Une électricité « zéro carbone » en Europe à l`horizon 2050
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Projet interdisciplinaire II (ENVI-F-501) Cindy Courtois Groupe 8 Janvier 2013 Une électricité « zéro carbone » en Europe à l’horizon 2050 : quelle contribution pour les énergies marines renouvelables dans les mers du Nord ? Travail individuel : Comment la géographie physique des mers du Nord peut-elle être (dé)favorable à l’installation des technologies des énergies renouvelables offshores ? Professeurs : T. Bauler, P. Regnier Assistante : E. Mutombo Table des matières Introduction ................................................................................................................................ 2 II. Les mers du Nord .................................................................................................................. 3 2.1. Géomorphologie. ............................................................................................................. 3 2.2. Météorologie. .................................................................................................................. 4 III. Les mouvements oscillatoires .............................................................................................. 4 3.1. Les vagues et la houle. .................................................................................................... 4 3.2. Les marées. ...................................................................................................................... 5 IV. Discussion ............................................................................................................................ 6 Annexes ...................................................................................................................................... 9 Bibliographie ............................................................................................................................ 11 1 I. Introduction La Terre est un système ouvert qui reçoit l’énergie du Soleil et qui, en la redistribuant, va donner naissance aux interactions entre les océans, l’atmosphère et la cryosphère. En effet, une partie de l’énergie du Soleil arrivant au sol, va être absorbée. Si nous regardons la distribution de l’énergie en fonction de la latitude, du fait de l’inclinaison de l’axe de la Terre par rapport au plan contenant le centre du Soleil et le centre de la Terre, la quantité d’énergie reçue n’est pas partout équivalente. (Tison, 2011). Nous observons un gain net d’énergie au niveau de l’équateur et 38° de latitude, et une perte d’énergie entre 38° de latitude et les pôles. Un transport compensateur de chaleur va s’établir de l’équateur vers les pôles afin de contrebalancer ce déséquilibre. Il se réalise en majorité via les mouvements atmosphériques, mais aussi par les mouvements océaniques. (Pattyn, 2009). Ce système planétaire de circulation des eaux océaniques inclus la circulation des eaux de l’Atlantique Nord dont la couche superficielle chaude dégage une chaleur équivalente à cent fois la consommation mondiale d’énergie et permet de réchauffer l’atmosphère de l’Europe. (Web 1). Dans ce système naturel, diverses formes d’énergies se manifestent, notamment : • l’énergie du vent (ou énergie éolienne offshore) • l’énergie des vagues (ou énergie houlomotrice) • l’énergie des marées (ou énergie marémotrice) • l’énergie des courants marins (ou énergie hydrolienne) qui sont autant d’énergies marines renouvelables que nous pouvons exploiter pour la production d’électricité. D’autant plus dans le contexte de la transition vers une économie bas carbone à l’horizon 2050. En effet, les énergies renouvelables marines constituent un potentiel à ne pas négliger dans l’objectif, mis en place à Cancún en 2010, de limiter le réchauffement planétaire à 2°C au-dessus des niveaux préindustriels. Le secteur énergétique étant à l’origine de la majeure partie des émissions de gaz à effet de serre anthropique, le but général que nous avons choisi dans le cadre de ce travail interdisciplinaire est d’évaluer en quoi les énergies marines renouvelables dans les mers du Nord sont susceptibles de contribuer à la décarbonisation du secteur de l’électricité en Europe à l’horizon 2050. Plus particulièrement, ce travail individuel contribuera à l’analyse en essayant d’apporter une réponse à la question : « Comment la géographie physique des mers du Nord peut-elle être (dé)favorable à l’installation des technologies des énergies renouvelables offshores ? » Cet apport disciplinaire au travail général est intéressant dans le sens où une analyse