m88bet

Hydraulique et hydroélectricité : les enjeux du développement durable

m88betLiên kết đăng nhập

Comparée à des sources d’énergie renouvelables en plein essor, telles que le solaire et l’éolien, l’hydroélectricité reste-elle compétitive ? Une réponse doit prendre en compte tous les aspects de son développement : efficacité énergétique et environnementale, taux de retour, sûreté, emprise sur la biosphère, consommation de matériaux.

___

 

La consommation d’énergie a des exigences très sévères et requiert des moyens de production en adéquation. Il faut pouvoir en disposer en qualité, en quantité et au moment choisi, tout en dépensant le minimum. La panne ou la pénurie d’énergie sont dans les sociétés du 21ème siècle complètement inacceptables. La production et le stockage d’énergie doivent donc répondre à ces critères, sachant que cette production, comme toute activité humaine, perturbe l’environnement.

En compétition avec d’autres sources d’énergie, l’hydroélectricité (Lire : Les ouvrages hydrauliques) et (Lire : Hydroélectricité, diversité et spécificité) fait appel à différentes ressources en les consommant, les détruisant ou les altérant. Il convient donc de mesurer et de pondérer ces ressources pour faire un choix éclairé, ce qui implique la prise en compte de tous les besoins en ressources.

  • Lors de la construction et de la mise en œuvre des aménagements :
    • énergie qu’on doit dépenser à cette occasion,
    • matériaux indispensables,
    • temps écoulé, ou délai, entre la décision de procéder à l’aménagement et sa mise en exploitation commerciale,
    • nombre de vies humaines affectées, par mortalité et accidents.
 
  • Au cours de la durée de vie utile de l’aménagement :
    • matériaux, carburants et autres ressources consommées,
    • fluides environnementaux tels que l’air et l’eau, pollués, altérés et rendus moins accessibles en qualité et quantité pour la faune, la flore et les hommes,
    • espace, en volume et en surface, occupé partiellement ou en totalité par le moyen de production et de stockage,
    • coûts de maintenance,
    • nombre de vies humaines affectées, comme pour la construction.

Dans le développement et l’exploitation d’un projet énergétique, l’ingénieur doit maximiser la qualité et la quantité de la production en minimisant les coûts sociaux, financiers et environnementaux (Lire : Hydroélectricité, impacts environnementaux et sociaux).

 

1. Efficacité énergétique

L’efficacité énergétique exprime la proportion entre l’énergie produite et l’énergie brute disponible. En maximisant cette efficacité, on obtient plus d’énergie sans accroître les méfaits pour l’environnement. L’hydroélectricité dans ce domaine est très favorisée :
  • les turbines hydrauliques sont exploitées dans une gamme de puissance où leur rendement est généralement supérieur à 90% ;
  • les alternateurs hydrauliques présentent des rendements supérieurs à 98% ;
  • à quoi s’ajoutent les pertes de transformation, transmission et distribution, pertes qui, pour les lignes longue distance et la transformation à très haute tension, sont d’environ .
En hydraulique, la recherche et le développement est continu mais surtout chaque site est optimisé. Au fil du temps, l’efficacité des turbines n’a cessé de progresser (figure 1), sous l’effet principalement de l’avènement des solutions numériques pour la conception et la fabrication.
Figure 1. Évolution dans le temps des rendements des turbines hydrauliques
  En définitive, quand on compare aux autres sources d’énergie, l’avantage de l’hydroélectricité est frappant (figure 2).
Figure 2. Efficacité des différentes sources d’énergie
 

2. Taux de retour énergétique (TRE)

La mise-en-œuvre d’un projet énergétique et son exploitation consomment de l’énergie. Pendant le cycle de vie prévu, la production énergétique du projet est comparée à l’énergie consommée. Cette contribution est exprimée comme un ratio : s’il est supérieur à 1, il permet au projet d’être considéré comme une source d’énergie. Le TRE exprime cet aspect de l’efficacité d’une source d’énergie. Il s’agit de considérer l’énergie pour construire et maintenir un système de production par rapport à sa production prévue durant sa vie utile :

TRE = Énergie livrée/ Énergie dépensée, soit Energy Return on Energy Invested (EROEI)

