Des îles exploitent l'énergie des couches thermiques des océans
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Les îles Lakshadweep, les Canaries et d'autres îles testent la conversion de l'énergie thermique des océans. Les travaux de construction en cours sur une île isolée, à près de 400 kilomètres à l'ouest des côtes indiennes, pourraient démontrer, pour la première fois, la viabilité commerciale d'une vaste ressource renouvelable encore inexploitée : les couches thermiques de l'océan. Ici, dans l'archipel des Laquedives (Lakshadweep en anglais), les eaux de surface sont plus de 20 °C plus chaudes que les profondeurs, et grâce à un équipement adapté, cet écart de température peut être exploité pour produire de l'électricité.
Connues sous le nom de conversion de l'énergie thermique des océans (OTEC : Ocean Thermal Energy Conversion), ces centrales peuvent fournir de l'électricité renouvelable 24 heures sur 24. Le potentiel est immense grâce aux vastes zones océaniques présentant d'importantes différences de température entre la surface et les profondeurs. Dans les seules eaux entourant les États-Unis, par exemple, l'OTEC pourrait satisfaire la totalité des besoins énergétiques du pays, selon un rapport de 2021 du Laboratoire national des Rocheuses du département de l'Énergie des États-Unis.
Le projet indien exploitera les eaux marines à 1 000 mètres de profondeur pour produire 65 kilowatts d'électricité et 100 000 litres d'eau potable par jour. Développé par l' Institut national indien de technologie océanique (NIOT : National Institute of Ocean Technology), ce projet, bien que modeste, représente un grand pas vers une percée commerciale pour l'énergie thermique des mers (ETM). « Notre approche est facilement reproductible à grande échelle sur les îles et dans les communautés isolées. Elle peut constituer une stratégie de marché viable », explique Purnima Jalihal , qui a dirigé le projet avant de prendre sa retraite l'an dernier, après avoir été à la tête de la division énergie et eau douce du NIOT.
Ce projet s'inscrit dans un regain d'enthousiasme pour l'énergie thermique des mers (ETM). Des projets d'une puissance de plusieurs kilowatts ont été récemment menés à bien en Chine et aux îles Canaries, et d'autres sont prévus à Hawaï, à Taïwan et au Japon . Si les tentatives précédentes de commercialisation de l'ETM ont échoué en raison de problèmes d'ingénierie, de problèmes d'efficacité et de contraintes de financement, les efforts actuels bénéficient des progrès réalisés dans les dispositifs clés et les capacités d'ingénierie.
Néanmoins, des projets d'une ampleur bien plus importante sont nécessaires avant que les investissements dans l'énergie thermique des mers (ETM) ne décollent, affirme Robert Varley , qui a dirigé le programme ETM du groupe de défense Lockheed Martin de 2006 à 2017. La plupart des partisans de l'ETM partagent cet avis, estimant que le secteur a besoin d'une démonstration de puissance d'au moins quelques mégawatts, soit une puissance nettement supérieure à celle des projets les plus anciens menés à ce jour. « Une fois cet objectif atteint, je pense que le paysage de l'ETM changera radicalement », conclut Varley.
Comment fonctionne la conversion de l'énergie thermique des océans
Les océans absorbent une grande partie du rayonnement solaire quotidien et de la chaleur excédentaire emprisonnée dans l'atmosphère terrestre. Cependant, la majeure partie de cette énergie thermique reste confinée à moins de 100 mètres de la surface. Les profondeurs marines demeurent glaciales, alimentées principalement par les eaux de fonte des pôles.
Depuis les années 1970, quelques dizaines de projets ont cherché à exploiter cette hétérogénéité. Le défi est de taille, car l'écart de température que cette technologie vise à exploiter est relativement faible. Même en zone tropicale, la plupart des centrales OTEC devront se contenter d'une différence de 25 °C entre les eaux de surface et les eaux froides situées à 1 000 mètres de profondeur. (À titre de comparaison, les centrales thermiques classiques fonctionnent avec un écart de température de 400 °C.)
