ACÉTATE 1 : Analyse de projets de petite centrale hydroélectrique

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1 Module de formation NOTES DU FORMATEUR ANALYSE DE PROJETS DE PETITE CENTRALE HYDROÉLECTRIQUE COURS D ANALYSE DE PROJETS D ÉNERGIES PROPRES Ce document donne la transcription de la présentation orale (voix et acétates) pour ce module de formation et peut être utilisé comme notes du formateur. Cette présentation orale donne une vue d'ensemble de cette technologie et un aperçu des algorithmes utilisés dans le modèle RETScreen. Le matériel de formation est disponible gratuitement sur le site Web du Centre d'aide à la décision sur les énergies propres RETScreen International : ACÉTATE 1 : Analyse de projets de petite centrale hydroélectrique Ceci est le module de formation Analyse de projets de petite centrale hydroélectrique du cours d analyse de projets d énergies propres de RETScreen International. Dans cette présentation, nous examinerons la production d électricité au moyen de petites centrales hydroélectriques comme celle que l on voit sur cette photo, située dans l Est du Canada. Acétate 1 ACÉTATE 2 : Objectifs Ce module vise 3 objectifs : le premier est de présenter les principes de base d une petite centrale hydroélectrique; le second de décrire les enjeux importants à considérer lors de l analyse d un projet hydroélectrique; et le dernier de présenter le modèle RETScreen International pour petits projets hydroélectriques. Acétate 2 ACÉTATE 3 : Qu est-ce que les petites centrales hydroélectriques fournissent? Une petite centrale hydroélectrique envoie sur un réseau électrique central ou sur un réseau isolé dans le cas de régions éloignées, l électricité produite à partir de l énergie d une chute d eau. Un réseau électrique est un ensemble de consommateurs et de centrales électriques, tous reliés par des lignes de transport et de distribution d électricité sur un territoire donné. Un réseau central, comme celui de l Amérique du Nord, couvre un vaste territoire comprenant des millions de consommateurs et plusieurs sites de production d électricité. Un réseau isolé est de plus faible envergure qu un réseau central et il n y est pas raccordé. Il permet Acétate 3

2 RETScreen International ACÉTATE 3: Qu est-ce que les petites centrales hydroélectriques fournissent? (suite) d approvisionner en électricité de petites communautés éloignées ou isolées comme dans le cas d une île. Les petites centrales hydroélectriques peuvent aussi servir des sites privés non raccordés au réseau comme des mines, des camps de travailleurs ou d autres communautés isolées. De très petits systèmes peuvent même servir à alimenter des résidences individuelles. Les petites centrales hydroélectriques ont de nombreux avantages. Le premier est qu il s agit probablement de la plus ancienne technologie permettant de produire de l électricité depuis plus de 100 ans. Ces centrales sont fiables et bien connues et produisent plus de 19 % de la quantité totale d électricité produite dans le monde. De grands projets se trouvent aussi bien au Brésil qu au Canada, en Chine, en Norvège et aux États-Unis. Alors que la majeure partie de l hydroélectricité provient de grands projets, les petites centrales hydroélectriques bénéficient d un long savoir-faire. Le deuxième avantage de ces projets est la possibilité de produire de grandes quantités d électricité avec de très faibles coûts d exploitation. Ces projets demandent un important investissement initial pour leur construction et l achat d équipements, mais une fois en place, on bénéficie d électricité pendant une période d au moins 50 ans en n ayant que de faibles coûts d exploitation et d entretien. Un autre avantage de l hydroélectricité est que son coût de production est indépendant des variations des cours des combustibles fossiles. Il s agit donc d investissement à faible risque. Enfin, comme un débit d eau se contrôle facilement, une centrale hydroélectrique permet de s adapter rapidement aux variations de la demande d électricité. ACÉTATE 4 : Description d une petite centrale hydroélectrique Une centrale hydroélectrique utilise la force hydraulique d une chute d eau qui permet d actionner une turbine dont le mouvement est transféré à un alternateur qui produit de l électricité. La puissance qui peut être produite est proportionnelle à la hauteur de la chute et au débit d'eau disponible. La hauteur de la chute se mesure entre la