Finance bleue : les énergies marines renouvelables

Quelle différence entre énergie fossile et énergie renouvelable ?

Revenons tout d’abord sur la différence entre énergie fossile et énergie renouvelable. Les énergies fossiles nécessitent l’extraction de matières premières stockées dans le sol de la Terre limitées quantitativement (charbon, gaz naturel, pétrole, uranium). Au-delà de l’épuisement continu des ressources naturelles, l’extraction de ces matières entraine des dégâts environnementaux majeurs tels que la destruction de zones naturelles d’extraction riches en biodiversité (forêts tropicales, Arctique…) et de pollutions chimiques de la biosphère (pollution des nappes phréatiques, marées noires, rejet de dioxyde de carbone…). Sans compter que la consommation de ces énergies fossiles est la principale source d’émissions de gaz à effet de serre (EGS) générateurs de destruction de la couche d’ozone et des changements climatiques. Les énergies fossiles représentent à ce jour les trois quarts du mix énergétique mondial et la combustion d’énergie fossile est responsable de plus de 70% des émissions de C02 dans le monde. Malgré le repli historique des émissions liées à l’énergie en 2020 du fait de la crise sanitaire mondiale et des mesures de confinement, un rapport de l’Agence Internationale de l’Energie (AIE) publié en avril dernier démontre un regain de la consommation d’énergies fossiles liée à la reprise économique et notamment un pic significatif de demande de charbon, qui se maintient comme première source mondiale de production d’électricité.

A la différence des énergies fossiles, les énergies renouvelables reposent sur des ressources naturelles au capital de régénération permanent : le soleil (panneaux photovoltaïques, panneaux solaires thermiques), les mouvements cinétiques de l’eau (barrages hydroélectriques), les mouvements cinétiques du vent (éoliennes terrestres et en mer), la chaleur terrestre (géothermie), la biomasse (bois, biocarburants, biogaz). L’exploitation de ces ressources engendre peu de déchets et d’émissions polluantes et les systèmes d’exploitation (panneaux solaires, éoliennes…) disposent d’un fort taux de recyclabilité. Par ailleurs, les coûts de production autrefois très élevés de ces énergies renouvelables tant à diminuer considérablement grâce à l’amélioration des technologies et la compétitivité du secteur. Une étude de l’IRENA (Agence Internationale pour les Energies Renouvelables) publiée en 2019 indiquait ainsi que depuis 2010, le coût de production du solaire photovoltaïque a baissé de 82% et l’éolien terrestre de 39%.

L’enjeu des énergies renouvelables est reconnu par l’ONU dans son Agenda 2030 adopté en 2015 qui promeut dans son Objectif de Développement Durable (ODD) 7 la garantie d’accès de tous à des services énergétiques fiables, durables et modernes, à coût abordable. Alors que l’Accord de Paris de 2015 signé par 194 nations fixe l’objectif d’une limitation du réchauffement mondial au-dessous de 2°C, de préférence à 1,5°C, le rapport spécial du GIEC (Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat) de 2018 indique que la limite de +1,5°C devrait être atteinte entre 2030 et 2052. Pour ne pas dépasser cette limite, la neutralité carbone, c’est-à-dire l’équilibre entre les émissions et l’absorption de carbone dans l’atmosphère, doit être atteinte dès 2050 et la part des énergies renouvelables dans la production électrique doit passer de 20% aujourd’hui à 70% d’ici 2050. Du côté français, le gouvernement a fixé l’objectif de 2050 pour atteindre la neutralité carbone dans sa Stratégie nationale bas-carbone (SNBC) décrétée en 2020. Concernant la part des énergies renouvelables dans la consommation finale brute d’énergie, la France affiche en 2020 un taux de 19,1% (10 points de plus qu’en 2005) mais reste en deçà de l’objectif des 23% fixé par la directive gouvernementale de 2009 tandis que la principale énergie produite en France en 2020 reste l’énergie fossile issue du nucléaire (environ 70%).

C’est quoi les énergies marines renouvelables (EMR) ?

