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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 dilue dans l'océan Atlantique vers la longitude du Groenland. Son nom est abusivement utilisé pour désigner la...) ou le Kuroshio représentent une importante ressource d'énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle de temps humaine. Les...) de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la...). 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 l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement....) 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 des mers et des océans causé par l'effet conjugué des forces de gravitation de la Lune et du Soleil.) 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 effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la...) 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 produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) 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 plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) issues de l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation...) 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 accords plaqués.) et leurs variations à haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on...). 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 tracées des allées et chemins destinés à la chasse, à la promenade ou à l’agrément. Il se...) comprenant un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) 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 matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche 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 élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de...) 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 objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un...) de réduction de puissance Cp (en %). Cette comparaison est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) 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 sur une route.) océanique NEMO (L'expérience NEMO (Neutrino Ettore Majorana Observatory) résulte d'une collaboration internationale scientifique et recherche les désintégrations double bêta sans neutrino. L'observation...). 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 pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) de traînée (En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un liquide ou un gaz. Mathématiquement c'est la composante des efforts...) proportionnelle à la poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de...) 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 et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre...) (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 7 107 îles dont onze d'entre elles totalisent plus de 90 % des terres et un peu plus de 2 000 seulement...) 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 orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) 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 international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière...) peuvent avoir une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) 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 [ˈkoləmbə] ; en tamoul : கொழும்பு) est la capitale économique du Sri Lanka et la plus...), 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 organisme de recherche scientifique public français (EPST).).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 habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) des géosciences de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) (IGE/OSUG, CNRS / IRD / UGA / Grenoble INP), l'Institut d'océanographie (L’océanographie (de « océan » et du grec γρ?φειν / gráphein, écrire) est l'étude des océans et des...) 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 fondée par Steve Jobs en 1985 après son départ...) (Grenoble).
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