On peut doubler l’usine marémotrice de la Rance avec une solution innovante très prometteuse

Publié le 18 juin 2015 dans Energie marémotrice

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L’usine marémotrice de la Rance, construite il y a cinquante ans, n’utilise que très partiellement l’énergie potentielle du bassin créé. Le projet initial comportait 40 groupes bulbes de 10 MW mais le site actuel n’en permet que 32 et l’usine marémotrice actuelle n’en comprend que 24 produisant 240 MW et un peu plus de 500 GWh par an. Cette réduction fut liée en 1960 au coût très bas de l’électricité compétitive à base de fuel. La recherche actuelle d’énergie renouvelable conduit à analyser la possibilité de mieux utiliser l’énergie potentielle du bassin existant.

– Une solution consiste à rajouter dans la digue inutilisée il y a 50 ans des groupes bulbes totalisant une centaine de MW. Il est souhaitable qu’ils puissent opérer à double sens, avec ou sans possibilité de pompage. On peut ainsi porter la production à près de 700 GWh/an. Le coût du MWh supplémentaire serait comparable à celui de l’éolien offshore.

– Mais il est maintenant possible de porter la production à 1 000 GWh/an en utilisant la nouvelle solution des « maréliennes » (*), c’est-à-dire en créant un chenal de 75 m de largeur et de 500 m de longueur où sont placées une vingtaine de rangées d’hydroliennes. En agissant sur les durées d’ouverture du chenal et sur le nombre d’hydroliennes en service on peut maintenir dans le chenal une vitesse voisine de 4 m/s, optimale pour des hydroliennes de 3 ou 4 MW. La réalisation peut se faire à sec à l’abri d’un grand batardeau comme pour l’usine marémotrice actuelle il y a 50 ans.

Cette solution qui est présentée ci-joint présente trois avantages directs par rapport à l’option précédente :

– Une production très supérieure et mieux répartie dans le temps.

– Un coût au MWh nettement inférieur à celui de l’éolien offshore.

– Une opération toujours à double sens évitant l’envasement.

Elle a de plus l’avantage majeur de permettre une démonstration et une optimisation rapides de la nouvelle solution française des maréliennes qui peut produire à un coût attractif 20% de l’électricité française et s’appliquer économiquement dans vingt pays. Cette solution est en effet d’autant plus rentable que les sites sont importants, l’essentiel du potentiel mondial est sur des sites de centaines de km2 et il est difficile de trouver un site de démonstration économique de quelques dizaines de km2 comme la Rance.

La réalisation de cet équipement et même l’annonce officielle de son étude suffiraient à rendre à la France le leadership de l’énergie marémotrice mondiale longtemps basé sur l’usine marémotrice actuelle de la Rance et perdu récemment par les réalisations coréennes et les études de divers pays.

Un dimensionnement réaliste et une évaluation de la production et des coûts sont présentés
ci-dessous pour une réalisation qu’on peut par exemple appeler Super Rance

Super Rance

Les ouvrages proposés et les évaluations de production et de coût sont basés sur les informations détaillées sur l’usine marémotrice actuelle de la Rance et sur les études publiées relatives aux maréliennes.

Implantation des ouvrages

L’ouvrage actuel comprend (fig.1, 2, 3 et 4) :

–   Sur 400 m en rive gauche l’écluse et l’usine marémotrice actuelle de 240 MW. Ces ouvrages ne nécessitent aucune modification.

–   Sur 300 m en rive droite une digue et les pertuis facilitant actuellement le remplissage du bassin. Ces pertuis deviennent inutiles et cette zone peut être utilisée en totalité par le chenal de maréliennes représenté par les plans joints et pour ses raccordements à la mer et au bassin. Ce chenal peut être fermé par des vannes.

La réalisation peut se faire à sec à l’abri d’un batardeau, comme pour l’usine marémotrice actuelle (fig.2 et 5).

Le chenal est creusé à 20 m sous les basses mers ; il a une largeur de 75 m sur 500 à 600 m de longueur correspondant à 20 rangées de maréliennes espacées de 25 à 30 m (fig.6 et 7).

La vitesse du courant dans le chenal est de 4m/s ; elle est contrôlée par la durée d’ouverture des vannes et le nombre d’hydroliennes en service proportionnel à la dénivelée entre mer et bassin.

A chaque extrémité le fond du chenal remonte vers -5 m, il s’élargit à plus de 300 m et la vitesse se réduit à 2 m/s, voisine de la vitesse naturelle.

