Qu’est-ce que l’énergie maréthermique ?

publié le 23/04/2021 | mis à jour le 17/03/2023 | par Laurie Fouché

Définition de l’énergie maréthermique

L’énergie maréthermique, souvent appelée Énergie thermique des mers (ETM) consiste à utiliser la différence de température entre les eaux de surfaces et celles, bien plus froides, qui se trouve en profondeur. Ce différentiel peut être exploité pour produire de l’électricité dans les régions où il atteint une vingtaine de degrés Celsius sur toute l’année. C’est le cas dans la zone intertropicale, c’est-à-dire entre le tropique du Capricorne au sud de l’équateur, et le tropique du Cancer au nord. Cela correspond aux zones en rouge, orange et jaune sur la carte ci-dessous :

Dans cette partie du monde, les eaux de surface ont une température avoisinant les 23 à 28 °C toute l’année et l’eau située à environ un kilomètre de profondeur maintient une température de 4 °C en moyenne. L’exploitation thermique des mers est une énergie renouvelable car les températures des océans en un point donné sont stables, cette ressource est inépuisable et a l’avantage de pouvoir être exploitable sans interruption.

La différence de température entre surface et profondeur des océans est principalement due à deux phénomènes :

• l’énergie solaire est absorbée par les molécules d’eau les plus proches de la surface. L’eau chaude a une densité, ou masse volumique, plus faible que l’eau froide, autrement dit, elle est plus « légère » et a tendance à rester au-dessus des masses froides. Ces dernières sont plus « lourdes » (masse volumique élevée) et restent donc au fond. Cela fait que les eaux de différentes températures se mélangent très peu, et la chaleur absorbée en surface n’est pas diffusée en profondeur ;
• les océans sont parcourus de courants relativement fixes, en surface et en profondeur. Ces courants, appelés « circulation thermohaline », sont notamment provoqués par des différences de température (thermo-) et de salinité (-haline). Ils se déplacent parallèlement à la surface de l’eau sur toute la surface du globe. En certains points, une grande masse d’eau gagne en salinité et se refroidit ; sa densité augmente et elle descend poursuivre son chemin en profondeur, cela se produit par exemple dans le nord de l’océan Atlantique, au niveau de la Norvège. En d’autres points, une masse d’eau se réchauffe et se mélange avec des eaux peu salées, elle remonte ainsi à la surface. C’est ce que l’on appelle le phénomène d’« upwelling » naturel, et il existe par exemple dans le nord de l’océan Pacifique.

En dehors de la zone intertropicale, les températures en surface ne sont pas assez élevées tout au long de l’année pour que l’énergie maréthermique soit exploitable. Cela est surtout dû au fait que plus une région est éloignée de l’équateur, moins elle reçoit d’énergie solaire en hiver.

Fonctionnement de l’énergie thermique des mers

Le principe de base d’une centrale maréthermique est une application du cycle de Rankine qui transforme la chaleur en travail. C’est le pivot de la conception des moteurs à vapeur, voici son fonctionnement :

1. l’eau chaude est utilisée pour provoquer l’évaporation d’un liquide ;
2. la vapeur ainsi créée actionne une turbine ;
3. la rotation de la turbine génère de l’électricité ;
4. l’eau froide est utilisée pour refroidir la vapeur à la sortie de la turbine et lui faire retrouver son état liquide.

Toute l’ingéniosité de système repose sur la capacité de produire de la vapeur grâce à de l’eau dont la température n’est que de 23 à 28 °C. Pour faire cela, trois types d’usines maréthermiques existent.

Centrale ETM en cycle ouvert

Le cycle ouvert fonctionne uniquement avec de l’eau de mer, voici comment :

1. de l’eau est pompée en surface, puis déversée dans un grand contenant mis sous vide (l’air qu’il contient est évacué de force). C’est ce que l’on appelle un évaporateur sous vide ;
2. la mise sous vide fait baisser drastiquement la pression dans le contenant, ce qui abaisse la température d’évaporation de l’eau ;
3. une partie des molécules d’eau forment de la vapeur en laissant derrière elles les minéraux présents dans l’eau de mer ; cette vapeur est utilisée pour actionner une turbine ;
4. cette vapeur arrive dans un condensateur : un contenant composé de deux zones qui met en présence la vapeur et l’eau froide provenant du fond de l’océan pour condenser la vapeur sans la mélanger à l’eau de mer ;
5. la vapeur se condense, c’est-à-dire qu’elle retrouve son état liquide. Le résultat est de l’eau pure, ou déminéralisée.