Pour exploiter le faible écart de température, la plupart des centrales produisent de l'électricité en chauffant et en refroidissant un fluide caloporteur qui bout naturellement à basse température, comme l'ammoniac. L'eau de surface est pompée dans la centrale et sa chaleur est transférée à l'ammoniac, provoquant son évaporation. Cette vapeur actionne ensuite une turbine pour produire de l'électricité. Enfin, pour recommencer le cycle, la chaleur de l'ammoniac est transférée à de l'eau froide acheminée depuis les profondeurs, ce qui provoque sa condensation.
Un système OTEC en mer, fonctionnant en cycle fermé, nécessite une source de chaleur et un puits de chaleur . L'eau chaude traverse un échangeur de chaleur (évaporateur) en contact avec de l'ammoniac ou un autre fluide caloporteur. Ce fluide s'évapore, se transforme en vapeur, qui se détend et actionne une turbine. La vapeur ainsi formée entre ensuite dans un autre échangeur de chaleur (condenseur) en contact avec de l'eau froide. Le fluide se condense alors et redevient liquide. L'eau ainsi réchauffée est ensuite pompée vers l'évaporateur pour boucler le cycle. L'eau chaude refroidie et l'eau froide réchauffée sont rejetées dans l'océan après avoir traversé les échangeurs de chaleur. (NOAA)
Extraire de l'énergie d'un faible écart de température nécessite d'importantes quantités d'eau de surface et de profondeur. Une centrale OTEC de 6,4 MW, proposée sur la côte est de Taïwan par le conglomérat industriel TCC Group Holdings, basé à Taipei , puiserait jusqu'à 9 500 litres d'eau de mer froide par seconde à 600 mètres de profondeur. Un projet de centrale de 10 MW, conçu par Lockheed et prévu pour la Chine en 2013, aurait traité 40 000 litres d'eau de mer par seconde, mais il n'a jamais vu le jour.
Le pompage à cette échelle privilégie l'installation d'usines sur des plateformes offshore, ce qui permet de réduire la longueur des canalisations nécessaires puisqu'elles peuvent être descendues verticalement pour atteindre de plus grandes profondeurs. Cependant, les plateformes offshore augmentent les coûts, et l'exploitation en haute mer, dans des conditions extrêmes, accroît les risques. Une fois remplie d'eau, la conduite d'eau froide suspendue d'une plateforme OTEC offshore pèse plusieurs dizaines de milliers de tonnes, et le moindre mouvement dû à la houle exerce une contrainte immense sur sa fixation à la plateforme.
Pour pallier l'un des risques liés à l'implantation en mer, la start-up londonienne Global OTEC a déployé aux îles Canaries la première plateforme au monde conçue spécifiquement pour la production d'énergie thermique des mers et la protection contre les ouragans. Lancée en avril et financée par des subventions publiques, cette plateforme est une maquette à l'échelle 1:7, non fonctionnelle, d'une centrale de démonstration de 2,5 MW.
La société Sea Solar Power, située à Jacobus, en Pennsylvanie, développe une centrale OTEC de 25 MW.
La mise en service d'une centrale sera nécessaire pour convaincre les investisseurs de la fiabilité de cette technologie. Sea Solar Power , entreprise basée à Jacobus, en Pennsylvanie, et fondée en 1972 pour développer l'énergie thermique des mers (ETM), conçoit une centrale de 25 MW. Elle assure que cette centrale s'autofinancera si sa production alimente un réseau électrique insulaire dépendant d’une énergie diesel coûteuse .
Le président de Sea Solar, James H. Anderson Jr., explique que son entreprise a survécu jusqu'à présent grâce aux revenus générés par ses activités de production, mais qu'elle recherche actuellement un investissement de 5 à 10 millions de dollars américains pour finaliser l'étude de préfaisabilité de la centrale. La construction de cette dernière coûterait au moins 120 millions de dollars américains supplémentaires.
