Modéliser l'effet de parcs de turbines sous-marines sur les grands courants océaniques

Publié par Isabelle le 25/03/2020 à 14:00
Source et illustrations: CNRS INSU

Des parcs de turbines sous-marines pour produire de l'électricité à partir de l'énergie des grands courants marins: l'idée est intéressante ! Mais avant de concevoir et réaliser les développements technologiques nécessaires à la conception de tels parcs et à leur installation, il s'agit d'identifier les sites les plus favorables et d'en évaluer l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) récupérable. À partir de simulations numériques, les chercheurs d'une collaboration internationale (1) ont montré comment l'implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) de tels parcs pouvait perturber ces grands courants, au point (Graphie) parfois d'en changer le cours, réduisant dans les cas extrêmes de plus de 80 % la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) potentiellement récupérable.

Les grands courants océaniques tels que le Gulf Stream (Le Gulf Stream est un courant océanique qui prend sa source entre la Floride et les Bahamas et se...) ou le Kuroshio représentent une importante ressource d'énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être...) de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...). Sur la base d'observations in situ ou spatiales de ces courants, on estime que l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) qu'ils transportent représente une réserve de puissance de l'ordre de plusieurs dizaines de Gigawatts (~ 20 GW pour le courant de Floride). Ces courants étant relativement persistants en amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) et en direction, leur exploitation pourrait être plus productive que celle des courants de marée (La marée est le mouvement montant (flux ou flot) puis descendant (reflux ou jusant) des eaux...) ou des éoliennes, qui sont soumis à de fortes intermittences.

Le développement de technologies de production d'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il...) à partir de ces courants nécessite une connaissance préalable des sites les plus favorables à l'implantation de grands parcs (ou fermes) de turbines sous-marines et de leur potentiel énergétique. La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de tels sites est souvent basée sur des estimations des courants de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) issues de l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) spatiale ou des dérives de flotteurs, qui offrent une couverture globale. Cette approche a cependant des limites. Elle ne permet pas de déterminer avec précision les courants à proximité des côtes, leur profil vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...) et leurs variations à haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...). Surtout, elle ne prend pas en compte les modifications de courant qui pourraient être induites par l'implantation d'un parc (Un Parc est un terrain naturel enclos,[1] formé de bois ou de prairies, dans lequel ont été...) comprenant un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de turbines.

Des chercheurs d'une collaboration internationale ont tenté de repousser ces limites en utilisant des simulations numériques des courants océaniques dans lesquelles les effets de parcs de turbines virtuels (TPP pour Turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...) Power Plant) étaient pris en compte.


Puissance totale disponible dans les grands courants océaniques (le TAP en MW) pour des sections de 10 km de large dans la gamme de profondeur 26-40 m. Cette carte a été calculée avec 5 ans de courants d'une simulation sans turbine réalisée avec le modèle global ORCA12 (basée sur le code NEMO) développé et utilisé conjointement par le service Copernicus (CMEMS) pour ses prévisions et par des chercheurs de l'INSU pour l'étude du changement climatique dans l'océan. Les encarts montrent les 42 sites identifiés comme particulièrement favorables à l'exploitation des courants pour la production d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) (cercles et croix). Les cercles indiquent les 16 points de grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un...) du modèle où un parc de turbines virtuel a été implanté entre 26 et 40 m de profondeur. À chaque site, le HP (la puissance exploitable en MW calculée avec les courants modifiés par la présence des turbines) et le TAP (calculé avec les courants non modifiés par les turbines) sont comparés par le Coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) de réduction de puissance Cp (en %). Cette comparaison est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) sous la forme: No du site: HP (TAP) Cp%.

Les chercheurs ont réalisé une simulation à très haute résolution des courants océaniques (grille de calcul de l'ordre de 10 km), à l'échelle globale et de la surface au fond, sur une période de 5 ans avec le modèle communautaire de circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) océanique NEMO (L'expérience NEMO (Neutrino Ettore Majorana Observatory) résulte d'une collaboration...). Une comparaison avec les observations a montré que ce modèle donnait une bonne représentation des grands courants océaniques et de leur variabilité. Comme ces courants sont plus intenses près de la surface, les TPP devront être installés autant que possible à de faibles profondeurs. Cette simulation (sans TPP) a été utilisée pour calculer la puissance totale disponible dans l'écoulement (le TAP, pour Theoretical Available Power), pour des sections de 10 km de large dans la tranche de profondeur de 26 à 40 m, et ainsi identifier les sites les plus favorables à l'implantation de TPP.

Quarante deux sites ont été étudiés en détail. Un TPP virtuel a été implanté dans 16 d'entre eux, sous la forme d'une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de traînée (En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un...) proportionnelle à la poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...) que l'écoulement exercerait sur les palles d'un grand nombre de turbines (> 600) de grand diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) (20 m). Une nouvelle simulation avec ce TPP virtuel a été réalisée pour chacun de ces sites. La puissance dissipée par cette force de traînée permet d'estimer la puissance théoriquement exploitable (HP, pour Harnessable Power).

Cette étude a permis de documenter les modifications de courant induites par les TPP et d'évaluer l'impact de ces changements sur la puissance théoriquement exploitable. Il s'avère que les modifications de courant diffèrent fortement d'un site à l'autre et que la connaissance de la puissance exploitable (HP) ne peut être déduite de la puissance disponible (TAP, qui peut être estimé par observation). L'identification précise des sites les plus intéressants nécessitera donc des approches de modélisation avec insertion de TPP dans le modèle.

L'étude de l'impact de TPP placés dans le courant de Floride et aux Philippines (La République des Philippines est un pays constituée d'un archipel de...) montre que pour certains sites un TPP peut provoquer un déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) important du courant vers le large, réduisant de manière significative la puissance exploitable estimée sur ces sites (jusqu'à 80 %) et perturbant sensiblement les conditions environnementales. Elle montre également que des sites pourtant distants de plusieurs dizaines de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) peuvent avoir une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) négative, ce qui nécessitera une coordination entre les sites dès leur conception.

Référence publication:
Barnier, B., Domina, A., Gulev S., Molines, J.-M., Maitre, T., Penduff, T., Le Sommer, J., Brasseur, P., Brodeau, L., and Colombo (Colombo (en cingalais : කොළඹ, prononcé...), P., (2020): Modelling the impact of flow-driven turbine power plants on great wind-driven ocean currents and the assessment of their energy potential. Nature Energy, March 2020, https://www.nature.com/articles/s41560-020-0580-2

Contact:
Bernard Barnier - IGE/OSUG - bernard.barnier at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr

Notes:
(1) Les laboratoires et organismes de recherche ayant contribué à ces travaux sont les suivants: l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) des géosciences de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) (IGE/OSUG, CNRS / IRD / UGA / Grenoble INP), l'Institut d'océanographie (L’océanographie (de « océan » et du grec γρ?φειν...) P.P. Shirshov (Académie des sciences de Russie), le Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (CNRS / UGA) et Ocean Next (NeXT Computer, Inc (devenue NeXT Software, Inc) était une entreprise d’informatique...) (Grenoble).
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