Systèmes hydroélectriques résilients au changement climatique

La production d'hydroélectricité dépend, par définition, de la disponibilité de l'eau et est donc affectée par les impacts du changement climatique sur les bassins hydrographiques, principalement par deux voies (opposées). Le changement climatique peut entraîner une pénurie d'eau, ce qui entraîne une diminution des débits fluviaux et une plus faible accumulation d'eau dans les barrages, et donc une diminution de la quantité d'eau pouvant passer à travers les turbines ou les centrales fluviales pour produire de l'électricité. Inversement, le changement climatique peut augmenter la fréquence et l'intensité des précipitations extrêmes et accélérer la fonte des neiges, ce qui augmente le risque d'inondation. Certains endroits de l’UE seront plus exposés aux problèmes de pénurie d’eau et d’autres à une abondance soudaine d’eau: on s’attend généralement à ce que les sécheresses constituent une menace grave dans la plupart des régions, à l’exception du nord de l’Europe, et les inondations qui surviennent aujourd’hui une fois par siècle seront plus fréquentes dans tous les grands bassins hydrographiques européens (AEE, 2016). Cependant, les deux phénomènes peuvent se produire dans toute l'Europe, avec des fréquences changeantes dans un climat changeant.

Cette variabilité des changements hydrométéorologiques attendus à travers l'Europe est la raison d'être de la première option d'adaptation discutée ici. Dans une perspective d'adaptation au changement climatique, il est crucial pour les services publics exploitant des centrales hydroélectriques d'avoir une compréhension détaillée des conditions futures dans lesquelles chaque centrale fonctionnera. Le changement climatique entraînera une variation saisonnière du cercle d'eau, avec des périodes de sécheresse plus longues au cours desquelles l'eau sera plus rare que d'habitude, un dégel plus précoce de la neige sur les pentes des montagnes au printemps et, par conséquent, une apparition plus précoce de grands apports d'eau de fonte ainsi qu'une fonte accélérée des glaciers qui entraînera une augmentation initiale de la disponibilité de l'eau suivie d'une aggravation de la disponibilité de l'eau. En l’absence d’infrastructures de contrôle des flux en amont, les flux printaniers précoces et plus abondants peuvent être problématiques pour les centrales au fil de l’eau, en provoquant une inadéquation entre la production et la demande d’électricité.

Tous ces phénomènes nécessiteront une révision en profondeur de la planification de l’exploitation, de la maintenance et, éventuellement, des interventions d’ingénierie en matière de protection contre le changement climatique des centrales hydroélectriques. En outre, des scénarios précis seront essentiels pour trouver des solutions partagées pour des utilisations concurrentes en période de pénurie d’eau, en aidant à évaluer les besoins réels et le calendrier probable des demandes des différents utilisateurs à côté des services publics d’électricité: les agriculteurs, la pêche, l’utilisation résidentielle, le transport par eau, les loisirs, etc. Ainsi, une première option d’adaptation consiste à mettre en place des scénarios climatiques et hydrométéorologiques à haute résolution pour chaque site de barrage et pour le bassin hydrographique auquel ils appartiennent, de manière à ce qu’ils puissent être facilement accessibles et compris par la gestion des services d’électricité et par tous les autres utilisateurs du bassin. À cette fin, des services climatiques spécifiques peuvent être conçus pour fournir des projections précises des indicateurs pertinents dans un format accessible.

Dans certains cas, les conditions climatiques projetées peuvent laisser penser qu'une révision des activités prévues peut ne pas suffire et que l'adaptation des infrastructures peut s'avérer nécessaire. C'est particulièrement le cas lorsque l'on s'attend à une augmentation des épisodes de précipitations extrêmes, entraînant une augmentation des inondations sur les sites des barrages. Les effets néfastes de l'inondation des barrages comprennent les dépassements, les pannes, les dommages à l'équipement et les impacts négatifs en aval. L'abondance soudaine d'eau due aux inondations doit être rejetée en toute sécurité afin de minimiser les dommages causés à la plante et aux écosystèmes en aval ainsi qu'aux infrastructures et activités humaines. Les précipitations extrêmes peuvent également déclencher des impacts hydrométéorologiques tels que des glissements de terrain ou un envasement excessif, ce qui peut réduire le volume disponible pour l'eau dans un réservoir et / ou obstruer le système de rejet d'eau.

Il existe un certain nombre d'options d'ingénierie qui peuvent être appliquées pour gérer les déversements de barrages, qui peuvent être essentiellement regroupés en déversoirs, systèmes fermés et bouchons de fusibles.

