Soutenance mémoire
Le réchauffement de la planète, les réserves limitées de combustibles et les préoccupations concernant la sécurité énergétique incitent à réduire l’utilisation des combustibles fossiles (MacKay, 2009). De nombreux pays tentent donc de réduire leurs émissions de carbone (Troup, 2016; Zhu et al., 2014). Cette réduction va de pair avec une modification des usages. Par exemple, les systèmes de transport et de chauffage utilisent de plus en plus l’électricité ce qui génère une demande importante (Ruhnau et al., 2019). Pour limiter le réchauffement climatique à 1,50C, il est nécessaire de trouver des moyens de produire de l’électricité avec une faible émission de carbone (Paris-Agreement, 2015).
Les pays incapables de répondre à leur demande en électricité sont devenus dépendants d’autres pays pour leur approvisionnement. Ils sont exposés à des hausses de prix et des ruptures d’approvisionnement ce qui peut avoir des conséquences géopolitiques (Högselius et Kaijser, 2019; Marshall, 2016). Une des solutions pour limiter les effets du changement climatique est d’utiliser les énergies renouvelables (Bhattacharya, 2019; Hay et al., 2016). Générer l’électricité à partir des sources renouvelables n’est pas un nouveau concept. Néanmoins, c’est devenu une nécessité. Le monde est à la recherche active de nouveaux concepts technologiques pour contribuer à un approvisionnement en électricité plus propre et renouvelable. Les gouvernements sont de plus en plus conscients des effets positifs que peut avoir une telle électricité et plusieurs pays mettent en place des moyens conséquents pour déployer des technologies renouvelables (Yuan et al., 2018). Les sources d’énergies renouvelables les plus connues sont le vent et le soleil, mais les océans représentent également de larges ressources exploitables : le vent en mer, les vagues, les courants marins, les gradients osmotiques ou thermiques… Avec le deuxième plus grand espace maritime du monde (11 millions de km2 ), la France a la capacité d’accroître son exploitation d’Energies Marines Renouvelables (EMR). Son espace maritime constitue ainsi une vaste ressource d’énergie largement inexploitée à ce jour.
Les technologies d’hydroliennes
Parmi les sources d’EMR, nous nous intéressons dans le cadre de cette thèse à l’exploitation des courants marins par des hydroliennes. Sur le même principe que les éoliennes, les hydroliennes convertissent l’énergie cinétique des courants marins en électricité. À puissance égale, elles sont plus compactes que les éoliennes car la puissance extraite dépend de la masse volumique du fluide et l’eau est environ 800 fois plus dense que l’air. Elles ont également l’avantage de s’insérer plus facilement dans le paysage car la plupart des dispositifs sont totalement immergés. Cela limite les problèmes d’acceptation par les populations locales, littorales et touristiques. Enfin, un des avantages majeurs des hydroliennes est que leur production est prévisible car les courants marins dépendent de la marée.
Il existe une grande variété d’hydroliennes. Généralement, les hydroliennes se divisent en deux grandes familles: celles à flux transverse et celles à flux axial. Ces dernières sont les plus utilisées . Leur axe de rotation se situe dans le plan horizontal, parallèle à l’écoulement. Elles utilisent un rotor à hélice. Les turbines à flux transverse peuvent avoir un axe vertical ou un axe horizontal . Il existe également d’autres concepts tels que les hydroliennes à ailes battantes , les hydroliennes à membrane oscillante (Eel energy), les hydroliennes cerf-volant (Minsesto)… Concernant le mode de fixation, certaines hydroliennes sont posées sur le fond alors que d’autres sont fixées sur des pieux ou des structures flottantes pour exploiter une énergie cinétique plus importante (la composante horizontale du courant augmentant généralement en intensité avec la distance au fond). Enfin, certaines hydroliennes utilisent un carénage pour canaliser les écoulements comme les technologies OpenHydro (Naval Energies) . La plupart des hydroliennes reposent sur la technologie à flux axial.
Les hydroliennes sont en perpétuel développement afin d’optimiser la production et d’augmenter la résistance aux conditions extrêmes (houles de tempêtes, courants violents, turbulence, etc…). Des prototypes ont été testés avec succès en mer et ont généré des productions électriques de l’ordre du megawatt (Sabella dans le passage du fromveur, Hydroquest sur le site de Paimpol-Bréhat, Simec Atlantis dans le Pentland Firth (Écosse)…). En 2010, l’état écossais a accordé le droit de développer un projet hydrolien d’une puissance maximale de 400 MW sur le site du Pentland Firth (NEW-CIVIL-ENGINEER, 2010). Ce projet, nommé Meygen, est actuellement le plus grand projet hydrolien mondial. Il réunit Simec Atlantis et Andritz Hydro Hammerfest et a pour objectif de développer la première ferme hydrolienne commerciale. Quatre hydroliennes de 1,5 MW, dont trois développées par Andritz Hydro Hammerfest et une par Simec Atlantis, ont été déployées. La première turbine du réseau a été implantée et connectée au réseau en 2016. Le réseau complet de quatre hydroliennes a été installé en 2018 (RENEW ECONOMY, 2019). En 2020, la phase 1 du projet a permis de fournir plus de 37 GWh d’électricité au réseau (THETHYS, 2021).