surface d eau libre en amont de la prise d'eau et l axe de la turbine. De manière approximative, mais conservatrice, on peut obtenir la puissance d un site en kw, en multipliant par 7 le produit de la hauteur de chute en mètres par le débit d'eau, en m 3 /s. Dans une centrale hydroélectrique on distingue d une part des ouvrages de génie civil et d autre par des équipements mécaniques et électriques. La fonction des ouvrages civils est d approvisionner en eau la turbine. Ils permettent aussi de bâtir éventuellement un réservoir d eau et comprennent aussi le bâtiment de la centrale qui abrite les équipements mécaniques et électriques. Le plus important ouvrage de génie civil est soit le barrage, soit la digue de dérivation qui doivent être érigés dans le lit d un cours d eau pour en dévier une très grande partie, voire la totalité du débit vers la prise d eau de la centrale. À l entrée de la prise d eau, une crapaudine protège les équipements hydrauliques des débris qui pourraient être entraînés avec l eau comme du bois ou des feuilles. Une vanne en bois ou en acier permet de réguler le débit d eau envoyé dans la conduite alimentant la centrale électrique. À la sortie de la turbine, l eau est évacuée par un tube d aspiration et un canal de fuite avant de retrouver le lit de la rivière. Acétate 4 Page 2 de 15

3 Module de formation analyse de projets de petite centrale hydroélectrique ACÉTATE 4 : Description d une petite centrale hydroélectrique (suite) Les équipements d une centrale électrique comprennent la ou les turbines actionnées par l eau et la ou les génératrices électriques, dont la puissance produite doit être contrôlée avant de pouvoir être envoyée sur le réseau en passant par un poste de raccordement. ACÉTATE 5 : Projets de «petite» centrale hydroélectrique Il n y a malheureusement pas de définition universellement reconnue, mais la première idée est de distinguer ces projets des grands barrages et des grandes centrales qui impliquent de grands travaux pouvant affecter un large territoire. D autre part, en plus des petites centrales hydroélectriques, on utilise aussi les termes de «mini-centrales» et de «micro-centrales». Dans le cadre de ce cours le terme «petit projet hydroélectrique» comprend aussi bien les micro-centrales et les mini-centrales que les petites centrales hydroélectriques au sens donné par certains. Comment distinguer ces 3 sous catégories? Cela diffère selon les pays et les auteurs. Par exemple, un critère peut être la possibilité de transporter d une seule pièce une turbine ou un groupe turbine-alternateur sur un camion et on utilisera alors le diamètre de la turbine ou du rotor comme critère. D autres choisiront le débit de la rivière ou la puissance générée sur le site comme critère. Ce dernier critère pose cependant un problème car une petite turbine bénéficiant d une très bonne hauteur de chute d eau peut générer la même puissance qu une très grosse turbine conçue pour utiliser d importants débits dans une centrale n utilisant qu un faible dénivelé d eau. C est pourquoi, il existe un certain consensus pour utiliser le diamètre du rotor de la turbine comme critère de classification d un projet car cette valeur dépend essentiellement du débit d eau qui traverse la turbine. Dans RETScreen, nous avons choisi les définitions suivantes. Une micro-centrale utilisera un rotor d un diamètre inférieur à 30 cm, ce qui correspond à des débits exploités inférieurs à 400 L/s (c est-à-dire 0,4 m 3 /s). Une mini-centrale utilisera des rotors dont le diamètre se situe entre 30 et 80 cm, capables d exploiter des débits jusqu à 3 m 3 /s. En général, une petite centrale n utilisera pas plus de 4 rotors de 80 cm de diamètre. Pour générer des puissances plus importantes, des rotors d un diamètre supérieurs à 80 cm seront utilisés mais de tels projets ne rentrent plus dans la catégorie étudiée avec RETScreen. En général, les projets étudiés auront une puissance inférieure à 50 MW. Selon notre définition, les micro-centrales auront des puissances maximales de 100 kw, alors que les mini-centrales pourront atteindre 1 MW. Une petite centrale hydroélectrique aura une capacité entre 1 et 50 MW. Acétate 5 Page 3 de 15