Les déversoirs peuvent avoir différentes formes de conception visant à dissiper en toute sécurité l'énergie de l'eau rejetée tout en assurant les volumes de sortie souhaités. Ils peuvent fonctionner automatiquement lorsque l'eau dans le barrage atteint un niveau donné ou peuvent être couplés avec des portes qui détournent le flux d'eau dans le déversoir. Les formes de conception comprennent les déversoirs à goulotte, les déversoirs à escalier, les déversoirs à bec, les déversoirs à syphon, les crêtes ogee, les chenaux latéraux, les déversoirs à labyrinthe et les déversoirs à clavier (PKW). Les caractéristiques techniques d'un barrage et de l'orographie et de l'hydrologie de la zone environnante déterminent la compatibilité de types de déversoirs spécifiques avec le barrage: ce qui implique que tous les systèmes de déversoirs ne sont pas compatibles avec tous les barrages.

Les systèmes fermés sont une série de portes installées le long de la paroi du barrage ou autour des déversoirs de l’embouchure de la cloche qui peuvent être ouvertes pour gérer le niveau d’eau du réservoir et en particulier pour libérer le volume d’eau excédentaire en aval en cas d’inondation. Encore une fois, ils peuvent être couplés à des déversoirs pour dissiper en toute sécurité l'énergie cinétique de l'eau rejetée. Ils sont en place dans de nombreux barrages existants pour la gestion des flux. Les systèmes fermés peuvent échouer en cas de saturation due à une inondation excessive.

Les bouchons fusibles sont des sections érodables d'un barrage en terre qui sont conçues pour se laver dans des conditions d'inondation prédéterminées. Fondamentalement, ils agissent comme des tampons qui absorbent et ralentissent le débordement et peuvent être sacrifiés parce que le coût de leur reconstruction ne représente qu'une petite fraction des coûts qui devraient être supportés si le barrage principal était endommagé. Ils ne peuvent être installés qu'en présence de caractéristiques géographiques et géologiques appropriées du site et de conditions en aval compatibles (par exemple, une selle à une distance raisonnable du barrage principal le long du bord du réservoir pour évacuer l'excès d'eau; une fondation rocheuse solide pour le bouchon afin de résister à l'érosion; un canal pour détourner en toute sécurité le débordement de la prise vers la rivière principale afin de protéger les structures en aval).

Habituellement, l'installation de déversoirs et de systèmes de portes ne peut avoir lieu que pendant la phase de construction du barrage, de sorte que la modernisation n'est généralement pas une option. Cela ne s'applique pas aux fiches de fusibles et aux systèmes PKW. Une étude de cas Climate-ADAPT sur la gestion des risques d'inondation pour les centrales hydroélectriques françaises examine les avantages et les inconvénients des PKW. Les PKW présentent certains avantages évidents par rapport aux déversoirs traditionnels et aux systèmes fermés, tels que la faisabilité d'une installation en tant que modernisation dans les barrages existants et le fait qu'ils fournissent un déversoir à écoulement libre sans être limités par des limites de capacité maximales, ce qui permet de faire face à des niveaux de débit élevés et de travailler dans des conditions plus sûres que les systèmes fermés, et d'une manière complètement automatique qui ne nécessite pas d'intervention humaine.

Une option extrême d'adaptation des infrastructures est l'expansion de la capacité de l'usine en construisant de plus grands barrages. Cela peut être logique dans des circonstances particulières où une forte augmentation des eaux de ruissellement devrait se produire dans un avenir proche et suffisamment longtemps pour permettre de recouvrer les coûts d'investissement. Cela peut être le cas lorsque l’on s’attend à la fonte de grands glaciers, comme dans une étude de cas réalisée en Islande. Toutefois, l'applicabilité de cette option à l'UE est probablement très limitée en raison des conditions hydrométéorologiques et glaciologiques très différentes.

Pour les services climatiques, ce qui importe, c’est la participation des utilisateurs potentiels concernés au processus de co-conception des services. Cela dépend donc de la manière dont le service est prévu: s'il est considéré comme un outil de planification à des fins strictes de production d'énergie hydroélectrique, la participation des parties prenantes peut ne pas être un facteur majeur. Toutefois, si une perspective plus large est adoptée et que le service est conçu pour servir tous les utilisateurs concernés du bassin hydrographique, le processus de co-conception conduira à une interaction entre les représentants de toutes les catégories d'utilisateurs concernées. Bien sûr, la révision effective des activités prévues à la lumière des impacts attendus des changements climatiques devra alors être aussi inclusive que possible pour minimiser avec succès les conflits futurs.

La construction de nouvelles infrastructures, en particulier l'agrandissement des barrages, nécessite la participation de tous les utilisateurs des bassins hydrographiques et la conclusion d'un accord entre eux sur les droits d'utilisation de l'eau et les compensations.

