Renforcer l'hydroélectricité suisse gr?ce à la science

"Bien que l'énergie hydraulique suisse soit une technologie éprouvée, nous devons constamment l'optimiser. Si nous ne le faisons pas, la production et le stockage d'électricité à partir d'ouvrages existants risquent de s'éroder lentement", explique Robert Boes, qui dirige depuis 2009 le Laboratoire d'hydraulique, d'hydrologie et de glaciologie de l'ETH Zurich. En effet, les lacs d'accumulation, en particulier, ont une tendance naturelle à se rétrécir sous l'effet des éboulis et des graviers. Et les sédiments dans les voies d'eau entra?nent inévitablement l'usure des turbines au fil du temps.

Depuis quelques années déjà, les chercheurs de l'ETH relèvent ces défis et d'autres encore gr?ce à leurs recherches : ils développent des solutions pour une gestion efficace de l'eau, calculent des stratégies d'entretien pour les turbines et montrent sur quels sites le potentiel hydroélectrique pourrait être exploité le plus efficacement possible tout en respectant l'environnement. Ils contribuent ainsi à ce que l'énergie hydraulique reste à l'avenir l'épine dorsale de l'approvisionnement en électricité de la Suisse - surtout en hiver, lorsque les installations photovolta?ques fournissent moins de courant.

Une meilleure gestion de l'eau pour les centrales au fil de l'eau

Sur les 36 kilomètres que parcourt la Limmat du lac de Zurich à l'Aar, il y a onze centrales au fil de l'eau. Le lac de Zurich ressemble à un grand réservoir de tête par lequel l'eau est déversée dans la Limmat. Les autorités régulent le niveau du lac de Zurich et donc la quantité d'eau qui s'écoule dans la Limmat par le biais du barrage de la Platzspitz à Zurich. Outre la protection contre les crues, la navigation et l'écologie, ce niveau est surtout important pour la production d'électricité.

Boes et son équipe de recherche ont récemment montré dans une étude qu'un règlement de barrage optimisé au Platzspitz permettrait de produire environ deux pour cent d'électricité en plus dans les centrales sur la Limmat. Ce gain d'efficacité serait rendu possible par une nouvelle stratégie de contr?le qui, d'une part, permettrait des niveaux d'eau du lac plus élevés dans le règlement actuel et, d'autre part, utiliserait des modèles météorologiques pour mieux ajuster la régulation du niveau du lac de Zurich en fonction des précipitations et des affluents attendus.

Pour les centrales au fil de l'eau, le principe est le suivant : plus l'eau s'écoule de manière régulière, meilleure est la production d'électricité. En particulier lors de crues petites et moyennes, les quantités d'eau qui se produisent pourraient être mieux utilisées gr?ce au nouveau règlement. "Si le modèle météorologique prévoit de fortes pluies, le barrage intelligent déverserait à l'avance un peu plus d'eau dans la Limmat. S'il pleut ensuite, le lac a plus de tampon et peut continuer à déverser de l'eau dans la Limmat de manière régulière malgré les fortes précipitations", explique le professeur de l'ETH. Cela permettrait d'éviter que les turbines ne soient surchargées par trop d'eau. Les dispositions relatives aux inondations ainsi que les charges écologiques et autres devraient bien entendu continuer à être respectées.

Des adaptations similaires seraient également possibles sur d'autres rivières suisses du Plateau, en aval des lacs alpins. Boes et son équipe ont calculé qu'une gestion plus intelligente des barrages permettrait d'augmenter la production d'électricité des centrales au fil de l'eau d'environ 100 gigawattheures par an. Cela permettrait de couvrir les besoins annuels en électricité d'environ 25 000 foyers de quatre personnes.

Protéger plus efficacement les turbines contre les sédiments

Les sédiments fins que transportent les rivières sont les ennemis naturels de toute turbine hydroélectrique. Ils agissent comme du papier d'émeri et font qu'avec le temps, les turbines s'usent et produisent nettement moins d'électricité. Bien que ce problème soit connu depuis longtemps, il n'a pas été complètement résolu à ce jour. De nombreuses centrales électriques disposent certes de bassins dits de dessalement, mais ceux-ci ne peuvent souvent pas réduire suffisamment les minuscules particules présentes dans l'eau.

Afin d'augmenter l'efficacité de ces dessableurs, de ménager les turbines et d'éviter les pertes de production, Boes et son équipe ont étudié quel type de bassin était particulièrement efficace : "Ce sont les longs bassins avec une pente douce du fond, dans lesquels l'eau s'écoule le plus lentement possible, qui fonctionnent le mieux. Les particules peuvent alors se déposer plus facilement au fond", explique le professeur de l'ETH. Sur la base de ces connaissances, le dessableur de la centrale hydroélectrique de Susasca dans les Grisons a par exemple déjà été amélioré. Mais les bassins plus longs nécessitent également plus de matériaux de construction et de place, et sont donc plus chers. Il s'agit donc de décider, centrale par centrale, quelles adaptations de construction sont économiquement et techniquement judicieuses.

