Renforcer l'hydroélectricité suisse grâce à la science

«Bien que l'hydroélectricité suisse soit une technologie éprouvée, nous devons constamment travailler à son optimisation. Si nous ne le faisons pas, la production d'électricité et le stockage dans les centrales existantes s'éroderont lentement», explique Robert Boes, qui dirige depuis 2009 le laboratoire d'hydraulique, d'hydrologie et de glaciologie de l'ETH Zurich. En effet, les réservoirs ont une tendance naturelle à se rétrécir sous l'effet des gravats. De plus, la présence de sédiments dans les cours d'eau entraîne inévitablement l'usure des turbines au fil du temps.

Les scientifiques de l'ETH Zurich ont passé plusieurs années à relever ces défis et d'autres encore dans le cadre de leurs recherches : elles et ils ont développé des solutions pour une gestion efficace de l'eau, calculé des stratégies d'entretien pour les turbines et montré quels sites ont le potentiel d'utiliser l'énergie hydraulique de la manière la plus efficace et la plus respectueuse de l'environnement. Ils et elles veillent ainsi à ce que la force hydraulique reste à l'avenir l'épine dorsale de l'approvisionnement en électricité de la Suisse, en particulier en hiver, lorsque les installations photovoltaïques produisent moins d'électricité.

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

Il existe 11 centrales au fil de l'eau le long des 36 kilomètres qui séparent la Limmat du lac de Zurich et de l'Aar. Le lac de Zurich ressemble à un grand réservoir de tête par lequel l'eau est évacuée dans la Limmat. Les autorités utilisent le système de déversoir du parc Platzspitz de Zurich pour réguler le niveau du lac de Zurich et donc la quantité d'eau qui s'écoule dans la rivière. Outre son rôle dans la protection contre les inondations, la navigation et l'écologie, ce niveau d'eau est particulièrement important pour la production d'électricité.

Robert Boes et son équipe de recherche ont récemment montré dans une étude qu'une régulation optimisée du déversoir de Platzspitz pourrait permettre de produire environ 2% d'électricité en plus dans les centrales électriques situées le long de la Limmat. Cette augmentation de l'efficacité résulterait d'une nouvelle stratégie de gestion qui, d'une part, autoriserait des niveaux d'eau plus élevés dans le cadre de la réglementation actuelle et, d'autre part, utiliserait des modèles météorologiques pour mieux adapter la régulation du niveau d'eau dans le lac de Zurich aux précipitations et aux volumes d'afflux attendus.

En règle générale, plus l'eau s'écoule régulièrement dans les centrales au fil de l'eau, plus elles peuvent produire d'électricité. Les nouvelles règles permettraient de mieux utiliser l'eau supplémentaire présente, en particulier dans le cas de niveaux de crue faibles ou moyens. «Si le modèle météorologique prévoit de fortes pluies, le système de déversoir intelligent déverserait un peu plus d'eau dans la Limmat à l'avance. Ensuite, lorsque les pluies prévues arrivent, le lac dispose d'un tampon plus important et peut continuer à déverser de l'eau de manière régulière dans la Limmat malgré les fortes pluies», explique Robert Boes. Cela permettrait d'éviter que les turbines ne soient surchargées par une trop grande quantité d'eau. Bien entendu, les gestionnaires de l'eau devraient toujours se conformer à la réglementation sur les hautes eaux ainsi qu'aux exigences écologiques et autres.

Des adaptations similaires seraient également possibles sur d'autres rivières du Plateau suisse en aval des lacs alpins. Robert Boes et son équipe ont calculé que la production d'électricité des centrales au fil de l'eau pourrait être augmentée d'environ 100 gigawattheures par an si les déversoirs étaient gérés de manière plus intelligente. Cela suffirait à couvrir les besoins annuels en électricité d'environ 25'000 ménages de quatre personnes.

Protéger plus efficacement les turbines contre les sédiments

Le limon fin transporté par les rivières est l'ennemi naturel de toute turbine hydroélectrique. Il agit comme du papier de verre, provoquant l'usure des turbines au fil du temps et une baisse significative de la production d'électricité. Bien que ce problème soit connu depuis longtemps, il n'a pas encore été entièrement résolu. Bien que de nombreuses centrales électriques soient équipées de ce que l'on appelle des bacs à sable, ceux-ci ne parviennent souvent pas à éliminer suffisamment les minuscules particules de l'eau.

Afin d'accroître l'efficacité des dessableurs, et donc de protéger les turbines et d'éviter les pertes de production, Robert Boes et son équipe ont étudié les types de dessableurs les plus efficaces : «Les longs dessableurs à faible pente de fond, qui font couler l'eau le plus lentement possible, sont les plus efficaces. Ils permettent aux particules de se déposer plus facilement sur le sol», explique Robert Boes. Ces conclusions ont déjà été utilisées pour améliorer le piège à sable de la centrale hydroélectrique de Susasca, dans les Grisons. Cependant, les pièges plus longs nécessitent plus de matériaux de construction et occupent plus d'espace, ce qui les rend coûteux. Par conséquent, les décisions concernant les adaptations structurelles les plus judicieuses d'un point de vue économique et technique diffèrent d'une centrale à l'autre.

