Qu’est-ce qu’une hydrolienne ?

La filière des énergies renouvelables exploite différentes alternatives aux énergies fossiles pour produire de l’électricité telles que l’énergie hydrolienne.

Le principe de l’énergie hydrolienne

L’hydrolienne désigne une installation immergée, une hélice accompagnée d’une turbine hydraulique, utilisant la force motrice des courants marins ou fluviaux – ce que l’on nomme l’énergie cinétique – pour créer une énergie mécanique. Cette énergie mécanique est transformée en énergie électrique pour être injectée dans le réseau de distribution d’électricité géré par Enedis.

L’énergie hydrolienne est souvent comparée à l’énergie éolienne via son apparence et son mode de fonctionnement : l’éolienne, composée d’une grande hélice, utilise la force des vents pour actionner une turbine et produire de l’électricité ; mais contrairement à cette dernière, les courants marins sont facilement prédictibles des mois à l’avance, ce qui n’est pas le cas des vents et de leur intensité.

Les autres énergies marines renouvelables

Les installations hydroliennes, et l’énergie hydrolienne qu’elles produisent, appartiennent à une famille d’énergies renouvelables utilisant la force de l’eau (marées, courants marins, courants fluviaux) pour produire de l’électricité : les énergies marines. Ainsi, l’énergie créée est issue d’une ressource naturelle que l’on retrouve sur près de 70 % du globe terrestre : l’eau, et ses mouvements créés par la mer et les océans, les fleuves, et les marées. Son potentiel d’exploitation est prometteur et exempt d’émissions de gaz à effet de serre.

Ces flux d’énergie sont exploités dans différents modes de production en développement ou encore en expérimentation :

  • les hydroliennes, sujet de notre article ;
  • l’énergie marémotrice utilise le principe du marnage – les marées – ou la différence de hauteur de l’eau entre la marée haute et la marée basse est utilisée dans une usine marémotrice pour produire de l’électricité ;
  • l’énergie houlomotrice issue du mouvement des vagues – la houle – créé par le vent à la surface des mers. L’énergie est captée par un système de pompage et de turbinage via des bouées ;
  • l’énergie thermique des mers qui utilise le potentiel exploitable de la différence de température entre les eaux de surface et les eaux profondes ;
  • l’énergie osmotique qui exploite la différence de salinité entre l’eau douce et l’eau de mer qui se rencontrent aux estuaires ;
  • la biomasse marine qui regroupe les diverses matières organiques présentes dans l’eau (algues) qui produisent de l’énergie via différents procédés (combustion, méthanisation, transformation chimique).

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Fonctionnement d’une hydrolienne

Voyons dans le détail comment fonctionne une hydrolienne et quelles sont les éventuelles contraintes techniques auxquelles elle peut être soumise.

Principes mécaniques et installation de l’hydrolienne

Le principe de fonctionnement d’une hydrolienne est d’utiliser l’énergie cinétique des courants marins pour créer une énergie mécanique, puis la transformer en énergie électrique ; et qui plus est, une électricité verte. Une hydrolienne se présente visuellement comme une éolienne subaquatique. Concrètement, une hydrolienne se compose d’une roue (le rotor, la partie rotative) avec une hélice constituée de pales (le moteur de la turbine), de diamètre entre 10 et 20 mètres, le tout monté sur un arbre (un stator, la partie fixe).

L’installation d’une hydrolienne peut être réalisée :

  • soit sur un mât avec une hauteur suffisante pour le garder à la surface de l’eau lors des opérations de maintenance ou de déplacement ;
  • soit sur un tripode qui permet de poser « simplement » l’hydrolienne sur le fond marin.

Le fonctionnement d’une hydrolienne peut se décomposer ainsi :

  1. la rotation des pales de l’hélice réalisée par les courants marins, entraîne une turbine qui génère un mouvement mécanique. La turbine de l’hydrolienne fonctionne dans les deux sens du courant marin ;
  2. la rotation de la turbine de l’hydrolienne entraîne un alternateur (générateur électrique), qui convertit l’énergie mécanique en un courant électrique alternatif et variable (selon l’intensité du courant marin) ;
  3. le courant électrique alternatif est ensuite conduit à la terre via un câble de connexion, puis transformé par un convertisseur pour être « élevé » (adapté) aux lignes électriques à haute tension ;
  4. le courant électrique est acheminé via des câbles sous-marins vers le réseau électrique.

Rendement énergétique d’une hydrolienne

L’hydrolienne profite des courants marins et du volume important de l’eau (masse volumique 832 fois plus élevée que l’air) pour produire de l’électricité. Cependant, pour que le rendement énergétique d’une hydrolienne soit optimal, il est nécessaire de réunir certaines conditions, ceci afin d’avoir une capacité de production idéale de l’ordre de 1 MW/an d’électricité :

  • placer l’hydrolienne face à un courant marin moyen de 2,5 m/s, soit 5 nœuds, sachant que l’hydrolienne fonctionne à pleine puissance à partir de 4 nœuds ;
  • avoir une surface d’interception du courant de l’ordre de 300 mètres, soit 20 mètres de longueur de pales.