d’impact nécessite une connaissance de l’état du milieu étudié. Cette connaissance permet d’une part d’avoir toujours en tête le périmètre de la zone d’étude, et d’autre part d’identifier les enjeux socio-économiques et environnementaux de la zone qui sont susceptibles de subir des effets directs ou indirects des technologies liées aux énergies marines renouvelables. Je vais commencer ce travail par donner un rapide aperçu des aspects géographiques et géologiques des mers du Nord, indispensable pour comprendre les différentes conditions qui permettront d’augmenter ou diminuer l’énergie disponible. Ensuite je parlerai des mouvements oscillatoires et de la dynamique des vents. Enfin, je terminerai par une discussion sur la logique des localisations (dé)favorables à l’installation des technologies renouvelables offshores. 2 II. Les mers du Nord Commençons dans un premier temps par délimiter géographiquement la zone d’étude. Les mers que nous avons choisies de prendre en compte sont : la mer du Nord, la Manche, la mer d’Irlande et la mer Celtique. 2.1. Géomorphologie. La mer du Nord, située au nord-ouest de l’Europe, est bordée par la Grande-Bretagne à l’ouest, par la Norvège au Nord-Est, par le Danemark à l’Est, et par l’Allemagne, les PaysBas, la Belgique et la France au sud. (Swysen et Seret, 2000). D’un point de vue géomorphologique, la mer du Nord repose majoritairement sur un plateau continental. De ce fait, elle possède peu de zones profondes supérieures à 100 m. En effet, à part les accidents du Haut-fond du Dogger-Bank (profondeur de 15 à 30 m) et la Fosse Norvégienne (200 à 600 m de profondeur), ainsi que le « Devil’s hole » de plus de 460 m et quelques tranchées dans sa partie occidentale, elle possède la forme d’une grande dépression en pente douce. Sa partie méridionale est composée de plusieurs hauts-fonds et bancs de sable et possède des profondeurs d’environ 40 m. (Furnestin, 1997). La Manche est bordée par le Royaume-Uni au nord, et par les Iles anglo-normandes et la France au sud. Elle communique avec la mer du Nord via le pas de Calais à l’est, et avec l’océan Atlantique via la mer Celtique à l’Ouest. (Swysen et Seret, 2000). La Manche est une mer épicontinentale, c’est-à-dire une partie de l’océan Atlantique qui couvre une partie de la plate-forme continentale. Elle possède une fosse centrale dont l’axe peut se situer à une profondeur supérieure à 170 m. Cette fosse contraste avec le reste du fond de la Manche qui est relativement plat et dont la profondeur se situe entre 70 et 90 m. (Lericolais and co, 1995). La mer d’Irlande est un bras de mer séparant l’Irlande de la Grande-Bretagne. Elle est donc bordée par l’Irlande à l’ouest et par la Grande-Bretagne à l’est. Elle est en relation avec l’océan Atlantique via le canal du Nord et communique avec la mer Celtique par le canal Saint-Georges. (Swysen et Seret, 2000). La partie sud du canal Saint-Georges est occupée par une fosse glaciaire juste au débouché de la mer d’Irlande. (Ifremer, 1991). À part quelques failles et décrochements depuis le Sud-Ouest de l’Ecosse jusqu’au Sud-Est de l’Irlande, la mer d’Irlande présente une solidarité structurale entre les deux îles Britanniques. Elle est compartimentée en divers bassins sédimentaires délimités par des « arches » anticlinoriales1. Nous trouvons également des bancs de sable en divers endroits de la mer d’Irlande ainsi que dans le canal Saint-Georges, qui seraient liés aux courants des marées. (Guilcher, 1982). La mer Celtique est une étendue marine qui recouvre le plateau continental au sud de l’Irlande et à l’Ouest de l’entrée de la Manche. Elle est bordée par la Bretagne au sud et l’Irlande au nord, et la Grande-Bretagne à l’est. Elle communique avec la mer d’Irlande via le canal SaintGeorges, et est en contact avec la Manche au sud. (Swysen et Seret, 2000). Géomorphologiquement, elle se situe à la bordure de la remontée des fonds de l’océan Atlantique et présente une plate-forme profonde. Elle possède des vallées incisées et des 1 Pli de forme convexe dont le cœur est occupé par les couches les plus anciennes. (Pomerol and co, 2002). 3 grands bancs de sable dans sa partie méridionale, aux approches occidentales de la Manche. Elle possède des profondeurs de l’ordre de 150 m. (Reynaud and co, 1999). 