Génie civil et vannes du chenal :

Le chenal est excavé à sec dans le granit en place entre les cotes – 5 m et – 20 m. Les déblais sont réutilisés pour des plateformes le long du chenal. Entre les cotes – 5 m et + 13 m le chenal est bordé par des murs verticaux en béton armé ancrés par des murs dans le remblai. Les dénivelés et efforts sur ces murs sont très limités (de l’ordre de 1 à 2 m de charge) et ces ouvrages économiques et très répétitifs sont réalisés à sec (fig.8).

Les vannes à l’entrée du chenal côté mer sont analogues aux vannes classiques de grands barrages, mais sont soumises à des dénivelées plus faibles et nécessitent moins d’étanchéité. On peut utiliser des vannes-segment ou des vannes verticales à double corps avec masque en partie supérieure. Cette dernière solution n’est pas plus visible que les pertuis actuels.

Hydroliennes (Maréliennes) :

Les hydroliennes qui peuvent être les mêmes pour Super Rance et pour des grands bassins ultérieurs fonctionnent sur le principe des éoliennes et des hydroliennes en pleine mer et diverses solutions peuvent être également envisagées.

Elles ont beaucoup d’avantages par rapport aux hydroliennes en pleine mer et leur coût au MW sera beaucoup plus faible ; en effet :

–  Opérant avec une vitesse constante de 4m/s elles ont une puissance unitaire de 3 à 4 MW au lieu de 1 MW.

–  Leur conception peut être plus simple, le courant est de vitesse et de direction constantes.

–  Elles seront ancrées dans le sol sur un massif en béton.

–  Les conditions de vagues, de construction, de raccordement et d’entretien sont beaucoup plus favorables.

On peut notamment envisager des turbines du même principe que les éoliennes usuelles, mais probablement avec un plus grand nombre de pales pour réduire les perturbations du courant entre rangées d’hydroliennes ; celles-ci peuvent être beaucoup plus rapprochées qu’en mer, le courant ne pouvant pas être dévié en dehors du chenal.

Mode de construction et programme d’exécution :

La réalisation peut se faire entièrement à sec à l’abri d’un grand batardeau (fig.2 et 5). Il sera nettement moins coûteux que les batardeaux utilisés pour l’usine marémotrice actuelle, la longueur totale étant voisine mais sans les ouvrages coûteux de coupure et avec une grande longueur économique de digue simple avec simple rideau de palplanches.

Une première phase peut être limitée au nord de l’ouvrage actuel, l’excavation de la fouille correspondante fournissant les matériaux pour la partie sud des batardeaux.

L’ensemble du site peut être totalement à sec après deux ans, l’exécution des ouvrages nécessite environ 2 ans et l’ouverture des batardeaux quelques mois. Le délai total est inférieur à 5 ans.

Pendant 3 ans environ, l’usine marémotrice actuelle peut opérer comme actuellement mais avec une perte de production (10 à 20 % ?) liée à l’indisponibilité des pertuis existants qui seront d’ailleurs supprimés définitivement, rendus inutiles par le débit beaucoup plus élevé du chenal des maréliennes.

L’utilisation de l’écluse est inchangée pendant les travaux et définitivement. La circulation routière sera déviée sur le batardeau pendant deux ans puis rétablie près du tracé actuel. Il n’y aura donc pas d’inconvénient majeur pour la navigation ou pour la circulation routière.

Evaluation du productible

Cette évaluation est basée sur l’utilisation de :

– L’usine marémotrice actuelle de 240 MW pouvant opérer dans les 2 sens en turbinage et pompage. La puissance disponible et les rendements varient beaucoup avec le sens et la charge. Pour une charge de 5 m utilisée principalement pour cette usine marémotrice dans l’évaluation ci-dessous, la puissance disponible est pour la moyenne des deux sens de 160 MW, le rendement de 65% et le débit de 5 000 m3/s.

En pompage pour une puissance utilisée de 150 MW, sous une charge de 0 à 2 m, le débit est d’environ 4 000 m3/s.

