Renforcer l'hydroélectricité suisse grâce à la science

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 via le 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.

Robert Boes et son équipe de recherche ont récemment démontré 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 électriques de la Limmat. Ce gain d'efficacité serait rendu possible par une nouvelle stratégie de contrôle qui, d'une part, autoriserait des niveaux d'eau du lac plus élevés dans le règlement actuel et, d'autre part, permettrait, à l'aide de modèles météorologiques, de mieux adapter la régulation du niveau du lac de Zurich aux quantités de précipitations et aux affluents attendus.

Pour les centrales au fil de l'eau, la règle est la suivante : plus l'eau s'écoule de manière régulière, meilleure est la production d'électricité. Le nouveau règlement permettrait notamment de mieux utiliser les quantités d'eau qui se produisent lors de crues petites et moyennes. « Si le modèle météorologique prévoit de fortes pluies, le barrage intelligent déverserait à l'avance un peu plus d'eau dans la Limmat. Lorsqu'il pleut ensuite, le lac a plus de tampons et peut continuer à déverser de l'eau dans la Limmat de manière régulière malgré les fortes précipitations », explique le professeur de l’école polytechnique zurichoise. Cela permettrait d'éviter que les turbines ne soient surchargées par trop d'eau.

Des adaptations similaires seraient également possibles sur d'autres rivières suisses du Plateau, 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 GWh par an grâce à une gestion plus intelligente des barrages. Cela permettrait de couvrir les besoins annuels en électricité d'environ 25'000 foyers de quatre personnes.

Les sédiments fins transportés par les rivières sont les ennemis naturels de toute turbine hydroélectrique. Ils agissent comme du papier de verre et entraînent l'usure des turbines, qui produisent moins d'électricité. Ce problème n'est pas encore totalement résolu à ce jour. De nombreuses centrales électriques disposent certes de bassins dits de dessablage, mais ceux-ci ne parviennent souvent pas à réduire suffisamment les minuscules particules présentes dans l'eau.

Afin d'augmenter l'efficacité de ces dessableurs, Robert Boes et son équipe ont étudié quel type de bassin était particulièrement efficace : « Ce sont les longs bassins avec une pente douce du lit, 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 déjà été amélioré.

En raison de l'érosion due aux intempéries, des pierres, des graviers 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, on utilise aujourd'hui des galeries de dérivation comme mesure de construction contre l'ensablement. À la manière d'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 et son équipe se sont penchés sur ce problème. Les chercheurs ont étudié les matériaux les plus appropriés pour le revêtement de la semelle de ces galeries. Ils sont arrivés à la conclusion que, dans des conditions particulièrement difficiles, c'est le granit à haute résistance qui résiste le mieux à la forte usure. Sur la base de ces résultats, plusieurs galeries de dérivation ont été revêtues de granit dans le monde entier. Les chercheurs ont en outre pu démontrer l'efficacité réelle des galeries de dérivation à l'exemple du barrage de Solis dans les Grisons. Grâce à la galerie, l'ensablement annuel a pu être réduit de plus de 80 pour cent.

Pour désensabler les réservoirs, les sédiments fins peuvent aussi être déversés alternativement dans des tronçons de rivière situés en aval, via la voie des eaux motrices et les turbines. « 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 chères ou irréalisables », ajoute-t-il.

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