Au sein des énergies renouvelables, les énergies marines représentent un secteur en pleine expansion. Rappelons que 70,8% de la surface de la Terre sont recouverts par les océans qui absorbent environ 30% du CO2 émis par les activités humaines. L’énergie générée par les forces et ressources du milieu marin, aujourd’hui sous-exploitée, représente ainsi un enjeu crucial dans le domaine du développement durable. Toutefois, les énergies marines renouvelables ne représentent aujourd’hui que 1% de la production mondiale d’électricité renouvelable. Pour la France, qui dispose de la 2eme plus grande zone économique exclusive (ZEE) avec 11,2 millions de km2 dont 97% se situent en Outre-mer dans quatre des cinq océans mondiaux, les énergies marines renouvelables représentent une opportunité certaine pour atteindre ses objectifs de développement durable.

Revenons tout d’abord sur les différentes catégories d’énergies marines renouvelables et les principales avancées en France:

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L’éolien en mer posé et flottant

L’énergie mécanique des vents marins qui peuvent souffler jusqu’à 170 km/h durant les tempêtes représentent une force naturelle significative. Deux types de technologies permettent de capter cette énergie au large dite offshore : les éoliennes posées en mer, qui sont raccordées par câble sous-marin et installées à plus de 10 km des côtes et à une profondeur maximale de 50 mètres, et les éoliennes montées sur structure flottante arrimée au fond marin et pouvant être déployées à des distances et profondeurs plus importantes. En comparaison des éoliennes terrestres, les éoliennes en mer représentent un coût de production et d’installation plus élevé, qui tend à décroître, mais leur rendement est plus élevé avec une puissance deux à trois fois plus importante. Au niveau mondial, parmi les plus grands producteurs d’énergie éolienne offshore, on retrouve le Royaume-Uni, l’Allemagne et la Chine. Le potentiel mondial de production de l’éolien offshore est estimé à plus de 18000 TWh/an (Terawatt heure par an). Au niveau Européen, le rapport annuel sur l’éolien en mer en Europe de WindEurope indique une capacité totale d’éolien en mer de 25GW (Gigawatt) en 2020 sur le continent avec un objectif de 300GW d’ici 2050.

Alors que la France dispose d’un parc éolien terrestre en constante augmentation avec une capacité de production fin 2020 à 17,6 GW (source RTE), elle accumule un retard conséquent sur le développement de son parc éolien offshore avec à ce jour une seule éolienne installée au large de Croisic, utilisée à des fins de recherche. Toutefois, la dynamique d’essor de l’éolien en mer en France a clairement été engagée ces dernières années grâce à une forte mobilisation des pouvoirs publics et des industriels. La loi de transition énergétique pour la croissance verte adoptée en 2015 fixe l’objectif d’une part de 40% d’éolien en mer au sein de la production globale d’électricité renouvelable d’ici 2030 (2,4 GW en 2023 et 5 GW en 2028).

Sept parcs éoliens en mer posés sont en cours de développement pour une mise en service entre 2022 et 2027 représentant au total 447 éoliennes et une puissance globale de 3,5 GW : Saint Nazaire, Fécamp, Saint-Brieuc, Courseulles-sur-Mer, Dieppe Le Tréport, Iles d’Yeu et de Noirmoutier, et Dunkerque. Deux autres projets de parcs éoliens en mer posés sont prévus : un au large des côtes normandes avec une puissance de 1 GW et un autre sur la façade Sud-Atlantique de 500MW a 1 GW. Par ailleurs, quatre parcs éoliens en mer flottants sont en cours de développement pour une mise en service entre 2022 et 2023 représentant au total 12 éoliennes et 112,5 MW : Groix et Belle-Ile, Leucate-Le Barcarès, Gruissan et Faraman-Port-Saint-Louis-du-Rhône. Trois autres projets de parc éoliens en mer flottants sont prévus : un en Bretagne Sud et deux en Méditerranée chacun d’une puissance de 250 MW (Source www.eoliennesenmer.fr site dédié du Ministère de la Transition Ecologique).