– Le chenal est équipé de 20 rangées de 3 hydroliennes de chacune 20 m de diamètre produisant 4 MW pour une vitesse de 4 m /s. Les pertes d’énergie dans le chenal comprennent les pertes électromécaniques admises de 10% et les pertes hydrauliques le long du chenal admises de 25% (fonction du choix des hydroliennes), soit un rendement global de
0,9 x 0,75 # 67%, voisin du rendement de l’usine marémotrice actuelle. Les calculs ci-dessous sont basés sur un rendement de 66%. Le débit dans le chenal est en moyenne de 7 500 m3/s pour une vitesse de 4m/s mais varie de 6 000 à 9 000 m3/s suivant le niveau d’eau. La surface du bassin est de 22 km2 à la cote maximale extrême, et d’environ 13 km2 pour le niveau moyen de la mer de 6,65 m.

L’amplitude moyenne de la marée est proche de 8,5 m, les amplitudes extrêmes de 13,5 m et 3,50 m, les évaluations sont faites ci-dessous pour une amplitude de

(13,5 + 8,5)/2 = 11 m représentant la semaine de forte marée, et (8,5 + 3,5)/2 = 6 m représentant la semaine de faible marée.

Les options d’exploitation sont nombreuses et l’optimisation nécessitera des études détaillées. Une étude simplifiée basée sur une opération à double sens donne une première évaluation ; on a pour simplifier les calculs admis une marée symétrique de 12 heures et une variation régulière du plan d’eau. Cette évaluation est faite sans pompage.

Marnage de 11 m (fig.9)

Le volume turbiné et la charge moyenne résultent du graphique joint :

Le volume turbiné est d’environ 83% x 11 m x 13 km² soit environ 118 hm3 sous une charge moyenne de 4,70 m (diminuant de 7 à 0 m).

Le débit peut être de 5 000 + 7 500 = 12 500 m3/s la production peut être concentrée sur 118 106/12 500 soit moins de 10 000 s ; le graphique est établi pour 3 heures, ce qui réduit la charge moyenne à 4,60 m. La production est donc, par demi marée et un rendement global 0,66 :

(118 x 106x 4,6 x 0,66 x g x 1,035)/3 600 #1 000 MWh soit pour 705 demi-marées annuelles 705 GWh/an.

Marnage de 6 m (fig.10)

Le volume est de 92% de 6 x 13 x 106 # 72 hm3 qu’on peut concentrer sur 72 x 106/12 500 soit moins de 6 000 s. On a basé le calcul sur 2 heures ce qui réduit un peut la charge moyenne à 2,70 m. soit une production de :

(72 x 106x 2,7 x 0,66 x g x 1,035)/2 # 360 MWh soit pour 705 demi-marées environ 255 GWh/an.

Productible total : 705 + 255 = 960 GWh/an

Cette production pourra être portée à 1 000 GWh/an en utilisant le pompage dont l’intérêt majeur est un report de production sur les heures pleines ou heures de pointe.

Evaluation du coût

Le coût comprend 3 parties : le batardeau, les ouvrages et les hydroliennes.

1) Le batardeau comporte deux zones de cellules en palplanches de 400 m de longueur chacune et 18 m de hauteur, analogues aux cellules d’il y a 50 ans. Le tonnage de palplanches est voisin de 10 T par m, le volume de sable de 300 m3.

Le coût par m, y compris l’enlèvement est de l’ordre de 50 000 €.

– Le batardeau comporte également 1 000 m de digue simple comportant un rideau de palplanches de 4 T/m et des enrochements provenant pour l’essentiel de la fouille de la partie nord de l’ouvrage. Le coût moyen au m est de l’ordre de 20 000 €. Cette partie du batardeau reste en place dans l’ouvrage définitif.

– Le coût de batardeaux est donc de 800 x 50 000 + 1 000 x 20 000 soit 60 M€, portés à 65 M€ pour tenir compte de la mise à sec et du pompage d’entretien.

2) Les ouvrages comprennent :

– L’excavation du chenal et des raccordements pour environ 1,1 hm3 x 10 € = 11 M€.

Les matériaux sont réutilisés à courte distance à l’intérieur du batardeau.

– La démolition des pertuis actuels est estimée à 2 M€.

– Le béton armé des murs du chenal de – 5 m à + 13 m (fig.8). Ces murs de 1 m d’épaisseur sont ancrés tous les 10 m par un mur triangulaire soit au total 25 m3/ml x 1 000 € = 25 000 x 1 200 m = 30 M€.

– Le béton ordinaire ou projeté de revêtement de la fouille rocheuse du chenal soit

700 x 100 x 0,30 # 20 000 m3 x 300 € = 6 M€.

– Le béton armé des pertuis et du pont (3 pertuis de 25 m) : 25 000 x 1 000 = 25 M€.

