A multi-approach study of wave energy converters' effects on coastal erosion and flow hydrodynamics

Moradi, Mehrdad (2025). A multi-approach study of wave energy converters' effects on coastal erosion and flow hydrodynamics. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Excessive flow energy can lead to erosion, necessitating structures designed to dissipate this energy and prevent degradation. This was the primary focus of this research; however, due to the depletion of fossil fuels and the pressing need for sustainable energy solutions, the direction shifted toward mitigating erosion while simultaneously generating electricity rather than merely dissipating energy. Renewable sources such as marine energy have garnered increasing interest. Wave energy, in particular, offers a predictable and environmentally friendly alternative with dual benefits: power generation and coastal protection. This thesis first investigates the hydrodynamics of Multi Horizontal Submerged Jets (MHSJ), their submergence level's impact on energy dissipation, and the resulting bed and side shear stress that contributes to erosion, as presented in Chapter 2. The results indicate that increasing jet submergence increases the Reynolds shear stress and vorticity magnitudes. Furthermore, it was found that greater submergence leads to a 2.2% reduction in maximum bed (floor) shear stress and a 7.2% decrease in side-wall shear stress.

Subsequently, it explores the potential of Wave Energy Converters (WECs) through three distinct studies, detailed in Chapters 3, 4, and 5, addressing both the technical and environmental impacts of wave energy on coastal zones in the Mediterranean and Caspian Seas as well as the energy output of the Wave Dragon WEC. In Chapter 3, the study focuses on the Palm Beach-Azur coastline near Algiers in the Mediterranean Sea, aiming to harness wave energy and reduce coastal erosion. Using historical data and numerical modeling, WECs were assessed for their impact on wave height reduction and sediment deposition. Results show a decrease in wave height by 0.3 meters and an increase in sediment deposition by 0.8 meters with WECs installed, demonstrating that WECs can mitigate coastal erosion while supporting sediment accumulation. This dual functionality of WECs in energy production and coastal protection illustrates their potential environmental and economic advantages in coastal management.

Chapter 4 expands on this by exploring WEC deployment at Astara Port in the Caspian Sea. Using the MIKE21 software, the study evaluates various configurations of WECs, considering factors such as device number, placement, structural arrangement, and orientation relative to wave direction. The configurations examined include two device counts (11 and 13), three placement options (north, front, and south of the port), linear and staggered arrangements, and two orientations (facing northeast and southeast). Findings show that 13 staggered WECs facing the dominant wave direction (northeast) achieve the highest wave height reduction, lowering significant wave height (Hs) by 23–25% under typical conditions and up to 36.26% during storm events. A linear arrangement proved most effective in coastal defense, providing 47.88% boundary protection during storms. Sediment management analysis revealed that a 13-device, linear configuration facing northeast induced the highest sediment accumulation at 0.1231 m over one year, while a staggered 11-device southeast configuration showed minimal sediment buildup at 0.0358 m, underscoring the role of strategic WEC placement in reducing sedimentation near harbor entrances.

Chapter 5 investigates the Wave Dragon as a floating overtopping WEC device for its energy output and structural resilience under various wave conditions using Flow3D modeling. Based on year-long real-time wave data from a buoy, the Wave Dragon’s performance was analyzed across four-wave height scenarios (1.5, 2.5, 3.5, and 4.5 meters). Results demonstrate a significant increase in energy output with wave height, yielding 16.03, 25.52, 31.45, and 56.5 MWh per month, respectively. Additionally, increased wave height resulted in higher pressure on the WEC, with Flow3D simulations indicating that pressure load rose from 2.97 × 10⁵ N at 1.5m to 1.95 × 10⁶ N at 4.5m, approximately a 6.5-fold increase. These findings highlight the scalability of energy output and the structural demands on WECs in high-wave conditions.

These studies, presented in Chapters 3, 4, and 5, underscore the viability of WECs in sustainable energy production and coastal defense. Through comprehensive modeling and scenario analysis, this thesis confirms WECs as a promising sustainable energy and environmental preservation solution in marine contexts.

Titre traduit

Une étude multi-approche des effets des convertisseurs d’énergie houlomotrice sur l’érosion côtière et l’hydrodynamique

