Comment réaliser une gestion des sédiments assurant une hydroélectricité durable?

16 novembre 2016 - de Robert Boes

La force hydraulique est de loin la source la plus importante des énergies électriques renouvelables. Mais les sédiments, qui se déposent au fond des lacs de retenue et causent une usure accrue des turbines, gênent parfois le fonctionnement des centrales. On connaît certes de nombreuses solutions pour limiter les effets négatifs des sédiments, mais chaque site nécessite des mesures individuelles. De nouvelles méthodes de contrôle en temps réel donnent des indications sur le transport, le dépôt et l'élimination des sédiments, et sur l'influence qu'ils exercent sur l'érosion de machines hydrauliques. Ces connaissances sont indispensables pour assurer le fonctionnement à long terme des centrales hydroélectriques.

De nombreux lacs de retenue et tronçons de cours d’eau situés en amont de centrales au fil de l’eau sont comblés peu à peu par les sédiments de leurs affluents. Sans contre-mesures adéquates, le volume de retenue diminuerait constamment pour disparaître un jour. Ceci aurait des effets extrêmement négatifs pour la production d’hydroélectricité. Une centrale à accumulation se transformerait ainsi en centrale au fil de l'eau et perdrait sa fonction principale consistant à livrer de l’énergie de pointe lorsque la demande est importante. Les sédiments causent en outre une usure accrue de machines hydrauliques telles que les turbines et les pompes, et également celle d’ouvrages annexes comme les prises d’eau, dessableurs ou canaux de purge. Il en résulte des coûts élevés de fonctionnement et d’entretien. L’usure des turbines par hydro-abrasion influence à son tour leur géométrie entraînant une diminution de leur rendement et des pertes de production.

Lac de retenue de Koorawatha (Australie) comblé par des sédiments (Source: H. Chanson, University of Queensland)

Lac de retenue comblé

Usure par hydro-abrasion de la roue d'une turbine Pelton (arêtes médianes émoussées, intrados ondulés des cuillères; turbine exposée au barrage d'Emosson VS; source: VAW, EPF Zurich)

Usure par hydro-abrasion

Érosion de plusieurs mètres de profondeur du sol de la galerie de dérivation des sédiments à Palagnedra (TI; source: C. Auel, jadis VAW, EPF Zurich)

Érosion galerie dérivation sédiments

Dépôts sédimentaires au fond du Räterichbodensee (BE) durant la vidange due à des travaux (Source: J. Stamm, Kraftwerke Oberhasli AG)

Dépôts sédimentaires


Des contre-mesures deviennent urgentes

Il existe une multitude de mesures visant une gestion optimale des sédiments. Mais elles ont toutes en commun d’entraîner des coûts d’investissement élevés ou d’utiliser de grandes quantités d’eau, qui ne sont alors plus disponibles pour la production d’énergie. On a alors des pertes de rendement. Mais, sans compromis, les centrales hydroélectriques ne peuvent pas être exploitées à long terme dans le respect de l'environnement et de manière rentable et acceptable pour la société. En outre, la loi sur la protection des eaux de nombreux pays exige de rétablir le transit des sédiments là où il avait été interrompu, partiellement ou totalement, par des barrages et d’autres ouvrages de retenue.

Solutions aux défis

On peut citer parmi les solutions prometteuses qui ont déjà démontré leur faisabilité technique et leur éco-compatibilité :

  • la construction de galeries de dérivation des sédiments
  • l’écoulement de courants de turbidité
  • la purge régulière des bassins de retenue à l’aide de vidanges de fond
  • l’élimination des sédiments par hydro-succion

À mon avis, une autre méthode, dont l’étude et le développement mériterait d’être poursuivi, est la transition, par des voies d'eau motrices et des turbines, de matériaux en suspension vers des tronçons de rivière situés en aval. Le flux de sédiments pourrait être ainsi maintenu en grande partie au niveau existant avant la construction des centrales hydroélectriques. Malgré l’usure accrue des machines hydrauliques qui en découle, cette méthode se révèle très prometteuse, en particulier pour les bassins de retenue en milieu alpin, où d’autres solutions seraient soit hors de prix, soit irréalisables à cause de restrictions juridiques. Des revêtements spéciaux peuvent être appliqués sur les turbines pour en réduire l’usure. Un contrôle en temps réel de la concentration et de la taille des particules de sédiments permettrait aux exploitants d’intervenir rapidement. Ils pourraient par exemple interrompre la production d’énergie dès que certains seuils sont atteints lors d’une crue, évitant ainsi une usure disproportionnée des machines.

Notre recherche, dans le cadre du SCCER-SoE, se concentre sur l’usure des turbines, les galeries de dérivation des sédiments et les canaux de purge, ainsi que sur le développement de modèles de prévision et de techniques de mesure pour le contrôle en temps réel des matériaux charriés et  en suspension, en utilisant des méthodes expérimentales et numériques. Des connaissances plus approfondies des processus et techniques de mesures significatifs permettent de développer des solutions propres à un site en vue d’optimiser la gestion des sédiments.

L’âge grandissant des lacs de retenue et le retrait des glaciers vont accentuer l’importance de la gestion des sédiments pour les centrales hydroélectriques. Mais le retrait des glaciers offre aussi des perspectives intéressantes pour le développement de la force hydraulique en harmonie avec la Stratégie énergétique 2050.

Décharge dans l'Albula à la sortie de la galerie de dérivation des sédiments de Solis (GR; source: C. Oertli, EWZ Kraftwerke Mittelbünden et C. Auel, jadis VAW, EPF Zurich)

Décharge dans l'Albula à la sortie de la galerie de dérivation des sédiments de Solis (GR). La concentration plus élevée de matériaux charriés dans la partie droite du jet provient d'un courant secondaire dû à un virage à droite de la galerie.


Vous trouverez également cet article dans le Zukunftsblog de l'EPF de Zurich.

Auteur

Prof. Dr. Robert Boes est le directeur de l’institut de recherche en hydraulique, hydrologie et glaciologie (VAW), professeur pour les constructions hydrauliques à l’EPF de Zurich et chef de projet au SCCER-SoE.