Les différentes études disponibles convergent pour l’hydroélectricité sur un TRE supérieur aux autres sources d’énergie. Même si certaines études sont plus pessimistes, Hydro-Québec, pour ses installations, avance un chiffre au-delà de 250. Il reste qu’il y a consensus pour considérer l’hydroélectricité plus efficace sur cet aspect que toute autre source d’énergie (tableau 1 et figure 3).
Tableau 1. Taux de Retour Énergétique selon diverses sources. [Source : Wikipedia]
Sur son concurrent le plus proche, l’hydroélectricité a un avantage significatif en termes de TRE. Quand le TRE d’une ressource est inférieur ou égal à 1, cette source d’énergie devient un « puits d’énergie » et ne peut plus être considérée comme une source d’énergie primaire.
Figure 3. Taux de retour énergétique comparés selon Hydro-Québec

 

En hydroélectricité, les installations de turbinage-pompage, avec une efficacité globale supérieure à 80% pour le cycle complet, consomment plus qu’elles ne produisent (Lire : Les stations de pompage-STEP). Elles ne sont donc pas, comme telles, des sources d’énergie, leur TRE étant inférieur à 1. Malgré cet état de fait, leur utilisation permet un fonctionnement du réseau plus en accord avec la demande en absorbant les surplus d’énergie et en les restituant lors des pointes de demande. Elles sont donc extrêmement utiles et de plus en plus demandées alors que les sources d’énergie intermittentes comme le solaire et l’éolien sont de plus en plus nombreuses à se raccorder au réseau. Il est vrai que souvent, des adductions au réservoir amont doivent être turbinées et ainsi augmentent la capacité de production par rapport au pompage. L’installation remarquable de Grand Maison près de Grenoble en France en est un bel exemple, on y trouve 8 turbines-pompes et 4 turbines, chacune de 150MW (figure 4).

Figure 4. Vue sur le réservoir amont de Grand Maison situé à plus de 900 m au-dessus du réservoir aval
 

3. La production de gaz à effet de serre

Toutes les filières de production d’électricité produisent des gaz à effet de serre (GES) au cours de leur cycle de vie (construction, exploitation et déclassement). L’hydroélectricité produit surtout du dioxyde de carbone et, dans une moindre mesure, du méthane, résultat de la dégradation de la matière organique ennoyée (Lire : L’environnement dans les politiques énergétiques). Sur l’ensemble du cycle de vie, les émissions nettes de GES des centrales hydroélectriques québécoises sont similaires à celles des éoliennes, et sont beaucoup plus faibles que celles des centrales au gaz naturel ou au charbon (figure 5).

Figure 5. Comparaison en production de GES des options de production d’électricité suivant les scénarios minimum et maximum. [Source : Hydroquébec ]
 

 est une préoccupation environnementale très connue. Encore sur ce point, l’hydroélectricité se démarque des autres moyens de production. Pour le prouver, on doit différencier les contributions des centrales hydroélectriques avec réservoir et au fil de l’eau (figure 6). En effet, c’est le réservoir amont qui, en noyant les terres lors de son remplissage est responsable de la plus haute production de GES. En revanche, ce réservoir donne beaucoup de flexibilité à la gestion du réseau en permettant de faire fluctuer la production pour suivre la demande. De leur côté, les centrales au fil de l’eau n’inondent presque pas les abords de la rivière et, de ce fait, ne produisent que très peu de GES (Lire : Hydroélectricité au fil de l’eau, du projet à l’exploitation). Ces centrales doivent fonctionner en accord, non pas avec la demande du réseau, mais plutôt avec le débit saisonnier de la rivière.