2.2. Météorologie. En ce qui concerne la région de notre étude, la circulation thermohaline globale va se charger dans les eaux de surface en énergie excédentaire et la transporter vers les régions tempérées par le Gulf Stream. Celui-ci s’évapore et réchauffe les régions à nos latitudes. (Tison, 2011). Une influence importante exercée par la chaleur des océans concerne les vents. De part sa plus grande inertie thermique (par rapport au continent), l’eau des océans retient la chaleur plus longtemps. Les variations de température de l’eau (tout autour de la Terre) font que l’air se trouvant au-dessus se déplace du chaud vers le froid. (Cosgrove, 2001). En effet, l’air froid plus dense donc plus lourd détermine une pression atmosphérique importante. Au contraire, l’air chaud plus légers créé une zone de faible pression en s’élevant. La nature, tendant à l’équilibre, va combler le déficit des dépressions via un mouvement d’air appelé « vent ». ( Le Carrer, 2007). Notre zone d’étude se situe sur la façade occidentale du continent et est donc sous l’influence d’un climat océanique. Elle est dans la zone des basses pressions tempérées, et de ce fait elle subit la circulation des vents d’ouest marins toute l’année et est traversée par le front polaire (associé au jet-stream polaire). (Pattyn, 2009). Cette enveloppe de vents d’ouest imbrique des cyclones qui se développent le long du front polaire (car il représente la zone de gradient de température la plus grande dans la région) et qui traversent la région dans le sens Sud-Ouest Nord-Est. Cette activité est moins intense en été qu’en hiver. (Web 2). III. Les mouvements oscillatoires 3.1. Les vagues et la houle. La surface de la mer est animée de mouvements d’amplitude variable. Parmi ces mouvements, nous distinguons les vagues et la houle, toutes deux ont pour origine les vents. (Cantillion, 2007). La houle est un mouvement oscillatoire des couches superficielles d’un corps d’eau comparable à l’onde provoquée par la chute d’un objet à la surface de l’eau. Elle est provoquée par le frottement du vent sur la surface. (Web 4). Cette oscillation sinusoïdale régulière, liée à une dépression mobile, se déplace sur de très longues distances et sa longueur d’onde est environ proportionnelle au parcours accompli. (Pomerol and co, 2002). Elle est d’autant plus forte que le vent est fort et frotte sur une grande distance. Dans le voisinage des côtes, quand la profondeur diminue, les orbites de la houle s’écrasent en ellipse et, par le frottement sur le fond marin, se transforme en vague déferlante sur la plage. (Web 4). 4 Les vagues sont des oscillations formées sous l’influence d’un vent local et se superposent souvent à la houle. Elles se forment à partir du moment où le vent atteint une vitesse de 1,5 m/s. Au large, la taille des vagues dépend aussi bien de l’intensité du vent, de la durée durant laquelle il a soufflé que de l’étendue de mer sans obstacle sur laquelle le vent souffle (le « fetch »). (Pomerol and co, 2002). La limite d’action des vagues dépend du régime des vents et de la morphologie de la côte. En effet, d’un point de vue géomorphologique, l’irrégularité de la côte a une influence sur l’action des vagues. En effet, les baies et les vallées sous-marines provoquent un phénomène de divergence des vagues. À l’inverse, les hauts-fonds et les caps provoquent un phénomène de convergence et de réfraction. Dans les baies assez fermées, la houle, par le phénomène de réflexion, peut donner naissance à des ondes stationnaires qui même par temps calme peut provoquer la rupture d’amarres de bateaux ancrés dans un port. La limite d’action des vagues vaut la moitié de la longueur d’onde des vagues, c’est-à-dire 50 à 100 m de profondeur pour les vagues de tempête, et 5 à 25 m de profondeur pour les vagues de beau temps. (Pomerol and co, 2002). 3.2. Les marées. La marée est un phénomène périodique se manifestant par l’oscillation verticale du niveau marin. Leur cause principale est l’attraction des molécules d’eau par le Soleil mais aussi et surtout par la Lune. 2(Cantillion, 2007). Le principal avantage des marées réside dans le fait que la vitesse et les horaires des courants dépendent du cycle lunaire qui est prédictible longtemps à l'avance. En effet, nous savons que la Lune tourne autour de la Terre durant une période de 29 jours se divisant en deux syzygies3 et deux quadratures4. L’amplitude maximale des marées intervient lors des syzygies grâce à l’action simultanée de la Lune et du Soleil, donnant lieu à des marées dites de vives-eaux. À l’inverse, nous aurons une amplitude minimale des marées (dites de mortes-eaux) durant les quadratures où seule l’influence de la Lune intervient. L’axe de rotation de la Terre possède une différence de 23°27’ par rapport à la perpendiculaire au plan de l’écliptique. De ce fait, il existe trois types de marées ; diurne (en l’espace d’une journée, un même point sur la Terre ne verra passer qu’une seule marée, théoriquement ce type de marée a lieu aux hautes latitudes), semi-diurne (ces marées possèdent une périodicité de 12h42 et ont lieu aux basses latitudes) et une combinaison des deux types de marées. (Pinet, 1999). (Cfr annexe 1). 