Le concours Wave Energy Prize booste l’innovation pour l’énergie houlomotrice

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Si son potentiel est théoriquement élevé, le développement de la filière de l’énergie houlomotrice reste freiné notamment par des problèmes de rentabilité. Pour faire avancer les technologies dans ce domaine, le U.S. Department of Energy (DOE), Office of Energy Efficiency and Renewable Energy a mis en place une compétition ouverte, qui a duré 18 mois, le Wave Energy Prize. Le DOE a annoncé les résultats le 16 novembre dernier : l’équipe AquaHarmonics remporte le premier prix avec à la clé une récompense de 1,5 millions de dollars.

Contexte : l’énergie houlomotrice et son potentiel aux Etats-Unis

Aux Etats-Unis, 123 millions d’habitants (39% de la population) vivent dans des zones littorales, qui ne représentent pourtant qu’un dixième du territoire américain. La population littorale a augmenté de 40% entre 1970 et 2010, et devrait continuer d’augmenter de 8% entre 2010 et 2020. [1] Les ressources marines constituent donc naturellement un fort potentiel d’énergie renouvelable pour ces communautés. Un rapport de 2011, préparé par le National Renewable Energy Laboratory et intitulé Mapping and Assessment of the US Ocean Wave Energy Resource, évalue et cartographie le potentiel houlomoteur américain : total de 2640 TWh/an, dont 590 TWh/an sur la côte ouest, 240 TWh/an dans le golfe du Mexique, 1570 TWh/an en Alaska, 130 TWh/an à Hawaii, et 30 TWh/an à Puerto Rico. [2] En considérant que parmi ces 2640 TWh, environ 1170 TWh devraient être effectivement récupérables, et que 1 TWh fournit l’électricité de 90 000 foyers, le Department of Energy (DOE) estime que cette énergie houlomotrice pourrait fournir l’électricité de 100 millions de foyers américains. Les avantages sont sa relative predictabilité, sa disponibilité pendant la nuit, et sa densité (de l’ordre 30 kW/mètre de côte).
Cependant ce potentiel est complètement sous-exploité actuellement ; le secteur reste à un stade de développement peu avancé, même si les travaux de recherche dans ce domaine ont commencé il y a longtemps : le premier brevet sur un récupérateur de l’énergie des vagues date pourtant de 1799 ! Les systèmes actuellement à l’étude (certains déjà commercialisés, mais aucun n’étant vraiment parvenu au stade de la maturité industrielle) reposent sur différents principes mécaniques : capture d’énergie mécanique en surface (ondulations) ou sous l’eau (translations ou mouvements orbitaux), capture des variations de pression au passage des vagues (variations de hauteur d’eau) ou encore capture physique d’une masse d’eau (via une retenue)… et portent des appellations variées : chaînes flottantes articulées, paroi oscillante immergée, colonne à oscillation verticale, capteur de pression immergé, colonne d’eau, piège à déferlement…
Dépendant du coût de fabrication, d’installation, de maintenance ainsi que de leur efficacité de génération réelle, le coût de production de l’électricité est en l’état difficile à évaluer et il s’avère complexe d’anticiper quelle sera la filière technologique dominante. Les installations se confrontent de plus à de nombreuses difficultés : inhospitalité du milieu marin peu propice à l’installation et à la maintenance, raccordement électrique, ancrage, corrosion et accumulation de dépôts d’origine biologique et corrosion, fiabilité et résistance aux conditions extrêmes…
Certaines sociétés britanniques paraissent avoir acquis une certaine avance technologique grâce à un soutien public significatif mais d’autres sociétés européennes, australiennes, canadiennes et américaines développent des technologies concurrentes. C’est dans ce contexte que le Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE), a mis en place une compétition intitulée Wave Energy Prize.

La compétition WAVE ENERGY PRIZE, sponsorisée par le Department of Energy (DOE)

La compétition, échelonnée sur 18 mois, s’est focalisée sur le développement des convertisseurs dans le but de réduire le coût de l’énergie houlomotrice et de la rendre plus compétitive face aux énergies traditionnelles. L’état de l’art des performances des solutions technologiques actuelles a été défini, puis l’objectif de doubler cette performance en l’espace de 2 ans a été fixé avec des règles de concours très précises. [3]

La structure de la compétition a été mise en place avec soin : il s’agit de comparer des technologies très diverses, encore jeunes, portées par des équipes de tous horizons, dans des conditions pilotes reproductibles, permettant de valider le coût de l’énergie produite. Ainsi pour être éligibles, les équipes doivent viser une mesure ACE (Average Climate Capture Width per Characteristic Capital Expenditure, une mesure de l’énergie recueillie par chaque machine ramené au coût de la machine) au moins double de l’état de l’art actuel de 1,5 m/million US$. Enfin, le classement des différentes équipes combine les valeurs ACE avec de nombreux autres paramètres (le diamètre dans lequel évolue le flotteur, si flotteur il y a ; les tensions sur les lignes d’ancrage ; l’absorbtion d’énergie dans divers types de mer ; …) pour donner une valeur composite HPQ, qui permet le classement des technologies et de déterminer les gagnants des prix financiers.