Les avantages de fournir des indicateurs clairs et prêts à l'emploi pour la planification de l'utilisation de l'eau sont tout à fait évidents, car une planification efficace ne peut reposer que sur des informations précises et bien comprises. La question principale ici est commune à tous les services climatiques; elle est liée à la difficulté intrinsèque, d’une part, d’identifier les informations scientifiques de pointe réellement pertinentes pour les activités des utilisateurs et, d’autre part, d’emballer ces informations de manière à ce que le format et le langage utilisés pour les présenter soient suffisamment non techniques et accessibles aux utilisateurs qui ne connaissent pas les disciplines scientifiques appliquées. À cette fin, la phase de co-conception est cruciale.

L'adaptation des infrastructures est dans la plupart des cas limitée par le fait que la plupart des systèmes de déversoirs et de portes ne peuvent être construits qu'avec le barrage et ne sont donc une option valable que pour les futurs projets hydroélectriques. La principale exception est le système PKW, dont la flexibilité et les coûts relativement faibles ont été discutés dans une étude de cas française connexe, ainsi que ses limites (déclarées mineures).

Les services climatiques pour l'hydroélectricité sont généralement assez peu coûteux par rapport aux investissements dans les infrastructures. Dans certains cas, les données pertinentes peuvent être extraites de projets qui ne sont pas directement entrepris par les services publics exploitant les centrales, par exemple de projets de recherche au niveau de l’UE qui peuvent fournir un accès (presque) gratuit à tous les utilisateurs concernés de l’UE. Les sociétés de conseil peuvent fournir des forfaits plus adaptés aux taux du marché, mais on peut s'attendre à ce que la fourchette de prix de ces contrats se situe entre des dizaines et des centaines de milliers d'euros. Les avantages des services climatiques se résument à minimiser l'exposition aux risques futurs et les conflits avec d'autres utilisateurs d'eau, et à optimiser le profil de production d'électricité compte tenu des changements attendus dans les profils de disponibilité de l'eau.

La mise à niveau des infrastructures de contrôle de l’excès d’eau peut coûter de plusieurs centaines de milliers d’euros (200 000 pour PKW, comme indiqué dans l’étude de cas française) à plusieurs millions d’euros en fonction des caractéristiques spécifiques du barrage, en termes d’emplacement, de structure et de débit d’eau. Les principaux avantages sont clairement la réduction des dommages attendus pour l'infrastructure de la centrale hydroélectrique et pour les infrastructures et les écosystèmes en aval, mais aussi une capacité accrue à gérer les niveaux d'eau dans le réservoir; par conséquent, la mise à niveau peut permettre un fonctionnement plus fluide de l’installation, ce qui peut accroître la rentabilité. Lorsque l’installation de telles infrastructures entraîne une augmentation des volumes moyens d’eau stockés dans le réservoir, cela pourrait entraîner une augmentation de la production d’électricité si les conditions du marché le permettent, mais aussi un rôle accru du réservoir en tant que tampon susceptible d’améliorer la résilience de l’ensemble du bassin hydrographique.

Les seuls aspects juridiques potentiellement pertinents sont ceux liés au processus d'autorisation de nouvelles infrastructures, telles que les nouvelles infrastructures de rejet d'eau occupant des portions auparavant vierges du bassin hydrographique, et bien sûr la construction de grands barrages. Ces projets sont soumis aux réglementations nationales en matière d'autorisation de nouvelles infrastructures.

Certains services climatiques également pertinents pour la planification et la gestion des centrales hydroélectriques sont déjà disponibles au sein de Copernicus. Les contrats de conseil ad hoc conclus par des intermédiaires peuvent fournir des indicateurs climatiques pertinents en quelques mois. Pour les infrastructures de lutte contre les inondations, les délais de construction dépendent des caractéristiques spécifiques du barrage et peuvent varier entre quelques mois et quelques années. Quelques années sont nécessaires pour construire de plus grands barrages.

La durée de vie des services climatiques dépend de la mise à jour et de la maintenance constantes des interfaces utilisateur, des bases de données et des modèles. Pour les rénovations d'infrastructures, il n'y a pas d'indication claire, mais si elles sont correctement entretenues, on peut supposer qu'elles dureront aussi longtemps que la durée de vie résiduelle du barrage (généralement plusieurs décennies). Les bouchons fusibles sont censés être emportés lors d'inondations majeures, et leur reconstruction périodique devrait être prise en compte dans la planification de l'infrastructure hydroélectrique à laquelle ils appartiennent. La durée de vie prévue des nouveaux barrages est en moyenne de 50 ans, mais ils peuvent durer jusqu’à un siècle, bien qu’avec des coûts d’entretien croissants et des risques de stabilité structurelle après 50 ans.