Barrage de marée - Tidal barrage

La centrale marémotrice de Rance est un barrage de marée en France.

Un barrage de marée est une structure en forme de barrage utilisée pour capturer l' énergie des masses d'eau entrant et sortant d'une baie ou d'une rivière en raison des forces de marée .

Au lieu de barrer l'eau d'un côté comme un barrage conventionnel , un barrage de marée permet à l'eau de s'écouler dans une baie ou une rivière à marée haute , et libère l'eau à marée basse . Cela se fait en mesurant le débit de marée et en contrôlant les vannes à des moments clés du cycle des marées. Des turbines sont placées à ces vannes pour capter l'énergie lorsque l'eau entre et sort.

Les barrages de marée sont parmi les plus anciennes méthodes de production d' énergie marémotrice , les moulins à marée étant développés dès le sixième siècle. Dans les années 1960, la centrale marémotrice de 1,7 mégawatts Kislaya Guba à Kislaya Guba , en Russie, a été construite.

Générer des méthodes

Une impression artistique d'un barrage de marée, comprenant des remblais, une écluse de navire et des caissons abritant une écluse et deux turbines.

La méthode de barrage pour extraire l'énergie marémotrice consiste à construire un barrage sur une baie ou une rivière soumise au courant de marée. Les turbines installées dans le mur de barrage produisent de l'énergie lorsque l'eau entre et sort du bassin de l'estuaire, de la baie ou de la rivière. Ces systèmes sont semblables à un barrage hydroélectrique qui produit la tête statique ou tête de pression (une hauteur de pression d'eau). Lorsque le niveau d'eau à l'extérieur du bassin ou de la lagune change par rapport au niveau d'eau à l'intérieur, les turbines sont capables de produire de l'énergie.

Les éléments de base d'un barrage sont les caissons , les remblais, les écluses , les turbines et les écluses de navire . Les écluses, les turbines et les écluses des navires sont logées dans des caissons (très gros blocs de béton). Les remblais scellent un bassin là où il n'est pas scellé par des caissons. Les vannes d'écluse applicables à l'énergie marémotrice sont la porte à volet, la porte montante verticale, la porte radiale et le secteur montant.

Seules quelques plantes de ce type existent. La première était la centrale marémotrice de Rance , sur la Rance , en France, qui fonctionne depuis 1966 et génère 240 MW. Une plus grande centrale de 254 MW a été mise en service à Sihwa Lake , en Corée, en 2011. Les plus petites usines comprennent la centrale électrique d'Annapolis Royal dans la baie de Fundy et une autre dans une petite crique de Kislaya Guba , en Russie . Un certain nombre de propositions ont été envisagées pour un barrage sur la rivière Severn , de Brean Down en Angleterre à Lavernock Point près de Cardiff au Pays de Galles .

Les systèmes de barrage dépendent des coûts d'infrastructure civile élevés associés à ce qui est en fait un barrage placé à travers les systèmes estuariens. Au fur et à mesure que les gens sont devenus plus conscients des problèmes environnementaux, ils se sont opposés aux barrages en raison des effets néfastes associés à la modification d'un vaste écosystème qui est l'habitat de nombreuses variétés d'espèces.

Génération Ebb

Le bassin est rempli par les écluses jusqu'à marée haute. Ensuite, les vannes sont fermées. (À ce stade, il peut y avoir un «pompage» pour augmenter encore le niveau). Les vannes de la turbine sont maintenues fermées jusqu'à ce que le niveau de la mer baisse, afin de créer une hauteur suffisante à travers le barrage. Les vannes sont ouvertes pour que les turbines génèrent jusqu'à ce que la hauteur de chute soit à nouveau basse. Ensuite, les vannes sont ouvertes, les turbines déconnectées et le bassin est à nouveau rempli. Le cycle se répète avec les marées. La génération de reflux (également connue sous le nom de génération de flux sortant) tire son nom parce que la génération se produit lorsque la marée change de direction de la marée.

