Une hydrolienne est un moyen de production d'électricité (sous-marin ou à flot) qui utilise l'énergie cinétique des courants marins ou fluviaux. Elle est souvent équipée d'une turbine hydraulique fonctionnant comme une éolienne utilisant l'énergie cinétique du vent, mais des dispositifs oscillants peuvent aussi transformer cette énergie en électricité.
La transformation de l'énergie cinétique de l'eau en mouvement en énergie mécanique est convertie en énergie électrique grâce à un alternateur. Les machines peuvent prendre les formes les plus variées allant du gros générateur de plusieurs mégawatts immergé en profondeur dans des emplacements à très forts courants de marée au micro-générateur flottant équipant des petits courants de rivière.
Dans les années 2005-2010, la volonté de développer les énergies renouvelables met un coup de projecteur sur les énergies marines et sur l’énergie hydrolienne. La maturité technique du secteur s'affirme et les investissements financiers se mettent en place. Soutenues par des politiques institutionnelles volontaristes, des études techniques et environnementales sont réalisées. Dans le même temps, démonstrateurs et prototypes sont testés à travers le monde pour valider concepts et machines. Dix ans plus tard, le constat est moins optimiste : contraintes techniques, réglementations environnementales et coûts d'exploitation élevés freinent le développement d'un secteur industriel encore fragile.
thumb|Hydrolienne (Sabella D03) sur le quai à Port-Navalo.
Principe des turbines Puissance théorique La puissance cinétique d'un fluide traversant une aire circulaire de surface est :
en W
avec : : Vitesse du fluide au niveau de l'hydrolienne : masse volumique du fluide (eau douce , eau de mer ) : vitesse du fluide en m/s.
Puissance récupérable
L'énergie récupérable est inférieure à l'énergie cinétique du flux d'eau en amont de l'hydrolienne, puisque l'eau doit conserver une certaine vitesse résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Un modèle élémentaire de fonctionnement des hélices, dû à Rankine et Froude, permet d'évaluer le ratio de la puissance cinétique récupérable pour une section perpendiculaire au fluide en mouvement. C'est la limite de Betz, égale à . Cette limite peut être dépassée si le courant de fluide est forcé dans une veine de section variable (effet venturi) plutôt que de circuler librement autour de l'hélice.
La puissance maximale récupérable théorique d'une hydrolienne peut s'exprimer ainsi :
Où : = puissance en watts (W) ; = surface balayée par les pales en mètres carrés (m) ; = vitesse de la veine d'eau en mètres par seconde (m/s).
Pour le calcul de la puissance d'une hydrolienne tenant compte de l'énergie cinétique et potentielle, voir : calcul de la puissance d'une turbine type éolien ou hydrolienne.
Les hydroliennes tirent profit de la masse volumique de l'eau, plus élevée que celle de l'air (environ à ). Malgré une vitesse de fluide moindre, la puissance récupérable par unité de surface d'hélice est donc beaucoup plus grande pour une hydrolienne que pour une éolienne. D'autre part, la puissance du courant varie avec le cube de la vitesse, ainsi, l'énergie produite par un courant de est huit fois plus forte que celle produite par un courant de Selon la formule P=1/2 r.m.v3. Les sites présentant les courants forts (> ) sont donc particulièrement favorables, mais malheureusement assez rares (quelques dizaines de sites dans le monde).
Déformation de la veine d'eau L'incompressibilité de l'eau impose que le flux traversant l'hydrolienne soit identique en amont et en aval. Ainsi le produit de la vitesse par la section est constant avant et après l'hélice. Au passage de l'hydrolienne, le fluide est ralenti et la veine s'élargit.
Historique thumb|Le système SeaFlow déployé au large de la Grande-Bretagne. thumb|Le système SeaGen déployé au large de la Grande-Bretagne. La récupération de l'énergie hydraulique sous sa forme gravitationnelle existe depuis longtemps. C'est le principe actionnant les machines ou les ouvrages tels que les moulins à eau, moulins à marée, les barrages hydrauliques ou les usines marémotrices. Par contre, la récupération de l’énergie cinétique des courants fluviaux ou marins reste rare avant le .
Au début des années 2000, la nécessité de développer les énergies renouvelables met un coup de projecteur sur les énergies marines et en particulier sur l’énergie hydrolienne. À partir des années 2005-2010, la maturité technique du secteur permet le démarrage simultané d'études techniques et environnementales à travers le monde. L’hydrolien bénéficie alors d'énormes efforts techniques et financiers, à l'instar du développement de l’éolien quelques années plus tôt. À cette époque, on prévoit un déploiement rapide de la filière industrielle, en particulier pour le gros hydrolien (machine de et plus).
Le développement de nouveaux matériaux (composites, béton composite, alliage métallique) conforte l'idée que des solutions techniques pertinentes et adaptées au milieu marin pourraient s'imposer. Les années 2010 voient la réalisation de démonstrateurs et de prototypes testés un peu partout dans le monde. Ainsi, en 2010, Atlantis créé la première hydrolienne de grande tailleL’Écosse a sa première hydrolienne géante, effetsdeterre.fr, 13 août 2010., puis en 2015, Alstom installe en Écosse une hydrolienne de L’hydrolienne de d’Alstom installée en Écosse atteint de production électriqueL’Écosse fait pousser ses fermes hydroliennes, Libération, 9 septembre 2014.. En parallèle, démarre le mini-hydrolien plus adapté au fleuve et à la rivière, de maintenance plus aisée et donc de coûts d'investissements moindres.