Au coup d’envoi en avril 2015, 92 équipes se sont inscrites. Après une phase de qualification sur dossier technique, les équipes ont du soumettre des modélisations numériques et des résultats de tests à l’échelle 1/50ème : un jury a identifié 9 équipes finalistes [4] invitées à continuer le concours. Ces équipes finalistes ont alors reçu jusqu’à 125 000 dollars de fonds pour construire les prototypes de leurs convertisseurs à l’échelle 1/20ème. Grâce au support de la US Navy, les finalistes ont ensuite eu l’opportunité de tester leur prototype dans le bassin MASK à la Carderock Division of the Naval Surface Warfare Center, à Potomac dans le Maryland, la meilleure infrastructure du pays dans ce domaine. Les tests ont été effectués dans les conditions de houle de la côte ouest puisque le potentiel y est important avec sur l’année un flux énergétique moyen entre 17 à 39 kW/m selon la localisation.

Les résultats ont été annoncés par le DOE le 16 novembre 2016 [5] : les équipes CalWave Power Technologies (Berkeley) [6] et Waveswing America (Sacramento) [7] ont remporté le 2ème et 3ème prix du concours avec 500 000 dollars and 250 000 dollars de récompenses, et le grand vainqueur AquaHarmonics (Portland, Oregon) a empoché 1,5 millions de dollars.

Les technologies gagnantes

AquaHarmonics a largement dépassé le but de doubler l’énergie captée : le premier prix récompense une technologie qui améliore d’un facteur 5 l’état de l’art. Un million et demi de dollars iront donc à l’équipe qui définit son système comme un “point absorber wave energy device with latching/de-clutching control”. [8]
Il s’agit d’une bouée flottante à la surface de l’eau qui génère de la puissance pendant l’élévation sur la vague en tirant sur un câble enrouleur attaché au sol, faisant ainsi tourner une paire de générateurs à flux axial situés à l’intérieur de la bouée. Si le concept est simple et déjà existant, l’innovation réside dans la conception d’un système de contrôle actif permettant à la bouée de rester calibrée malgré les imprévus de la houle : le treuil interne agit alternativement comme moteur et générateur, car sur la descente de la vague, le système de contrôle active le générateur qui passe en fonction moteur afin de rembobiner au mieux le câble avant la vague suivante. Avec cette part d’énergie utilisée pendant le rembobinage, la bouée parvient à s’accorder avec toute fréquence de vague. La méthode de contrôle ‘de-clutching’ augmente la bande passante opérationnelle. Le rembobinage doit se faire au moment et au degré optimal : de l’exacte bonne tension du câble et du timing précis dépend le rendement. Ici la ligne est donc toujours sous tension, avec un contrôle instantané permanent. Ce rembobinage qui consomme une partie de l’énergie que le système a généré pendant l’élévation est, d’après les développeurs, le prix à payer (énergétiquement parlant) pour arriver à un rendement optimal. Par ailleurs une partie de l’énergie est conservée à bord pour les périodes de faible houle. En forme de coque, l’appareil est d’après Aquaharmonics assez robuste pour résister aux pires conditions météorologiques. En résumé, l’équipe vainqueure définit sa technologie comme simple, légère, robuste, efficace et demandant de faibles investissements.

Trois autres équipes ont surpassé la limite du doublement de la captation d’énergie, selon la mesure ACE.
CalWave Power Technologies et WaveSwing America excèdent la cible d’un facteur deux, alors qu’une dernière technologie, de OscillaPower l’excède de 50%. Et toutes ces technologies sont très diverses : CalWave Power fait appel à un système de tapis actionant des vérins posé sur le fonds marin, WaweSwing a des bouées ancrées sous la surface. OscillaPower fait peut-être appraître la technologie la plus innovante avec un système à deux corps (un flotteur et un amortisseur imergé), la génération d’électricité se faisant en utilisant le principe de la magnétostriction [9] avec très peu de pièces mobiles, une garantie de longévité en mer, selon la compagnie.

Le concours organisé par le DOE aura donc bien atteint ses buts : faire apparaitre des technologies beaucoup plus efficaces que toutes celles testées jusqu’à présent. Reste à voir maintenant si le secteur privé relève le défi de l’exploitation commerciale de ces technologies : rendez-vous dans quelques années !


Rédacteurs :
- Jean-Benoit CARIOU - Attaché adjoint pour la Science et la Technologie, Consulat Général de France à Boston - jean-benoit.cariou@ambascience-usa.org
- Jean-Jacques YARMOFF, Ph.D., Attaché pour la Science et la Technologie, Consulat Général de France à Boston.