Bypass à éboulis pour les barrages

En raison de l'érosion due aux conditions météorologiques, des pierres, du gravier et d'autres sédiments arrivent dans les lacs de retenue par le biais de l'afflux d'eau et réduisent leur volume de stockage. Ce problème, connu sous le nom d'ensablement, pourrait réduire la capacité de stockage des lacs de retenue suisses d'environ sept pour cent d'ici 2050. Pour les petits et moyens réservoirs, des galeries de dérivation sont aujourd'hui utilisées comme mesure de construction contre l'ensablement. Comme un by-pass, elles font passer les pierres, le gravier et les sédiments le long du barrage en cas de crue. Mais le fort transport de sédiments provoque parfois une usure prononcée du fond de la galerie de dérivation.

Le professeur Boes de l'ETH et son équipe se sont penchés à plusieurs reprises sur ce problème ces dernières années. Les chercheurs ont par exemple étudié les matériaux les plus appropriés pour le revêtement du fond de telles galeries. Après d'innombrables tests, ils sont arrivés à la conclusion que dans des conditions particulièrement difficiles, le granit à haute résistance résiste le mieux à la forte usure. Sur la base de ce constat, plusieurs galeries de dérivation ont été revêtues de granit dans le monde entier.

Les chercheurs ont également pu démontrer l'efficacité réelle des galeries de dérivation à l'exemple du barrage de Solis dans les Grisons. Gr?ce à la galerie, l'ensablement annuel a pu être réduit de plus de 80 pour cent. Mais cela implique une gestion adaptée du stockage : les exploitants des centrales peuvent encore accro?tre l'efficacité des galeries en abaissant suffisamment le niveau de l'eau dans le lac de retenue, car le fleuve entrant peut ainsi entra?ner une quantité particulièrement importante de roches et de sédiments et les évacuer par la galerie. Ces conclusions sont également pertinentes pour les exploitants de nombreuses autres centrales électriques.

Plus d'électricité gr?ce à un entretien optimisé des turbines

Pour désengorger les réservoirs, il est également possible, en alternative, d'acheminer les sédiments fins de manière ciblée par le biais de la voie des eaux motrices et des turbines dans les tron?ons de rivière situés en aval. "Le problème est que les turbines s'usent davantage. Cette solution peut néanmoins s'avérer intéressante pour les lacs de retenue alpins lorsque des mesures alternatives telles que des galeries de dérivation seraient trop co?teuses ou irréalisables", explique Boes.

Pour pouvoir mieux évaluer la faisabilité de cette mesure contre l'ensablement, les exploitants de centrales électriques doivent toutefois savoir quels dommages les sédiments causent aux turbines et dans quelle mesure ils réduisent leur efficacité. Boes et son équipe ont analysé ce problème dans une centrale hydroélectrique en Valais et dans les Grisons. Gr?ce à ces connaissances, les chercheurs ont développé un modèle qui prédit quand une turbine perd de sa puissance en raison de l'usure des sédiments et quand elle doit être remplacée. Les exploitants de centrales électriques peuvent ainsi optimiser la maintenance de leurs installations et, au final, produire plus d'électricité.

Le potentiel de l'énergie hydraulique suisse

Outre ces solutions concrètes pour les centrales hydroélectriques existantes, le professeur Boes de l'ETH et son équipe ont également mené ces dernières années des recherches intensives sur le potentiel de développement de l'hydroélectricité suisse. Son groupe de recherche a par exemple étudié quelles zones de retrait des glaciers se prêteraient le mieux à la construction de nouveaux barrages et quels barrages pourraient être rehaussés afin de créer un plus grand volume de stockage.

Les résultats de ces études de l'ETH ont été repris en 2020 par l'Office fédéral de l'énergie : Celui-ci a fait des meilleurs sites la base d'une table ronde au cours de laquelle les groupes électriques, les associations de protection de l'environnement et les cantons se sont mis d'accord sur une liste de quinze projets d'extension et de construction de centrales hydroélectriques. Le professeur émérite de l'ETH Michael Ambühl a également contribué à l'époque à la recherche d'un compromis en jouant le r?le de médiateur entre les parties. Ces projets ont ensuite été intégrés dans une nouvelle loi sur l'approvisionnement en électricité. L'entrée en vigueur de celle-ci dépendra en fin de compte des électeurs suisses, qui voteront en juin sur le développement de l'énergie hydraulique et d'autres sources d'énergie renouvelables.

Robert Boes est membre du Energy Science Center (ESC) de l'ETH Zurich.