Coût futur

Oct 13, 2023

Publié le 28 mai 2023 à 22h37 par Harry Valentine

Il y a une dizaine d'années, une turbine hydro-cinétique immergée a été installée dans le courant rapide d'une section du fleuve Saint-Laurent, au sud-ouest de Montréal, Canada. La régie de l'électricité du Québec a finalement interrompu la démonstration et a déclaré que la technologie n'était pas concurrentielle par rapport à la production d'énergie hydroélectrique conventionnelle lorsqu'elle était mesurée en dollars par kilowattheure. L'avenir de la technologie des turbines hydrocinétiques dépend d'une plus grande production à un coût compétitif par rapport aux autres technologies renouvelables.

Introduction

Les comparaisons de coûts effectuées concernant la réparation et l'entretien des machines ont indiqué que pour chaque dollar dépensé sur un site terrestre, environ 10,00 à 100 dollars ont été dépensés sur un site de surface flottant en mer, tandis que 1 000 dollars ou plus peuvent être dépensés pour une technologie immergée profondément sous l'eau.

L'histoire des turbines hydro-cinétiques a commencé il y a environ 4 000 ans avec des roues hydrauliques qui convertissaient l'énergie cinétique de l'eau de la rivière en énergie mécanique. Les premières installations étaient situées le long d'une berge, la partie inférieure de la roue hydraulique étant partiellement immergée dans l'eau courante qui, à son tour, faisait tourner la roue.

Au cours des années 1980, la quête d'énergie renouvelable propre a conduit à des essais impliquant des éoliennes sous-marines ou des turbines hydrocinétiques, le résultat d'une eau douce ayant près de 850 fois la densité de l'air et de l'eau de mer ayant 870 fois la densité. La puissance de sortie est fonction du débit massique de fluide à travers une turbine. En conséquence, les turbines hydrocinétiques se sont révélées très prometteuses en tant que technologie alternative d'énergie renouvelable propre. La plupart des premiers constructeurs de turbines hydrocinétiques ont installé les turbines sur des cadres de support qui reposaient sur le lit de la rivière, comme c'était le cas au sud-est de Montréal et d'autres endroits à l'étranger.

Installations de turbines

L'installation d'éoliennes immergées impliquait un bateau ou un navire équipé d'une grue embarquée transportant les turbines jusqu'au site d'installation, où la grue descendait ensuite chaque ensemble turbine sur le lit de la rivière ou du fond marin. L'entretien des turbines immergées nécessite que des plongeurs travaillent sous l'eau ou un navire équipé d'une grue pour récupérer l'ensemble de turbine immergé à la surface, à un coût considérable. La sécurisation des turbines aux structures côtières ou sous une technologie flottante que les équipes de maintenance pourraient monter à bord réduit les coûts de maintenance. Des entreprises au Canada et en Écosse développent des structures flottantes qui portent des turbines.

Alors que la structure flottante d'Orbital Marine of Scotland porte 2 turbines de 1 mégawatt chacune, la structure flottante de Sustainable Marine of Canada porte 6 turbines. Une structure flottante concurrente de Big Moon of Canada porte une roue hydraulique moderne. Toutes les 3 technologies sont conçues pour être remorquées d'un point de construction côtier à un point d'installation en mer, où des câbles d'amarrage sécuriseraient les assemblages de turbines flottantes.

Big Moon place l'arbre d'essieu et l'équipement de production électrique au-dessus de l'eau à l'intérieur d'une enceinte. Orbital Marine et Sustainable Marine construisent les structures flottantes pour permettre aux équipes de maintenance d'accéder aux turbines et aux équipements de production.

Cale sèche mobile

Le navire semi-submersible connu sous le nom de cale sèche mobile peut plonger sous la coque d'un navire en détresse avant de le remonter au-dessus de l'eau. Cette technologie pourrait être adaptée pour transporter la technologie de conversion d'énergie cinétique océanique flottante à grande échelle à l'envers sur son pont, d'un site de construction ou d'assemblage à terre à un site offshore approprié avant de plonger pour faire flotter l'ensemble de turbine hors de son pont. La combinaison de réservoirs de ballast, de pontons et de câbles de grue aiderait à faire rouler l'ensemble de turbine avant qu'il ne flotte sur le pont d'une cale sèche mobile.

À l'arrivée sur le site d'installation, des câbles seraient attachés pour fixer l'ensemble de turbine flottante dans des courants de marée appropriés. La technologie de cale sèche mobile permet une plus grande flexibilité dans la conception future d'assemblages de turbines flottantes à grande échelle qui fournissent une puissance de sortie élevée à un coût compétitif. Le développement futur du marché de la technologie d'énergie de conversion des océans dépend de l'innovation qui augmente la production d'énergie à un coût compétitif, la facilité d'accès aux machines pour effectuer l'entretien et les réparations de routine étant essentielle. Un marché élargi pour la technologie justifierait le coût de développement d'une technologie semi-submersible dédiée capable de transporter des assemblages de turbines.

Turbines fluviales

Les turbines hydrocinétiques fluviales traditionnelles impliquaient une structure construite le long d'une rive avec un axe s'étendant loin de la terre et perpendiculaire au débit de la rivière. Ces roues hydrauliques ont servi les communautés pendant des siècles en accomplissant une variété de tâches. Big Moon du Canada développe une roue hydraulique moderne capable de fonctionner dans de puissants courants d'eau. Une structure flottante peut porter la roue hydraulique à mi-chemin tandis qu'un bâtiment côtier peut porter la roue hydraulique à côté du rivage, pour permettre un accès facile pour l'entretien de l'équipement de production électrique et à la turbine.

