Voyons maintenant avec quoi l'usine marémotrice de la Rance produit de l'énergie électrique et quelles sont les différentes étapes nécessaires pour optimiser son fonctionnement.
1. L'équipement électromagnétique :
L'équipement électromagnétique concerne tout le matériel nécessaire pour transformer l'énergie mécanique des marées en énergie électrique distribuée par EDF.
a/ Les groupes bulbes
Les anciens moulins à marées n'étaient actionnés que lorsque la mer se retirait, c'est à dire deux fois par jour. En revanche, par souci de rentabilité, l'usine marémotrice de la Rance est capable de turbiner aussi bien au moment du remplissage du bassin qu'à celui du vidage, à marée montante comme à marée descendante.
Pour cela, EDF a mis au point un nouveau type de turbines, les groupes bulbes (voir schémas détaillés), capables de fonctionner dans les deux sens. Ces groupes en forme de bulbe rassemblent dans une même coque métallique immergée dans un conduit hydraulique une turbine reliée par son axe à un alternateur.
Hermétiquement protégé, l'ensemble du groupe électromécanique peut être intégralement immergé dans le conduit hydraulique. Les pales des turbines peuvent changer d'orientation suivant le sens du courant. Les mensurations de chacun des 24 groupes bulbes de la Rance sont impressionnantes : 5,3 mètres de diamètre, 470 tonnes pour une puissance unitaire de 10 MW.
b/ L'exploitation des groupes bulbes :
Pour augmenter le temps d'exploitation de l'usine, les groupes bulbes ont été conçus de manière à pouvoir être utilisés comme pompes. Ainsi, lorsque la mer est proche du niveau du bassin, le remplissage de ce dernier est accéléré par pompage. Ce supplément permet d'augmenter le volume d'eau du bassin et ainsi, lors du flux suivant, les turbines seront actionnées plus tôt et plus longtemps. Ce système de pompage-turbinage permet d'amplifier ou d'anticiper la production en fonction des besoins en électricité du réseau. Outre l'usine marémotrice, les groupes bulbes équipent aussi des barrages au fil de l'eau sur le Rhin et le Rhône.
L'unité d'exploitation est constituée par un ensemble de 4 groupes qui fonctionnent simultanément et disposent en commun d'un certain nombre d'organes annexes notamment pour le réglage des turbines et l'excitation des alternateurs. Chaque ensemble débite sur l'un des deux primaires (enroulement alimenté par le réseau) du transformateur de bloc correspondant. Il existe donc 6 ensembles et 3 blocs.
Chacun des 3 transformateurs de blocs 3,5 / 3,5 / 225 kV, d'une puissance de 80 MW, est réfrigéré par circulation d'huile et air soufflé. Ces transformateurs sont reliés au poste 225 kV extérieur par des câbles à huile sous pression. Toutes les informations nécessaires à la bonne marche de l'usine convergent vers la salle de commande. Le système informatique local assure le pilotage automatique de l'ensemble de l'usine. Il fixe les conditions de fonctionnement des groupes et des vannes à partir d'un programme élaboré hebdomadairement par un ordinateur central, extérieur à l'usine.
Le recours à un ordinateur central est imposé par la complexité des calculs d'optimalisation de la production qui doivent tenir compte entre autres des caractéristiques propres à chaque marée et de la variation du coût de l'énergie en fonction du temps.
c/ Caractéristiques techniques :
Puissance installée : 240 MW
Productivité nette annuelle : 544 millions de kWh (énergie de pompage déduite)
Energie consommée pour le pompage : 64,5 millions de kWh
Nombre de groupes : 24
Turbines
Type Kaplan horizontale, distributeur conique
diamètre de la roue : 5,35 m
nombre de pales : 4
inclinaison des pales : variable de - 50 à + 350
Alternateurs :
Survitesse maximale : 260 tr/mn.
Vitesse de rotation normale : 93,75 tr/mn.
Tension de sortie :3,5 kV
Réfrigération par air comprimé à 2 bars absolus.
