Les panneaux solaires flottants mettent à rude épreuve les fonds marins

Les installations solaires flottantes offrent une vision alléchante de l’énergie durable, combinant l’énergie éolienne et solaire dans le même espace offshore. Mais selon de nouvelles recherches, les fonds marins pourraient subir les effets d’une telle ingéniosité.

Dans un Frontières des sciences marines publication, une équipe de scientifiques a examiné comment des structures photovoltaïques flottantes (FPV), déployées dans la partie belge de la mer du Nord et combinées à un parc éolien offshore, modifient l’hydrodynamique, affectant à leur tour les courants, les turbulences et le stress des fonds marins.

La mer du Nord est déjà un point chaud pour les énergies renouvelables offshore, avec la prolifération des parcs éoliens et les ambitions d’expansion allant de la fourniture actuelle d’environ 25 gigawatts d’électricité à 300 gigawatts d’ici 2050.

Pour optimiser l’utilisation de cet immobilier marin, le concept consistant à placer des unités FPV au-dessus ou autour des zones d’éoliennes existantes gagne du terrain : des panneaux solaires flottant sur des pontons ou montés sur des cadres surélevés peuvent capter la lumière du soleil dans des zones plus ensoleillées et plus calmes tout en partageant l’infrastructure de connexion au réseau avec les éoliennes.

L’espoir est gagnant-gagnant : une production totale plus élevée et une utilisation plus efficace de l’espace offshore. Cependant, cette étude prévient que même si l’électricité peut circuler, d’autres conséquences physiques peuvent se répercuter sur l’écosystème.

doctorat la chercheuse Pauline Denis et ses collègues de l’Institut royal des Sciences naturelles de Belgique ont utilisé un modèle hydrodynamique tridimensionnel haute résolution (COHERENS) pour simuler plusieurs scénarios dans une zone de 25 km autour du site du parc éolien « Mermaid » en mer du Nord belge.

Ils ont comparé une situation de référence sans structures à un scénario avec uniquement des éoliennes et à deux cas mixtes avec des éoliennes et des FPV, avec une couverture solaire clairsemée ou dense (correspondant respectivement à ~126 mégawatts et ~252 mégawatts de capacité solaire).

Ils se sont concentrés sur quatre mesures hydrodynamiques clés : la quantité de lumière solaire occultée (et comment cela affecte la température de la surface de la mer), les changements dans la vitesse des courants, les changements dans l’énergie cinétique turbulente (une mesure de la quantité de turbulence dans l’eau) et les différences dans les contraintes de cisaillement du fond (la force que l’eau exerce sur le fond marin).

L’effet d’ombrage s’est avéré modeste. En été, ils ont constaté que l’installation de FPV denses refroidissait la surface de la mer de 0,006°C en moyenne, atteignant un maximum de 0,03°C dans les endroits directement sous les unités flottantes.

En d’autres termes, les panneaux solaires massifs flottant au-dessus de l’eau n’ont pas modifié substantiellement la température de l’eau. Cela suggère que pour cette conception surélevée, l’ombrage n’est peut-être pas la plus grande préoccupation par rapport à d’autres modèles situés directement à la surface de la mer (bien que les auteurs notent que leur modèle suppose un blocage total de la lumière par les panneaux et n’a pas pris en compte la chaleur dégagée par les panneaux eux-mêmes).

Cela signifie également que l’effet sur les organismes photosynthétiques dans les couches supérieures de la colonne d’eau et les impacts ultérieurs sur les chaînes alimentaires marines pourraient être moindres qu’on ne le pensait auparavant.

En revanche, les impacts sur les courants, la turbulence et les contraintes de cisaillement des fonds marins ont été plus importants. Par rapport au scénario de vent uniquement, l’ajout de FPV a réduit la vitesse moyenne du courant de surface dans la configuration dense jusqu’à 20,7 %.

Les panneaux solaires flottants ralentissent non seulement les courants de surface, mais augmentent également les turbulences de l’eau, remuant les sédiments et modifiant la façon dont l’énergie circule dans l’environnement marin.

L’impact sur les courants de fond était bien moindre, avec une différence d’environ 0,5 % seulement, mais cela ne devrait pas minimiser l’importance de ce qui se passe au fond de la mer. Les structures FPV introduisent beaucoup plus de surfaces immergées (telles que des flotteurs, des cadres de support et des amarres) que les fondations classiques d’éoliennes, peut-être jusqu’à 20 fois plus de surface immergée par mégawatt de capacité installée par rapport aux monopieux éoliens.