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L’énergie hydrolienne

La force des courants marins représente une source permanente d’énergie renouvelable. Les hydroliennes, qui fonctionnent sur le même système que les éoliennes mais sous l’eau, captent cette énergie cinétique pour la transformer en énergie mécanique, l’électricité. Leurs sites d’installation à proximité des côtes à une profondeur de 30 à 40 mètres nécessitent une configuration géographique particulière pour permettre de générer de forts courants supérieurs à 4 ou 5 nœuds. Ils sont donc plus difficiles à identifier que pour les sites d’éoliennes offshore. Du fait des difficultés techniques, le coût d’investissement, d’exploitation et de maintenance des hydroliennes et de facto le prix de revient du MWh sont sensiblement plus élevés que celui des éoliennes et la puissance actuelle des hydroliennes est globalement inférieure. Toutefois, la plus puissante hydrolienne au monde, installée au nord de l’Ecosse, qui vient d’entrer en service dispose d’une turbine équipée de deux hélices d’une puissance de 10 MW chacune. En termes d’atouts, à puissance égale, les hydroliennes ont l’avantage de leur taille réduite en comparaison des éoliennes du fait de la masse volumique de l’eau plus élevée que celle de l’air. L’énergie hydrolienne bénéficie également de la prédictibilité à long terme des courants marins à la différence des vents. Par ailleurs, l’impact environnemental des hydroliennes est extrêmement limité, n’entrainant ni nuisance visible ou sonore, et étant installées hors zones de pêche.

L’étude stratégique de la filière de l’hydrolien marin réalisée par l’Ademe et publiée en 2018 précise que le potentiel brut mondial est situé entre 100 et 120 GW et les sites aux courants les plus forts se trouvent au Royaume-Uni (Ecosse notamment), en France, au Canada et en Asie. La France dispose d’un potentiel de 3 à 5 GW dans les zones privilégiées que sont le Raz Blanchard, le Raz de Barfleur, le Passage du Fromveur, la chaussée de Sein et sur les Héaux de Bréhat. Les conclusions de cette étude mettent en évidence une maturité technologique de la filière encore assez faible malgré des avancées sur le déblocage des verrous techniques et un prix du MWh qui devrait se maintenir au-dessus de l’éolien même dans le cas d’un développement industriel de la filière. Aucun parc commercial hydrolien n’est actuellement programmé en France, mais plusieurs projets sont en cours notamment deux démonstrateurs hydroliens en Bretagne : le projet OceanQuest à Paimpol-Bréhat dans le passage du Fromveur et le projet Phares au large d’Ouessant.

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L’énergie marémotrice

L’énergie marémotrice provient des flux montants et descendants des marées issus de l’effet gravitationnel de la lune et du soleil sur l’océan. Le fonctionnement d’une usine marémotrice repose sur le marnage, la différence de niveaux entre deux bassins séparés par un barrage. Les turbines présentent dans le barrage et activées par le mouvement des marées génèrent de l’électricité. Les principales difficultés pour le développement des usines marémotrices sont la spécificité des sites d’installation qui nécessitent une importante capacité de marnage ainsi que le fort impact environnemental qu’elles engendrent sur l’écosystème marin du littoral. Par ailleurs, bien que le niveau de prédictibilité des marées soit fort, leur caractère intermittent entraine des périodes d’inactivité importantes.

Le potentiel de l’énergie marémotrice est à ce jour très peu exploité dans le monde mais pourrait représenter 160GW soit 380 TWh/an. La France fait figure de pionnière dans cette filière avec la première centrale marémotrice mondiale installée sur l’estuaire de la Rance, en service depuis 1966, et qui bénéficie des plus grandes amplitudes de marées au monde. Elle offre une puissance de 240 MW et génère une production annuelle de plus de 500 GWh. Toutefois, l’usine génère également des quantités importantes de sédiments entrainant un envasement du fleuve.

Pour pallier aux problématiques environnementales engendrés par les usines implantées sur le littoral, le futur de l’énergie marémotrice réside dans le développement de lagons artificiels cerclés de digues marines en dehors des zones d’estuaires. Le projet marémoteur britannique de Swansea Tidal Lagoon prévoit ainsi l’installation sur la cote du Pays de Galle un lagon artificiel doté d’une puissance de 320MW et d’une production annuelle supérieure à 530 GWh. Outre l’énergie marémotrice engendrée, le projet s’inscrit dans une approche globale étant conçu parallèlement comme site touristique de sports et loisirs, site de valorisation environnementale notamment par la colonisation de la digue et des fonds et la création d’habitations pour la faune locale, site d’aquaculture durable et système de protection du littoral contre les aléas maritimes. Un rapport du débat public sur la Programmation pluriannuelle de l’énergie publié en 2018 milite ainsi pour que la France, disposant du plus important potentiel de développement de l’énergie marémotrice en Europe continentale, prenne pleinement part à cette nouvelle dynamique de l’énergie marémotrice. A ce titre, la Normandie et les Hauts de France représentent deux sites à fortes amplitudes de marées et leur capacité s’élève à 15 GW sur la base de 5 lagons marémoteurs de 50 à 100 km permettant de générer jusqu’à 25 TWh soit 5% de la consommation d’électricité en France.

