L'Énergie Houlomotrice : Comprendre les Principes et le Fonctionnement des Bouées Convertisseuses

L'énergie houlomotrice, souvent appelée énergie des vagues, constitue une forme d'énergie renouvelable qui exploite la puissance des vagues de l'océan pour produire de l'électricité. Les océans couvrent plus de 70 % de la surface de la Terre, et leurs vagues contiennent une immense quantité d’énergie potentielle. En effet, 71 % de la surface de la planète est recouverte par la mer ou l’océan, ce qui confère à l'énergie houlomotrice un potentiel énorme dans le mix énergétique mondial. Cette énergie ne doit pas être confondue avec l'énergie marémotrice, laquelle utilise l'énergie des marées. Face au changement climatique et à l’augmentation de la demande mondiale en énergie, l’essor des méthodes de production respectueuses de l’environnement est une solution qui fait beaucoup parler d’elle. L’énergie houlomotrice est l’une des sources d’énergie renouvelable les plus prometteuses, reposant sur les mouvements verticaux et horizontaux des vagues.

Aux Origines de la Captation de l'Énergie des Vagues

Le premier brevet visant à exploiter l’énergie des vagues a été déposé en 1799 en France, marquant le début de l'intérêt humain pour cette ressource. Historiquement, la première utilisation de l'énergie des vagues fut probablement un système permettant d'actionner des cloches destinées à prévenir, dans la brume, de la proximité de certaines bouées de signalisation maritime. Victor Hugo évoque, dans L'Homme qui rit, une « bouée à sonnerie, sorte de clocher de la mer, (…) supprimée en 1802 ». Plus historique est la cloche de Bell Rock, qui fut, tel que le chante le poète Robert Southey, installée au XIVe siècle sur une bouée pour avertir les marins de la proximité du danger, quand le rocher est couvert par la houle. Les utilisations de l’énergie houlomotrice se concentraient à l'origine sur les changements de conditions météorologiques et de navigation : il s’agissait de prévenir les marins et habitants sur la côte que la houle se faisait plus puissante. Ces systèmes étaient en général composés d’une bouée et d’une clochette, puis d’un sifflet actionné par les vagues.

Le premier brevet connu visant à l'utilisation de l'énergie des vagues a été déposé à Paris par les Girard, père et fils, le 12 juillet 1799. Un des premiers appareils utilisant l'énergie houlomotrice a été construit en 1910 en France par Bochaux-Praceique afin d'alimenter sa maison en énergie à Royan. Par la suite, l'énergie houlomotrice connaît plusieurs étapes dans sa modernisation, notamment dans les années 1940 avec les expériences de Yoshio Masuda, puis dans la période succédant au choc pétrolier de 1973 qui relance l'intérêt pour une énergie alternative. Entre 1855 et 1973, plus de 340 brevets ont été déposés au Royaume-Uni, témoignant d'un intérêt croissant pour cette filière. Des universitaires de plusieurs pays ont ainsi réexaminé le potentiel de l'énergie houlomotrice, notamment Stephen Salter de l'Université d'Édimbourg, Kjell Budal et Johannes Falnes de l'Institut norvégien de technologie (NTH), désormais fusionné au sein de l'université norvégienne de sciences et de technologie. L'invention de Stephen Salter, surnommé le batteur de Salter ou « canard de Salter », démontra en 1974 qu'il était possible de convertir 90 % de l'énergie d'une vague en énergie mécanique. Cette technologie a refait parler d'elle dans les années 2000, à mesure que les questions climatiques poussaient à l'utilisation d'énergies renouvelables.

Principes Fondamentaux et Nature des Vagues

Les vagues sont des ondes qui naissent à la surface de la mer sous l’effet du vent. Lorsqu’elles parcourent de longues distances, elles forment la houle. L'énergie houlomotrice, ou énergie des vagues, est une énergie marine utilisant l'énergie contenue dans le mouvement de la houle, soit les oscillations de la surface de l'eau. Les vagues sont principalement générées par les vents soufflant sur la surface de l'eau, transformant l'énergie du vent en énergie potentielle et cinétique dans l'océan. Les vagues déploient une énergie cinétique et potentielle qui peut être capturée et transformée en électricité. Les caractéristiques de l'énergie houlomotrice en font une source attrayante : elle est renouvelable, inépuisable tant que les océans existeront et contribue à la réduction de l'empreinte carbone. Elle est également prédictible ; contrairement au vent ou au soleil, les vagues peuvent être prévues à court terme avec une grande précision. En outre, elle possède une haute densité énergétique, les vagues de l'océan contenant plus d'énergie par mètre carré que le vent ou le soleil.

