Exploiter l’énergie hydraulique

L’énergie hydraulique, l’énergie générée par l’eau en mouvement, est de plus en plus considérée comme l’une des solutions d’avenir pour relever deux des plus grands défis de notre société : le changement climatique et la sécurité énergétique.

« Grâce à l’énergie hydraulique durable, nous pouvons faire des objectifs “zéro émission nette” une réalité. Nous pouvons créer un système d’énergie renouvelable et résilient », écrit Erik Solheim, ancien diplomate des Nations Unies et ministre de l’Environnement et du Développement international de la Norvège.[1]

En appuyant la campagne visant à promouvoir l’énergie hydraulique pour atteindre l’objectif de zéro émission nette de carbone, M. Solheim affirme que le remplacement du charbon et d’autres combustibles fossiles ainsi que les objectifs de sécurité énergétique passent par l’adoption de toutes les sources d’énergie vertes, plutôt que par un choix entre différentes technologies.

L’argument avancé par Solheim et bien d’autres est que l’énergie hydraulique, la principale source d’énergie renouvelable au monde, contribue déjà énormément à la réduction des émissions, évitant jusqu’à quatre milliards de tonnes d’émissions de gaz à effet de serre supplémentaires par rapport au charbon.

Pourtant, elle pourrait faire beaucoup plus. Non seulement en termes de sites hydroélectriques potentiels dans le monde, mais aussi en termes de savoir-faire et de technologie pour développer durablement les ressources en eau, de sorte que l’énergie hydraulique puisse jouer un rôle à part entière dans la réalisation de l’objectif « zéro émission nette ».

Impulser la croissance

Le concept même de l’énergie hydraulique est ancestral. Les Grecs utilisaient des roues à eau pour moudre le blé en farine il y a plus de 2 000 ans, tandis que les Égyptiens utilisaient des vis d’Archimède pour l’irrigation au troisième siècle avant J.-C.

L’évolution de la turbine hydroélectrique moderne a commencé au milieu des années 1700 avec la publication en quatre volumes de Architecture hydraulique[2], de l’ingénieur militaire français en hydraulique Bernard Forest de Bélidor, qui décrivait les principes du génie mécanique, des moulins et des roues à eau, des pompes, des ports et des ouvrages maritimes.

À la fin du XIX^e siècle, de nombreuses petites centrales hydroélectriques généraient de l’électricité au moyen de turbines à partir d’eau en mouvement, les États-Unis se plaçant à l’avant-garde en matière de conception.[3]

Ces derniers ont également été les premiers à adopter l’énergie hydraulique, en démontrant son efficacité pour répondre à la demande croissante en énergie.

Le « New Deal » du président Roosevelt dans les années 1930 a subventionné la construction de plusieurs projets polyvalents phares, tels que les barrages Hoover et Grand Coulee, de sorte qu’en 1940, l’énergie hydraulique représentait 40 % de la production d’électricité du pays.

De 1940 à 1970, les opérateurs de service public ont construit d’importants projets d’énergie hydraulique dans toute l’Europe occidentale, ainsi que dans l’ancienne Union soviétique, en Amérique du Nord et au Japon.

Durant les dernières décennies du XX^e siècle, le Brésil et la Chine se sont imposés comme les leaders mondiaux de l’énergie hydraulique, contribuant ainsi à la croissance de leurs économies et au développement d’industries très énergivores telles que les fonderies d’aluminium et les aciéries. En 2020, l’énergie hydraulique représentait un sixième de la production mondiale d’électricité, soit la troisième source d’énergie après le charbon et le gaz naturel, avec une capacité totale en hausse de 70 % à l’échelle mondiale au cours des 20 dernières années.[4]

Centrales hydroélectriques

Aujourd’hui, de nombreuses technologies de l’énergie hydraulique sont exploitées dans le monde. Les centrales hydroélectriques d’eau douce se répartissent en trois grands types.[5] Les centrales au fil de l’eau utilisent le débit d’eau pour faire tourner des générateurs. Elles fournissent normalement un flux constant d’énergie, mais uniquement en fonction du débit de la rivière, car elles ne stockent pas l’eau sur de longues périodes.

Les deux autres types de centrales d’eau douce sont plus flexibles. Les réservoirs à flanc de colline stockent de l’eau qui peut être libérée dans les turbines si nécessaire. Les centrales à réserve pompée sont des réservoirs qui agissent comme des batteries d’eau rechargeables : elles pompent l’eau vers un réservoir en cas de surplus d’énergie, lorsque la demande est faible, et la laissent redescendre lorsque la demande est élevée, actionnant ainsi une turbine pour produire de l’électricité grâce au passage de l’eau.