Bypass d'éboulis pour les lacs de barrage

En raison de l'érosion due aux intempéries, des pierres, du gravier et d'autres sédiments pénètrent dans les réservoirs par leur prise d'eau et réduisent leur volume de stockage. Ce problème, connu sous le nom de sédimentation, pourrait réduire la capacité de stockage des réservoirs suisses d'environ 7% d'ici à 2050. Aujourd'hui, les petits et moyens réservoirs utilisent des tunnels de dérivation comme mesure structurelle contre la sédimentation. Ces tunnels guident les pierres, le gravier et le limon à travers le mur du barrage pendant les inondations. Cependant, comme les eaux de crue transportent une grande quantité de sédiments, le sol du tunnel de dérivation est parfois soumis à une usure prononcée.

Ces dernières années, Robert Boes et son équipe se sont penchés à plusieurs reprises sur ce problème. Les scientifiques ont notamment étudié les matériaux les mieux adaptés au revêtement du sol de ces tunnels. Après d'innombrables tests, elles et ils sont parvenus à la conclusion que le granit à haute résistance est le mieux à même de supporter l'usure importante dans des conditions particulièrement difficiles. Sur la base de cette constatation, plusieurs tunnels de contournement dans le monde ont été revêtus de granit.

En prenant l'exemple du réservoir de Solis, dans les Grisons, les chercheurs et chercheuses ont également pu prouver l'efficacité des tunnels de dérivation. Le tunnel a permis de réduire la sédimentation annuelle à Solis de plus de 80%. Les exploitants de la centrale peuvent encore accroître l'efficacité du tunnel en abaissant suffisamment le niveau de l'eau dans le réservoir, ce qui permet au cours d'eau entrant de transporter des quantités particulièrement importantes de roches et de sédiments et de les évacuer par le tunnel. Ces résultats sont également pertinents pour les exploitants de nombreuses autres centrales électriques.

Plus d'électricité grâce à une maintenance optimisée des turbines

Une autre façon de traiter l'accumulation de limon dans les réservoirs est de canaliser les sédiments fins vers les sections aval de la rivière via le canal d'amenée et les turbines. «Le problème de cette méthode est qu'elle entraîne une plus grande usure des turbines. Mais cela peut être une mesure intéressante pour les réservoirs alpins si d'autres mesures, telles que les tunnels de dérivation, sont trop coûteuses ou impossibles à mettre en œuvre», explique Robert Boes.

Toutefois, pour mieux évaluer la faisabilité de cette approche du problème de la sédimentation, les exploitants de centrales électriques doivent connaître les dommages causés par la vase aux turbines et l'ampleur de la réduction de leur efficacité. Robert Boes et son équipe ont analysé ce problème dans une centrale hydroélectrique du Valais et une autre des Grisons. Les scientifiques ont utilisé leurs résultats pour développer un modèle qui prédit quand une turbine perdra de la puissance à cause de l'usure des sédiments et devra être remplacée. Les exploitants de centrales peuvent ainsi optimiser l'entretien de leurs installations et, au final, produire davantage d'électricité.

Le potentiel de l'hydroélectricité suisse

Outre ces solutions spécifiques pour les centrales hydroélectriques existantes, Robert Boes et son équipe de l'ETH Zurich ont également mené ces dernières années des recherches approfondies sur le potentiel d'expansion de l'énergie hydroélectrique suisse. Par exemple, son groupe de recherche a étudié les zones de retrait glaciaire qui conviendraient le mieux à la construction de nouveaux réservoirs et les barrages existants qui pourraient être surélevés pour créer un plus grand volume de stockage.

En 2020, l'Office fédéral de l'énergie a utilisé les résultats de ces études de l'ETH Zurich sur les sites appropriés comme base pour une table ronde au cours de laquelle les compagnies d'électricité, les organisations de protection de l'environnement et les cantons se sont mis d'accord sur une liste de 15 projets d'agrandissement et de construction de centrales hydroélectriques. Michael Ambühl, professeur émérite de l'ETH Zurich, a joué un rôle de facilitateur entre les parties et les a aidées à trouver un compromis. Ces projets ont ensuite été intégrés dans une nouvelle loi sur l'approvisionnement en électricité. L'entrée en vigueur de cette législation dépend en fin de compte de l'électorat suisse, qui se prononcera en juin sur l'expansion de l'hydroélectricité et d'autres sources d'énergie renouvelables.