Le principe de fonctionnement de l'énergie houlomotrice repose sur la capture de l'énergie cinétique et potentielle des vagues. Cela se fait généralement à travers différentes technologies. Pour estimer le potentiel énergétique, imaginons un convertisseur flottant qui utilise le mouvement des vagues pour faire tourner une génératrice. Si une vague a une hauteur de 2 mètres et une longueur de 20 mètres se déplaçant à une vitesse de 3 m/s, l'énergie potentiellement capturée peut être approximée avec la formule ( P = \frac{1}{2} \times \rho \times g \times A \times H^2 ) où (\rho) est la densité de l'eau (environ 1025 kg/m³), (g) la gravité (environ 9.81 m/s²), (A) l'aire de la vague, et (H) la hauteur de la vague. Supposons également un système de point absorbant au-dessus de l'eau. Si une vague a une hauteur de 3 mètres et une fréquence de 0.1 Hz, l'énergie produite peut être estimée avec : ( P = \frac{1}{2} \times \rho \times g \times A \times H^2 \times f ) où (\rho) est la densité de l'eau (1025 kg/m³), (g) est l'accélération due à la gravité (9.81 m/s²), (A) est l'aire de la vague, (H) est la hauteur, et (f) est la fréquence.

Diversité des Systèmes de Conversion Houlomotrice

Deux siècles après les premiers brevets, les technologies ont beaucoup progressé et de nombreux systèmes houlomoteurs sont en cours de développement pour convertir cette ressource en électricité. Il existe différents dispositifs pour exploiter cette énergie.

Les Colonnes d'Eau Oscillantes (OWC)

Ces systèmes utilisent l’oscillation de l’eau à la surface de la mer qui agit comme un « piston » pour pousser de l’air dans une chambre. Ce flux d’air sous pression actionne mécaniquement des turbines pour produire de l’électricité. La colonne d’eau est une structure flottante qui ressemble à une grande « boîte » fermée de tous côtés, sauf pour une ouverture latérale face aux vagues. Celles-ci s’engouffrent dans la colonne et chassent l’air qui se trouve en haut. Pour s’échapper, l’air doit passer par des turbines qui sont situées dans le plafond. Ces dispositifs exploitent la compression de l'air dans une chambre par les vagues pour actionner une turbine. Les installations peuvent être flottantes (en mer) ou fixes (sur le littoral).

Les Systèmes à Déferlement (Overtopping Devices)

Dans cette catégorie, les vagues viennent se briser sur des rampes inclinées artificielles et se déversent dans des réservoirs surélevés. L’eau actionne une turbine, puis retourne à la mer. Le piège à déferlement est un système flottant qui s’apparente à un barrage hydraulique. Les vagues se brisent sur la bouée, et une partie de l’eau passe dans le réservoir. Comme pour les colonnes d’eau oscillantes, les installations peuvent être flottantes en mer ou fixes sur le littoral.

Les Systèmes à Flotteurs et Atténuateurs

Ces systèmes sont parmi les plus variés et utilisent le mouvement des bouées ou des structures flottantes. Ils sont situés à la surface de l'eau, oscillent avec les vagues, convertissant leur mouvement en énergie mécanique, puis en électricité.

