Évaluation des Risques Environnementaux des Systèmes de Protection Cathodique dans les Énergies Marines Renouvelables

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 [1]. 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 2 200 kg d’aluminium (Al), 130 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, 6]. Certains de ces composés, comme les halophénols, présentent une forte persistance dans les sédiments et un potentiel d’accumulation dans le biote. À ce jour, et à notre connaissance, aucun de ces composés ne fait l’objet d’un suivi réglementaire spécifique dans le contexte des parcs éoliens en mer, bien que de nombreuses infrastructures en mer et navires soient équipés de systèmes ICCP.

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 :

• 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 Transfert, réactivité et analyse des micropolluants dans l’environnement (TRAME) du Laboratoire de Chimie de l’Environnement (LCE) de l’Université d’Aix-Marseille et du CNRS.
• 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 136 (novembre 2018): 257-68. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2018.08.058.

[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 194 (septembre 2023): 115396. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2023.115396.

[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 257 (octobre 2020): 127182. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127182.

[4] Allonier, Anne-Sophie, Michel Khalanski, Valérie Camel, et Alain Bermond. 1999. « Characterization of Chlorination By-Products in Cooling Effluents of Coastal Nuclear Power Stations ». Marine Pollution Bulletin 38, no 12: 1232-41. https://doi.org/10.1016/S0025 326X(99)00168-X.

[5] Boudjellaba, D., J. Dron, G. Revenko, C. Démelas, et J.-L. Boudenne. 2016. « 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 541 : 391-99. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.09.046.

[6] Lebaron, Karine. « SOUS-PRODUITS DE CHLORATION DU GOLFE DE FOS », s. d., 172. Thèse Aix Marseille Université. 2020

France Energies Marines est un centre de recherche et d’innovation sur l’éolien en mer à l'impact industriel, économique et sociétal reconnu en France et à l’international.

Sa mission ? Lever les verrous auxquels est confronté le secteur de l’éolien offshore. Soutenu par l’Etat, porté par une équipe multidisciplinaire de plus de 90 collaborateurs, un réseau d’experts internationaux et des infrastructures uniques, l’Institut mène des projets de recherche multipartenariaux guidés par l’excellence.

Les résultats qui en découlent sont transférés à la filière sous la forme de prestations de recherche et d’expertise, de licences d’exploitation, de transfert de savoir-faire, ainsi que de participation à des comités d’experts et des réseaux.

Ces activités sont structurées autour de quatre programmes thématiques complémentaires : caractérisation de sites, dimensionnement et suivi des systèmes, optimisation des parcs et intégration environnementale

Formation initiale 

• Master 2 en Chimie analytique/ Chimie de l’environnement

Connaissances spécifiques

• Compétences analytiques avérées (fondamentales et pratiques) en chromatographie liquide et gazeuse couplée à la détection par spectrométrie de masse
• Compétences en préparation d’échantillons environnementaux (extraction, préconcentration, purification)
• Connaissances en ICP-MS
• Compétences en chimie de l‘environnement (cinétique, réactivité, transfert)
• Maîtrise de l’anglais (niveau B2 min), la thèse s’inscrit dans un projet regroupant des partenaires internationaux. La langue de travail pourra être l’anglais en fonction des réunions

Qualités professionnelles

• Rigueur scientifique
• Esprit d’initiative
• Communication
• Capacité rédactionnelle

Les +

• Connaissance en chimie de l’environnement marin et du contexte de l’éolien en mer
• Compétences en analyses statistiques