Type synchrone (la fréquence des forces électromotrices et la vitesse sont dans un rapport constant)
Excitation (production d'un flux magnétique avec un courant électrique) statique
Auxiliaires : Les services auxiliaires alternatifs sont alimentés à partir de 2 transformateurs de 5 MW - 63/5,5 kV raccordés en dérivation sur un câble reliant Dinard et St-Malo. Un réseau 5,5 kV distribue l'énergie à une série de 8 postes de transformation 5 500/380 volts. Deux groupes Diesel de 600 kV à démarrage automatique assurent l'alimentation des auxiliaires essentiels en cas de manque de tension sur le réseau 63 kV.
2. Le fonctionnement de l'usine :
Ce qui caractérise l'usine marémotrice de la Rance, c'est surtout ses cycles d'exploitation déterminés avant tout par les marées mais également par la disponibilité prévisionnelle des groupes et des vannes et la prévision hebdomadaire de la valeur de l'énergie.
a/ Cycle à simple effet :
Comme nous l'avons vu, l'estuaire est barré par une digue capable de retenir un grand volume d'eau. Dans cette digue sont aménagés des vannes par lesquelles la marée montante remplit le bassin de retenue. Lorsque la marée a atteint son plus haut niveau, les vannes sont fermées. On attend alors que la mer a suffisamment baissé de façon à obtenir une certaine hauteur de chute entre le niveau de bassin et le niveau de la mer. La chute d'eau permettra de faire tourner la turbine entraînant un alter-nateur. Dans le cas du simple effet, la production d'électricité sera intermit-tente et suivra le rythme des marées et non le rythme des activités humaines.
Pour des marées moyennes ou de mortes eaux, on utilise le cycle à simple effet. Dans ce cas, il y a 5 transitions successives par marée
1. Ouverture des 6 vannes : la marée montante remplit l'estuaire, il n'y a pas de production d'énergie.
2. Fermeture des vannes : couplage des groupes en pompe. L'énergie électrique prélevée sur le réseau EDF permet une surélévation du niveau de l'estuaire.
3. Arrêt des groupes
4. Démarrage des groupes en turbinage direct : l'énergie électrique est fournie au réseau, les mètres cubes d'eau pompés sous faible chute pendant la phase 2 sont cette fois turbinés sous une chute plus importante. Le gain en énergie produite est ainsi 2 fois supérieur à l'énergie absorbée lors du pompage.
5. Arrêt des groupes
b/ Comment optimiser les capacités de l'usine ?
Le groupe bulbe permet de pomper ; il est donc possible de surélever le niveau du bassin en fin de remplissage par rapport au niveau de la mer. La production s'en trouvera accrue puisque l'eau pompée sous une faible hauteur travaillera quelques heures plus tard sous une chute plus élevée.
En 1995-1996, le cycle à double effet (voir c/) a été utilisé pour 22 % des marées. Le cycle à simple effet est donc largement majoritaire. Les transitions entre le cycle à simple effet et le cycle à double effet ne sont pas optimales du point de vue énergétique mais évitent les conséquences de variations de niveau brutales sur l'écosystème.
Sur la base des niveaux de la mer observés, le marnage est réduit d'environ 40% et les volumes échangés avec la mer d'environ 30% du fait du relèvement du niveau moyen. Les réels étales artificiels du bassin ne concernent actuellement que 10% des marées et proviennent des suppressions du pompage dues majoritairement ces dernières années par des contraintes électriques sur le réseau très haute tension de Bretagne.
c/ Cycle à double effet :
Le principe de fonctionnement de l'usine de la Rance est le même que celui des moulins à marée, mais grâce aux groupe bulbe qui permettent de turbiner dans les deux sens d'écoulement de l'eau, l'énergie peut être produite aussi bien au remplissage qu'au vidage du bassin. C'est le cycle à double effet. Le double effet implique d'avoir des turbines et des alternateurs capables de fonctionner en tournant dans les 2 sens. Les groupes bulbes qui équipent la Rance de la Rance ont été conçus pour fonctionner de cette manière. On allonge ainsi la durée de production et surtout on déplace les moments de production qui peuvent se trouver mieux adaptés aux besoins.
Pour des marées moyennes ou de mortes eaux, on utilise le cycle à simple effet. Dans ce cas, il y a 5 transitions successives par marée (graphique 1 : figure 29 en face)
1. Démarrage des groupes en turbinage inverse. Contrairement au cycle à simple effet, la variation rapide du niveau de la mer permet d'obtenir une chute suffisante pour coupler les groupes au réseau et produire de l'énergie au remplissage.