– L’électromécanique des vannes : (750 m2 x 20 000 €/m2=15 M€) soit un total pour ouvrages de : 11 + 2 + 30 + 6 + 25 + 15 = 89 M€ soit environ 100 M€ en tenant compte des coûts divers. Le coût moyen du béton est de 61 M€ pour 75 000 m3 soit environ 800 € /m3.

3) Les hydroliennes peuvent être 60 unités de 4 MW et de 20 m de diamètre. Elles peuvent être mises en place à sec et leur support ancré dans le rocher.

Elles peuvent être à axe horizontal mais avec plus de 3 pales. Le courant étant toujours de même vitesse et direction, elles peuvent êtres fixes avec pales orientables ou pivotantes avec pales fixes. Leur coût est très différent de celui des hydroliennes en pleine mer et paraît inférieur au coût d’éoliennes terrestres de même principe et de même puissance, les pales étant beaucoup moins coûteuses et l’ensemble électromécanique plus simple. Un coût de l’ordre de 1 000 € / kW paraît raisonnable soit 240 M€.

4) Coût total :

Batardeau           65

+ Ouvrages            100

+ Hydroliennes     240

= 405 M€

5) Comparaison avec l’usine marémotrice actuelle :

Il est intéressant d’appliquer les mêmes coûts unitaires aux ouvrages de l’usine marémotrice actuelle :

Batardeau : 1 500 x 50 000 =           75 M€

+ Opération de coupure  =                    20 ?

+ Mise à sec       =                                 5

= 100 M€

Ouvrages : Terrassements : 400 000 x 10    = 4

+ Béton : 350 000 x 800 (moyen)                   = 280

+ Electromécanique (vannes, écluses)             = 15

= 299 M€

Soit un total d’environ 400 M€ pour batardeau et ouvrages de l’usine marémotrice actuelle au lieu de 165 M€ pour l’usine marémotrice nouvelle à puissance égale.

Il est peu probable que les hydroliennes coûtent plus cher au MW que l’électromécanique des groupes bulbes complexes existants. En admettant un même coût au MW, le prix total de la nouvelle usine est de 165 + 240 = 400 M€ à comparer à 400 + 240 = 640 M€ pour l’ancienne usine marémotrice, soit un tiers en moins pour une production équivalente.

Cout au MWh de la nouvelle usine marémotrice

L’investissement est 400 M€ qu’on peut majorer de 25% pour études, supervision et intérêts intercalaires, soit 500 M€.

En admettant un coût annuel de 10%, répartis également entre amortissement, intérêts et coûts d’opération et entretien, soit 50 M€ pour un supplément de production de 450 GWh, le coût au MWh est de l’ordre de 110 €, très inférieur au coût de l’éolien offshore, moins de la moitié du coût des hydroliennes en pleine mer.

Programme de construction :

Impacts :

Les impacts sur l’environnement paraissent faibles :

–   Un impact négatif est l’occupation par les ouvrages et le batardeau d’une surface d’environ 0,3 km2.

–   Le passage des poissons dans le chenal ne semble pas plus difficile qu’à travers les turbines actuelles.

–   La vue de l’ouvrage depuis la mer ou St Malo est inchangée. L’usine marémotrice, immergée est invisible.

–   Un impact positif est l’exploitation permanente à double sens, meilleure qu’actuellement car elle réduit l’envasement du bassin.

–   Les impacts socio-économiques paraissent favorables, notamment sur l’emploi et l’attraction touristique.

Sommaire et conclusion

L’usine marémotrice actuelle de la Rance, équipée de 24 groupes bulbes de 10 MW produit un peu plus de 500 GWh par an.

Il est possible de porter la production à près de 1 000 GWh/an en ajoutant un chenal d’hydroliennes de 75 m de large dans la zone inutilisée actuellement.

Le coût supplémentaire est proche de 500 M€ soit environ 110 €/MWh nettement moins cher que l’éolien offshore auquel Super Rance pourrait se substituer.

Fig.1 : Schéma descriptif du barrage de la Rance

 

Fig.2 : L’usine marémotrice actuelle en construction à l’abri de l’enceinte (1962)

 

Fig.3 : L’usine marémotrice actuelle

 

Fig.4 : L’usine marémotrice actuelle

 

Fig.5 : Batardeau pour l’usine future

 

Fig.6

Fig.7

 

Fig.8

Fig.9 : Marée de 11 m

Fig.10 : Marée de 6 m

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