Figure 6. Comparaison des émissions de GES de différentes filières énergétiques. [Source : Hydroquébec ]
Ces différentes émissions de GES selon les sources d’énergie sont aussi confirmées par d’autres évaluations (figure 7).
Figure 7. Équivalent en CO2 pour un cycle de vie moyen. [Source : ]
En termes de GES, la plus grande préoccupation reste les émissions dans les réservoirs, bien que les quantités comparées soient faibles et qu’en plus elles soient temporaires. Il faut également noter que la contribution aux émissions de GES des systèmes hydroélectriques durant la production, ne se mesure pas à partir de carbone fossile ; il s’agit, en fait, de l’émission de dioxyde de carbone et de méthane produit par la décomposition de matière organique dans les réservoirs. C’est un phénomène qui est temporaire et qui s’estompe dans le temps pour revenir aux émissions qu’on retrouve dans les lacs naturels. C’est lors de la construction qu’il y a production de GES à partir du carbone fossile, mais c’est relativement peu par référence au TRE. Puisqu’en période de production, on ne réintroduit pas plus de carbone fossile dans la chaîne biologique, l’hydroélectricité est une source d’énergie très respectueuse du cycle du carbone dans la chaîne biologique actuelle.  

4. Dangers et risques comparés des sources d’énergies

« Vivre n’est certes pas une entreprise sans risque » ou « Toute activité présente un danger », certes, mais, pour être plus précis, quelques définitions s’imposent :
  • le dangerest une propriété ou une capacité inhérente à une situation, un équipement ; le danger existe en soi et on doit vivre avec ;
  • le risque, c’est l’événement néfaste de l’exposition à un danger que l’on doit minimiser et gérer ;
  • l’exposition au risque est une notion de probabilité ;
d’où l’équation : Risque = Danger ∗ Exposition.  

En pratique, si on fait l’hypothèse que le passé est garant de l’avenir, on peut évaluer l’exposition à partir des dommages passés, cumulés et rapportés au temps ou à toute autre mesure physique. À cet égard, les statistiques permettent d’appréhender le risque qui est le résultat auquel on s’intéresse. Le dommage est la conséquence inévitable du risque. L’ingénieur n’a de contrôle que sur l’exposition, alors que dans le domaine de l’énergie, les risques sont assez différenciés.

Dans l’optique d’un développement durable, la mortalité est certainement le dommage le plus important à considérer comme en fait foi la disponibilité des informations sur le sujet, alors que les données sur les dommages matériels sont beaucoup plus difficiles à obtenir. De nombreuses études régionales, puis mondiales, offrent une très bonne perception du taux de mortalité que représentent les différentes sources d’énergie (tableau 2).
Tableau 2. Taux de mortalité par source d’énergie. [Source : Nils Starfelt et Carl-Erik Wikdahl, Economic Analysis of Various Options of Electricity Generation – Taking into Account Health and Environmental Effects – ]
À partir de données similaires, une autre représentation est disponible depuis 2018 (figure 8).
Figure 8. Sureté des sources d’énergie. [Source : Jeff Desjardins ]
La source d’énergie la plus sûre correspond au nucléaire, bien qu’aucune source d’énergie ne soit parfaitement sûre. Toutefois, on remarque que deux ordres de grandeurs séparent les résultats des énergies fossiles et des autres.

L’hydroélectricité se trouve dans une position enviable, exception faite d’une donnée aberrante que représente la rupture du barrage de Banqiao en 1975[1]. Ainsi, si on ne tient pas compte de cet événement, le taux de mortalité pour l’hydroélectricité chute de 1,4 à 0,1 par TWh. Ce barrage, qui avait été construit en 1959 pour contrôler les inondations, a été détruit pendant la révolution culturelle chinoise. Sans l’événement de Banqiao, l’hydroélectricité présente moins de risque que toutes les sources d’énergie renouvelable et serait mille fois moins risquée que le recours au charbon minéral.

 

5. Emprises sur la biosphère

L’exploitation d’une source d’énergie nécessite de l’espace qui devient moins disponible, à divers degrés, à d’autres utilisations, à la faune et à la flore (Lire : La contrainte d’acceptabilité sociale de l’éolien terrestre en Europe).

On peut penser :
  • aux surfaces de terrains occupées ;
  • aux fluides environnementaux, l’air, l’eau qui sont pollués, altérés.
Ces éléments sont donc rendus moins accessibles, en qualité et quantité, pour la faune ou la flore, y compris les humains. Il convient donc d’évaluer ces impacts et d’en pondérer l’importance. Même en termes qualitatifs, les différences les plus criantes entre les différentes sources d’énergie peuvent être appréciées.  

