Énergie thermique des mers : 20 °C d’écart, un rendement sous pression

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Stunning sunset over the ocean with vibrant colors and a calm sea reflecting the light.

L’énergie thermique des mers transforme un écart d’environ 20 °C entre surface et profondeur en électricité. La ressource peut être disponible en continu dans la zone intertropicale, mais le pompage, les échangeurs et le biofouling font vite monter la difficulté technique.

La mer chauffe, le rendement refroidit

body of water under sky
Photo de Matt Hardy sur Unsplash.

Le principe de l’ETM, aussi appelée énergie maréthermique ou OTEC, repose sur deux masses d’eau. Dans la zone intertropicale, l’eau de surface se situe généralement entre 23 et 28 °C, tandis que l’eau proche de 1 000 mètres de profondeur tourne autour de 4 °C. Cet écart d’environ 20 °C fournit la source chaude et la source froide nécessaires à une machine thermique.

Dans un cycle fermé, l’eau chaude transmet son énergie à un fluide de travail, souvent de l’ammoniac. Celui-ci se vaporise dans un échangeur, entraîne une turbine, puis se condense au contact de l’eau froide profonde. Le cycle recommence tant que les pompes font circuler les débits nécessaires.

Le problème n’est pas l’absence de chaleur, mais la faible qualité de cette chaleur. Avec une eau chaude à 24 °C et une eau froide à 4 °C, la limite théorique de Carnot atteint seulement environ 6,7 %. Les pertes dans les échangeurs, les frottements et le pompage réduisent encore le rendement électrique net. Beaucoup de tuyaux pour quelques degrés utiles.

Rankine et cherche encore

A complex network of industrial metal pipes and valves in a factory setting
Photo de Ricardo Gomez Angel sur Unsplash.

Les centrales ETM appliquent le principe d’un cycle de Rankine, mais avec une source chaude beaucoup moins chaude que celle d’une centrale thermique classique. Cette température limite la marge disponible pour produire du travail mécanique et impose des échangeurs très performants.

L’ammoniac tient la boucle

Dans le cycle fermé, l’eau de mer et le fluide de travail restent séparés. L’eau chaude chauffe l’ammoniac dans un évaporateur à échange indirect. La vapeur entraîne la turbine, puis l’eau froide profonde la condense dans un second échangeur.

Cette architecture évite de faire bouillir directement l’eau de mer, mais elle demande une grande surface d’échange, une surveillance de l’étanchéité et une protection contre la corrosion. Un circuit d’ammoniac associé à une conduite marine profonde relève d’une ingénierie industrielle encadrée. Pas de bricolage au fond du jardin.

Le tuyau qui mange le kilowatt

A scenic beach construction site at sunset with heavy machinery and large pipes.
Photo de Asad Photo Maldives sur Pexels.

La conduite d’eau froide concentre une grande partie de la difficulté. Elle doit atteindre une couche d’eau assez froide, supporter les efforts mécaniques et faire circuler un débit élevé avec des pertes de charge limitées. Sa longueur et son diamètre pèsent directement sur la conception et sur le coût de l’installation.

Le pompage consomme une partie de l’électricité produite. Plus la conduite est longue, étroite ou mal adaptée au relief sous-marin, plus les pertes augmentent. Le concepteur doit donc arbitrer entre le débit, la section de la conduite, la puissance des pompes et la puissance nette réellement livrée au réseau.

Une centrale ETM doit d’abord payer sa propre circulation d’eau. C’est le détail qui transforme une jolie courbe de potentiel en sacrée galère de chantier.

Biofouling, le retour du vivant

L’eau de mer apporte chaleur et froid, mais aussi des bactéries, des matières organiques et des organismes capables d’adhérer aux surfaces. Cette biosalissure augmente la résistance thermique des échangeurs. Pour conserver le même transfert de chaleur, l’installation peut alors devoir faire circuler davantage d’eau.

Une étude publiée en 1979 dans Applied and Environmental Microbiology a examiné ce phénomène dans des conduites expérimentales exposées à de l’eau de mer tropicale. L’essai s’est déroulé en 1977 au nord de Sainte-Croix, dans les îles Vierges américaines, avec une eau entrant à 27,8 à 28,6 °C. Après environ dix semaines, les chercheurs ont relevé près de 107 bactéries par cm2 et une couche de bactéries vivantes d’environ 1 micromètre.