4 RETScreen International ACÉTATE 6 : Types de projets de petite centrale hydroélectrique Il y a d autres critères que la taille ou la puissance des turbines d une centrale hydroélectrique pour catégoriser un projet. Deux autres critères utilisés sont le type de réseau électrique auquel le projet est raccordé et le type d ouvrages de génie civil mis en jeu. Une petite centrale hydroélectrique peut être raccordée au réseau principal d un distributeur d électricité, mais aussi à un réseau isolé ou avoir sa production dédiée en priorité à un groupe de consommateurs ou à une industrie également raccordés au réseau électrique principal. Il existe des petites centrales électriques en région éloignée qui ne sont pas raccordées à un réseau mais qui comblent les besoins d une exploitation minière, de sites industriels isolés ou encore de centres de villégiatures. Les travaux de génie civil sont aussi très différents selon qu un projet hydroélectrique concerne une centrale au fil de l eau ou qu il comprend la construction d un réservoir. Dans une centrale au fil de l eau, on ne stocke pas d eau en amont de la centrale et la puissance produite par celle-ci variera en fonction du débit de la rivière sur laquelle elle est construite. La puissance minimale que l on pourra garantir, fournit avec une telle centrale, sera généralement faible en comparaison de sa capacité car il faut tenir compte des périodes de sécheresse. C est pourquoi ce genre de centrale est plutôt raccordé à un réseau central qui peut bénéficier d autres sources d électricité pendant ces périodes. Dans le cas d applications hors réseau ou de raccordement à un réseau isolé, on aura plutôt tendance à dimensionner une telle centrale en se basant sur le débit minimum de la rivière et sur la puissance maximale à fournir pour combler les besoins. Il faudra prévoir des groupes électrogènes auxiliaires si le débit minimum de la rivière ne réussit pas à combler ces besoins. Quand on prévoit la construction d un réservoir en amont d une centrale électrique, la puissance produite par celle-ci n est plus limitée par le débit de la rivière et on peut adapter la puissance produite en fonction de la demande d électricité. On peut gérer les soutirages d eau d un réservoir pour combler des besoins d électricité, même pendant la saison sèche, lors des périodes de forte demande ou encore lorsque l on est capable de vendre l électricité à un coût plus élevé. Cependant, la création d un réservoir d eau implique la construction d un barrage et crée un lac artificiel. Les coûts d un tel projet sont alors plus importants, de même que ses impacts environnementaux, ce qui complique également le processus d obtention des permis de réalisation du projet. Dans le cas de petits projets hydroélectriques, on peut rarement justifier la construction d un réservoir d eau sauf si la valeur de l électricité produite est très élevée, ce qui peut être le cas de sites éloignés où il y a peu d options pour produire économiquement de l électricité. C est pourquoi les petits projets hydroélectriques ne comprendront généralement qu une simple retenue d eau à la rigueur capable de s adapter à des variations de la demande sur de courtes périodes, à moins qu il n existe déjà, en amont du projet, un réservoir naturel ou un barrage existant. Les 2 projets que l on voit sur ces photos sont des petites centrales au fil de l eau réalisées aux États-Unis, l une dans l Est, l autre dans l Ouest. Acétate 6 Page 4 de 15

5 Module de formation analyse de projets de petite centrale hydroélectrique ACÉTATE 7 : Composants : ouvrage de génie civil Le génie civil est la partie la plus déterminante dans l analyse de faisabilité d un petit projet hydroélectrique. Ces travaux représentent environ 60 % de l investissement nécessaire à de tels projets et une mauvaise planification de ces coûts peut avoir un effet désastreux sur leur rentabilité. Dans un petit projet hydroélectrique, il n est généralement pas rentable d envisager la construction d un barrage assez important pour créer un réservoir. Les digues ou barrages envisagés dans ces projets ne sont généralement que destinés à dériver le flux de la rivière vers la prise d'eau de la centrale. Ils sont réalisés en béton, parfois en enrochement ou en simple maçonnerie et même en bois. Ils permettent souvent à une partie de la rivière de s écouler naturellement, ce qui permet à certaines espèces de poissons de pouvoir remonter le cours d eau en période de fraie. C est souvent le coût du barrage à lui seul qui peut décider de la rentabilité ou non d un projet. La configuration du site déterminera la distance entre la prise d eau et la centrale électrique et le type de conduit