2 En effet, sachant que la force d’attraction est proportionnelle à la masse et inversement proportionnelle au carré de la distance, l’influence de la Lune (moins massive que le Soleil mais plus proche de la Terre) est 2,25 fois plus importante que celle du Soleil. (Pomerol and co, 2002). 3 Alignement de la Terre, la Lune et du Soleil. 4 La Terre, la Lune et le Soleil forme un angle droit. L’influence de la Lune annule celle du Soleil. 5 Cependant, ce modèle théorique ne s’observe pas dans la zone que nous étudions, en effet nous devrions avoir des marées diurnes et nous observons des marées semi-diurnes. Cela s’explique par différents facteurs dont la forme de la côte, le phénomène de résonnance et l’effet Coriolis. En effet, un corps d’eau se trouvant dans un bassin semi-encloisonné (comme une baie) possède un mode d’oscillation naturel qui peut résonner avec les périodes des marées océaniques en contact avec le bassin. La déviation de Coriolis entraine l’eau vers la droite dans l’hémisphère Nord et vers la gauche dans l’hémisphère Sud. Cela engendre des courants transversaux aux originels qui donnent naissance à un point amphidromique c’est-à-dire un point au centre du bassin où la marée est nulle à tous moments. Un grand nombre de mers bordières se comportent comme un système amphidromique, c’est notamment le cas de la mer du Nord. La déviation de Coriolis y produit une marée haute qui tourne autour du point amphidromique le long des bords du bassin. (Pattyn, 2011). Le mouvement périodique de montée et descente de l’eau correspondent à des courants qui accompagnent les marées. Ces courants de marées sont faibles dans les zones à marnage important et en ce qui concerne les zones proches des points amphidromiques. Les particularités de la forme du rivage influencent fortement les valeurs que ces courants peuvent atteindre. IV. Discussion Cette dernière partie a pour objectif d’essayer d’élaborer une vue des localisations les plus favorables pour accueillir les énergies renouvelables marines dans les mers du Nord, et ce à partir des données exposées ci-dessus. La géomorphologie des côtes joue un rôle primordial dans la réponse aux sollicitations des forces génératrices. En effet, lorsque la profondeur diminue, la marée concerne une masse d’eau dont le volume diminue mais dont l’énergie est conservée, ce qui donne lieu à des oscillations de plus en plus fortes. Donc, dans une baie peu profonde où la plus simple oscillation est due à l’eau qui y entre durant la marée haute et repart durant la marée basse, et avec une marée semi-diurne (périodicité de 12h42) comme impulsion vibratoire de l’océan, nous pouvons nous attendre à une amplification au fond de la baie. (Pattyn, 2011). Et de fait, nous observons des oscillations très importantes dans le fond de baies qui sont en relation facile avec l’océan. Par exemple, la baie du Mont Saint-Michel possède une oscillation naturelle correspondant bien avec la période semi-diurne de la marée, d’où le phénomène de résonnance et de marnage très important atteignant jusqu’à 15 m lors des plus fortes marées. Les courants de marées associés à ces conditions macrotidales peuvent aller jusqu’à 3 m/s. Ensuite, en se propageant vers le Nord, l’onde de marée diminue dans la zone centrale atteignant des valeurs de 7,5 à 8 m à l’entrée de l’estuaire de la Seine. (Cfr annexe 2). Cette région de la Manche présente donc un potentiel intéressant pour les énergies marémotrices et hydroliennes mais pas pour l’énergie houlomotrice car de par sa position protégée des tempêtes de l’Ouest, les vagues se caractérisent par des faibles amplitudes (moins de 3 m) et des périodes courtes (3 à 5 s). (Tessier and co., 2012). Un autre exemple de 6 la potentialité de la Manche est donné par l’estuaire de la Rance en France, qui possède déjà une usine marémotrice en raison du marnage important (13,5 m) de l’endroit. D’un point de vue global, nous l’avons vu, les amplitudes des marées augmentent énormément lorsqu’elles arrivent à proximité des zones à demi-fermées des côtes. Dans ce cas, la mer du Nord et la mer d’Irlande possèdent les meilleurs atouts pour l’énergie marémotrice avec des amplitudes allant jusqu’à 8 m, voir plus dans certains endroits. (Web 2). (Cfr annexe 3). Les marées induisent des courants oscillants durant la même période et qui sont les plus fort dans les zones de plateau continental. (Web 