Autre facteur important à prendre en compte : le caractère prévisible des courants marins. De manière régulière, voire sinusoïdale, le courant marin change de sens selon les phases de la Lune. Pendant cette étape de « retournement », l’hydrolienne ne produit plus d’énergie. On estime ainsi que l’hydrolienne fonctionne à pleine puissance en moyenne entre 11 et 14 heures par jour.

Sachant également que la puissance énergétique produite ne représente que 60 % de la puissance énergétique théorique (déduction faite de l’énergie nécessaire pour convertir l’énergie mécanique en énergie électrique).

Les différents types d’hydrolienne

Au fil des expérimentations et des progrès de la technologie, la filière hydrolienne a donné naissance à différents types d’installation :

  • l’hydrolienne à axe horizontal qui représente le type d’hydrolienne le plus utilisé dans le monde. Visuellement similaire à une éolienne à axe horizontal, l’hydrolienne est soit fixée par un socle au sol marin avec une partie non immersive pour pouvoir remonter les hélices lors de la maintenance ou en cas d’incident, soit montée sur une barge ou une plateforme permettant de la transporter sur l’eau puis de l’immerger plus facilement ;
  • l’hydrolienne à axe vertical qui consiste en une hélice fixée à un mat. Les pales de l’hélice sont positionnées à la verticale du mat et tournent autour de lui. Ce type d’hydrolienne a une capacité de production d’énergie moins importante que sa « sœur » à axe horizontal ;
  • l’hydrolienne à turbine libre qui consiste à fixer les pales de l’hydrolienne sur un axe circulaire avec un trou central. Ce trou central permet à la faune sous-marine environnante de passer à travers. EDF a installé un prototype de ce type pour son projet d’hydrolienne à Paimpol-Bréhat (16 m de diamètre pour un poids de 850 tonnes) ;
  • l’hydrolienne à aile (capteurs) oscillante qui imite les battements des nageoires des poissons et des mammifères marins ;
  • les hydroliennes à la chaîne qui consistent à poser, à même les fonds marins ou aux embouchures des fleuves, une série d’hydroliennes les unes à côté des autres. Le projet d’hydrolienne « Normandie Hydro » lancé par EDF consiste en l’installation de 7 hydroliennes dans les fonds marins du Raz Blanchard ;
  • l’hydrolienne à vis d’Archimède qui reprend le mécanisme de la vis sans fin, inventé à l’Antiquité pour le pompage de l’eau nécessaire à l’irrigation des cultures. Adapté à la production d’électricité, le mécanisme de la vis d’Archimède consiste à installer l’hydrolienne sur une petite chute d’eau et d’utiliser la force de l’eau pour faire tourner la turbine en continu ;
  • l’hydrolienne autoporteuse ou à cerf-volant consiste à installer l’hydrolienne au bout d’un câble, et de la laisser graviter au gré des mouvements du courant marin. Ce principe reprend le fonctionnement du cerf-volant virevoltant dans l’air en fonction de la force du vent.

Les types d’hydroliennes les plus implantées

80 % des investissements en Recherche et Développement se concentrent sur les types d’hydroliennes à axe horizontal, à axe vertical et à turbine libre.

Avantages et inconvénients de la technologie hydrolienne

La technologie utilisée pour la production de l’énergie hydrolienne comporte des atouts indéniables, mais également quelques inconvénients, que nous avons recensés dans le tableau suivant :

Avantages Inconvénients
- Une production d’électricité issue d’une source d’énergies renouvelables (l’eau et ses courants) non polluante et non émettrice de gaz à effet de serre.
- Une hydrolienne est de taille moins importante qu’une éolienne à puissance équivalente.
- Une hydrolienne a un impact visuel moins important, car elle est moins imposante qu’une éolienne ou un barrage hydraulique.
- Le caractère prédictible des courants marins (phases de la Lune) permet d’anticiper sur les productions prévisionnelles.
- Le potentiel important de la filière hydrolienne au vu du nombre conséquent de courants marins partout dans le monde.
- La structure d’une hydrolienne nécessite une maintenance lourde hors de l’eau, avec démontage complet de l’hélice.
- Les pales de l’hélice de l’hydrolienne constituées avec des matériaux en composite, sont sensibles à l’érosion produite par le sel de l’eau, ainsi que le sable.
- L’hydrolienne en marche peut perturber la sédimentation présente dans les fonds marins, ainsi que la faune et la flore.
- Les rotations des pales peuvent causer des blessures sur les mammifères marins, ainsi que les hommes.
- L’utilisation de peinture antifouling (antisalissures organiques type algues) sur la partie immergée de l’hydrolienne est particulièrement nocive pour la faune et la flore vivantes dans l’eau, notamment par la présence d’un biocide polluant.
- Les nuisances sonores possibles lors de la construction de l’hydrolienne.
- La gêne possible envers les activités de pêche et de navigation même si les hydroliennes sont positionnées dans des zones hors chalutage.
- Les coûts d’exploitation et d’investissement sont élevés, estimés du double de ceux de l’éolien à puissance installée égale.