d eau qui les reliera. Il peut s agir d un canal creusé à ciel ouvert, mais aussi d un tunnel souterrain ou d une conduite forcée qui permet d amener l eau sous pression. Quelquefois la centrale est construite juste au pied de la retenue d eau et la prise d eau se trouve quasiment directement à l entrée de la turbine. En plus, des valves de régulation du débit, des vannes de bois ou d acier permettent d isoler complètement la turbine lorsque l on veut y faire de l entretien. La centrale électrique est un bâtiment qui abrite les équipements électriques et mécaniques et fait dont partie du génie civil. Il peut s agir d une construction assez légère pour un petit projet hydroélectrique. Cependant, les fondations permettant d asseoir la turbine et l alternateur doivent être massives tout en permettant un accès aisé et en toute sécurité à ces équipements. La photo que l on voit est celle d un petit barrage dans l Est du Canada. Acétate 7 ACÉTATE 8 : Composants : turbine Il s agit d une version réduite des turbines que l on retrouve dans les grands projets hydroélectriques, une technologie dans laquelle il existe un savoir-faire de plus d un siècle. Les petites turbines, lorsqu elles sont utilisées dans leurs conditions de conception, atteignent des rendements de 90 %. Dans les projets au fil de l eau, il faut veiller à choisir une turbine capable de s adapter aux variations de débit de la rivière. L installation de plusieurs turbines dans une même centrale permet de maintenir un débit plus constant dans chaque turbine en opération, en faisant varier le nombre de turbines utilisées selon le débit de la rivière. Il y a 2 familles de turbines, celles à réaction et celles à impulsion. Dans une turbine à réaction de type Francis, Kaplan ou à pas fixe, le rotor est complètement immergé. C est le passage de l eau sous pression qui met la turbine en mouvement en exerçant une force sur les pales de la turbine qui se trouvent sur son chemin. L action de l eau en mouvement provoque, par réaction, une force sur la pale. Acétate 8 Page 5 de 15

6 RETScreen International ACÉTATE 8 : Composants : turbine (suite) Les turbines à réaction sont bien adaptées aux hauteurs de chute faibles à moyennes. La première turbine Francis a été construite par l ingénieur du même nom en L eau entre tangentiellement à la périphérie de la turbine et en ressort perpendiculairement par le centre. C est ce type de turbine que l on voit sur cette photo. L axe de la turbine est situé à l arrière de celle-ci, alors que l eau ressort par l avant. Pour les faibles hauteurs de chute, il peut être préférable d utiliser une machine à écoulement axial. L eau s écoule selon le même axe que la turbine qui ressemble à une simple hélice à pas fixe ou variable. Les hélices à pas variable que l on retrouve dans les turbines Kaplan sont plus compliquées mais permettent d obtenir de meilleurs rendements lorsque le débit diminue. Lorsque la hauteur de la chute augmente, le rotor doit se mettre à tourner plus rapidement et les fortes pressions d eau nécessitent un boîtier et un tubage beaucoup plus résistants, jusqu au point où il n est plus possible de réaliser une turbine à réaction. On utilise alors une turbine à impulsion qui peut être de type Pelton, Turgo ou à impulsion radiale. La turbine à impulsion radiale est un type spécial de turbine à impulsion qui transforme la pression statique en pression dynamique à l entrée de la turbine. Dans une turbine à impulsion, la pression d eau est utilisée pour augmenter sa vitesse d écoulement à travers un injecteur qui projette un jet d eau à haute vitesse à la pression atmosphérique contre les pales en forme de godets d une turbine. Ces godets sont appelés des «augets». Cette projection d eau donne une impulsion à la multitude d augets situés en périphérie de la turbine qui se met à tourner dans l air, à la pression atmosphérique. ACÉTATE 9 : Composants : équipements électriques et autres La pièce électrique la plus importante dans une petite centrale hydroélectrique est la génératrice de courant que l on peut également appeler alternateur puisqu il s agit de production de courant alternatif. Cette génératrice peut être de type synchrone ou de type à induction. Une génératrice à induction, aussi appelée asynchrone, peut être utilisée dans les projets qui sont raccordés à un réseau électrique central. On a besoin du courant alternatif du réseau pour créer un champ magnétique