Génération d'inondations

Le bassin est rempli par les turbines, qui génèrent à la marée crue. Ceci est généralement beaucoup moins efficace que la génération de reflux, car le volume contenu dans la moitié supérieure du bassin (où opère la génération de reflux) est supérieur au volume de la moitié inférieure (remplie en premier lors de la génération des crues). Par conséquent, la différence de niveau disponible - importante pour la puissance de la turbine produite - entre le côté bassin et le côté mer du barrage, diminue plus rapidement qu'elle ne le ferait lors de la génération de reflux. Les rivières qui se jettent dans le bassin peuvent réduire davantage le potentiel énergétique, au lieu de l’améliorer comme dans la production de reflux. Bien sûr, ce n'est pas un problème avec le modèle «lagune», sans afflux fluvial.

Pompage

Les turbines peuvent être alimentées en sens inverse par l'excès d'énergie dans le réseau pour augmenter le niveau d'eau dans le bassin à marée haute (pour la production de reflux). Une grande partie de cette énergie est renvoyée pendant la production, car la puissance de sortie est fortement liée à la tête. Si l'eau est soulevée de 2 pi (61 cm) en pompant à marée haute de 10 pi (3 m), celle-ci aura été augmentée de 12 pi (3,7 m) à marée basse.

Schémas à deux bassins

Une autre forme de configuration de barrage d'énergie est celle du type à double bassin. Avec deux bassins, l'un se remplit à marée haute et l'autre se vide à marée basse. Des turbines sont placées entre les bassins. Les schémas à deux bassins offrent des avantages par rapport aux schémas normaux en ce sens que le temps de génération peut être ajusté avec une grande flexibilité et qu'il est également possible de générer presque en continu. Dans les situations estuariennes normales, cependant, les systèmes à deux bassins sont très coûteux à construire en raison du coût de la longueur supplémentaire du barrage. Il existe cependant des zones géographiques favorables qui sont bien adaptées à ce type de régime.

Énergie marémotrice des lagunes

Les bassins de marée sont des barrages d'enceinte indépendants construits sur des terres d'estuaire de marée de haut niveau qui emprisonnent les hautes eaux et les libèrent pour générer de l'énergie, un bassin unique, d'environ 3,3 W / m 2 . Deux lagunes fonctionnant à des intervalles de temps différents peuvent garantir une puissance de sortie continue, autour de 4,5 W / m 2 . Une série marémotrice de stockage par pompage améliorée de lagunes élève le niveau de l'eau plus haut que la marée haute et utilise des énergies renouvelables intermittentes pour le pompage, autour de 7,5 W / m 2 . c'est-à-dire que 10 × 10 km 2 délivre une puissance constante de 750 MW 24/7. Ces barrages indépendants ne bloquent pas le débit de la rivière.

Impact environnemental

Le placement d'un barrage dans un estuaire a un effet considérable sur l'eau à l'intérieur du bassin et sur l'écosystème. De nombreux gouvernements ont été réticents ces derniers temps à autoriser les barrages de marée. Grâce à des recherches menées sur les plantes marémotrices, il a été constaté que les barrages de marée construits à l'embouchure des estuaires posent des menaces environnementales similaires à celles des grands barrages. La construction de grandes usines marémotrices modifie l'écoulement de l'eau salée dans et hors des estuaires, ce qui modifie l'hydrologie et la salinité et pourrait éventuellement nuire aux mammifères marins qui utilisent les estuaires comme habitat. L'usine de La Rance, au large des côtes bretonnes du nord de la France, a été la première et la plus grande usine de barrage de marée au monde. C'est aussi le seul site où une évaluation à grande échelle de l'impact écologique d'un système marémoteur, en fonctionnement depuis 20 ans, a été réalisée.

Des chercheurs français ont constaté que l'isolement de l'estuaire pendant les phases de construction du barrage de marée était cependant préjudiciable à la flore et à la faune; après dix ans, il y a eu «un degré variable d'ajustement biologique aux nouvelles conditions environnementales».

