composites résistant à la corrosion, les revêtements avancés et la fabrication additive pour des composants personnalisés, améliorent la durabilité et l'accessibilité des dispositifs marins. Deuxièmement, le jumelage numérique et l'intelligence artificielle permettent le suivi en temps réel de l'état et le contrôle adaptatif, optimisant la saisie de puissance tout en réduisant les besoins de maintenance.

L'hybridation est une voie particulièrement prometteuse. La combinaison de la conversion d'énergie par les vagues et des éoliennes flottantes sur une même plateforme peut partager les coûts structurels, les amarrages et les infrastructures électriques. L'action des vagues a également un effet d'amortissement sur les mouvements des plates-formes, ce qui peut améliorer les performances des éoliennes et réduire les charges. Plusieurs projets européens, dont les initiatives WaveBoost et X-Media financées par l'UE, explorent ces synergies.

Le Forum de l'Union européenne sur l'énergie océanique et la directive sur les énergies renouvelables ont fixé des objectifs en matière d'énergie océanique, et plusieurs pays, dont l'Écosse, l'Irlande et le Portugal, ont mis en place des programmes de soutien spécifiques.

Les projections du marché diffèrent largement, mais la plupart des analystes s'attendent à ce que l'énergie des vagues commence à contribuer de manière significative à l'approvisionnement mondial en électricité d'ici la fin des années 2030. Le groupe Ocean Energy Systems de l'Agence internationale de l'énergie prévoit 10 GW d'énergie des océans (y compris les vagues et les marées) déployés à l'échelle mondiale d'ici 2030 dans un scénario ambitieux, et jusqu'à 100 GW d'ici 2040.

Conclusion: Faire avancer la vague

Les convertisseurs d'énergie par ondes représentent une occasion d'ingénierie remarquable de tirer parti de l'une des ressources naturelles les plus puissantes et les plus persistantes de la planète. La technologie est passée de concepts théoriques à des dispositifs réels opérant dans l'océan, plusieurs pilotes ayant démontré une fiabilité de l'exploitation par réseau.Les avantages de l'énergie par ondes - haute densité, prévisibilité, faible utilisation des terres et complémentarité saisonnière - en font un complément précieux au solaire et au vent dans un portefeuille diversifié de sources renouvelables. Les défis, bien que significatifs, ne sont pas insurmontables : la survie, le coût et l'intégration environnementale sont abordés par la conception itérative, l'innovation des matériaux et l'implantation prudente.