tournant à l aide d une série d électroaimants placés de manière circulaire autour d une cage conductrice. Cette cage tourne avec la turbine. Si elle ne le fait pas à la même vitesse que le champ tournant, il apparaît un courant induit dans la cage qui crée à son tour un champ magnétique qui s oppose à celui des électroaimants. Le couple exercé par la turbine sur la cage aura comme conséquence de faire tourner celle-ci un peu plus vite que le champ tournant. Le champ magnétique qui s oppose à celui des électroaimants crée dans ceux-ci une force électromotrice qui crée de l énergie électrique qui peut être envoyée au réseau. Comme on a besoin de la fréquence du réseau pour pouvoir faire fonctionner une génératrice asynchrone, l utilisation de celle-ci est généralement réservée aux projets raccordés à un réseau central ou du moins à un réseau comprenant des génératrices synchrones, même si en théorie on peut toujours utiliser une source auxiliaire de courant alternatif. Acétate 9 Page 6 de 15

7 Module de formation analyse de projets de petite centrale hydroélectrique ACÉTATE 9 : Composants : équipements électriques et autres (suite) Dans une génératrice synchrone, la cage tournant est remplacée par un électroaimant qui génère un champ magnétique tournant. Comme dans la génératrice à induction, ce champ tournant est considéré par les électroaimants en périphérie du rotor comme une force électromotrice qui fait apparaître l énergie électrique envoyée au réseau. Cependant, une génératrice synchrone n a pas besoin qu un courant alternatif l alimente initialement. Elle peut fonctionner de manière autonome et la fréquence de l électricité produite sera un multiple de la vitesse de la rotation de la turbine qui actionne la génératrice. C est par conséquent le type de génératrice qui est utilisé sur les réseaux autonomes ou sur les réseaux qui n ont pas d autres centrales électriques. Elles sont aussi utilisées pour de plus gros projets de petites centrales hydroélectriques puisque les grosses génératrices à inductions sont passablement dispendieuses. Plusieurs autres composants constituent une centrale hydroélectrique, aussi bien électriques que mécaniques. Quelquefois, on utilise un multiplicateur de vitesse pour ajuster la rotation de la turbine à celle à laquelle doit tourner la génératrice pour fournir le courant alternatif à la bonne fréquence. Des systèmes électromécaniques, tels que des vannes de régulations du débit d eau, contrôlent les conditions d opération de la centrale électrique et protègent les installations. En général, le poste de raccordement électrique comprend un transformateur qui amène la tension à celle des lignes de transport et de distribution d électricité produite. ACÉTATE 10 : Ressource hydroélectrique mondiale L hydroélectricité est produite par l énergie hydraulique de l eau qui s écoule des parties élevées des continents vers les océans, dans les rivières. Cet écoulement d eau a pour origine l énergie solaire qui provoque l évaporation de l eau des océans, qui se condense dans les nuages et retombe sous forme de pluie ou de neige. Comme il y a plus d eau qui s évapore des océans que des continents, à la surface plus sèche, on comprend qu une plus grande quantité de pluie tombe sur les continents qu il n y a d humidité qui s en évapore. C est ce qui explique qu il y a un écoulement d eau vers les océans. En pratique, seule une fraction de cet écoulement peut être exploitée pour générer de l hydroélectricité. Le tableau suivant montre le potentiel d énergie hydroélectrique existant dans les différentes régions du monde. C est dans l ancienne Union Soviétique, dans le reste de l Asie et en Amérique du Sud qu il y a les plus considérables potentiels restant à exploiter. En Europe, et en Amérique du Nord, avec un potentiel exploité de l ordre de 50 %, on se rapproche du maximum de ce qui pourrait être économiquement rentable d exploiter. Même si la majeure partie du potentiel hydroélectrique peut être exploité par de grands projets, il reste de très grandes possibilités de développement de petits projets hydroélectriques. Acétate 10 Page 7 de 15