2). L’énergie hydrolienne tire parti des courants marins dont les courants de marées ne représentent qu’une composante. La France et l’Angleterre détiennent à eux deux l’essentiel du potentiel hydrolien pour l’Europe. Les atouts de la France proviennent de la grande puissance des courants le long de ses côtes. En particulier, les sites les plus favorables sont répartis entre la Bretagne et le Contentin5 (Cfr annexe 4). Il serait possible d’y installer environ 3 à 5 GW en se limitant à des vitesses de courant allant de 1,5 à 4,5 m/s (en moyenne annuelle). (Ministère de l’Écologie, du Développement Durable et de l’Énergie, 2012). Via les particularités des formes des rivages, dans certains cas, les courants de marées peuvent atteindre des valeurs très importantes. (Pattyn, 2011). En effet, par le principe de l’effet Venturi, une diminution de la section traversée par un fluide se traduit par une augmentation de sa vitesse. (Hecht, 1999). Donc, les situations d’étranglement à l’entrée d’une baie et les détroits sont des zones à haut potentiel pour l’énergie hydrolienne. Par exemple, à l’entrée de certains fjords de la côte Norvégienne, des courants dépassant 22 km/h sont enregistré. (Pattyn, 2011). Ces courants de marée sont d’autant plus intéressants pour l’énergie hydrolienne qu’ils concernent l’ensemble de la masse d’eau et non seulement la couche superficielle. De ce fait ils ont la capacité de racler le fond même à des profondeurs de plusieurs centaines de mètres. (Pattyn, 2011). Par déduction, le canal du Nord, le canal Saint-Georges et le pas de Calais (Strait of Dover), sont des zones intéressantes en ce qui concerne l’énergie hydrolienne. Le régime des vagues en haute mer dépend des changements de régime du vent. De même, les courants de marées et les courants océaniques dans les hauts fonds peuvent modifier l’ampleur des vagues. Il existe une corrélation positive entre la hauteur moyenne des vagues et la force moyenne des courants atmosphériques. (Web 2). La puissance houlomotrice est plus élevée au large qu’à la côte. (Ministère de l’Ècologie, du Développement Durable et de l’Énergie, 2012). D’un point de vue énergétique, la façade atlantique possède une énergie houlomotrice d’environ 2,5 kW/m² (moyenne annuelle) pour une profondeur de 20 m. Les îles britanniques sont privilégiées avec une puissance d’environ 120 GW contre environ 45 kW par mètre de ligne de côte pour la façade atlantique française, et encore moins pour la Belgique et les Pays-Bas. (Abonnel, 2004). (Cfr annexe 5). La mer celtique, de par sa position ouverte sur l’océan et de par la géomorphologie de son fond marin est une zone à haut potentiel pour l’énergie houlomotrice. En effet, elle reçoit l’ensemble des perturbations atlantiques en provenance de l’ouest et du sud-ouest, et de plus, la présence des bancs de sable sur son fond décuple l’amplitude des houles. (Ifremer, 1991). 5 Par exemple le Raz Blanchard, le Raz de Sein, le passage du Fromveur à Ouessant, le Raz de Barfleur. 7 En ce qui concerne l’énergie éolienne, il existe une vitesse minimale de vent nécessaire au fonctionnement des éoliennes. Cette vitesse d’amorçage est de 4,5 ou 5 m/s selon les sources. Les littoraux qui nous intéressent sont, comme dit plus haut, sous l’influence des vents d’ouest durant toute l’année. Cela permet une exploitation optimale des éoliennes sur l’ensemble des littoraux des mers du Nord. (Hamour, 2008). De plus, l’installation des éoliennes offshore nécessitant des faibles profondeurs, Le plateau continental européen constitue un atout de part ses zones peu profondes. Cependant il existe des différences en termes de potentiel. En effet la puissance théorique que nous pouvons retirer d’un vent soufflant à une certaine vitesse est proportionnelle à la surface balayée. (Vernier, 2005). Il s’avère que les deux Etats possédant les zones offshores les plus intéressantes sont le Royaume-Unis et la Norvège. (EEA, 2009). En conclusion, il est intéressant de considérer les mers du Nord comme zone d’étude pour ce projet interdisciplinaire car chacune de ces mers possède un potentiel réel dans l’optique d’une exploitation d’énergie marine renouvelable. 8 Annexes Annexe 1 : Effet de la déclinaison sur les marées. Source : Pinet, 1999. Annexe 2 : Onde de marée dans la Manche. Source : Tessier and co, 2012. 9 Annexe 3 : Amplitude de l’onde de marée. Source : CNES, NASA (Web 5). Annexe 4 : Resource hydrolienne en Europe. Source : Abonnel, 2004. 10 Annexe 5 : Puissance moyenne transmise par les vagues sur les côtes européennes. Source : Abonnel, 2004. 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