La chaîne flottante articulée ou « serpent de mer » : Il s’agit d’une succession de plusieurs flotteurs connectés entre eux et installés dans le sens du mouvement des vagues. Plusieurs corps flottants reliés entre eux sont alignés dans le sens du vent, perpendiculairement aux vagues, et maintenus à la surface de l’eau par des câbles arrimés au sous-sol marin. Les vagues créent une oscillation de la chaîne de flotteurs, ce qui actionne une turbine soit directement, soit par le biais d’un fluide hydraulique comprimé. Le système de chaîne flottante articulée dispose généralement de plus de deux parties. Un exemple notable est la structure Pelamis, testée notamment au Royaume-Uni et au Portugal dans les années 2000. Cette installation, à l'allure de serpent, avait une puissance de 750 kW, composée de 5 flotteurs articulés, elle pesait 1 350 tonnes et mesurait au total 180 mètres de long pour un diamètre de 4 mètres.
Les systèmes pivotants : Entraînés par le mouvement orbital de l’eau au passage des vagues, ces structures flottantes sont mises en place à la surface de la mer et transforment tous les mouvements horizontaux ou verticaux en déplacements de masselottes, des éléments utilisant la force centrifuge pour créer un travail. L’énergie liée aux masselottes en mouvement est utilisée pour actionner une pompe et mettre sous pression un fluide hydraulique qui permet ensuite de faire tourner une turbine entraînant à son tour un alternateur.
Les bouées à oscillation verticale : Ces bouées sont uniques et sont reliées au fond marin par un piston. Elles font partie des systèmes de point absorbant qui utilisent des flotteurs ponctuels se déplaçant de haut en bas avec les vagues, générant de l'énergie par ce mouvement vertical.

Les Systèmes Posés au Fond et Capteurs Immergés

Fixés sur le fond marin, ils utilisent l’oscillation de l’eau provoquée par les vagues pour mettre en mouvement des corps immergés (volets, bouées, etc.). Ces derniers actionnent à leur tour des systèmes de transformation d’énergie électriques ou hydrauliques (grâce à un fluide qui peut être de l’huile, de l’eau de mer). Le capteur le plus simple à utiliser est un ballon. Ces systèmes utilisent le mouvement orbital des vagues pour comprimer un fluide hydraulique. Un exemple concret est le prototype CETO développé par Carnegie en Australie. La paroi oscillante immergée est une paroi montée sur un bras articulé fixé au sol océanique. Elle fait face au mouvement des vagues et est donc emportée par les mouvements de va-et-vient. Le capteur de pression immergé est placé au plus près du sol océanique et est actionné par les variations de pression. Lorsque la quantité d’eau au-dessus du capteur augmente (au passage d’une vague), celui-ci descend, lorsqu’il y a moins d’eau, il remonte.

Technologies Avancées et Projets Innovants

De nombreuses innovations cherchent à optimiser la conversion de l'énergie houlomotrice en électricité, avec des approches variées et des prototypes à travers le monde.

Le Système CETO de Carnegie

Un des prototypes de ce type a été testé par EDF dans les eaux de l’île de La Réunion. En Australie, où se trouve l’entreprise Carnegie, créatrice des bouées immergées CETO, cette technologie a été installée au large de Perth. Il s’agit d’une petite centrale produisant de l’électricité connectée au réseau électrique et elle permet également la dessalinisation d’eau de mer. La centrale houlomotrice a été baptisée Ceto, qui est le nom d'une déesse grecque de la mer. Chaque bouée possède plus de 500 capteurs qui enregistrent deux gigaoctets de données quotidiennement pour la pression, le débit, la température de l’eau. Un piston hydraulique situé à 24 mètres au fond de la mer est actionné par le mouvement des bouées provoqué par les vagues. Ce mouvement pressurise un fluide contenu dans le piston, le fluide est envoyé à terre par un tuyau et passe dans une turbine qui convertit l’énergie hydraulique en énergie mécanique. Les pompes alimentent en eau froide un réseau de froid. Dans une centrale située sur l’île de Garden Island, un générateur transforme cette énergie mécanique en électricité. Malheureusement, le cyclone Bejisa (2014) a détruit une grande partie de ces aménagements à La Réunion, et les projets n’ont pas pu reprendre.

Le Système CorPower Ocean : Une Approche Biomimétique

En développant sa technologie de production d’énergie grâce au phénomène de houle marine, CorPower Ocean s’est inspirée du principe de pompage du cœur humain. Il s'agit d'un cas de biomimétisme unique, imaginé par le cardiologue Stig Lundbäck, qui imite le principe de pompage du cœur humain. Consciente de cette situation, la société européenne CorPower Ocean a développé un système innovant qui transforme l’énergie inépuisable des vagues en électricité. Cette bouée géante est le fruit de quarante ans de recherche hydrodynamique, selon son concepteur.