Résumé traduit

L’érosion des berges représente un défi majeur, accentué par les effets des changements climatiques. La protection des berges nécessite des structures conçues pour dissiper de l’énergie et prévenir la dégradation. Initialement, cet aspect constituait l’objectif principal de cette recherche; cependant, en raison de l’épuisement des combustibles fossiles et du besoin pressant de solutions énergétiques durables, l’orientation de l’étude a évolué vers l’atténuation de l’érosion tout en générant de l’électricité, plutôt que de simplement dissiper l’énergie. Les sources renouvelables, telles que l’énergie marine, suscitent un intérêt croissant. La captation de l’énergie des vagues, en particulier, constitue une alternative prévisible et respectueuse de l’environnement, offrant un double avantage: la production d’électricité et la protection côtière. Cette thèse examine d’abord l’hydrodynamique des jets submergés horizontaux multiples (MHSJ) et l’impact de leur niveau de submersion sur la dissipation d’énergie, ainsi que sur les contraintes de cisaillement au fond et sur les parois latérales qui contribuent à l’érosion, comme présenté au Chapitre 2. Les résultats indiquent que les contraintes de cisaillement de Reynolds et les magnitudes de vorticité augmentent avec la submersion croissante des jets. De plus, il a été constaté qu’une submersion accrue entraîne une réduction de 2,2 % de la contrainte de cisaillement maximale au sol et une diminution de 7,2 % de la contrainte sur les parois latérales. Ensuite, la thèse explore le potentiel des convertisseurs d’énergie des vagues (WEC) à travers trois études distinctes, détaillées dans les Chapitres 3, 4 et 5, en abordant à la fois les impacts techniques et environnementaux de l’énergie des vagues sur les zones côtières de la mer Méditerranée et de la mer Caspienne, ainsi que la production d’énergie du dispositif Wave Dragon.

Le Chapitre 3 se concentre sur le littoral de Palm Beach-Azur, près d’Alger, en mer Méditerranée, avec pour objectif d’exploiter l’énergie des vagues et de réduire l’érosion côtière. En utilisant des données historiques et la modélisation numérique, l’étude évalue l’impact des WECs sur la réduction de la hauteur des vagues et le dépôt sédimentaire. Les résultats montrent une diminution de la hauteur des vagues de 0,3 mètre et une augmentation du dépôt sédimentaire de 0,8 mètre après l’installation des WECs, démontrant leur capacité à atténuer l’érosion côtière tout en favorisant l’accumulation de sédiments. Cette double fonctionnalité des WECs, combinant production d’énergie et protection côtière, illustre leurs avantages environnementaux et économiques dans la gestion du littoral.

Le Chapitre 4 approfondit cette analyse en explorant le déploiement des WECs au port d’Astara, en mer Caspienne. À l’aide du logiciel MIKE21, l’étude évalue différentes configurations de WECs en prenant en compte plusieurs facteurs : le nombre de dispositifs, leur emplacement, leur agencement structurel et leur orientation par rapport à la direction des vagues. Les configurations analysées incluent deux nombres de dispositifs (11 et 13), trois options d’emplacement (au nord, en face et au sud du port), des agencements linéaires et en quinconce, ainsi que deux orientations (nord-est et sud-est). Les résultats montrent que 13 WECs disposés en quinconce, orientés face à la direction dominante des vagues (nord-est), permettent la plus grande réduction de la hauteur des vagues, abaissant la hauteur significative des vagues (Hs) de 23 à 25 % dans des conditions normales et jusqu’à 36,26 % lors des tempêtes. En termes de défense côtière, un agencement linéaire s’est avéré le plus efficace, offrant une protection des limites de 47,88 % pendant les tempêtes. L’analyse de la gestion des sédiments a révélé qu’une configuration linéaire de 13 dispositifs, orientée vers le nord-est, entraînait l’accumulation sédimentaire la plus importante (0,1231 m sur un an), tandis qu’une configuration en quinconce de 11 dispositifs orientés sud-est présentait une accumulation minimale (0,0358 m), soulignant ainsi le rôle stratégique du placement des WECs dans la réduction de la sédimentation aux abords des ports.

Le Chapitre 5 examine le dispositif Wave Dragon en tant que convertisseur d’énergie des vagues flottant par débordement, en évaluant sa production énergétique et sa résistance structurelle sous différentes conditions de vagues à l’aide de la modélisation Flow3D. En s’appuyant sur des données de vagues en temps réel enregistrées sur une année par une bouée, la performance du Wave Dragon a été analysée selon quatre scénarios de hauteur de vagues (1,5, 2,5, 3,5 et 4,5 mètres). Les résultats montrent une augmentation significative de la production d’énergie avec la hauteur des vagues, atteignant respectivement 16,03, 25,52, 31,45 et 56,5 MWh par mois. De plus, une hauteur de vague plus élevée entraîne une augmentation de la pression exercée sur le WEC, avec des simulations Flow3D indiquant que la charge de pression passe de 2,97 × 10⁵ N à 1,5 m à 1,95 × 10⁶ N à 4,5 m, soit une augmentation d’environ 6,5 fois. Ces résultats mettent en évidence l’évolutivité de la production énergétique et les contraintes structurelles auxquelles les WECs sont soumis dans des conditions de forte houle. En résumé, les études présentées dans les Chapitres 3, 4 et 5 démontrent la viabilité des WECs pour la production d’énergie durable et la protection côtière. Grâce à une modélisation approfondie et à une analyse de scénarios variés, cette thèse confirme que les WECs constituent une solution prometteuse pour une production d’énergie durable et la préservation environnementale dans les environnements marins.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis by articles presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 125-135).
Mots-clés libres:	jets submergés horizontaux multiples (MHSJ), convertisseurs d'énergie des vagues (WEC), érosion côtière, énergie renouvelable, modélisation numérique, dépôt de sédiments
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ilinca, Adrian
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 août 2025 14:57
Dernière modification:	18 août 2025 14:57
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3674

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