5.1. Occupation des surfaces

Sur cet aspect, l’hydroélectricité est très gourmande. Aux installations construites telles que les centrales, barrages, digues, et autres emprises, s’ajoutent pour les centrales à réservoir, des kilomètres carrés de terres inondées. De plus, une partie encore plus importante du territoire est asservie de façon hydrologique, sans aucune altération, pour recueillir l’eau et alimenter par les voies naturelles préexistantes ces réservoirs. Donc, l’aménagement du territoire par l’hydroélectricité peu en fait couvrir un pays entier. Des comparaisons s’imposent donc pour apprécier ce désavantage. Pour ce faire, doivent être pris en compte :
  • la qualité écologique de l’espace occupé ;
  • le degré de partage de cet espace avec la faune, la flore ou toute autre utilisation sociale.
Dans un premier temps, il faut apprécier l’importance écologique de l’espace occupé. Par exemple, la centrale Robert-Bourassa est creusée sous la montagne : le volume occupé a donc peu de qualité pour la faune, la flore ou toute autre utilisation, si ce n’est l’évacuation des déblais qui doivent être relocalisés dans le voisinage. En revanche, le barrage lui-même, le déversoir, les carrières qui ont été exploitées pour les construire ont modifié de façon significative des surfaces de terrain de très bonne qualité et laissent peu de partage avec la faune et la flore. On peut imaginer que les terrains occupés par les centrales thermiques sont aussi d’utilisation assez exclusive. L’aménagement de LG2 (figure 9) donne une idée de l’envergure des emprises de l’évacuateur de crue et du barrage principal qui retient une chute de presque 140 m.
Figure 9. L’aménagement de LG2 comporte un déversoir et deux centrales (Robert-Bourrassa et La Grande-2-A) pour une capacité de 7 722 MW. [Source : ]
Pour l’hydroélectricité, l’empiétement sur le territoire ne s’arrête évidemment pas là. Les réservoirs créés ont inondé des kilomètres carrés de terres de très bonne qualité écologique. Ces surfaces soutirées aux espèces terrestres deviennent disponibles aux espèces aquatiques ce qui perturbe de façon significative mais temporaire la faune et la flore. Le fait de passer d’une rivière à un lac modifie considérablement l’habitat. Sur la vue satellitaire du projet de la Baie James (figure 10) qui reste partielle, on voit comment un aménagement hydroélectrique peut modifier un vaste territoire. On y observe, cerclés, les réservoirs créés pour entreposer l’énergie hydraulique. Il faut observer qu’en dehors des zones inondées ou affectées par la montée des eaux, le réseau hydrologique, en soi, n’est pas affecté.
Figure 10. Les réservoirs créés par le projet de la Baie James couvrent un territoire qui se mesure en centaines de kilomètres. [Source :© Michel Sabourin 2020 à partir de Google Maps]
La production d’énergie occupe des zones qui en rapport aux autres activités écologiques peuvent être:
  • en complète exclusion ;
  • en partage ;
  • sans aucune nuisance.
Plusieurs solutions de mitigation sont mises en place. De façon non exhaustive, on peut citer des :
  • plantations pour restaurer les surfaces mises à nu (figure 11) ;
  • aménagements de frayères pour faciliter la transition entre les milieux aquatiques passés et nouveaux (figure 12) ;
  • optimisations des espaces occupés (figure 13).
Figure 11. Plantations de revitalisation. [Source : Hydroquébec ]
Figure 12. Aménagements de frayères. [Source : Hydroquébec ]
Figure 13. Partage de l’espace. [Source : Hydroquébec ]

5.2. L’altération des fluides air et eau

La production d’énergie peut affecter de façon considérable l’atmosphère. Outre la production de  (voir plus haut), l’eau est très affectée car les quantités sont considérables puisqu’elles comprennent toutes celles comprises dans le réseau hydrographique qui est harnaché. Cette eau est affectée de différentes façons :
  • par la pollution chimique ;
  • par le déséquilibre dans son interaction avec l’air de l’atmosphère ;
  • par la perturbation de son écoulement.