La capacité de stockage d’énergie d’une centrale hydroélectrique à réserve pompée dépend de la taille de ses deux réservoirs, tandis que la quantité d’énergie générée est liée à la taille de la turbine. Une installation composée de deux réservoirs de la taille d’environ deux piscines olympiques et d’un dénivelé de 500 mètres entre les deux pourrait fournir une capacité de 3 mégawatts (MW) et stocker jusqu’à 3,5 mégawatts-heures (MWh) d’électricité. L’Agence internationale de l’énergie (AIE) prévoit que les centrales à réserve pompée couvriront 30 %, soit 65 GW, de l’expansion de la capacité mondiale de production d’énergie hydraulique jusqu’en 2030, ce qui dépasse largement la capacité de stockage des batteries traditionnelles.[6]

Le quatrième type d’énergie hydraulique est l’énergie marémotrice et, là encore, rien de bien nouveau. L’énergie marémotrice est utilisée depuis des centaines d’années dans des moulins à eau tels que celui d’Eling,[7] mentionné dans le Domesday Book de 1068. Le principe est simple : lorsque la marée monte, elle ouvre des vannes unidirectionnelles et remplit le bassin du moulin, avant d’être libérée pour alimenter la roue hydraulique lorsque la marée redescend.

Les systèmes de barrage[8] et de lagune littorale fonctionnent de la même manière : ils retiennent l’eau à marée haute et la libèrent ensuite dans des canaux définis qui l’acheminent vers une turbine. Les hydroliennes fonctionnent comme des éoliennes, c’est-à-dire que la marée pousse les rotors d’une turbine lorsqu’elle entre et sort. Les systèmes dynamiques d’énergie marémotrice reposent sur de longs murs qui s’avancent à angle droit par rapport au rivage. Lorsque la marée franchit le mur, elle est piégée d’un côté ou de l’autre, créant ainsi une charge hydraulique. Ces hautes eaux ne peuvent franchir le mur qu’en empruntant des voies définies qui leur permettent de passer par des générateurs.

Contribuer au zéro émission nette

Ce qui rend l’énergie hydraulique si attrayante est qu’elle repose sur une source d’énergie inépuisable : la gravité. L’eau est simplement le vecteur permettant d’exploiter la gravité. L’énergie hydraulique est donc le complément idéal du photovoltaïque (PV) et de l’éolien dans un réseau électrique cherchant à remplacer les combustibles fossiles pour atteindre l’objectif de zéro émission nette de carbone.

La plupart des centrales hydrauliques peuvent réagir plus rapidement aux variations de la demande, en augmentant ou en réduisant rapidement leur production, que d’autres centrales électriques telles que les nucléaires, à charbon et au gaz naturel. Par conséquent, l’énergie hydraulique peut se substituer aux sources d’énergie solaire ou éolienne lorsque le soleil ne brille pas et que le vent ne souffle pas.

Ce potentiel de production à la demande de grandes quantités d’électricité à faible émission carbone en fait un atout essentiel pour la mise en place de systèmes électriques sûrs et propres. Le rapport de l’AIE, intitulé Zéro net d’ici à 2050 : feuille de route pour le secteur mondial de l’énergie,[9] identifie l’énergie hydraulique comme l’une des « plus grandes sources d’électricité à faible émission de carbone à l’heure actuelle » et « une base essentielle » pour la transition vers le zéro émission nette.

Selon les chiffres de l’AIE,[10] les centrales hydrauliques représentent près de 30 % de la capacité mondiale d’approvisionnement flexible en électricité, mais elles pourraient en fournir encore plus.

Le rapport de l’AIE donne cependant des informations mitigées.

Côté positif, près de la moitié du potentiel économiquement viable de l’énergie hydraulique est encore inexploité.[11] Il est particulièrement élevé dans les économies émergentes et les économies en développement, atteignant près de 60 %. Mais les centrales en Amérique du Nord et en Europe ont en moyenne plus de 45 ans. Avec une durée de vie prévue de 55 ans, des investissements importants sont nécessaires pour qu’elles continuent à produire de l’énergie renouvelable de manière efficace. On prévoit d’ailleurs que les travaux de modernisation des centrales existantes représenteront près de 90 % de l’investissement total dans l’énergie hydraulique pour cette décennie, mais même cela risque de ne pas suffire.

