Évaluation des risques environnementaux des systèmes de protection cathodique dans les énergies marines renouvelables

Topic description

Contexte:

Le développement des parcs éoliens en mer en Europe soulève diverses interrogations quant à leur intégration environnementale. Parmi les impacts identifiés, les relargages chimiques associés aux éoliennes offshore apparaissent comme une préoccupation majeure, tant pour la qualité de l’eau que pour celle des sédiments dans les zones concernées []. Dans ce contexte, l’utilisation de la Protection Cathodique par Anodes Galvaniques (GACP) et de la Protection Cathodique par Courant Imposé (ICCP), visant à limiter la corrosion des structures offshore en milieu marin, a été identifiée comme une source chronique significative de métaux (GACP) ou de sous-produits de chloration (ICCP) [1, 2]. Pour une monopile ayant une durée de vie estimée à 27 ans, les apports métalliques issus de la GACP sont évalués à environ 2 kg d’aluminium (Al), kg de zinc (Zn), ainsi que plusieurs kilogrammes d’autres éléments présents dans la composition des anodes, tels que le manganèse, le fer, le bismuth, l’indium, le gallium ou encore le vanadium [3]. L’évaluation de la pression environnementale induite par ces relargages nécessite une compréhension approfondie du comportement des éléments libérés dans l’eau de mer, notamment de leurs interactions avec les particules en suspension. Cette compréhension est essentielle pour quantifier les risques d’accumulation locale, tant dans les sédiments que dans la chaîne trophique.

Les publications portant sur les composés générés par les ICCP en milieu offshore restent très limitées. Il est généralement admis que ce type de système induit une électrolyse de l’eau de mer au contact de l’anode.. Or, l’électrolyse de l’eau de mer contenant des ions chlorure ou bromure conduit à la formation de dichlore (Cl₂), suivi de la production d’acide hypochloreux (HOCl) ou d’acide hypobromeux (HOBr). Ces composés réactifs peuvent interagir avec la matière organique dissoute dans l’eau, entraînant la formation de sous-produits de chloration (SPC) plus ou moins persistants dans l’environnement. La caractérisation des SPC dans les effluents industriels a permis d’identifier plusieurs familles de molécules, notamment les trihalométhanes, les haloacétonitriles, les acides haloacétiques et les halophénols [4, 5, En ce qui concerne les systèmes de protection cathodique, la pression environnementale commence à être relativement bien caractérisée pour les systèmes GACP. En revanche, elle demeure largement méconnue pour les systèmes ICCP. Par ailleurs, les effets potentiels de ces pressions sur les écosystèmes marins nécessitent encore d’être précisés dans le cas des GACP, tandis qu’il est nécessaire de les initier pour les ICCP.

La Thèse aura pour objectifs de :

1. Définir les pressions environnementales générées par les systèmes ICCP en déterminant les taux de production de chlore selon différentes configurations et en développant les méthodes analytiques pour identifier et quantifier les sous-produits de chloration dans différentes matrices environnementales (eaux, sédiments, biote). Cet objectif sera réalisé sous la direction de l’équipe (TRAME) du Laboratoire de Chimie de l’Environnement (LCE) de l’Université d’Aix-Marseille et du CNRS.
2. Etudier le comportement et l'accumulation locale des éléments métalliques libérés par les GACP par des approches en laboratoire et via des suivis in-situ. Cet objectif sera réalisé sous la direction des équipes du laboratoire Mersea de l’Université de Caen Normandie.

Les missions attendues sont :

Pour la partie ICCP : il s’agira de développer les méthodes d’extraction et d’analyses des composés organohalogénés générés par les systèmes ICCP. Différentes méthodes d’extraction/purification seront comparées pour les sédiments et le biote (QuEChERS, extraction assistée par solvant, …) en termes de rendements et de répétabilité. Au niveau détection et quantification, la chromatographie gazeuse couplée à une détection par capture d’électron (GC-ECD) et par spectrométrie de masse (MS) sera utilisée pour les composés dont la nature est déjà connue. Pour identifier les potentiels autres sous-produits, un développement analytique sur Orbitrap-LC-HRMS devra être mené. L’ensemble de ces méthodes sera qualifié en termes de performance analytique (limites de détection et de quantification, répétabilité, robustesse, effets matrice).

Les analyses seront menées dans un premier temps sur des échantillons standards (dopés) puis sur des échantillons réels prélevés sur différents sites d’éoliennes (en France et dans le nord de l’Europe) et comprendront des échantillons de sédiments, de biote (poissons, moules) et d’eau.

Pour étudier l’impact du taux de chlore généré par les systèmes ICCP, des expérimentations en laboratoire seront menées à différentes doses (variation des tensions appliquées aux électrodes) pour étudier les cinétiques de formation et le devenir des CPB formés dans l’eau, ainsi que leur nature, à l’aide des techniques préalablement mises au point.

Pour la partie GACP : étude des interactions physicochimiques de l’aluminium en fonction de l’influence de la charge en MES (matières en suspension) et en matière organique dans la colonne d’eau de mer. Etude du devenir de l’aluminium (et autres ETMs) dans le compartiment sédimentaire. Etude de la spéciation dans le sédiment soumis à une augmentation de la fraction organique associée à l’activité biologique.

References

[1] Kirchgeorg, T., I. Weinberg, M. Hörnig, R. Baier, M.J. Schmid, et B. Brockmeyer. « Emissions from Corrosion Protection Systems of Offshore Wind Farms: Evaluation of the Potential Impact on the Marine Environment ». Marine Pollution Bulletin (novembre ): -68.

[2] Ebeling, Anna, Dominik Wippermann, Tristan Zimmermann, Ole Klein, Torben Kirchgeorg, Ingo Weinberg, Simone Hasenbein, Anna Plaß, et Daniel Pröfrock. « Investigation of Potential Metal Emissions from Galvanic Anodes in Offshore Wind Farms into North Sea Sediments ». Marine Pollution Bulletin (septembre ): .

[3] Reese, Anna, Nathalie Voigt, Tristan Zimmermann, Johanna Irrgeher, et Daniel Pröfrock. « Characterization of Alloying Components in Galvanic Anodes as Potential Environmental Tracers for Heavy Metal Emissions from Offshore Wind Structures ». Chemosphere (octobre ): .

[4] Allonier, Anne-Sophie, Michel Khalanski, Valérie Camel, et Alain Bermond.. « Characterization of Chlorination By-Products in Cooling Effluents of Coastal Nuclear Power Stations ». Marine Pollution Bulletin 38, no 12: -41. X-X.

[5] Boudjellaba, D., J. Dron, G. Revenko, C. Démelas, et J.-L. Boudenne.. « Chlorination By Product Concentration Levels in Seawater and Fish of an Industrialised Bay (Gulf of Fos, France) Exposed to Multiple Chlorinated Effluents ». Science of The Total Environment : -99.

[6] Lebaron, Karine. « SOUS-PRODUITS DE CHLORATION DU GOLFE DE FOS », s. d.,. Thèse Aix Marseille Université.

Starting date

-10-01

Funding category

Public/private mixed funding

Funding further details

CIFRE