Il est quelque fois des idées farfelues qui débouchent sur des innovations de rupture. C’est la cas avec le cerf-volant sous-marin du suédois Minesto, capable de produire 1,2 MW en captant l’énergie cinétique des courants de marée. Une source d’énergie renouvelable inépuisable et prédictible

Vous êtes à la plage et vous faite évoluer un cerf-volant dans le vent. Il tire fortement sur les drisses qui vous servent à le diriger. Et vous constatez vite que lors de ses évolutions, dans les virages il vole bien plus vite que le vent porteur. Ne pourrait-on pas récupérer cette énergie vélique ? Pourquoi pas, mais le vent n’est constant ni en intensité, ni en direction, et il peut même être nul, donc difficilement prévisible.

C’est en réfléchissant à cette problématique que les ingénieurs de Minesto ont eu l’idée de créer un cerf-volant sous-marin capable d’évoluer dans les courants liés aux marées. L’énergie marémotrice, contrairement à l’énergie éolienne, est prévisible, puisque liée aux marées. Un phénomène naturel dû à la force gravitationnelle de la Lune et du Soleil, combiné à la force centrifuge liée à la rotation de la Terre.

Un peu de mécanique céleste

L’astronome grec Pythéas avait observé, dès 330 avant Jésus-Christ, le lien entre le cycle lunaire et les marées. Nicolas Copernic (1473-1543) et Galilée (1564-1624) y ont aussi ajouté l’effet combiné de la rotation de la Terre sur elle-même et autour du Soleil. Finalement c’est Isaac Newton (1642-1727) dans sa théorie de la gravitation universelle (1687) qui va démontrer que la terre, en tournant sur elle-même, exerce deux forces, l’une gravitationnelle et l’autre centrifuge.

La première permet à la Lune de tourner autour de la Terre sans s’y écraser, tout en attirant vers elle l’eau des océans les plus proches. Aux antipodes, la force centrifuge tend à expulser vers l’extérieur de la Terre l’eau des océans. Nous avons donc deux marées hautes diamétralement opposées. Les océans ayant un volume fini, les point les plus proches de l’axe de rotation de la Terre vont voir leur niveau baisser, créant deux marées basses. Un phénomène périodique qui en 12 heures va voir une marée haute suivie 6 heures plus tard par une marée basse.

Le Soleil, bien que beaucoup plus gros, est très éloigné. Il exerce donc une attraction faible, qui pourra toutefois s’ajouter à celle de la Lune, ce sont les vives-eaux, ou la compenser, ce sont les mortes-eaux. Si la périodicité de la Terre est de 24h, celle de la Lune est de 24h et 50 minutes, ce qui explique que les horaires des marées changent d’un jour à l’autre. De même, le plan orbital de la Lune étant décalé de 5° par rapport

à celui de la Terre, la Lune est plus ou moins haute sur l’horizon, ce qui joue sur sa force d’attraction et donc sur la hauteur des marées, c’est le marnage, différence de hauteur entre la marée basse et la marée haute, qui se traduit par le coefficient de marée.

L’intérêt de cette mécanique céleste est d’être parfaitement connue, et donc que l’on peut prévoir sur le long terme les horaires et l’intensité des marées, donc des courants sous-marins qu’elles génèrent.

Du courant sous-marin au courant électrique

On connait les usines marémotrices, telle celle qui barre la Rance (1966), dignes descendantes des moulins à marées. Elles exploitent, grâce à leurs turbines, l’énergie gravitationnelle du flot et du jusant remplissant ou vidant une retenue d’eau derrière un barrage. On connait les hydroliennes (vers 2005-2010), qui sont capables avec leur turbine d’exploiter l’énergie cinétique d’un courant sous-marin établi.

Les ingénieurs de Minesto ont quant à eux choisi une voie totalement novatrice en s’inspirant du cerf-volant, mais l’eau étant 833 fois plus dense que l’air, l’énergie est beaucoup plus concentrée. Leur aile, reliée par une longe à un lest posé au fond de la mer, utilise la portance hydrodynamique, créée par le courant sous-marin dans lequel elle est placée, pour se déplacer. Un système de contrôle embarqué pilotant deux gouvernails et deux gouvernes de profondeur placés à l’arrière de l’aile, lui fait décrire une trajectoire prédéterminée en forme de huit.