Politique de l’énergie hydraulique

L’une des principales difficultés des projets hydroélectriques au niveau local et international est de trouver un compromis équitable qui profite à tous. Bien trop souvent, il y a des gagnants et des perdants évidents. Par exemple, le barrage d’Itaipu, qui chevauche le Brésil et le Paraguay, a été le prix à payer par le Paraguay pour mettre fin à l’invasion brésilienne de 1965.[12] Il a créé un lac si grand qu’il a submergé les chutes de Guairá, auparavant les plus hautes du monde. Aux termes du traité d’Itaipu, le Paraguay doit vendre au Brésil chaque mégawatt de sa demi-part d’énergie produite qu’il ne consomme pas lui-même – les ventes à des pays tiers sont interdites.

La construction du barrage et de la centrale hydraulique de 14 000 MW a contraint le gouvernement paraguayen à contracter un prêt de 2 milliards de dollars américains qu’il ne pouvait pas se permettre et qu’il ne terminera de rembourser qu’en 2023.

L’enthousiasme de la Chine pour l’énergie hydraulique a conduit à la construction d’énormes barrages, non seulement sur des fleuves tels que le Jaune et le Yangtze qui circulent uniquement en Chine, mais également sur d’autres, comme le Mékong et le Brahmaputra, qui traversent plusieurs autres pays avant de se jeter en mer.[13] On compte déjà 11 barrages chinois sur le Mékong, et huit autres sont prévus. Lors d’une sécheresse en 2021, le niveau du fleuve a atteint un niveau si bas que le Cambodge a dû fermer une grande centrale hydraulique, tandis que la variation du débit a entraîné la contamination par l’eau salée du delta du Mékong, le grenier à blé du Vietnam, et décimé les stocks de poissons cambodgiens.

Les considérations environnementales ont également conduit certains pays à réfléchir au lancement de nouveaux projets hydroélectriques. Par exemple, la centrale d’Erdenburen de 90 MW financée par la Chine en Mongolie s’est heurtée à l’opposition de groupes préoccupés par le fait que ce mégaprojet risque d’endommager les zones humides Ramsar et de perturber les communautés autochtones. Parallèlement, en novembre 2022, la Commission fédérale de régulation de l’énergie des États-Unis a ordonné la mise hors service de quatre barrages situés à la frontière entre la Californie et l’Oregon – la plus grande opération de démantèlement de barrages de l’histoire des États-Unis – afin de restaurer l’habitat d’espèces de poissons menacées d’extinction.[14] L’objectif est d’améliorer la santé de la rivière Klamath, par laquelle le saumon royal et le saumon argenté (menacé) passent de l’océan Pacifique à leurs frayères situées en amont, et par où les jeunes poissons regagnent la mer. La compagnie d’électricité PacifiCorp contribue à hauteur de 200 millions de dollars à la démolition des barrages, tandis que les électeurs californiens ont approuvé une mesure obligataire permettant à l’État de fournir 250 millions de dollars supplémentaires.[15]

Les préoccupations relatives à ces questions, ainsi que les impacts environnementaux et sociaux de la construction de barrages, ont conduit l’International Hydropower Association (IHA) à élaborer le protocole d’évaluation de la durabilité hydroélectrique (Hydropower Sustainability Assessment Protocol – HSAP).

Le HSAP définit les bonnes et meilleures pratiques à chaque étape du cycle de vie d’un projet hydroélectrique sur 24 thèmes environnementaux, sociaux, techniques et économiques,^[16] fournissant une compréhension plus claire de la durabilité globale d’un projet.

Il comprend également des questions transversales abordées dans plusieurs thèmes, tels que les questions de parité hommes-femmes et les droits de l’Homme.

L’une des ironies de l’énergie hydraulique est qu’en dépit de son vaste potentiel, c’est probablement la source d’énergie renouvelable la plus affectée par les effets du changement climatique, en particulier en termes de modèles météorologiques. La sécheresse qui a sévi dans de nombreuses régions d’Europe en 2022, par exemple, a privé d’eau plusieurs centrales de basse chute et les réservoirs n’ont pas été remplis à leur niveau habituel. Par conséquent, la quantité d’énergie générée par les centrales hydroélectriques européennes en 2022 était nettement inférieure à celle de 2021.[17]

La situation aux États-Unis est similaire, notamment dans le sud-ouest, qui connaît sa plus grande sécheresse depuis plus de 1 000 ans, selon un article publié dans Nature Climate Change.[18] En août 2022, le gouvernement fédéral a annoncé une nouvelle série de coupures d’eau pour le Nevada et l’Arizona.