Un avantage notable de cette technique est qu’elle produit de l’eau douce en plus de générer de l’électricité. Dans plusieurs parties du monde, l’eau est une ressource précieuse qui se raréfie, et de nombreuses îles dépendent d’importations pour l’eau. De plus, les archipels isolés ont souvent recours à des usines thermiques pour la production d’électricité car les conditions ne sont pas toujours réunies pour une exploitation des énergies renouvelables (espace limité, gestion d’un réseau de distribution de faible taille et isolé, etc.) : l’énergie thermique des mers est une double solution pour ces territoires insulaires.

Le principal inconvénient du cycle ouvert est qu’il est techniquement difficile de faire le vide dans l’évaporateur, c’est une méthode coûteuse. De plus, la pression obtenue grâce à la vapeur d’eau est relativement faible, il faut donc investir dans une turbine de très grande taille, et cela fait augmenter le coût d’investissement.

Usine maréthermique en cycle fermé

Le cycle fermé consiste à utiliser un autre liquide que l’eau de mer pour l’évaporation et la condensation. On parle alors de fluide de travail ou de fluide caloporteur. Dans le cas de la maréthermie, il s’agit souvent de l’ammoniaque, un mélange de molécules d’eau (H₂0) et de molécules d’ammoniac (NH₃) qui forme la solution aqueuse appelée ammoniaque (NH₄OH ou NH₃ aqueux). Celle-ci est choisie car sa température d’évaporation se situe autour de 4 °C. Il est donc possible d’obtenir de la vapeur d’ammoniaque en utilisant l’eau de mer à 25 °C en moyenne sans devoir mettre l’évaporateur sous vide, et le gaz ainsi créé se condense à la température des eaux de profondeur, il n’y a donc aucun problème pour le retourner à son état liquide.

Voici comment fonctionne une centrale maréthermique en cycle fermé :

1. l’évaporateur est composé de deux espaces séparés, l’un contient l’ammoniaque à évaporer et l’autre est rempli d’eau de mer pompée en surface (à environ 26 °C) ;
2. la chaleur de l’eau se transmet à l’ammoniaque et celui-ci s’évapore ;
3. la vapeur ainsi créée est utilisée pour actionner la turbine qui produit de l’électricité en tournant ;
4. l’eau froide provenant des profondeurs de l’océan est utilisée pour refroidir l’ammoniaque au niveau du condensateur. Celui-ci est composé de deux espaces hermétiquement séparés : l’un contient l’eau froide et l’autre le fluide caloporteur qui se condense, c’est-à-dire revient à son état liquide ;
5. l’ammoniaque liquide est renvoyé vers l’évaporateur pour un nouveau cycle.

Comparée au cycle ouvert, la production d’énergie thermique en cycle fermé a l’avantage de produire de la vapeur sous forte pression, car une partie très importante de l’ammoniaque s’évapore. Donc, il n’est pas nécessaire de faire le vide dans l’évaporateur, et la turbine peut être de plus petite taille que pour un cycle ouvert. La mise en place d’une centrale est donc moins onéreuse en cycle fermé.

L’inconvénient majeur de la maréthermie en cycle fermé est que l’évaporateur se salit très vite à cause de tous les composés organiques présents dans l’eau de mer de surface. Cela est aussi vrai pour le condensateur, mais dans une moindre mesure, car l’eau qui se trouve à 1 000 m sous la surface contient moins de contenu biologique. L’évaporateur étant très volumineux et à double paroi (pour séparer l’eau de l’ammoniaque), la surface de dépôt des salissures est plus grande que pour le cycle ouvert. On appelle ce phénomène le « biofouling » en anglais ou la biosalissure en français, et c’est un problème qui se pose dans l’exploitation de toutes les énergies de la mer : énergie marémotrice, houlomotrice et osmotique. L’utilisation de chlore et biocides limite les conséquences négatives de ce phénomène, mais pose à son tour des problèmes de toxicité. À noter également que l’utilisation d’ammoniaque dans une partie des circuits peut engendrer des soucis de maintenance, car cette substance est corrosive.