La pollution chimique de l’eau la plus significative est celle due au mercure. Ce dernier est émis dans l’air de façon naturelle par les volcans et les feux de forêt, ou engendré par des activités humaines, comme la combustion du charbon et le brûlage des déchets. Il est transporté dans l’atmosphère sur de longues distances, puis il tombe dans les lacs et les forêts avec les poussières et la pluie.

Lors de la mise en eau d’un nouveau réservoir, le mercure inorganique accumulé sur les terres est subitement transformé par les bactéries en une forme qui est facilement assimilée par les organismes vivants (figure 14). Cette forme de mercure (le méthylmercure) peut devenir toxique à de fortes concentrations. Le mercure s’accumule pendant toute la vie des poissons de sorte que les plus vieux et les plus gros ont un taux plus élevé de mercure.
Figure 14. Cheminement du mercure peu après la mise en eau des réservoirs. [Source : hydroquébec ]
L’eau ne présente pas de danger de toxicité si on la boit. Par contre, les poissons prédateurs en ont des concentrations élevées et leur consommation humaine est dangereuse. La teneur moyenne en mercure des poissons a augmenté d’un facteur variant de 2 à 8, selon les espèces et les réservoirs (figure 15).
Figure 15. Évolution de la teneur en mercure des dorés jaunes. [Source : hydroquébec ]
Le mercure est un problème transitoire dû à l’inondation subite des terres sous le nouveau réservoir. Après quelques dizaines d’années, les niveaux de contaminants rejoignent les niveaux naturels normalement observés.

Une autre source de pollution est celle due à l’utilisation des lubrifiants minéraux pour les équipements des centrales. C’est un phénomène accidentel de mieux en mieux maîtrisé et assez restreint.

La modification des écoulements par l’installation de digues et barrages ou l’utilisation des déversoirs a des conséquences sur la qualité de l’eau.

Les cascades naturelles sont souvent complètement submergées et ne contribuent plus à l’oxygénation de l’eau. Cet effet a des répercussions importantes dans les zones climatiques chaudes, le réservoir vient à manquer d’oxygène dissout surtout en profondeur. Si cette eau est captée par la turbine et envoyée dans la rivière à l’aval, elle tue toute vie aquatique. C’est un phénomène très étudié : on a appris à y remédier en utilisant les turbines pour introduire de l’air dans l’eau[2].

Un autre effet des installations, c’est que lors des crues on utilise des évacuateurs qui souvent contribuent à dissoudre l’azote de l’air en excès dans l’eau. Les poissons en sont affectés et deviennent sujet à la prédation. Ici, le turbinage de l’eau à la place de l’utilisation de l’évacuateur réduit cet effet et est donc favorable. Malheureusement, il est très rare que les turbines soient dimensionnées pour la crue.

Une autre nuisance créée par le barrage est la diminution des transits.

Dans les sites montagneux comme les Alpes, l’Himalaya, les Rocheuses ou les Andes, les eaux sont chargées de sédiments qui, transportés par les courants, se retrouvent inévitablement dans les océans et lors des crues viennent enrichir les terres inondées. L’installation de barrages vient évidemment perturber ce transit, les sédiments se déposant dans les réservoirs au point de les remplir à plus ou moins long terme. Ce phénomène peut être géré en utilisant des dispositifs de vidange de fond (figure 16).

Figure 16. Vanne de fond utilisé pour vidanger un réservoir de ses sédiments. [Source : Ludovic Péron, , via Wikimedia Commons]

Le transit de la faune aquatique est aussi perturbé par les barrages. Cela affecte surtout les espèces qui ont besoin de migrer entre les océans et les rivières. Les poissons anadromes remontent les rivières pour se reproduire tandis que les poissons catadromes retournent à la mer pour se reproduire. Les saumons, aloses et esturgeons sont anadromes et les anguilles catadromes. Ce sont ces espèces qui suscitent le plus de préoccupations.

Pour la montaison, des passages alternatifs permettent efficacement aux poissons de franchir le barrage. Ces installations sont donc construites en parallèle et n’affectent en rien les turbines (figure 17).
Figure 17. Passage pour saumons adultes à la centrale de McNary. [Source : ]

Les turbines peuvent être mises à contribution lors de la dévalaison. En effet, pour franchir le barrage, la turbine présente un choix parfois incontournable, ce qui, essentiellement, justifie un travail d’optimisation (figure 18). Ces travaux permettent aux grandes turbines de la rivière Columbia d’accroître le taux de survie des alevins de 92 à 98% pour les nouvelles conceptions[3].