Environ 32 % de l’énergie renouvelable américaine provenait de l’énergie hydraulique en 2021, dont 44 % générés en Californie, dans l’Oregon et dans l’État de Washington, mais la sécheresse fait déjà sentir ses effets. En 2021, la Californie a fermé une centrale électrique au lac Oroville, l’un des plus grands réservoirs de l’État, alors que le niveau d’eau était inférieur à celui nécessaire à la production d’électricité. Au total, la production d’énergie hydraulique de la Californie a chuté de 62 % depuis 2019, l’État se tournant vers le gaz naturel pour combler le déficit.

Regard sur l’innovation

Côté positif, des progrès ont été réalisés en matière de technologie de l’énergie hydraulique, qui pourraient atténuer les effets du changement climatique et permettre d’utiliser les infrastructures existantes. Aux États-Unis, l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables[19] finance la recherche sur l’énergie hydraulique de basse chute qui permettrait aux barrages, canaux et conduits non alimentés existants de générer de l’électricité. L’expression « basse chute » se réfère simplement aux centrales hydroélectriques qui fonctionnent avec un dénivelé compris entre 2 et 20 mètres.

Par exemple, Percheron Power[20] a développé et testé une turbine à vis d’Archimède de nouvelle génération, construite à partir de matériaux composites grâce à une méthode de fabrication avancée appelée moulage par transfert de résine légère. Les coûts de production, les déchets et les émissions sont inférieurs à ceux de l’acier et, bien qu’elles aient les mêmes propriétés structurelles que l’acier, les turbines en matériaux composites sont 25 à 30 % plus légères.

Les pales composites sont recouvertes d’un gel pendant le moulage, de sorte qu’elles n’ont pas besoin d’apprêt ni de peinture anticorrosion et peuvent être remplacées individuellement, contrairement aux pales en acier.

Autre exemple, Natel Energy a conçu, construit et mis en service un groupe motopropulseur fiable pour le Schneider Linear hydroEngine™. En réduisant les coûts d’investissement et de maintenance, ce groupe motopropulseur permet de développer de nouvelles capacités d’énergie hydraulique de basse chute, ce qui se traduit par des économies de coût actualisé d’énergie d’environ 2 USD par mégawattheure.[21]

Financer l’avenir

Toutefois, l’innovation technologique n’a qu’une portée limitée. Les progrès technologiques ont certes amélioré l’efficacité et la flexibilité de la production d’énergie hydraulique, mais les coûts d’investissement moyens sont restés largement inchangés. L’AIE aimerait voir davantage d’innovations financières. Elle affirme que le rôle potentiel de l’énergie hydraulique dans le renforcement de la sécurité de l’approvisionnement en électricité n’est pas suffisamment reconnu et financé dans les économies avancées. Les économies en développement, quant à elles, ont besoin d’accéder à un financement abordable pour développer une énergie hydraulique durable.

Pour que les économies avancées tirent le meilleur parti de l’énergie hydraulique, les autorités doivent réduire les risques liés à l’investissement en adoptant des mesures telles que des garanties publiques, des contrats à long terme et des dispositions visant à sécuriser la rétribution.[22] En Europe et en Amérique du Nord, la majorité des sites les plus économiques pour les grands projets sont déjà développés, mais les nouvelles petites centrales hydroélectriques peuvent également constituer une source importante de production à faible émission carbone, tout en permettant l’intégration de capacités photovoltaïques et éoliennes supplémentaires.[23] Dans le cas des économies émergentes et en développement, l’AIE soutient que l’énergie hydraulique a besoin de modèles commerciaux innovants tels que des partenariats public-privé qui attribuent le risque à la partie prenante appropriée.[24]

Les partisans de l’énergie hydraulique sont convaincus, à juste titre, que cette technologie est capable d’améliorer la sécurité énergétique, de réduire les émissions carbone et de renforcer la prospérité, mais les défis géopolitiques et l’absence d’incitations financières claires se conjuguent pour freiner sa croissance.

Malcolm Turnbull, ancien premier ministre d’Australie et membre du conseil d’administration de l’International Hydropower Association, a déclaré au sujet de l’énergie hydraulique que : « Le principal obstacle à son déploiement à l’échelle mondiale est l’absence de mécanismes de marché appropriés, du type qui ont permis les installations éoliennes et solaires à grande échelle. Nous disposons déjà de toutes les technologies nécessaires pour mettre en place des réseaux 100 % décarbonés. Ce qu’il nous faut, c’est la volonté politique. »[25] À mesure que les efforts déployés à l’échelle mondiale pour atteindre le zéro net s’accélèrent, il est à espérer que cette volonté politique ne se fera pas trop attendre.

