Énergie thermique des mers - Définition

Introduction

L'énergie thermique des mers (ETM) ou énergie maréthermique est produite en exploitant la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans. Un acronyme souvent rencontré est OTEC, pour Ocean thermal energy conversion.

Principe

En raison de la surface qu'ils occupent, les mers et les océans de la Terre se comportent comme un gigantesque capteur pour :

• le rayonnement solaire (direct : flux solaire absorbé par l'océan ou indirect : rayonnement de la Terre réfléchi par l'atmosphère terrestre)
• l'énergie du vent (elle-même dérivée de l'énergie solaire).

Bien qu'une partie de cette énergie soit dissipée (courants, houle, frottements, etc.), une grande partie réchauffe les couches supérieures de l'océan. C'est ainsi qu'à la surface, grâce à l'énergie solaire, la température de l'eau est élevée (elle peut dépasser les 25 °C en zone intertropicale) et; en profondeur privée du rayonnement solaire, l'eau est froide (aux alentours de 2 à 4 °C, sauf dans les mers fermées, comme la Méditerranée, dont le plancher ne peut être "tapissé" par les "bouffées" d'eaux froides polaires qui "plongent", au nord et au sud de l'océan Atlantique, avec un débit total moyen de 25 millions de m³/seconde.

De plus, les couches froides ne se mélangent pas aux couches chaudes. En effet, la densité volumique de l'eau s'accroît lorsque la température diminue ce qui empêche les eaux profondes de se mélanger et de se réchauffer.

Cette différence de température peut être exploitée par une machine thermique. Cette dernière ayant besoin d'une source froide et d'une source chaude pour produire de l'énergie, utilise respectivement l'eau venant des profondeurs et l'eau de surface comme sources.

Implantation

L’E.T.M. doit être implantée dans un endroit spécial. Tout d’abord, l’E.T.M. doit avoir accès à la mer pour que les canalisations qui la constituent puissent puiser de l’eau des océans. C’est pour cela qu’il est nécessaire qu’elle soit installée au niveau de la mer. Ensuite, l’installation de l’E.T.M. doit se faire au plus près des côtes, pour faciliter la construction et minimiser les coûts. Les canalisations allant jusqu’à 1000 mètres de profondeur environ, il est inutile et aberrant d’éloigner à des kilomètres des côtes l’E.T.M., cela imposerait davantage de longueurs de tuyaux et donc un coût plus élevé. De plus, il faut prendre en compte les endroits où l’eau de surface reste chaude durant toute l’année, avec une moyenne d’environ 24 °C. On ne peut donc mettre une E.T.M. n’importe où sur le globe, seule une zone convient à son installation. Cette zone, qui doit correspondre à une certaine température des eaux de surface, doit aussi correspondre à une certaine profondeur des eaux. En effet, comme l’E.T.M. est construite près des côtes avec des canalisations allant jusqu’à 1000 mètres de profondeur, il lui faut un emplacement avec présence de côte abrupte. Tout ceci n’est possible que dans une zone allant du tropique du Cancer au tropique du Capricorne, c'est-à-dire entre 30 et -30° de latitude.

Histoire

Idée

On attribue généralement à Jules Verne, l'idée d'utiliser les différences de températures de la mer pour produire de l'électricité. Dans son livre, Vingt mille lieues sous les mers, il fait référence aux « eaux de surface et les eaux profondes des océans pour produire de l'électricité » et cela, dès 1869.

C'est le physicien français Arsène d'Arsonval, qui conceptualisa la première fois cette idée. Il voulait mettre en relation les eaux chaudes, de surface, avec les eaux froides, de profondeur. Mais dans les années 1880, la technologie existante n'était pas encore capable de réaliser un prototype.

Première application

Il faut attendre jusqu’en 1920, avec l’épuisement des réserves de charbon qui suscite la recherche de ressources nouvelles en énergie primaire, pour répondre aux besoins croissants de l’industrie, où l’ingénieur français Georges Claude, fondateur de l'entreprise Air liquide, propose de construire une usine E.T.M. pour la production d’électricité.