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L’énergie houlomotrice

La force générée par les vagues formées par le vent à la surface de l’eau, dite énergie houlomotrice, représente une énergie permanente démultipliée par l’immensité de la surface des mers et océans. Plusieurs types de technologie existent afin de capter cette énergie et la transformer en électricité, toutefois elles sont pour la plupart au stade de démonstrateur et aucune n’a encore atteint un stade de développement industriel. La technologie la plus connue et la plus avancée est le serpent de mer Pelamis, une chaîne articulée de caissons flottants positionnées perpendiculairement au vent dont la tête est arrimée au fond marin. L’énergie générée par les oscillations des caissons sur les vagues est récupérée au niveau des articulations du serpent par un système de pistons, de pompes à fluide hydraulique et de turbines, puis rapatriée sur le réseau terrestre par un système de câble sous-marin. D’autres technologies fonctionnent sur un système d’oscillations tels que les parois et colonnes oscillantes. On trouve également des technologies fonctionnant sur un système de pression tels que les colonnes d’eau ou les pièges à déferlement.

La technologie houlomotrice est confrontée à différents types de difficultés qui impactent le développement de la filière notamment la complexité d’installation, d’ancrage et de raccordement électrique des systèmes conçus pour la haute mer ou encore la capacité de résistance des systèmes aux conditions maritimes extrêmes et à la corrosion. Toutefois, étant donné la surface d’exploitation des technologies houlomotrices, son potentiel d’énergie électrique est énorme, avec une évaluation entre 2000 et 8000 TWh/an. La seule côte française, sans compter son potentiel outre-mer, pourrait générer environ 40 TWh/an. Toutefois, le stade embryonnaire de la filière entraine des coûts de développement et de production très importants et de facto un prix du MWh actuellement très élevé (entre 200 et 300€). De nombreux projets sont en cours de développement à travers le monde et la France n’est pas en reste. On peut citer le projet S3 de l’Ecole Centrale de Nantes qui développe un démonstrateur houlomoteur à base de polymère électro-actifs ou encore le projet de ferme houlomotrice de 10 MW en baie d’Audierne sur la côte du Finistère porté par l’entreprise Seabased. On notera également le projet innovant girondin Hace, reconnu par une dizaine de prix internationaux, machine houlomotrice produisant de l’électricité et de l’hydrogène vert à partir de vagues de toutes tailles, petites à grandes, et qui s’affranchit donc de la nécessité d’une forte houle et des difficultés intrinsèques d’installation et de raccordement en haute mer.

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L’énergie thermique des mers

Les différences de température entre les eaux de surface, chauffées par le soleil, et les eaux profondes peuvent être exploitées pour générer de l’énergie thermique. Comment fonctionne une centrale thermique marine ? L’eau chaude de surface est récoltée pour être transformée en vapeur qui va actionner une turbine produisant alors de l’électricité. Ensuite, la vapeur circule vers un condensateur pour retourner à un état liquide dessalinisé au contact de l’eau froide récoltée en profondeur. La centrale consomme une partie de l’électricité générée pour fonctionner (entre 15 et 25%). De façon à surpasser le différentiel entre consommation et production d’énergie, cette technologie ne peut être installée que dans des zones bénéficiant d’une différence de température minimum de 20°C entre eaux de surface et eaux profondes. Cette spécificité intervient uniquement dans les zones où le soleil frappe la surface de l’eau le plus perpendiculairement possible (globalement dans les zones tropicales et intertropicales comprise entre 30° de latitudes nord et sud autour de l’équateur) et où les fonds atteignent près de 1000 mètres.