Cette aile comporte en son centre une turbine reliée par un multiplicateur de vitesse à un générateur électrique. La turbine, optimisée par modélisation CFD (Computational Fluid Dynamics), de par le mouvement en huit de l’aile, se déplace dans le courant sous-marin à une vitesse plusieurs fois supérieure à la vitesse réelle du courant sous-marin. Le courant électrique ainsi généré est transporté par un câble le long de la longe vers le lest, puis vers une station à terre pour être injecté dans le réseau électrique. Et lorsque le courant marin s’inverse en fonction des marées, l’aile suit le courant. De fait, cette technologie novatrice permet d’exploiter des courants sous-marins de faible intensité, à partir de 1,2 m/s, là où aucune autre technologie concurrente ne pourrait être rentable.

Une technologie brevetée et validée

Minesto a été fondée en 2007 en tant que spin-off du constructeur aérospatial suédois Saab. Depuis lors, Minesto a développé sa technologie unique, qui est maintenant protégée par 92 brevets. Elle a été validée en mer par plusieurs prototypes, en 2019 pour la partie hydrodynamique et 2020 pour la partie électrique. Un premier démonstrateur a pu être relié au réseau électrique en 2022 aux Iles Féroé et a fait l’objet d’un contrat de fourniture d’électricité avec les services publics d’électricité féringiens, SEV. A noter que les Iles Féroé, 55 000 habitants utilisent déjà 50 % d’énergie renouvelable et visent les 100 % en 2030. Huit sites y sont en cours d’évaluation pour installer des fermes de cerfs-volants de 15 à 38 MW, afin d’atteindre les 200 MW installés, ce qui couvrirait 40 % des besoins des Iles Féroé.

Depuis lors, les concept d’exploitation, d’entretien et de maintenance ont ainsi pu être démontré et vérifié, y compris le transport, la manutention à terre, le remorquage, l’installation, la récupération et la maintenance.

Aujourd’hui Minesto propose une gamme de générateurs électriques Dragon allant de 100 kW à 1,2 MW, pour des poids allant de 2,7 à 28 tonnes et des envergures de 4,9 à 12 m, avec une turbine pouvant aller jusqu’à 3,5 m de diamètre. Des performances intéressantes car ces centrales pèsent jusqu’à 15 fois moins par MW que les technologies concurrentes, ce qui a impact financier d’autant plus important qu’il s’agit d’opérations off-shore.

« Nous estimons qu’il y a au moins dans le monde 3 000 autres sites similaires aux Iles Féroé adaptés à notre technologie. Si tous ces sites participaient au projet, l’énergie ainsi générée pourrait remplacer toute la capacité énergétique générée par le charbon actuellement en cours de développement au niveau mondial », espère Martin Edlund, PDG de Minesto.

Réduire les frottements

L’originalité de ce projet a conduit une autre entreprise suédoise à s’y intéresser, le fabricant de roulements SKF. Il s’agit pour lui de minimiser tous les frottements dans les systèmes mécaniques. Et il trouve dans le cerf-volant sous-marin Dragon de Minesto un terrain d’application idéal : guidages en rotation de l’ensemble turbine, multiplicateur, génératrice ; guidages en rotation des gouvernails et gouvernes de profondeurs ; joints d’étanchéité dynamique présents sur tous ces axes.

Un choix de roulements et d’étanchéités qui, outre les aspects résistance mécanique aux charges et aux accélérations subies par le cerf-volant et durée de vie, met aussi l’accent sur les émissions de CO2 liées à la fabrication et la mise en œuvre des différentes solutions techniques envisageables.

De plus, SKF a aussi mis en œuvre un ensemble de capteurs permettant de suivre en temps réel les niveaux de vibration et de température des principaux composants mécaniques, afin de détecter des anomalies et de programmer les opérations de maintenance.

« La collaboration entre les industries est essentielle au progrès. En collaborant avec Minesto, nous démontrons comment la technologie et l’innovation peuvent favoriser la transition vers les énergies renouvelables », estime quant à elle Annika Ölme, Directrice technique et Vice-présidente du Développement technologique, chez SKF.

Découvrez cela en vidéo :

Découvrez les concepts et les innovations qui se cachent dans le cerf-volant sous-marin de Minesto

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : https://minesto.com/