Ce système innovant est fondé sur des oscillations verticales pour produire de l’électricité. La bouée géante flottante à la surface a une coque fabriquée en matériau composite. Cette structure sphérique de 19 m de haut et de 9 m de diamètre est fixée au fond de l’océan par un dispositif d’ancrage sous tension avancé. Les ancres sont plus performantes que les ancres à gravité ou les monopieux traditionnels, selon l’entreprise. Leur installation s’effectue sans bruit et rapidement grâce à une technique de vibrofonçage, et il n’y a aucun risque de perturber la faune marine selon l’entreprise. Un vérin pneumatique, un ressort, un réducteur mécanique, une sphère en structure composite et un traitement des algorithmes composent la bouée de CorPower Ocean.

À l’intérieur de la bouée, une transmission mécanique permet de transformer le mouvement linéaire en rotation. La houle des vagues pousse l’hydrolienne bouée vers le haut. Comme pour notre cœur, cette bouée géante utilise un système de prétension pour la tirer vers le bas, alors que la houle la pousse vers le haut. La pression stockée fournit une force de retour pour entraîner la bouée vers le bas. Grâce à une technologie de ressort négatif, le mouvement de la bouée est amplifié, augmentant ainsi la quantité de kilowattheures produits. Ce convertisseur d’énergie houlomotrice comprend également un système de pré-tension qui aide la bouée à descendre après avoir été soulevée par la houle. Il est à souligner que, dans les deux sens (vers le haut et vers le bas), le système génère des quantités d’énergie égales. Il en résulte une production d’énergie égale dans les deux sens. L’énergie stockée dans les vagues est convertie en électricité par le mouvement de montée et de descente ainsi que par le mouvement de va-et-vient des vagues. La bouée, en interaction avec ce mouvement des vagues, actionne une prise de force à l’intérieur de celle-ci qui convertit l’énergie mécanique en électricité. L’appareil WaveSpring permet d’amplifier le mouvement et de capturer l’énergie. Le mouvement de la bouée est converti en électricité par un système d’entraînement mécanique situé à l’intérieur de celle-ci. Un réducteur avec des pignons disposés en cascade convertit le mouvement linéaire en rotation. Le système de prétension exerce une force vers le bas sur la bouée à l’aide d’un vérin pneumatique. Il remplace la masse qui serait autrement nécessaire pour équilibrer la flottabilité au point médian. La coque de la bouée est une structure composite sphérique produite à partir d’un processus additif automatisé. À l’autre bout, on trouve une ancre Umack dont la technologie permet d’atteindre, selon CorPower Ocean, une capacité de charge verticale 4 à 5 fois supérieure à celle d’un pieu standard de même taille.

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Outre cela, ce système intègre un dispositif de contrôle de phase avancé. Ainsi, il fonctionne de façon optimale, quelles que soient les conditions marines. Par temps calme, la bouée et le mouvement des vagues sont synchronisés pour que l’effet de la houle soit multiplié. Wave Energy Converters utilisent un système de pré-tension inspiré du cœur humain pour tirer la bouée vers le bas. Par rapport aux autres systèmes de production d’énergie houlomotrice, cette bouée géante génère cinq fois plus d’énergie par tonne d’équipement. Chaque unité dispose d’une puissance supérieure à 300 kW, affirme l’entreprise sur son site web. En cas de tempête, CorPower Ocean a prévu un dispositif permettant de protéger sa bouée. Dans des conditions normales, les appareils sont réglés de manière optimale à chaque vague entrante, mais si celle-ci dépasse un certain seuil, les appareils sont désaccordés, ce qui les rend transparents aux vagues entrantes, à la manière des éoliennes qui inclinent leurs pales pour se protéger des charges excessives. En déployant côte à côte plusieurs bouées, il est possible de construire des fermes houlomotrices, appelées « CorPark ». Leur puissance peut s’élever jusqu’à des centaines de mégawatts. Chaque projet peut donc être personnalisé en fonction de la production d’électricité attendue. En plus de ses grandes performances, ce système de production d’énergie marine à coût maîtrisé présente une faible empreinte carbone. Par exemple, les bouées peuvent être fabriquées sur les sites des clients grâce à un concept d’usine mobile. L’autre avantage principal de cette innovation est que les kilowattheures générés sont surtout élevés en fin de journée et en hiver. CorPower Ocean a déjà installé plusieurs projets pilotes à travers le monde pour démontrer l’efficacité de ses bouées WEC. Ces projets ont montré des résultats prometteurs, avec des niveaux élevés de production d’énergie et une robustesse face aux conditions marines difficiles, comme le projet Atlantique Nord installé au large des côtes de l’Écosse, qui a permis de tester les bouées dans des conditions de vagues intenses.