Ceci est important car les structures immergées agissent comme des obstacles à l’écoulement : elles ralentissent et redirigent les courants ; générer des turbulences ; modifier la façon dont les sédiments sont déplacés, déposés ou érodés ; et finalement affecter la contrainte de cisaillement inférieure. Dans ce cas, le modèle a révélé que dans le scénario FPV dense, la contrainte de cisaillement du fond était modifiée localement jusqu’à 63 % par rapport à la configuration avec vent uniquement.

Plus frappant encore, la zone des fonds marins où la contrainte de cisaillement du fond a changé de plus d’un seuil de 10 % (une ligne directrice utilisée dans la surveillance belge des risques liés aux habitats benthiques, ou fonds marins), s’étendait jusqu’à 1,8 fois la taille du site du parc éolien et plus de 23 fois la surface couverte par les unités FPV elles-mêmes.

En bref : l’empreinte de l’influence sur les fonds marins était bien plus grande que celle des panneaux solaires flottant au-dessus de l’eau. En fait, le doublement de la capacité photovoltaïque a plus que triplé la superficie des fonds marins touchée.

Pourquoi est-ce important ? Les fonds marins abritent des habitats et des organismes benthiques, et la force avec laquelle l’eau se déplace sur les sédiments joue un rôle central dans le transport, l’érosion, le dépôt et la remise en suspension des sédiments. Lorsque la contrainte de cisaillement augmente, les sédiments peuvent être érodés, de sorte que les particules réintègrent la colonne d’eau et modifient la turbidité ; lorsque la contrainte de cisaillement diminue, les sédiments peuvent se déposer davantage, modifiant ainsi l’habitat.

Par conséquent, les changements hydrodynamiques induits par l’énergie solaire flottante pourraient modifier le fonctionnement des écosystèmes marins en modifiant les cycles biogéochimiques, les dépôts de nutriments et de carbone, la dispersion des larves et les modèles de sédimentation.

Les chercheurs soulignent que même si les impacts des parcs éoliens offshore ont été documentés, l’énergie solaire flottante reste beaucoup moins étudiée. Ce travail souligne donc à quel point la colocalisation de l’énergie solaire flottante et de l’énergie éolienne mérite une plus grande attention.

L’équipe souligne quelques réserves quant à ses résultats : la résolution de modélisation (grille de 50 × 50 m) ne peut pas résoudre les processus à très petite échelle (par exemple, les vortex tourbillonnant derrière les structures) et le modèle n’inclut pas les effets des vagues, des systèmes d’ancrage ou du biofouling (organismes se développant sur des structures qui augmenteraient la traînée, comme les moules ou les balanes).

Ils manquent également de données d’observation in situ pour ces processus dans des conditions offshore, ce qui signifie que les résultats du modèle doivent être considérés comme une estimation précoce et non comme une mesure définitive. Néanmoins, les travaux proposent une évaluation pionnière des impacts hydrodynamiques des FPV élevés dans un contexte de parc éolien offshore.

Pour les décideurs politiques, les planificateurs et les développeurs d’énergies renouvelables, l’étude envoie un message clair : l’intégration de l’énergie solaire flottante dans les parcs éoliens offshore peut sembler un moyen efficace d’optimiser l’espace marin, mais cela n’est pas sans coût environnemental. L’ampleur de l’influence hydrodynamique sur l’état des fonds marins et les écosystèmes benthiques peut être significative et s’étendre bien au-delà de l’empreinte visible des unités solaires.

À mesure que les énergies renouvelables offshore se développent, les effets cumulatifs de plusieurs installations (éoliennes, solaires et houlomotrices) doivent être pris en compte dans la planification spatiale marine, les évaluations d’impact environnemental et les programmes de surveillance.

Dans le contexte du débat public sur les énergies marines renouvelables – où l’accent est mis sur la rentabilité, l’intégration du réseau, l’utilisation de l’espace et la réduction des émissions de carbone – cette étude rappelle que les impacts écologiques et physiques marins doivent rester centraux. La transition énergétique passera nécessairement par l’ingénierie en mer, mais ingénierie et écologie doivent aller de pair.

Même si l’énergie solaire flottante peut encore apporter une contribution précieuse aux énergies renouvelables offshore, les concepteurs feraient bien de prendre en compte les effets d’entraînement hydrodynamiques : en concevant des configurations et des densités qui minimisent les perturbations des flux, des systèmes d’ancrage et d’amarrage qui limitent les perturbations des fonds marins et une surveillance rigoureuse des réponses sédimentaires et benthiques.

En fin de compte, la prochaine génération d’hybrides solaires-éoliens flottants ne devrait pas seulement se demander quelle quantité d’énergie nous pouvons produire, mais aussi comment ils vont remodeler l’environnement des fonds marins.

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