En 2018, en France, le constat est amer : les réalisations industrielles restent rares et le secteur des énergies marines, en particulier l'hydrolien, peine à se développer.. Les difficultés techniques liées au milieu marin telles que la corrosion, les incrustations et la cherté des opérations de maintenance ou de réparation contribuent à un coût au mégawatt-heure prohibitif par rapport à d'autres énergies renouvelables. Les contraintes réglementaires particulièrement lourdes en France freinent le développement d'un secteur qui a déjà du mal à démarrer..
En , Naval Energies annonce la fin de ses investissements dans l'hydrolien et concentrera désormais ses activités sur l'éolien flottant et l'énergie thermique des mers. Cette filiale de avait investi d'euros dans l'hydrolien depuis 2008 et venait juste d'inaugurer le l'usine de Cherbourg-en-Cotentin dédiée à l'assemblage des turbines hydroliennes. Cette décision est justifiée par l'absence de perspectives commerciales et par un système de subventions qui n'apporte pas d'aides directes aux constructeurs pendant les phases de développementNaval Group met fin à ses investissements dans l'hydrolien, Les Échos, 27 juillet 2018.. Le choix de la Grande-Bretagne de ne pas subventionner l'hydrolien, ajouté à la sensibilité du Canada aux coûts de la technologie, a renforcé l'analyse d'un marché non rentable. Mise en liquidation judiciaire par un tribunal irlandais, OpenHydro ne devrait pas honorer les commandes de deux machines pour le Japon et le CanadaLa filière hydrolienne dans l'incertitude après le retrait de , Les Échos, 29 juillet 2018..
Toutefois, le début des années 2020 voit une modification de la conjoncture. En 2021, installe en Écosse une plateforme hydrolienne de grande tailleLa plateforme hydrolienne géante d'Orbital a commencé à produire de l'électricité en Ecosse, L'Usine nouvelle, .La plus puissante hydrolienne du monde est entrée en service, revolution-energetique.com..
En 2022, le projet Flowatt est en cours de validation au Raz Blanchard, une ferme pilote d’hydroliennes qui sera la plus puissante au monde.. HydroQuest et Qair doivent développer sur cette concession, cédée par EDF Renouvelables, une ferme pilote hydrolienne de .. Son entrée en service est planifiée pour 2025..
La même année, Sabella et Nova Innovation envisagent de développer une ferme hydrolienne en ÉcosseSabella associée à un projet de ferme hydrolienne en Écosse, Le Télégramme., après avoir obtenu une concession similaire au Pays de GallesSabella et Nova installeront une ferme hydrolienne en Écosse, Ouest-France..
Technologie Avantages Les avantages des hydroliennes sont les suivants : le potentiel des courants marins est important ; les hydroliennes utilisent une énergie renouvelable, ne polluent pas et ne génèrent pas de déchets (dans leur phase d'exploitation tout au moins) ; du fait de la masse volumique importante de l'eau ( supérieure à celle de l'air), les hydroliennes, à puissance équivalente, sont beaucoup plus petites que les éoliennes. Elles ont un impact visuel limité et ne nécessitent pas d'ouvrages de génie civil complexes contrairement aux barrages hydrauliques ; les courants marins sont prévisibles (notamment en consultant les éphémérides), on peut donc estimer avec précision la production d'électricité à venir.
Inconvénients Les inconvénients sont essentiellement : la prévention du développement des algues et organismes encroûtants sur l'hydrolienne requiert d'utiliser régulièrement un antifouling, produit toxique pour la faune et la flore marine. Réaliser l'opération sous l'eau est peu envisageable, à la fois pour des raisons techniques et environnementales, ce type d'opération étant interdit à l'extérieur d'une aire de carénage spécialement aménagée. Une opération de maintenance à intervalle régulier pour démonter ou extraire l'hydrolienne de l'eau et refaire son carénage est donc indispensable ; dans les eaux turbides, du fait de la présence de sable en suspension (dans les détroits, le pas de Calais ), l’érosion des pales d’hélice ou des pièces mobiles par le sable est très forte ce qui nécessite des opérations de maintenance sur les pales. Pour faciliter le remplacement, certaines hydroliennes ont une structure émergeant de l’eau (qui peut être gênante pour la navigation), ou possèdent des systèmes à ballast permettant de faire plonger ou remonter les unités de production ; les hydroliennes créent des zones de turbulences, qui modifient la sédimentation et le courant, avec de possibles effets sur la flore et la faune juste en aval de leur position. Ces aspects sont analysés par les études d'impacts ; des poissons, mammifères marins ou des plongeurs pourraient heurter les hélices et être blessés plus ou moins gravement. Ces dernières peuvent néanmoins tourner très lentement (cela dépend de la résistance opposée par l'alternateur et donc du modèle d'hydrolienne). Toutefois, la première étude anglaise sur le sujet () menée en 2009, par et déposée à la (États-Unis), a démontré clairement la sécurité du procédé. Selon ces résultats, seulement un poisson sur 402 a montré des signes de blessures peut-être plus attribuables à la mise en place du protocole qu’aux turbines elles-mêmes. Cette étude s'applique toutefois aux poissons et non aux gros mammifères marins.
Afin d'éviter ces inconvénients, certains ont proposé le principe d'hydrofoils oscillants. L'un des plus récents est le dispositif autostable à doubles pales de F. Guigan et J. Simeray The new marine current power source, streamwings.com.
Impacts environnementaux