Autres Projets et Développements Récents

En 2003, un système appelé Searev, développé conjointement par le laboratoire de mécanique des fluides de l’École centrale de Nantes et le département mécatronique de l’École normale supérieure de Cachan, a été lancé. En France, la start-up Seaturns développe un système de flotteur qui récupère l’énergie houlomotrice (activé par le mouvement des vagues et de la houle). Le projet est soutenu par des investisseurs privés et publics. Une phase de prototypage avec essais en mer en partenariat avec l'Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer (Ifremer) s'est terminée en 2025. Sur un quai du port de Los Angeles, la start-up israélienne Eco Wave Power va tester un projet pilote houlomoteur (fixé à quai et rétractable en cas de grosse houle), constitué d'un ensemble de flotteurs montant et descendant à chaque vague. La société espère à terme recouvrir la jetée de 13 kilomètres protégeant le port avec plusieurs centaines de flotteurs. Mme Braverman, responsable d'Eco Wave Power, note que « 99 % des concurrents ont choisi d'installer leurs équipements au milieu de l'océan, où cela coûte très cher et où ils tombent sans cesse en panne ».

Défis et Enjeux de l'Énergie Houlomotrice

Malgré son potentiel, l'énergie houlomotrice fait face à des défis significatifs qui entravent encore son déploiement à grande échelle. Deux siècles plus tard, les technologies ont beaucoup progressé et de nombreux systèmes houlomoteurs sont en cours de développement pour convertir cette ressource en électricité. Néanmoins, cette énergie renouvelable n’en est encore qu’à ses prémices, et il n’existe à ce jour pas de centrale houlomotrice à grande échelle. Il n’existe aujourd’hui aucun grand projet d’usine à énergie houlomotrice, car les nouvelles technologies impliquées doivent encore faire leurs preuves.

Conditions Environnementales et Fiabilité

Un environnement difficile est une contrainte majeure, avec des facteurs comme la fatigue des matériaux et les tempêtes. Les matériels doivent résister à des conditions parfois extrêmes, tout en offrant une grande fiabilité. Les technologies houlomotrices doivent s'adapter aux différentes conditions maritimes, puisqu'elles sont déployées en mer ouverte. En raison de la variété des conditions (tempêtes, courants forts, etc.), le design des convertisseurs est crucial pour assurer une production continue et fiable. Une attention particulière doit être accordée aux matériaux utilisés, qui doivent résister à la corrosion de l'eau de mer.

Coûts Élevés et Rentabilité

Un coût élevé est un inconvénient notable, lié non seulement à l’investissement initial dans les matériels, mais aussi à l’implantation et au raccordement électrique pour les installations offshore, ainsi qu'à l’entretien. Sur le long terme, il est primordial que le coût de production descende en dessous de 100 €/mégawattheure (MWh) (contre 200 à 300 €/MWh aujourd'hui) pour être compétitif par rapport aux autres moyens de production d’électricité. Les filières houlomotrices n’étant pas matures, leurs coûts de production de l’électricité restent difficiles à évaluer. Si le coût de l'électricité produite par Ceto 5 est identique à celui du fioul (entre 20 et 28 centimes d’euros le kilowatt-heure (kWh)), il reste plus cher que le nucléaire ou le charbon. Pour minimiser l'impact environnemental et maximiser la capture énergétique, le choix de l'emplacement est crucial.

L'Énergie Houlomotrice : Principes Physiques et Fonctionnement des Bouées Convertisseuses