En termes d’atouts, cette technologie ne rejette pas de polluants et ne perturbe pas les écosystèmes marins. Elle permet à la fois de produire de l’électricité mais aussi de l’eau douce. Elle peut également être utilisée pour la climatisation grâce à l’eau froide pompée ou la culture marine de nutriments issus des eaux froides profondes. Par ailleurs, comparée à d’autres sources d’énergies marines qui sont le plus souvent intermittentes, l’énergie thermique marine est permanente. Toutefois, cette technologie est encore en phase de recherche et développement. Les coûts d’investissement, et de facto les coûts de production, sont encore très élevés.

Le potentiel mondial de l’énergie thermique des mers pourrait représenter 10 000 TWh/an. Environ 35 pays disposent des critères topographiques nécessaires au développement de cette technologique. A ce jour, les principaux pays investissant dans l’énergie thermique marine sont le Japon et les Etats-Unis.  En France, les eaux des départements d’Outre-mer sont particulièrement propices. Un projet de démonstrateur de Naval Energies est testé depuis 2011 à la Réunion. Un autre projet était prévu en Martinique composé d’une centrale en mer NEMO couplé à une centrale à terre NAUTILUS. Toutefois, ce projet a été gelé en 2018 en raison de son coût, de sa faible production potentielle et de son risque environnemental (la centrale devait fonctionner à l’ammoniaque dont le stockage présentait un risque).

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La climatisation marine ou Sea Water Air Conditionning (SWAC)

Le système de climatisation marine fonctionne sur un procédé simple. L’eau froide est pompée dans les mers profondes, transite par un échangeur thermique et remonte à la surface pour refroidir notamment les bâtiments. Les zones les plus propices pour pomper l’eau froide sont le fonds des océans à près de 1000 mètres de profondeur mais cette technologie peut également être utilisée de sur le fonds des lacs montagneux en région tempérée à près de 50 mètres de profondeur (tels que les lacs Alpins) ou encore les courants froids de surface. Le SWAC représente une technologie très intéressante notamment pour les territoires insulaires d’outre-mer en zones tropicales gourmands en climatisation et proches des zones d’eaux profondes. Elle représente également une alternative écologique majeure aux systèmes de climatisation classiques permettant en réduction de 75 % à 90% de la consommation électrique. Les coûts d’investissement sont très élevés mais au-delà d’un certain seuil de mutualisation, cette technologie diminue considérablement les coûts de revient du KWh pour les utilisateurs. Côté français, l’Hôtel Intercontinental de Bora Bora, le Yacht Club de Monaco et l’Hôtel Le Brando de Tetiaroa en Polynésie française sont entièrement climatisés par leur propre système SWAC. A la Réunion, la société EDF développe avec l’Ademe le projet SWAC pour alimenter le CHU de Saint-Pierre et en Polynésie française, la pose du SWAC au large de Taaone pour alimenter le centre hospitalier est en cours de finalisation.

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L’énergie osmotique

L’énergie osmotique est exploitée grâce aux différences de concentration de sel entre eau douce et eau de mer. Ces deux eaux sont mises en contact par le biais d’une membrane semi-perméable qui laisse passer l’eau mais pas les sels minéraux. L’eau douce est attirée par les molécules de sel créant un procédé d’osmose. La pression hydrostatique générée par la migration des molécules est turbinée pour produire de l’électricité. L’énergie osmotique nécessite des zones adéquates proches de réservoirs d’eau douce et d’eau de mer, à savoir les embouchures de fleuves. La technologie est à ce jour l’une des moins développées dans le domaine des énergies marines renouvelables. Des améliorations sont encore nécessaires sur la qualité et l’efficacité des membranes entrainant des coûts d’investissement en R&D importants. Par ailleurs, 1 m2 de membrane permet de produire environ 3W d’électricité. Il serait ainsi nécessaire de développer des membranes de plusieurs milliers de mètres carrés afin que cette énergie soit rentable. La Norvège est pionnière dans cette technologie avec l’inauguration de sa première installation osmotique en 2009 par la société Stakraft. Côté français, la start-up bretonne Sweetch Energy a développé une nouvelle génération de membranes à la technologie révolutionnaire dans le domaine des nanofluides et offrant un niveau de rentabilité jamais atteint. La société vient récemment de réaliser une levée de fonds à 5 millions d’euros afin de concevoir le premier prototype industriel.