C’est en 1928, à Ougrée en Belgique, que Claude en valide le principe en produisant de l’électricité avec une machine thermique de 60 kW alimentée avec de l’eau chaude à 33 °C puisée dans le circuit de refroidissement d‘un haut fourneau et de l’eau « froide » à 12 °C pompée dans la Meuse. C’est aussi celle utilisée à Hawaï, en 1981, pour la mise à l’eau de la triple conduite d’eau froide de l’expérience OTEC-1.

Il faudra attendre 1930, pour voir le premier prototype construit dans la baie de Matanza, à Cuba.

Son prototype, une centrale de 50 kW utilisait l'eau de surface chaude (aux alentours de 25-27 °C), et de l'eau pompée à plus de 700 m de profondeur (à environ 11 °C). Celle-ci était construite au large de Cuba.

En 1963, James Hilbert Anderson, reprend le travail acharné de l’ingénieur français, mais propose d’utiliser un autre fluide de travail que l’eau : le propane. Ainsi, à l’issue de ces travaux, l’E.T.M. existe sous deux formes de cycles différents ; l’E.T.M. en « cycle ouvert » pour le procédé de Georges Claude et l’E.T.M. en « cycle fermé » pour celui de James Hilbert Anderson. La crise pétrolière de 1973 entraîne un nouvel essor de la recherche sur le développement de la filière E.T.M. en « cycle fermé ». Cet essor est marqué par la construction du NELH, le Natural Energy Laboratory of Hawaï. Et en 1975 à Hawaï, un premier essai du projet E.T.M. sous le nom de « Mini-Otec » voit le jour. Il s’ensuit en 1979, un financement d’un nouveau projet baptisé « Otec-1 », qui en 1981 utilise un échangeur eau-ammoniac.

Dans la mer du Japon, à Shimane, c’est le cas aussi d’une installation E.T.M. construite en 1979, appelée « Mini Otec » utilisant aussi un cycle fermé mais du fréon en tant que fluide.

• En 1980, la France entreprend elle aussi l’étude d’une centrale E.T.M., mais celle-ci est abandonnée en 1986.
• Entre 1980 et 1982, les japonais entreprennent d’autres installations d’E.T.M..
• En 1986, le prix du pétrole baisse. Aux Etats-Unis, il y a diminution de la recherche pour le développement de l’E.T.M., alors qu’au Japon, on la maintient.
• Entre 1993 et 1998, le Japon coopère avec les Américains et fait l’essai d’une mini-usine en cycle ouvert à terre, à Hawaï. En 2001, mise en œuvre d’une usine flottante E.T.M. mouillée au Sud du continent Indien, avec en coopération Inde et Japon.

Aujourd'hui

Les pays actuellement (2004) qui réalisent le plus de recherches dans ce domaine sont les États-Unis et le Japon. C'est principalement à cause des chocs pétroliers des années 1970, que la recherche a véritablement commencé. Les premières "estimations" de la quantité d'énergie qui pourrait être produite sans nuire à l'environnement viennent d'être publiées.

A priori, avec les techniques envisagées (exploitation de la différence de température entre surface et fond), cette énergie n'est exploitable que dans les zones intertropicales ; ailleurs, la différence de température entre la surface et le fond est insuffisante pour obtenir un rendement suffisant, et donc une puissance suffisante pour pomper l'eau froide à grande profondeur et alimenter une machine thermique (on se rappelle que le rendement d'une telle machine dépend de la différence de température entre la source chaude et la source froide).

En plus de l'énergie, les systèmes envisagés permettraient la climatisation (utilisation directe de l'eau froide pompée), et éventuellement l'utilisation (cultures marines) des nutriments piégés en grande quantité dans les couches froides de l'océan, où la photosynthèse est impossible.