2. Ouverture des vannes : Accélération du remplissage.
3. Fermeture des vannes : Passage des groupes en orifice puis couplage en pompe.
4. Arrêt des groupes
5. Démarrage des groupes en turbinage direct.
6. Arrêt des groupes
3. Bilans :
a/ Bilan énergétique et avenir de l'usine :
En novembre 1996, l'usine marémotrice a célébré sa trentième année d'exploitation. L'expérience unique et pionnière débutée dans les années cinquante s'avère aujourd'hui constituer une réussite technique, industrielle et économique. Pendant 30 ans, les 24 turbines de la Rance ont fait preuve d'une remarquable fiabilité, l'usine a fonctionné sans incident ni panne majeure pendant 160 000 heures et produit 16 milliards de kWh au prix de 18,5 centimes le kilowattheure, un prix très compétitif et inférieur à la moyenne des coûts de production d'EDF (20 centimes pour une centrale nucléaire).
A elle seule, elle produit 91% de l'énergie électrique marémotrice mondiale et reste actuellement l'unique usine marémotrice au monde de taille industrielle. Ce mode de production est appelé à se développer fortement dans le siècle prochain. L'usine produit 3,5% de l'énergie électrique consommée dans les 4 départements bretons, ce qui correspond à l'énergie consommée par la ville de Rennes et de son agglomération.
Le bilan énergétique de l'usine marémotrice de la Rance est donc un succès. Il est clair qu'elle produit beaucoup moins d'électricité qu'une centrale nucléaire mais l'énergie marémotrice est une énergie renouvelable et sans effet néfaste sur l'environnement comme l'a été Tchernobyl en 1994 : en effet, l'énergie nucléaire est très dangereuse. Ainsi, l'énergie marémotrice pourrait une solution pour remplacer l'énergie nucléaire qui est certes efficace mais pas sans risque.
Pour permettre à l'usine marémotrice de fonctionner aussi bien pendant les trente prochaines années, EDF a décidé de procéder à une révision générale et préventive de tous les équipements de l'usine. Ce programme de révision exceptionnel s'étalera sur dix ans à raison de trois groupes bulbes contrôlés chaque année. A terme, c'est un barrage entièrement remis à neuf qui brassera et transformera en électricité le va-et-vient des marées.
b/ Bilan écologique :
Soucieuse de la préservation de l'écosystème de la Rance, EDF exploite l'usine marémotrice de manière à limiter son impact sur l'environnement. Quelles que soient les contraintes du réseau électrique, EDF s'attache à réguler le niveau de haute et basse mer du bassin en fonction de l'évolution des marées pour ne pas perturber l'équilibre biologique du milieu aquatique (sources EDF). Si la construction du barrage a modifié les courants dans l'estuaire, et par conséquent la répartition géographique des sédiments, les études disponibles sur le bilan sédimentaire semblent traduire une évolution naturelle.
La construction de l'usine il y a 30 ans a provoqué quelques modifications dans l'écosystème de la Rance :
- Une nouvelle faune : Tout estuaire est un fragile équilibre entre eau douce et eau salée, en barrer l'embouchure modifie forcement l'écosystème. Aujourd'hui l'estuaire n'est plus qu'un lac d'eau douce, la flore et la faune ont donc été nécessairement modifiées et restent sous surveillance perpétuelle. Après la construction du barrage, il faudra attendre 10 ans avant que l'estuaire ne redevienne marin et que les bancs de poissons ne retrouvent le chemin de l'estuaire. Les vannes et les turbines empêchent une grande quantité d'espèces marines de remonter dans l'estuaire où elles ont en grande partie disparu. Maquereaux, lançons et autres congres sont maintenant rares, il reste cependant des bars et des lieus.