Figure 18. Étude des phénomènes nuisibles aux poissons dans les turbines. [Source : General electric ]
L’hydroélectricité est certainement la source d’énergie qui affecte les plus grandes surfaces de territoire. Toutefois, les impacts les plus importants font l’objet de solutions d’atténuation et globalement s’estompent dans le temps. Pour nombre de cas, le développement de projets hydroélectriques a permis d’étudier en profondeur les systèmes écologiques sur des territoires qui deviennent plus accessibles, de les développer et d’en permettre une exploitation avantageuse socialement. C’est aussi l’occasion de faire des inventaires de la faune et de la flore et de mieux comprendre comment ils sont affectés pour y remédier efficacement.  

6. Consommation de matériaux

Le concept de l’énergie renouvelable repose sur les processus naturels qui sont continuellement renouvelés. D’où l’importance des matériaux utilisés pour la mise en œuvre et l’exploitation parce qu’à l’instar du carburant, ces matériaux sont consommés et ne sont plus disponibles pour d’autres usages. On peut donc s’y intéresser sur les aspects quantité et qualité (figure 19).
Figure 19. Matériaux utilisés par les différentes sources d’énergie. [Source : ]
L’aspect quantité est en soi quelque peu redondant avec l’analyse des émissions des  et avec le  puisque les travaux nécessitant l’extraction et le raffinement des matériaux consomment de l’énergie et émettent des GES. L’analyse des quantités seule est aussi trompeuse. Le degré de rareté des matériaux est à prendre en compte, ce l’on comprend par juxtaposition de la rareté des terres rares et l’abondance des matériaux qui servent à faire le béton. La rareté a un effet sur le coût du matériau ce qui va se refléter sur le coût de l’énergie produite et est donc automatiquement tenu en compte dans les choix énergétiques à la condition que les autres aspects, tels que les émissions de GES en particulier, pénalisent aussi les coûts. Quoiqu’il en soit, il convient de remarquer que :
  • l’énergie hydraulique fait appel à de grande quantité de béton qui est abondant et disponible et d’un peu de métaux ;
  • les énergies éolienne et solaire utilisent en grande quantité des matériaux plus exotiques et des métaux ;
  • les énergies thermiques utilisent un peu de béton et de grandes quantités de métaux.
Sur cet aspect des matériaux, c’est l’énergie nucléaire qui en nécessite le moins.

 

7. Conclusion

En terme de développement durable, l’exploitation de l’énergie hydraulique présente globalement le moins d’impact sur l’environnement, tout en étant très souvent acceptable sur les plans sociaux et économiques (Lire : Hydropower, a vital asset in a power system with increased need fot flexibility).

C’est une source d’énergie renouvelable, dont l’exploitation présente la plus grande efficacité, émet très peu de GES et bénéficie d’un TRE supérieur à celui de toute autre source d’énergie. Elle jouit d’un risque de mortalité assez faible, occupe un large espace dans la biosphère et utilise une grande quantité de béton. Par sa flexibilité d’exploitation due aux grands réservoirs et aux installations de pompage-turbinage, elle facilite la gestion du réseau en permettant d’accepter des modes de production constants comme le thermique et le nucléaire et des modes de production intermittents comme l’éolien et le solaire. Sur un réseau électrique, l’hydroélectricité est un atout incontournable en tant que production pilotable, renouvelable et être une solution de stockage pour de grosses quantités d’énergies.  

Notes et références

Image de couverture. [Source : , CC0, via Wikimedia Commons]

[1] Pour en savoir plus :

[2] Pour plus d’informations :

[3] Pour en savoir plus :

D'autres articles de la même catégorie :

m88betLiên kết đăng nhập
m88betLiên kết đăng nhập
m88betLiên kết đăng nhập
  • Imprimer
Toutes les rubriques de ce contenu.
Sommaire
mu88 casino fun88 wtf qh88 m88 cá cược trực tuyến fb88hi