Le développement de l’énergie hydrolienne en France

Le développement de la filière de l’énergie hydrolienne en France et son potentiel d’exploitation, dépendent de différents facteurs (conditions d’implantation, implication des instances gouvernementales).

Les conditions d’installation d’un site de production d’énergie hydrolienne

La filière hydrolienne est soumise à de multiples contraintes, dont la principale étant les zones d’installation des sites de production. Plusieurs conditions doivent être réunies afin de pouvoir installer des équipements dédiés à la production d’énergie hydrolienne :

  • la zone doit comporter un important courant de marée, avec un niveau de puissance estimé entre 4 et 5 nœuds, suffisant pour faire tourner un diamètre de roue compris entre 10 et 20 mètres ;
  • la zone doit avoir une profondeur entre 30 et 40 mètres qui permet à la fois de faciliter les activités de maintenance et de transport, mais également de ne pas trop gêner les activités nautiques ou de pêche ;
  • la zone doit être à proximité des côtes afin de pouvoir tirer un câble sous-marin pour acheminer l’électricité produite.

La France, avec ses 11 millions de km² de domaine maritime, est le 2e pays en Europe après le Royaume-Uni à concentrer les zones les plus propices à l’installation d’hydroliennes entre la Manche, la mer du Nord et la mer d’Irlande.

Les deux zones d’exploitation en France, qui concentrent les gisements marins les plus porteurs pour le développement et l’exploitation de la filière hydrolienne, se situent entre le Raz Blanchard en Normandie et le Passage du Fromveur en Bretagne ; le potentiel énergétique de ces deux zones est estimé à 3 000 MWh/an.

Les acteurs de la production hydrolienne en France

Les entreprises de la filière de production hydrolienne représentent près de 29 % des métiers du secteur des énergies de la mer (énergie éolienne, houlomotrice, marémotrice, thermique). On peut notamment citer quelques entreprises françaises majeures telles que :

  • Naval Group, précurseur avec la première usine d’assemblage en France inaugurée en 2018 ;
  • Hydroquest, qui est à l’origine du développement et de l’installation du démonstrateur hydrolien marin à Paimpol-Bréhat en 2019 ;
  • Sabella, une PME bretonne qui a mis en place une hydrolienne sur la presqu’île d’Ouessant ; l’atout indéniable de cette solution énergétique est de proposer une énergie alternative renouvelable à une population insulaire non connectée au réseau de distribution générale d’électricité.

Les perspectives et les freins à la filière

La filière hydrolienne, avec ses 10 ans d’expérience, est relativement jeune par rapport à d’autres filières des énergies renouvelables telles que la filière éolienne, photovoltaïque ou la filière de l’hydraulique. Son potentiel énergétique est cependant prometteur puisque de nombreux acteurs de la filière annoncent des chiffres-clés convaincants :

  • le Syndicat des énergies renouvelables (SER) estime que le potentiel énergétique de la France se situe entre 3 000 et 5 000 MW/an, soit 30 % des capacités de production totales européennes ;
  • l’énergéticien national EDF annonce de son côté que le potentiel de production français peut atteindre 10 TWh/an, soit l’équivalent de la production annuelle d’électricité d’un réacteur nucléaire de 1 500 MW.

Le développement de la filière se heurte néanmoins de multiples freins inhérents :

  • aux coûts d’exploitation et de maintenance des installations hydroliennes. L’énergie hydrolienne marine coûte cher à produire, l’Ademe évalue le prix du mégawattheure à 365 € pour 2021 et 120 € en 2030 au fil de la maturité et des progrès de la technologie hydrolienne marine (avec moins de maintenance à long terme). Les coûts sont relativement moins élevés pour l’hydrolien fluvial où le prix du mégawattheure est estimé à 150 € ;
  • le manque d’implication du gouvernement acté par l’absence de la filière hydrolienne dans les grandes orientations de la politique énergétique nationale (financement et appels à projets), notamment dans le plan de Programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) de 2019 à 2028. « Le Gouvernement considère que les conditions pour le lancement d’un appel d’offres commercial ne sont pas réunies et n’en prévoit donc pas dans la période couverte par la Programmation pluriannuelle de l’énergie. » ;
  • et la conséquence possible des deux facteurs précédents, l’arrêt des investissements en recherche et développement de certaines entreprises du secteur (Naval Group en 2018).

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