Le cycle hybride maréthermique

La méthode hybride met à profit les points positifs des deux méthodes décrites ci-dessus (évaporateur facile à entretenir, production d’eau douce et pression élevée pour actionner la turbine). Elle a été créée à l’origine pour régler le problème des biosalissures dans l’évaporateur. Le fonctionnement de la maréthermie en cycle hybride est très ingénieux :

1. l’eau de surface est pompée et envoyée dans un évaporateur sous vide pour en transformer une partie en vapeur d’eau ;
2. cette vapeur est envoyée dans un évaporateur à double paroi où elle provoque l’évaporation de l’ammoniaque ;
3. l’ammoniaque gazeux actionne la turbine, retourne à son état liquide dans le condensateur puis recommence un cycle dans l’évaporateur ;
4. la vapeur d’eau créée à la première étape est également condensée grâce à de l’eau de mer froide.

Cette technique est imaginée au milieu des années 1970, lorsque les problèmes de biosalissures apparaissent sur les prototypes en cycle fermé. Les atouts du cycle hybride sont simples :

• l’évaporateur reste propre (car l’eau qui y passe est pure) ;
• cette centrale peut produire de l’eau douce à partir d’eau de mer ;
• la pression obtenue pour mettre la turbine en mouvement est très forte, comme dans le cas du cycle fermé.

Le désavantage majeur de cette méthode est son prix ; pour construire une centrale de ce type, il faut procurer tout le matériel nécessaire à une installation en cycle ouvert, mais également celui du cycle fermé. Il faut également noter que depuis la création de cette technique, de grands progrès ont été faits en matière de lutte contre les biosalissures, et les usines de dessalement sont aujourd’hui bien développées ; l’utilité d’une usine maréthermique en cycle hybride a donc diminué, alors que son coût reste extrêmement élevé.

Avantages et inconvénients de l’énergie thermique des océans

Chaque procédé d’exploitation de l’énergie thermique des mers présente des points forts et d’autres plus faibles. Il existe également des avantages communs à tous ces dispositifs :

• cette énergie est inépuisable et non-intermittente, la production d’électricité peut se faire 24 h/24 et 7 j/7 ;
• l’énergie maréthermique est renouvelable et très peu polluante. Elle ne rejette que très peu de gaz à effet de serre, il s’agit du CO₂ piégé en profondeur et libéré dans l’atmosphère lors de son utilisation ;
• les eaux profondes utilisées dans le cadre de l’exploitation maréthermique sont particulièrement riches en éléments nutritifs provenant de la décomposition de matière organique. Le pompage de cette eau et son déversement dans les couches supérieures de l’océan imite le phénomène naturel d’« upwelling » et enrichit des zones habituellement plutôt pauvres en nutriments. L’aquaculture peut être associée à une usine maréthermique pour augmenter sa rentabilité et produire de la nourriture ;
• théoriquement, le pompage d’eau froide pourrait également être utilisé pour la production de froid si des besoins importants existent près de l’usine ;
• l’agriculture est une autre activité qui pourrait profiter de la proximité d’une exploitation maréthermique. La circulation d’eau froide dans des canalisations placées au sol permettrait de condenser l’eau contenue dans l’air ambiant pour arroser naturellement les cultures et stimuler leur pousse.