L’expérience a aussi montré que la conductivité thermique des conduites était déjà altérée, alors que la quantité de biofouling paraissait faible. Les matériaux polysaccharidiques présents dans la couche biologique pourraient expliquer une partie de cette résistance supplémentaire, mais l’article présente cette explication comme une possibilité à approfondir. Le résultat concerne un dispositif expérimental, pas une centrale complète en exploitation.

Optimiser sans faire mousser le modèle

Image of a laboratory setup with glass condensers and lab equipment on the countertop.
Photo de Kleison Leopoldino sur Pexels.

Les échangeurs concentrent un compromis difficile. Des canaux plus étroits peuvent améliorer le transfert thermique, mais ils augmentent les pertes de charge et la puissance nécessaire au pompage. Des canaux plus larges réduisent ces pertes, mais demandent davantage de surface pour transférer la même quantité de chaleur.

Un article publié dans Entropy en 2020 a étudié l’optimisation d’un condenseur à plaques pour une installation OTEC. Le modèle combinait la génération d’entropie liée au transfert thermique et la puissance de pompage liée aux frottements. La fonction de coût étudiée diminuait de 7,8 % après une première optimisation et de 9,9 % après une seconde optimisation par rapport à la configuration initiale.

Ces pourcentages décrivent une fonction de coût dans un modèle, pas une baisse automatique du prix de l’électricité d’une centrale réelle. Ils rappellent toutefois qu’un échangeur ne se choisit pas sur son seul rendement thermique. La géométrie, le débit, le volume disponible et la puissance des pompes avancent ensemble, ou trébuchent ensemble.

Un autre article publié dans Entropy en 2020, Finite-Time Thermodynamic Model for Evaluating Heat Engines in Ocean Thermal Energy Conversioninsiste sur la même limite. Les débits finis, la chaleur sensible de l’eau, les pertes externes et la production d’entropie modifient la puissance récupérable. Une température maximale théorique ne suffit donc pas à évaluer une installation complète.

Le climat bat la mesure

photo of ocean waves at daytime
Photo de Christoffer Engström sur Unsplash.

Le potentiel de l’ETM dépend de l’écart entre la température de surface et celle des profondeurs. Une étude publiée dans Nature Communications en 2022 projette une hausse mondiale de 46 % du potentiel électrique ETM vers la fin du siècle dans un scénario de fortes émissions, par rapport au niveau actuel.

Ce résultat ne signifie pas que les centrales deviendront automatiquement rentables. Le réchauffement de la surface est en partie compensé par celui de l’océan profond. L’effet de compensation est plus marqué dans l’Atlantique que dans les océans Pacifique et Indien, tandis que les tourbillons océaniques influencent le transport vertical de chaleur et la stratification.

Un potentiel physique en hausse ne remplace ni une étude de site ni un calcul de puissance nette. La profondeur disponible, la température mesurée toute l’année, les débits, les conditions marines et la tenue des matériaux restent déterminants.

Le prix se cache dans les mètres de conduite

building surrounded with trees beside mountain
Photo de NOAA sur Unsplash.

Le coût d’une installation ETM ne se limite pas à la turbine. Il faut financer une conduite profonde de grand diamètre, des pompes, des échangeurs, des protections contre la corrosion, des dispositifs de nettoyage et le raccordement au réseau. Chaque composant ajoute aussi une contrainte de transport, d’installation ou de maintenance en mer.

Les usages associés peuvent améliorer l’intérêt du projet. Le même système peut fournir de l’eau froide pour la climatisation ou participer à la production d’eau douce dans un cycle adapté. Mais ces fonctions ajoutent des équipements, des contrôles et des débits à gérer. Le budget travaux, ce vieux puits sans fond, connaît déjà la chanson.

L’ETM possède une ressource prévisible et potentiellement continue dans les régions favorables. Elle doit toutefois être jugée sur la puissance nette après pompage, la disponibilité des échangeurs et les opérations de maintenance. Sinon, le grand tuyau finit par produire surtout des plans de maintenance.

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  • 20 septembre 2026
  • By:Jam
  • Category:Energie
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