Le côté amont des piliers de pont le long des rivières à débit rapide offre des emplacements à prix compétitifs pour sécuriser les logements des turbines hydrocinétiques à axe vertical. Bien que le fond du carter de la turbine puisse reposer sur le fond de la rivière, la pile du pont peut également supporter le poids de l'ensemble du carter. L'exposition d'un secteur de 120 degrés de circonférence de roue hydraulique d'une roue hydraulique à axe transversal ou à axe vertical au courant de la rivière devrait fournir une efficacité de conversion compétitive aux turbines à flux axial. Il serait possible d'empiler des roues hydrauliques ou des turbines à axe vertical sur des arbres de transmission de grande longueur pour augmenter la puissance de sortie à un coût compétitif.

Turbines plus grandes et plus fortes

Au cours des 20 dernières années, des turbines hydrocinétiques submergées de plusieurs constructeurs différents qui ont été installées dans différents courants d'eau rapides ont subi des bris d'aubes de turbine, en particulier dans les canaux autour de la baie de Fundy au Canada. Au lieu d'étendre les aubes de turbine vers l'extérieur à partir d'un axe central, un turbinier étend les aubes de turbine vers l'intérieur à partir d'un anneau rotatif installé sur un logement de tuyau tubulaire de grand diamètre. Ce précédent de conception fournit une base pour combiner un essieu central avec un boîtier tubulaire de grand diamètre pour potentiellement doubler le rayon total des pales de turbine, augmentant la surface balayée et la puissance de sortie par un facteur de quatre.

L'avenir de la conversion de l'énergie des turbines hydrocinétiques dépendra de l'augmentation de la production d'électricité à un coût compétitif. Le développement d'aubes de turbine de grand diamètre capables de fonctionner de manière soutenue dans des courants violents serait essentiel. Les anciennes turbines hydrocinétiques de type roue à eau étaient susceptibles de se casser lorsqu'elles fonctionnaient dans de puissants courants d'eau. Si Big Moon du Canada est en mesure de développer sa roue hydraulique moderne pour supporter un fonctionnement soutenu dans les courants violents de la baie de Fundy, des versions à plus grande échelle de sa technologie auraient probablement des applications futures dans les installations fluviales et dans les opérations de production d'électricité flottantes en mer.

Alors que la turbine jumelle flottante la plus puissante fournit 2 mégawatts de puissance, les futures turbines à écoulement libre fourniraient probablement une puissance bien supérieure. De nombreuses recherches sont en cours sur la conversion de l'énergie hydrocinétique et incluent des concepts tels que les cerfs-volants sous-marins qui se déplacent perpendiculairement et à une vitesse plus élevée que le courant d'eau environnant.

Option d'axe vertical flottant

L'option d'une structure flottante portant des turbines jumelles à axe vertical contrarotatives offre le potentiel d'une technologie de production d'énergie économique et efficace. Un déflecteur en amont peut exposer un secteur de 120 degrés de chaque turbine qui se déplace vers l'aval avec le courant d'eau tout en protégeant la zone de la turbine qui se déplace vers l'amont contre le courant, réduisant ainsi la traînée parasite et augmentant l'efficacité. Le fonctionnement à axe vertical permet aux générateurs électriques et aux paliers supérieurs principaux qui supportent le poids de chaque turbine d'être placés au-dessus de l'eau à l'intérieur de la structure flottante et d'être facilement accessibles aux équipes de maintenance.

Un roulement supérieur basé sur un rail circulaire et des roues coniques pouvait supporter le poids de chaque pile de turbines ou de roues hydrauliques. La conception devrait permettre aux vérins hydrauliques de soulever légèrement chaque turbine afin de permettre le remplacement périodique des roues à rouleaux. Un palier inférieur surdimensionné avec des guides et des rouleaux en céramique supporterait des charges latérales et serait périodiquement remplacé par des plongeurs ou une future technologie de télécommande. Les systèmes flottants concurrents qui utilisent des turbines à flux axial peuvent devoir s'incliner à 90 degrés ou se retourner à 180 degrés pour permettre l'entretien des roulements et des générateurs électriques.

conclusion

Alors que les turbines hydrocinétiques modernes à écoulement libre présentent un grand potentiel pour générer de l'énergie électrique sans carbone, il existe très peu d'endroits dans le monde où une telle technologie génère de l'électricité pour les marchés voisins. Le développement de versions modernes de la technologie pour remplacer les roues hydrauliques classiques est en cours depuis plusieurs décennies. De violents courants d'eau ont en fait détruit plusieurs turbines hydrocinétiques modernes dans les courants violents qui circulent autour de la baie de Fundy au Canada. La technologie doit offrir une combinaison de durabilité dans des conditions météorologiques extrêmes, une puissance de sortie élevée, une facilité d'entretien et une compétitivité des coûts par rapport aux autres technologies renouvelables sur une durée de vie prolongée.

Les conditions actuelles difficiles autour de la baie de Fundy exigent que des innovations de haut niveau soient appliquées pour développer davantage la technologie des turbines hydrocinétiques. Il y aurait probablement un potentiel pour une telle innovation d'élargir l'application commerciale de la technologie hydrocinétique dans le service intérieur canadien ainsi que le service international.

Les opinions exprimées ici sont celles de l'auteur et pas nécessairement celles de The Maritime Executive.