La ressource hydrolienne
La marée
Les courants de marée résultent principalement de l’action gravitationnelle de la Lune et du Soleil sur la Terre (qui tourne sur elle-même). Cette source d’énergie inépuisable varie fortement au cours du temps. Lorsque la Terre, la Lune et le Soleil sont alignés (phénomène de syzygie), les forces gravitationnelles s’additionnent. Cela conduit à des marées de vives-eaux. En revanche, lorsque les trois astres se trouvent en quadrature, ce sont les mortes-eaux ((IFREMER, 2004, visité le 17 Septembre 2019)). Le courant de marée produit par la marée montante est appelé le courant de flot. Le courant de jusant est celui qui accompagne la marée descendante. Les marées océaniques peuvent être décrites comme la superposition d’un ensemble d’ondes élémentaires appelées également composantes harmoniques. Elles sont caractérisées par leur phase, leur période et leur amplitude. En fonction de la combinaison de ces ondes, il existe plusieurs types de marées. La classification anglo-saxonne distingue trois principaux types de marée. La marée de type semi-diurne (deux pleines mers et deux basses mers par jour) est prépondérante en Atlantique et sur le plateau continental Nord Européen. La marée de type diurne (une pleine mer et une basse mer par jour, avec un marnage variant avec la déclinaison des astres) a une période proche de 24h50mn. La marée de type semi-diurne à inégalité diurne présente deux pleines mers et deux basses mers avec des marnages consécutifs pouvant être différents. Il existe enfin des marées de type mixte. Dans ce cas, les marées sont alternativement diurnes et semi-diurnes. Le marnage correspond à la différence de hauteur d’eau entre une pleine mer et une basse mer lors d’un cycle de marée. Il est variable selon les périodes et selon les zones géographiques. Certains sites possèdent un grand marnage. Dans la baie de Fundy au Canada, le marnage peut atteindre 16 m. En France, dans la baie du mont Saint Michel, celui-ci peut atteindre 15 m.
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Table des matières
1 Introduction générale
1.1 Contexte
1.2 Les technologies d’hydroliennes
1.3 La ressource hydrolienne
1.3.1 La marée
1.3.2 Le Raz Blanchard
1.4 Objectifs de la thèse
2 État de l’art
2.1 Caractérisation du fonctionnement de la turbine
2.2 Étude des sillages
2.2.1 Caractérisation du sillage d’une hydrolienne
2.2.2 Effet de la turbulence sur les turbines
2.2.3 Interactions entre les sillages
2.3 Modélisation numérique des écoulements
2.3.1 Les différentes méthodes de CFD
2.3.2 Modèle de turbulence k-ε
2.4 Représentation des hydroliennes
2.4.1 Les différents modèles numériques d’hydroliennes
2.4.2 La théorie du disque d’action
2.4.3 La théorie de l’élément de pale (BE)
2.4.4 Modélisation de la turbulence générée par la turbine avec k-ε
2.5 Évaluation des performances des fermes et effets de blocage
2.5.1 Effets de blocage
2.5.2 Modèles analytiques
2.5.3 Modèles numériques
2.6 Synthèse
3 Modélisation numérique d’une hydrolienne avec Telemac3D
3.1 Présentation de Telemac3D
3.2 Descriptif du dispositif expérimental
3.2.1 Disque poreux
3.2.2 Maquette d’hydrolienne
3.3 Modélisation avec la méthode du disque d’action
3.3.1 Implémentation du disque d’action dans Telemac3D
3.3.1.1 Poussée répartie uniformément sur le disque : méthode 1
3.3.1.2 Poussée calculée à partir de la vitesse U8 : méthode 2
3.3.1.3 Poussée calculée à partir de la vitesse locale : méthode 3
3.3.2 Validation avec des mesures sur un disque poreux
3.3.2.1 Description du modèle
3.3.2.2 Validation de la poussée
3.3.2.3 Validation du modèle dans le sillage
3.3.3 Application du modèle sur une maquette d’hydrolienne
3.3.3.1 Description du modèle
3.3.3.2 Étude de sensibilité au maillage
3.3.3.3 Validation de la poussée
3.3.3.4 Validation du modèle dans le sillage
3.4 Modélisation avec la méthode BE
3.4.1 Implémentation de la BE dans Telemac3D
3.4.2 Application du modèle sur une maquette d’hydrolienne
3.4.2.1 Description du modèle
3.4.2.2 Validation des performances
3.4.2.3 Validation du modèle dans le sillage
3.5 Ajout des termes sources de turbulence
3.5.1 Description du modèle
3.5.2 Validation du modèle dans le sillage
3.6 Synthèse
4 Étude théorique et numérique des effets de blocage
4.1 Introduction
4.2 Généralisation du modèle analytique de Garrett et Cummins (2007)
4.2.1 Calcul de la poussée et de la puissance extraite par la turbine
4.2.2 Cas d’un écoulement non confiné
4.2.3 Cas d’un facteur U4t U8 de 1{3
4.2.4 Analyse générale
4.3 Effets de blocage dans le Raz Blanchard
4.4 Comparaison entre les modèles analytiques et les modèles numériques
4.4.1 Objectifs
4.4.1.1 Scénarios de déploiement d’hydroliennes
4.4.1.2 Implémentation du disque d’action et estimation des performances
4.4.2 Résultats et discussion
4.4.2.1 Comparaison entre les modèles analytiques
4.4.2.2 Comparaison entre les modèles analytiques et numériques
4.5 Effet de la correction de blocage sur les performances d’une ferme hydrolienne
4.5.1 Objectifs
4.5.1.1 Scénarios de déploiement d’hydroliennes
4.5.1.2 Implémentation du disque d’action et estimation des performances
4.5.2 Résultats et discussion
4.5.2.1 Effets de correction de blocage
4.5.2.2 Discussion
4.6 Conclusion
5 Conclusion