- L'envasement : L'estuaire de la Rance subit depuis la construction du barrage un fort envasement. La présence du bassin de retenue et les marées artificielles favorisent une forte décantation qui va parfois jusqu'à un phénomène de poldérisation (transformation d'une région en terre gagnée sur la mer endiguée et mise en valeur). Les plages de part et d'autre du barrage le prouvent : à 300 mètres en amont, les plages sont recouvertes d'une accumulation de 70 centimètres de vase, alors qu'à 100 mètres en aval, les plages sont intégralement sableuses. Pour l'E.D.F. ce problème se produit dans la plupart des estuaires, et n'est donc pas lié à l'usine.
c/ Les critiques des pêcheurs :
La construction du barrage a énormément perturbé les habitants riverains et notamment les pêcheurs. Il n'existe plus au sein de l'estuaire de marées naturelles. La Rance est balayée de flux et de reflux artificiels, créés suivant les besoins de l'usine : il arrive que la mer monte en trois heures seulement. Le barrage exerce un diktat sur la nature selon les pêcheurs.
Ainsi, les habitudes anciennes des pêcheurs qui travaillaient avec l'heure de la mer ont été perturbées. En effet leur planification de leurs travaux ne peut se faire que 48 heures à l'avance grâce aux diffusions, par la presse locale, du niveau dans le bassin et des horaires correspondantes, données de l'E.D.F.. Ainsi, il est difficile aux marins de s'adapter aux contraintes de circulation imposées par l'ouverture et la fermeture de l'écluse et les possibilités offertes par le niveau d'eau dans le bassin. Le barrage a rompu le lien entre estuaire et bord de mer : autrefois, les marins venaient confectionner leur équipage dans l'estuaire. Aujourd'hui les deux vies sont intégralement distinctes.
Le barrage est peu aimé dans la région. Les marins qualifient leur estuaire de grand lac salé. Les marins ne peuvent pas exercer librement d'activité de pisciculture car les panneaux risquent d'entraver la libre circulation de l'eau. On cite, par exemple, le cas d'un pisciculteur qui se serait vu facturer toutes les pertes qu'il aurait fait subir à E.D.F pendant sept ans. Aucune autre pisciculture ne serait installée dans l'estuaire depuis.
Cependant le bassin de la Rance offre des conditions particulières agréables : eaux abritées, eaux relativement profondes, souvent renouvelées donc bien oxygénées. La technique des cages flottantes est donc bien adaptée à la production des salmonidés (famille de poissons osseux à nageoire dorsale tel que le saumon).
d/ Les conséquences économiques :
- Le barrage : un axe de communication entre deux rives : Le passage de l'écluse, seul moyen de communication entre la Rance fluviale et la Rance maritime, est une véritable contrainte pour tous les riverains de l'estuaire : l'ouverture toutes les heures est le siège de nombreux embouteillages. Cependant le barrage est un facteur d'union entre les deux rives. La route au-dessus du barrage répond à un besoin exprimé de longue date par les riverains. Elle ramène de 45 à 15 kilomètres la distance entre les villes de Dinard et Saint-Malo. En effet, autrefois, les seuls moyens de communication étaient le pont Saint-Hubert, à 20 km en amont, ou les deux compagnies de vedettes (les blanches et les vertes qui existent toujours). Aujourd'hui, le pont subit une circulation de 25 à 35 000 véhicules par jour
Le barrage contribue à l'équilibre économique des deux rives en favorisant le passage des engins agricoles, le transit des marchandises (la collecte du lait, les produits manufacturés). De plus, cette voie rapproche de leur emploi de nombreuses personnes vivant sur la rive opposée.
- Le bassin : un lieu de plaisance favorable au tourisme : Le bassin procure à tous une vaste étendue de 2200 hectares à marée haute. De plus, les courants extrêmement rapides d'antan ont diminué avec la construction du barrage. Ces deux conditions permettent aux plaisanciers de développer pleinement leur activité, l'estuaire abrité est propice à une navigation sûre et calme. Ce bassin conduit à un accroissement annuel de 15% de la flotte de plaisance régionale. Le trafic à l'écluse peut témoigner de l'attrait de la Rance sur la plaisance : il y a plus que triplé entre 1960 et 1980. Cependant, l'explosion de la plaisance conduit peu à peu à des encombrements navals à l'écluse surtout au mois d'août avec plus de 8000 passages (1800 en temps normal), et cela malgré les dimensions impressionnantes de l'écluse permettant de livrer passage à un sous-marin.
Au niveau économique, ces activités font travailler 60 personnes réparties dans 8 entreprises. Loin d'être mystérieuse, l'usine marémotrice est elle-même un lieu de tourisme avec, chaque année, plus de 400 000 visiteurs.