Les technologies de l’eau englobent une variété de systèmes qui utilisent l’océan ou l’eau douce pour produire de l’électricité ou de l’énergie thermique. La technologie de l’eau la plus familière est l’hydroélectricité, dans laquelle la force de l’eau en mouvement propulse une turbine, qui à son tour fait fonctionner un générateur pour créer de l’électricité. L’hydroélectricité et les autres technologies de l’eau sont renouvelables, car leur combustible est naturellement reconstitué par le cycle de l’eau ; ce sont des alternatives propres à la combustion de combustibles fossiles qui provoquent le changement climatique. L’hydroélectricité ne nécessite pas l’achat de combustibles pour sa production, contrairement au gaz naturel, au charbon et aux autres centrales à combustible. Les seuls coûts sont la construction et l’exploitation des installations de production.

A l’échelle mondiale, l’hydroélectricité représente environ 15 % de la production électrique. En 2014, les centrales hydroélectriques américaines avaient une capacité d’environ 101 000 mégawatts (MW) et ont produit 6 pour cent de l’énergie totale et 48 pour cent de l’électricité renouvelable aux États-Unis. Bien que la plupart des sites adaptés aux barrages à grande échelle aient été aménagés aux États-Unis et dans le monde, il existe de nombreuses possibilités d’installer des systèmes hydroélectriques sur des barrages existants actuellement dépourvus de capacité de production, et d’utiliser d’autres technologies d’énergie hydraulique dans les rivières, les zones de marée et en pleine mer. Selon deux études réalisées en 2012 par le département américain de l’énergie, les barrages existants qui ne produisent pas d’électricité actuellement pourraient fournir 12 000 MW de capacité supplémentaire, et si de nouvelles installations (y compris celles qui exploitent les vagues et les courants de marée) sont construites, l’hydroélectricité pourrait potentiellement fournir 15 pour cent de l’électricité américaine d’ici 2030 (vs. 6 pour cent aujourd’hui).

Les installations hydroélectriques peuvent être installées sur des rivières, des océans ou des lacs.

Fleuves

Barrages

Les grands barrages hydroélectriques sur les grands fleuves sont les générateurs d’énergie hydraulique les plus développés. Les centrales à accumulation par pompage ou à réservoir stockent l’eau dans un réservoir pour la libérer afin de l’utiliser lorsque le cours d’eau est plus lent ou lors des pics de demande d’énergie. Cela permet une production fiable d’électricité en charge de base. Le barrage Hoover au Nevada et le barrage Grand Coulee dans l’État de Washington sont des exemples de ces grandes installations. Les grands barrages répondent également à de multiples besoins sociétaux tels que l’irrigation, le contrôle des inondations et les loisirs.

Les centrales à réservoir présentent plusieurs inconvénients. Des études suggèrent que les grands réservoirs dans les climats boréaux et tropicaux émettent autant de gaz à effet de serre qu’une centrale électrique à combustible fossile. La végétation inondée se décompose, libérant du méthane et du dioxyde de carbone en grande rafale au début de la vie d’un barrage et continuant en quantités moindres tout au long de l’utilisation du barrage. Parmi les autres impacts, citons les modifications de la température de l’eau, de l’oxygène dissous et d’autres nutriments, les dommages causés à l’écosystème de la rivière, le déplacement des communautés en raison de la modification du débit de la rivière et l’instabilité des berges entraînant la déforestation, les inondations et l’érosion. L’hydroélectricité est vulnérable au changement climatique. Des sécheresses prolongées peuvent diminuer le niveau d’eau de la rivière, réduisant ainsi la production d’électricité, tandis que la fonte des glaciers, la fonte rapide du manteau neigeux ou les changements dans le régime des précipitations, de la neige à la pluie, peuvent modifier considérablement le débit de la rivière.
Run-of-the-River

Les centrales au fil de l’eau n’ont pas d’installations de stockage de l’eau mais peuvent utiliser des barrages de faible hauteur pour augmenter la différence entre le niveau de la prise d’eau et la turbine. Dans ce cas, le débit naturel de la rivière produit de l’électricité et la quantité d’énergie produite fluctue en fonction du cycle de la rivière. Bien que la technologie au fil de l’eau puisse être utilisée pour la production d’électricité à grande échelle, elle est généralement appliquée pour alimenter des communautés individuelles en électricité, avec des capacités inférieures à 30 MW. Cette forme de production d’électricité est populaire dans les zones rurales de la Chine, mais elle a des applications potentielles dans de nombreux endroits, y compris aux États-Unis. La technologie au fil de l’eau perturbe généralement beaucoup moins le débit de la rivière par rapport aux grands barrages hydroélectriques.
Courant

La génération de courant fonctionne de manière similaire à une éolienne, mais sous l’eau. L’eau étant plus dense que l’air, l’eau se déplaçant à une vitesse donnée produira beaucoup plus d’énergie que celle générée par une vitesse de vent comparable. Cependant, la turbine elle-même doit être plus solide et, par conséquent, elle est plus coûteuse. L’impact environnemental des turbines actuelles n’est pas clair. Elles pourraient nuire aux populations de poissons, mais des turbines sans danger pour les poissons ont été développées.