L’énergie maréthermique n’est toutefois pas sans défaut, et il est important de noter que :

• l’énergie thermique des mers n’est exploitable que dans certaines zones bien précises. Il faut que la zone se trouve près de l’équateur terrestre, en dessous de 30 ° de latitude et que la profondeur de 1 000 m soit atteinte le plus près possible des côtes. Le nombre de sites où cette exploitation est possible est donc limité ;
• comme la majorité des structures situées en mer ou très près des côtes en zone tropicale, les centrales maréthermiques doivent pouvoir résister à des phénomènes météorologiques extrêmes ;
• cette énergie n’en est qu’à ses débuts. Seuls quelques prototypes ont été testés, et il n’existe pas de vraie centrale de production d’électricité maréthermique à grande échelle. Il est donc difficile de décrire en détail les conséquences qu’une exploitation massive aurait, en particulier sur l’environnement ;
• Les technologies utilisées étant encore relativement nouvelles, les coûts d’investissement sont très élevés, et l’électricité maréthermique n’est pas encore rentable en comparaison avec les énergies fossiles et les énergies renouvelables plus avancées technologiquement.

Dans l’ensemble, l’ETM est une énergie prometteuse, dont le potentiel n’est pas encore vraiment exploité. Les travaux en cours sur le sujet ont pour but de démocratiser cette source d’électricité propre.

L’énergie maréthermique dans le monde

L’utilisation de l’énergie thermique contenue dans les océans en est encore à ses balbutiements, bien que les premiers prototypes aient été installés il y a bientôt un siècle ! Le pays le plus investi dans cette technologie est le Japon, mais d’autres pays ont développé leurs propres zones de tests. En France, c’est sur l’île de la Réunion que les recherches scientifiques expérimentales sont les plus actives, avec un prototype installé depuis 2011. De plus, la Martinique, la Guadeloupe et la Guyane sont aussi des territoires où l’installation d’une centrale maréthermique serait techniquement possible.

Ce tableau dresse un état des lieux de tous les pays ayant un jour installé un prototype sur leur territoire, mais ils ne sont pas les seuls à s’intéresser de près à cette énergie verte. On peut par exemple souligner le fait que le Brésil, l’Inde, la Colombie et de nombreux pays insulaires tropicaux (Indonésie, République des Kiribati, etc.) ont lancé leurs propres études pour déterminer la faisabilité d’une installation de ce type sur leur territoire.

Histoire de l’exploitation thermique des mers

L’origine de la maréthermie est une histoire intéressante : la première trace écrite de l’idée d’utiliser la différence de température de l’eau de mer pour produire de l’électricité se trouve dans Vingt mille lieues sous les mers, le roman écrit par Jules Verne en 1869.

Le premier concept pour un appareil capable de réaliser cette prouesse est développé dans les années 1880 par le scientifique français Arsène d’Arsonval. Malheureusement, les technologies de l’époque ne lui permettent pas de passer de la théorie à la pratique. Comme souvent dans l’exploitation de nouvelles sources d’énergie, il aura fallu attendre que la recherche scientifique connaisse d’importantes avancées avant que l’idée devienne exploitable.

C’est dans les années 1920 que l’ingénieur français Georges Claude prouve définitivement que ce concept est exploitable. Il aura passé une grande partie de sa vie à développer des prototypes de centrale maréthermique et à superviser leur installation. Les nombreux obstacles auxquels Georges Claude a fait face ont permis à la recherche actuelle de faire de grandes avancées.

Si cette source d’énergie est encore peu connue et peu exploitée aujourd’hui, elle bénéficie toutefois d’un potentiel très important, dans des zones où de nombreux territoires sont encore dépendants des énergies fossiles. Le nombre d’études actuellement en cours sur le sujet est vraiment prometteur, et il est possible que l’énergie thermique des mers devienne une source de production d’électricité incontournable dans les décennies à venir.

En attendant le début de la production d’électricité verte grâce à la maréthermie, il est possible de commencer à consommer de l’électricité d’origine renouvelable dès aujourd’hui. En effet, les particuliers peuvent désormais choisir leur fournisseur d’électricité et opter pour une offre verte, parfois même tout en faisant des économies. Le comparateur de contrats d’électricité Choisir.com est un outil gratuit et sans engagement qui permet de faire des estimations avec différents prestataires. Pour les personnes qui préfèrent avoir un accompagnement personnalisé, les conseillers énergie Choisir.com trouveront l’offre partenaire la plus adaptée en fonction des consommations du foyer et des valeurs de la famille.