Les îles se tournent vers l'énergie renouvelable issue de l'OTEC
Le projet indien dans l'archipel des Laquedives vise à démontrer que les petites centrales thermiques à l'eau chaude peuvent être fiables et rentables. La clé du succès réside dans l'utilisation d'une technologie plus simple et dans une production allant au-delà de la simple électricité.
Au lieu d'ajouter un cycle d'évaporation et de condensation d'un fluide de travail distinct comme l'ammoniac, l'usine de NIOT évaporera l'eau de mer à basse température. Pour ce faire, des pompes créeront un vide, abaissant ainsi la pression atmosphérique autour du liquide et, par conséquent, son point d'ébullition. Ceci permettra à l'eau de surface de l'archipel, à environ 29 °C, de s'évaporer plus facilement. La vapeur ainsi obtenue actionnera une turbine basse pression avant d'être condensée à l'aide d'eau à 7 °C. Enfin, au lieu de rejeter la totalité de l'eau condensée dans l'océan, l'usine de NIOT en utilisera une partie pour produire de l'eau douce.
La technologie du NIOT a vu le jour après l'échec d'une tentative de grande envergure en 2002. Ce laboratoire gouvernemental de Chennai ambitionnait de démontrer la viabilité du premier procédé OTEC (énergie thermique des mers) d'une puissance de 1 MW au monde, à 40 kilomètres au large des côtes sud-est de l'Inde. Mais lors de la construction, des ouvriers ont accidentellement laissé tomber la conduite d'eau froide de 1 000 mètres de long, qui a sombré dans les profondeurs de l'océan. Cet accident, qui a ébranlé la confiance, est qualifié par Dan Grech, fondateur et PDG de Global OTEC , de « plus grande erreur de l'histoire de l'OTEC ».
Après l'incident, NIOT a réorienté sa stratégie, adaptant sa technologie aux besoins des Laquedives. Comme de nombreuses communautés insulaires à travers le monde, les habitants de cet archipel dépendent du diesel importé, coûteux, pour produire de l'électricité et sont confrontés à une pénurie d'eau croissante due à la surexploitation des nappes phréatiques et à la montée des eaux. Dans un premier temps, NIOT a résolu le problème de l'eau potable grâce à des usines de dessalement .
Ces usines utilisent le vide pour évaporer des centaines de litres d'eau chaude de surface par seconde et condenser la vapeur en eau douce grâce à l'eau froide des profondeurs marines. La première usine a été mise en service en 2005 à Kavaratti, capitale de l'archipel des Lakshadweep, mettant ainsi fin à la consommation d'eau salée par les habitants. Cette mesure a permis de réduire considérablement les taux d'hypertension et de maladies gastro-intestinales. « Ce fut un moment de triomphe pour le NIOT, car personne d'autre n'y avait pensé », explique Jalihal, ancien responsable du projet au NIOT.
Mais les usines de dessalement des îles Lakshadweep dépendent encore du coûteux réseau électrique diesel de l'archipel. Elles se sont donc tournées vers l'énergie thermique des mers (ETM). Le projet de dessalement optimisé par ETM de NIOT, actuellement en construction à Kavaratti, utilisera sa turbine basse pression pour produire suffisamment d'électricité afin de fonctionner sans raccordement au réseau.
Cette technologie ne sera pas industrialisable, car les turbines basse pression nécessitent des pales beaucoup plus grandes. Cependant, elle pourrait générer un léger retour sur investissement pour une installation de 500 millions de roupies (4,54 millions d’euros), permettant d'économiser environ 20 à 30 millions de roupies (180 000 à 273 000 euros) par an sur les coûts annuels de diesel, selon un rapport .
Ce modèle pourrait être reproduit dans de nombreuses îles en développement. Le NIOT a évoqué la possibilité de partager cette technologie avec les Maldives et l'île Maurice. Ce serait une nouvelle étape, certes modeste, mais essentielle pour l'énergie thermique des mers. Or, comme le montre l'expérience des Lakshadweep, l'impact économique et sanitaire local pourrait être considérable.