Les États-Unis disposent de nombreux sites potentiels où la production de courant pourrait avoir lieu, et plusieurs projets sont en cours, notamment ceux de l’East River à New York et de la baie de San Francisco. La Commission fédérale de réglementation de l’énergie a délivré la première licence de projet pilote commercial d’énergie marémotrice des États-Unis en 2012. La licence de 10 ans met le projet East River (Roosevelt Island Tidal Energy) sur la voie de la construction de 30 turbines pour générer 1 MW.

Océans

Barrage marémoteur

L’énergie marémotrice océanique exploite le cycle prévisible de l’énergie produite par les marées. Un barrage marémoteur fonctionne de la même manière qu’un grand barrage réservoir hydroélectrique, mais il est placé à l’entrée d’une baie ou d’un estuaire. L’eau retenue dans la baie est libérée par des turbines dans le barrage et produit de l’énergie. L’amplitude entre la marée haute et la marée basse doit être suffisamment importante, environ dix pieds, pour que le barrage fonctionne de manière économique. Les meilleurs sites potentiels sont situés dans le nord de l’Europe et sur la côte ouest des États-Unis. Un barrage marémoteur à La Rance, en France, fonctionne depuis 1967 avec une capacité de 240 MW. L’impact environnemental potentiel des barrages pourrait être important car ils sont construits dans des écosystèmes d’estuaire délicats, mais des conceptions moins intrusives telles que des clôtures ou des barges flottantes sont en cours de développement.
Courant de marée

Similaire aux technologies de courant fluvial, des turbines ancrées au fond de l’océan ou suspendues à une bouée dans la trajectoire d’un courant océanique pourraient être utilisées pour produire de l’énergie. Bien que cette technologie soit en phase de développement, certains emplacements potentiels aux États-Unis comprennent le golfe du Maine, la Caroline du Nord, le nord-ouest du Pacifique et le Gulf Stream au large de la Floride.
Vague

Lorsque le vent se déplace à la surface de l’océan, il transfère de l’énergie à l’eau et crée des vagues. Bien que variables en taille et en vitesse, les vagues sont prévisibles et se créent constamment. Rien que dans les eaux côtières américaines, l’énergie totale annuelle des vagues est de 2 100 térawattheures.

Une variété de technologies est testée pour convertir l’énergie des vagues en électricité. La plupart des systèmes captent l’énergie à la surface des vagues ou utilisent les différences de pression juste sous la surface. Ces systèmes utilisent la houle des vagues pour créer une pression et faire bouger des pompes hydrauliques ou de l’air sous pression, ce qui met en mouvement des générateurs. Les impacts environnementaux des générateurs de vagues ne sont pas entièrement connus, mais on pense qu’ils sont minimes et spécifiques au site.

Les meilleurs sites potentiels pour la génération de vagues sont les zones océaniques avec de forts courants de vent. Ces zones se situent entre 30° et 60° de latitude, les zones polaires où les tempêtes sont fréquentes, les zones proches des alizés équatoriaux et les côtes ouest des continents. Les technologies hybrides éoliennes et houlomotrices pour les parcs énergétiques en mer sont en cours de développement. Les sites potentiels aux États-Unis pour les fermes énergétiques hybrides vent-houle comprennent les zones côtières de la côte Est et du Nord-Ouest du Pacifique.
Conversion de l’énergie thermique des océans

La conversion de l’énergie thermique des océans (OTEC) utilise la vapeur produite par les eaux chaudes de surface pour faire tourner des turbines génératrices. L’eau froide des profondeurs de l’océan condense la vapeur en eau pour la réutiliser. Une différence de température de 36°F est nécessaire entre la surface et les eaux profondes. Les sites potentiels comprennent les îles tropicales. L’ETM n’en est qu’au début de son développement et n’est pas encore rentable, en raison du coût élevé du pompage de l’eau profonde vers les centrales de surface. L’OTEC peut être associée à des systèmes de climatisation thermique des océans (voir ci-dessous). En outre, l’eau profonde, riche en nutriments, peut être utile à l’aquaculture. Les bassins de surface pompés avec de l’eau profonde peuvent cultiver des saumons, des homards et d’autres fruits de mer, ainsi que du plancton et des algues.
Climatisation thermique des océans/lacs

En plus de générer de l’électricité, l’eau peut également être utilisée pour l’énergie thermique directe. L’eau des lacs ou des océans peut permettre de climatiser des bâtiments. L’eau froide des profondeurs est utilisée pour refroidir l’eau douce qui circule dans un bâtiment dans un système de tuyaux fermés, fournissant une climatisation à un coût inférieur à celui des méthodes traditionnelles. L’eau usée est renvoyée dans l’océan ou le lac pour renouveler le cycle. Pour être économique, l’eau froide et profonde doit être comprise entre 39°F et 45°F et proche du rivage. On trouve des exemples de systèmes de refroidissement thermique des océans à Hawaï (en même temps que des installations OTEC) et à Toronto, où l’eau du lac Ontario est utilisée pour climatiser les bâtiments du centre-ville. Un projet OTEC à grande échelle (100 MW+) situé dans des communautés insulaires comme Porto Rico, Hawaï ou Guam peut être économiquement viable.

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