Certaines espèces ont perdu leur habitat en raison de la construction de La Rance, mais d'autres espèces ont colonisé l'espace abandonné, ce qui a entraîné un changement de diversité. Toujours à la suite de la construction, des bancs de sable ont disparu, la plage de Saint-Servan a été gravement endommagée et des courants à grande vitesse se sont développés près des écluses, qui sont des canaux d'eau contrôlés par des portes.

Turbidité

La turbidité (la quantité de matière en suspension dans l'eau) diminue en raison d'un plus petit volume d'eau échangée entre le bassin et la mer. Cela permet à la lumière du soleil de pénétrer davantage dans l'eau, améliorant les conditions du phytoplancton . Les changements se propagent le long de la chaîne alimentaire , provoquant un changement général dans l' écosystème .

Clôtures de marée et turbines

Les clôtures de marée et les turbines, si elles sont construites correctement, posent moins de menaces environnementales que les barrages de marée. Les barrières de marée et les turbines, comme les générateurs de courants de marée , reposent entièrement sur le mouvement cinétique des courants de marée et n'utilisent pas de barrages ou de barrages pour bloquer les canaux ou les embouchures d' estuaires . Contrairement aux barrages, les barrières de marée n'interrompent pas la migration des poissons ou ne modifient pas l' hydrologie , ces options offrent donc une capacité de production d'énergie sans impact environnemental dramatique. Les clôtures de marée et les turbines peuvent avoir des impacts environnementaux variables selon que les clôtures et les turbines sont ou non construites dans le respect de l'environnement. Le principal impact environnemental des turbines est leur impact sur les poissons. Si les turbines se déplacent assez lentement, par exemple à de faibles vitesses de 25 à 50 tr / min, la mortalité des poissons est minimisée et le limon et d'autres nutriments peuvent s'écouler à travers les structures. Par exemple, un prototype de turbine marémotrice de 20 kW construit dans la Voie maritime du Saint-Laurent en 1983 n'a signalé aucune mortalité de poisson. Les clôtures de marée bloquent les canaux, ce qui rend difficile la migration des poissons et de la faune dans ces canaux. Afin de réduire la mortalité des poissons, les clôtures pourraient être conçues de manière à ce que les espaces entre la paroi du caisson et la feuille du rotor soient suffisamment grands pour permettre aux poissons de passer. Les mammifères marins plus gros tels que les phoques ou les dauphins peuvent être protégés des turbines par des clôtures ou un système de freinage automatique à capteur sonar qui arrête automatiquement les turbines lorsque des mammifères marins sont détectés.

Salinité

En raison de moins d'échange d'eau avec la mer, la salinité moyenne à l'intérieur du bassin diminue, affectant également l'écosystème. Les "lagunes de marée" ne souffrent pas de ce problème.

Mouvements de sédiments

Les estuaires sont souvent parcourus par un volume élevé de sédiments, des rivières à la mer. L'introduction d'un barrage dans un estuaire peut entraîner une accumulation de sédiments à l'intérieur du barrage, affectant l'écosystème ainsi que le fonctionnement du barrage.

Poisson

Les poissons peuvent traverser les écluses en toute sécurité, mais lorsqu'elles sont fermées, les poissons chercheront des turbines et tenteront de les traverser. De plus, certains poissons seront incapables d'échapper à la vitesse de l'eau près d'une turbine et seront aspirés à travers. Même avec la conception de turbine la plus respectueuse des poissons, la mortalité des poissons par passage est d'environ 15% (en raison de la chute de pression, du contact avec les pales, de la cavitation , etc.). Les technologies de passage alternatives ( échelles à poissons, élévateurs à poissons, escaliers mécaniques à poissons, etc.) n'ont jusqu'à présent pas réussi à résoudre ce problème pour les barrages de marée, soit en offrant des solutions extrêmement coûteuses, soit celles qui ne sont utilisées que par une petite fraction de poissons. Des recherches sur le guidage sonore des poissons sont en cours. La turbine à centre ouvert réduit ce problème en permettant aux poissons de passer par le centre ouvert de la turbine.