Chez Abdul Latif Jameel, nous sommes conscients que la réduction des émissions de carbone dans le secteur de l’énergie doit être considérée comme une priorité pour tous. Qu’il s’agisse de canaliser la puissance de l’eau ou d’exploiter le potentiel solaire, l’avenir de l’énergie est résolument renouvelable. Voilà pourquoi, à travers notre entreprise phare dans le domaine des énergies renouvelables, FRV, et son spécialiste de l’innovation énergétique et incubateur FRV-X, nous sommes aujourd’hui présents dans 18 pays. Au cours des quatre prochaines années, FRV prévoit d’investir plus de 1,5 milliard USD en actifs pour doubler sa capacité totale installée de projets dans le monde entier, passant de 2 GW début 2021 à 5 GW d’ici 2025.

Si elle continue à se concentrer sur les projets photovoltaïques solaires, de stockage de batteries et de parcs éoliens à grande échelle, FRV élargit également la portée de ses activités pour englober toutes les solutions d’énergie propre et étendre verticalement ses activités en focalisant son approche commerciale sur les clients finaux.

« Aucune source d’énergie renouvelable ne peut à elle seule résoudre le casse-tête du “zéro net”.

Néanmoins, la technologie de l’énergie hydraulique a tout pour être au cœur de la transition énergétique, en exploitant une source d’énergie presque illimitée – l’eau – pour assurer un avenir plus durable à notre société et notre planète », souligne Fady M. Jameel, président délégué et vice-président d’Abdul Latif Jameel.

[1] https://www.hydropower.org/blog/with-hydropower-we-can-create-a-renewable-and-resilient-energy-system

[2] https://www.energy.gov/eere/water/history-hydropower

[3] https://www.hydropower.org/blog/blog-hydropower-growth-and-development-through-the-decades

[4] https://iea.blob.core.windows.net/assets/83ff8935-62dd-4150-80a8-c5001b740e21/HydropowerSpecialMarketReport.pdf

[5] https://www.economist.com/the-economist-explains/2022/12/05/can-hydropower-help-ease-europes-energy-crisis

[6] https://oxfordbusinessgroup.com/news/storage-technology-could-elevate-hydropower-role-global-energy-transition?utm_source=Oxford%20Business%20Group&utm_medium=email&utm_campaign=13441313_ESG_Hydropower_September%201&utm_content=eu-september-2022&dm_i=1P7V,803DT,QZEKVW,WQ8U8,1

[7] https://www.elingexperience.co.uk/a-brief-history

[8] http://tidalpower.co.uk/tidal-power-schemes

[9] https://iea.blob.core.windows.net/assets/7ebafc81-74ed-412b-9c60-5cc32c8396e4/NetZeroby2050-ARoadmapfortheGlobalEnergySector-SummaryforPolicyMakers_CORR.pdf

[10] https://www.iea.org/reports/hydropower-special-market-report/executive-summary

[11] https://iea.blob.core.windows.net/assets/83ff8935-62dd-4150-80a8-c5001b740e21/HydropowerSpecialMarketReport.pdf

[12] https://www.economist.com/the-americas/2019/08/22/a-secret-hydropower-deal-with-brazil-causes-a-political-crisis-in-paraguay

[13] https://www.economist.com/leaders/2020/05/14/if-china-wont-build-fewer-dams-it-could-at-least-share-information

[14] https://www.theguardian.com/environment/2022/nov/17/us-dam-removal-endangered-salmon-klamath-river

[15] https://www.economist.com/united-states/2021/07/08/in-the-pacific-north-west-hydroelectric-dams-are-being-removed

[16] https://www.hydropower.org/publications/hydropower-sustainability-assessment-protocol

[17] https://www.economist.com/the-economist-explains/2022/12/05/can-hydropower-help-ease-europes-energy-crisis

[18] https://www.economist.com/the-world-ahead/2022/11/18/americas-reservoirs-are-drying-up

[19] https://www.energy.gov/eere/water/hydropower-technology-development#LowHeadHydropower

[20] https://www.energy.gov/eere/water/articles/21st-century-archimedes-screw-new-materials-and-manufacturing-techniques-enable

[21] https://www.energy.gov/eere/water/hydropower-technology-development

[22] https://iea.blob.core.windows.net/assets/83ff8935-62dd-4150-80a8-c5001b740e21/HydropowerSpecialMarketReport.pdf Page 26

[23] https://iea.blob.core.windows.net/assets/83ff8935-62dd-4150-80a8-c5001b740e21/HydropowerSpecialMarketReport.pdf Page 30

[24] https://iea.blob.core.windows.net/assets/83ff8935-62dd-4150-80a8-c5001b740e21/HydropowerSpecialMarketReport.pdf Page 13

[25] https://www.economist.com/letters/2022/07/14/letters-to-the-editor