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La biomasse marine

La biomasse marine représente l’ensemble des organismes vivants tels que les animaux, végétaux, champignons, microbes, présents dans le milieu marin. Cette biomasse peut être exploitée pour en tirer de l’énergie. Les principaux développements dans ce domaine reposent sur la gazéification, la fermentation ou encore la combustion des algues. Comment cela fonctionne-t-il ? Les algues se décomposent dans un digesteur pour former du biométhane, un gaz combustible. Les sucre et lipides en grande quantité dans les algues peuvent également être transformés en algo-carburants qu’on appelle biocarburants de 3eme génération. Au vu de la quantité d’algues et d’espèces présentes sur la planète, le potentiel théorique est énorme en sachant que le rendement des algues serait 10 fois supérieur à celui des espèces oléagineuses terrestres. Il est ainsi estimé qu’un hectare d’algue permettrait de produire jusqu’à 60 000 litres d’huile soit 10 fois plus que le rendement d’un hectare de palmeraie. Le développement des technologies de biomasse-énergie marine est encore à ses prémices et des études sont encore nécessaires pour identifier notamment les espèces aux plus hauts rendements, les surfaces optimales de culture et leur impact environnemental dans le cadre d’une exploitation industrielle. La France, et notamment la Bretagne, qui dispose des prérequis géographique et climatique pour le développement de cette énergie, fait figure de pionnière dans le domaine. Le Centre d’Etudes et de Valorisation des Algues (CEVA) créé en 1982 apporte son expertise aux industriels pour conseiller et accompagner les projets de R&D et de développement économique dans l’exploitation des algues et végétaux des prototypes jusqu’à la mise en œuvre pré-industrielle. La première bioraffinerie d’algues en France a été inaugurée à Plouénan par le projet Ulvans en 2013. La France s’est également positionnée en tant que leader européen dans le domaine avec le projet GENIALG (GENetic diversity exploitation for Innovative macro-ALGal biorefinery) développé à la station biologique de Roscoff dans le Finistère et subventionné par l’Union Européenne ayant pour objectif de valoriser les cultures des algues marines et de développer des technologies à visée industrielle. En sus de l’énergie que peut générer la biomasse marine, d’autres applications font également l’objet de développement grâce aux différentes composantes des algues dans le domaine de la biochimie (gélifiants, émulsifiants, épaississants, santé animale et humaine…) ou encore des matériaux (peintures, plastiques, résine…).

Le sujet est au cœur du rapport commandé par le ministère français de la Mer publié en avril 2021 dans le contexte plus global de l’agenda international marqué notamment par la COP 15 sur la biodiversité en Chine et la COP 26 sur le climat en Ecosse qui se tiendront à la fin de l’année 2021.

Quel avenir en France pour les énergies marines renouvelables ?

Au travers de la présentation de ces différentes technologies de production d’énergie marine renouvelable, on constate que la filière présente de nombreux atouts pour atteindre les objectifs de diversification du mix énergétique français et de diminution des énergies fossiles. Son potentiel industriel peut s’avérer gigantesque au vu des surfaces théoriques d’exploitation, sa production hautement prédictible et pour certaines technologies en continu et son impact environnemental généralement faible voire nul. Les perspectives économiques et sociales, et de synergie avec d’autres activités maritimes représentent également une opportunité certaine pour la France. La filière est également marquée par des acteurs pionniers dans le domaine et un vivier de start-ups et PME avant-gardistes mais parallèlement par un manque de maturité en termes de perspectives de développement industriel. La plupart des technologies sont encore au stade de la recherche et de l’expérimentation entraînant des coûts de production et un prix du revient du KW/h encore beaucoup trop élevés pour se révéler compétitifs face aux autres sources d’énergie.

Une véritable dynamique de transition énergétique et de leadership international au travers des énergies marines renouvelables nécessite la poursuite de la maturation technologique des projets dans chacune des filières par des investissements d’ampleur. L’engagement du pouvoir publique est indispensable pour accompagner financièrement les filières du soutien de la recherche au déploiement industriel des technologies. Au travers des objectifs fixés par les programmations pluriannuelles de l’énergie, la France tend à rattraper son retard notamment dans le domaine de l’éolien en mer. Les énergies marines renouvelables sont notamment au cœur du rapport sur la finance bleue commandé par le ministère français de la Mer publié en avril dernier.

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