Récemment, une turbine de type rivière a été développée en France. Il s'agit d'une très grande turbine de type Kaplan à rotation lente montée sur un angle. Les tests de mortalité des poissons ont indiqué que les taux de mortalité des poissons étaient inférieurs à 5%. Ce concept semble également très adapté à l'adaptation aux courants marins / turbines marémotrices.

Calculs d'énergie

L'énergie disponible d'un barrage dépend du volume d'eau. L' énergie potentielle contenue dans un volume d'eau est:

où:

  • h est l' amplitude des marées verticales ,
  • A est la zone horizontale du bassin de barrage,
  • ρ est la densité de l'eau = 1025 kg par mètre cube (l'eau de mer varie entre 1021 et 1030 kg par mètre cube) et
  • g est l'accélération due à la gravité terrestre = 9,81 mètres par seconde au carré.

Le facteur moitié est dû au fait que lorsque le bassin s'écoule à vide à travers les turbines, la charge hydraulique au- dessus du barrage diminue. La hauteur maximale n'est disponible qu'au moment de l'étiage, en supposant que le niveau d'eau élevé est toujours présent dans le bassin.

Exemple de calcul de la production d'énergie marémotrice

Hypothèses:

  • L'amplitude de la marée à un endroit particulier est de 32 pieds = 10 m (environ)
  • La surface de l'usine de captage d'énergie marémotrice est de 9 km² (3 km × 3 km) = 3000 m × 3000 m = 9 × 10 6 m 2
  • Densité de l'eau de mer = 1025,18 kg / m 3

Masse de l'eau de mer = volume d'eau de mer × densité de l'eau de mer

= (superficie × amplitude des marées) de l'eau × masse volumique
= (9 × 10 6 m 2 × 10 m) × 1025,18 kg / m 3
= 92 × 10 9 kg (environ)

Contenu énergétique potentiel de l'eau du bassin à marée haute = ½ × surface × densité × accélération gravitationnelle × amplitude des marées au carré

= ½ × 9 × 10 6 m 2 × 1025 kg / m 3 × 9,81 m / s 2 × (10 m) 2
= 4,5 × 10 12 J (environ)

Maintenant, nous avons 2 marées hautes et 2 marées basses chaque jour. À marée basse, l'énergie potentielle est nulle.
Par conséquent, le potentiel énergétique total par jour = Énergie pour une seule marée haute × 2

= 4,5 × 10 12 J × 2
= 9 × 10 12 J

Par conséquent, le potentiel moyen de production d'électricité = potentiel de production d'énergie / temps en 1 jour

= 9 × 10 12 J / 86400 s
= 104 MW

En supposant que l'efficacité de conversion de puissance est de 30%: la puissance moyenne journalière produite = 104 MW * 30%

= 31 MW (environ)

Étant donné que la puissance disponible varie avec le carré de l'amplitude des marées, un barrage est mieux placé dans un endroit où les marées sont de très grande amplitude. Des emplacements appropriés se trouvent en Russie, aux États-Unis, au Canada, en Australie, en Corée et au Royaume-Uni. Des amplitudes allant jusqu'à 17 m (56 pi) se produisent par exemple dans la baie de Fundy , où la résonance des marées amplifie l'amplitude des marées.

Économie

Les systèmes d'énergie de barrage marémoteur ont un coût en capital élevé et un coût de fonctionnement très faible. En conséquence, un système d'énergie marémotrice peut ne pas produire de rendement pendant de nombreuses années et les investisseurs peuvent être réticents à participer à de tels projets.

Les gouvernements peuvent être en mesure de financer l'énergie des barrages marémoteurs, mais beaucoup ne sont pas disposés à le faire également en raison du délai avant le retour des investissements et de l'engagement irréversible élevé. Par exemple, la politique énergétique du Royaume-Uni reconnaît le rôle de l'énergie marémotrice et exprime la nécessité pour les conseils locaux de comprendre les objectifs nationaux plus larges des énergies renouvelables en approuvant les projets marémoteurs. Le gouvernement britannique lui-même apprécie la viabilité technique et les options d'implantation disponibles, mais n'a pas réussi à fournir des incitations significatives pour faire avancer ces objectifs.

Voir également

Les références