8 RETScreen International ACÉTATE 11 : Ressource hydroélectrique du site Plus que toute autre forme d énergie renouvelable, l hydroélectricité est extrêmement dépendante de l endroit où l on se trouve. Au commencement, on comprend aisément qu avant de parler de produire de l hydroélectricité, il faut au moins avoir une rivière à harnacher. Ensuite, même si on a une rivière, encore faut-il qu elle offre un dénivelé et un débit d eau exploitables. Pour bénéficier d une bonne tête d eau, on privilégiera les sites où la rivière perd de l altitude sur une courte distance. Enfin, il est souhaitable de pouvoir bénéficier d un débit le plus constant possible. Pendant la saison des pluies ou à la fonte des neiges, des débits importants pourront impliquer d importantes installations si on veut en bénéficier. En revanche, pendant la saison sèche ou au cœur de l hiver, le débit peut réduire considérablement, ce qui diminue la rentabilité de l installation, d autant plus si on doit laisser s écouler dans la rivière un débit résiduel qui ne peut passer par les turbines. C est pourquoi un outil important d évaluation d un site est la courbe des débits classés. On en montre ici un exemple. Cette courbe illustre le débit en fonction du pourcentage du temps dans une année où le débit dans la rivière est égal ou supérieur. C est ainsi que l on retrouve le débit minimum de la rivière en face de la valeur 100 %. Dans cet exemple, il s agit d un débit de 3 m 3 /s alors que le débit maximum de la rivière est de 40 m 3 /s. Lorsque les règles de protection de l environnement imposent qu un débit résiduel soit maintenu dans la rivière sans qu il ne passe par les turbines, la valeur de ce débit doit être soustraite de la courbe des débits classés de la rivière. La courbe des débits classés exploitables se trouve donc décalée vers le bas. Alors qu il est facile d évaluer la hauteur de chute d un site, il est plus difficile de déterminer la courbe des débits classés car on doit l établir sur la moyenne de plusieurs années de mesures de débit de la rivière ou l extrapoler d autres sources de données. Par exemple, à partir de relevés topographiques, on peut évaluer la superficie du bassin versant de cette rivière, puis à partir d études hydrographiques et pluviométriques, obtenir l écoulement spécifique d eau par unité de surface de cette région. Le produit de ces 2 valeurs permet d obtenir le débit moyen qui se rendra jusqu à la rivière. Enfin, pour connaître les variations de débit autour de cette valeur moyenne, c est-à-dire pour évaluer le profil de la courbe des débits classés, on pourra se fier à la forme des courbes mesurées dans les rivières voisines ou, à des bases de données ou à des cartes géographiques spécialisées qui classent les rivières en fonction de la variabilité de leur débit. Acétate 11 ACÉTATE 12 : Coûts d une petite centrale hydroélectrique Tout comme le potentiel hydroélectrique, les coûts d un projet hydroélectrique varient énormément d un site à un autre. En moyenne, 75 % des coûts d un projet dépendent de la configuration du site; il s agit essentiellement des ouvrages de génie civil. Le reste des coûts concerne plus les équipements électriques et mécaniques comme les turbines et les alternateurs et dépend plus de la taille du projet que de sa localisation. Acétate 12 Page 8 de 15

9 Module de formation analyse de projets de petite centrale hydroélectrique ACÉTATE 12 : Coûts d une petite centrale hydroélectrique (suite) Comme on l a mentionné en introduction, un projet hydroélectrique demande un investissement élevé au départ, mais générera ensuite des revenus pour au-delà de 50 ans en n exigeant que de faibles coûts d exploitation et d entretien. Les infrastructures de génie civil et les équipements sont bâtis pour plusieurs décennies alors que certaines centrales automatisées fonctionnent en télésurveillance et n exigent que des visites périodiques d entrepreneurs qui effectuent des inspections et de l entretien préventif. Sinon, la plupart des petites centrales se contentent d une personne à temps partiel pour leur surveillance. La taille, et donc le coût des turbines, dépend du débit qui doit la traverser. À puissance électrique égale, les sites ayant de fortes hauteurs de chute utilisent des turbines plus petites qui seront donc moins chères. Cependant, il n est pas évident que les coûts du génie civil seront aussi plus faibles par unité de puissance installée dans une centrale à forte hauteur de chute. On comprend donc que la plage des coûts d un projet hydroélectrique est très large, avec une telle dépendance de la configuration des sites. Actuellement, cette plage se situe entre à $ par kw installé. ACÉTATE 13 : Enjeux d un projet de petite centrale hydroélectrique La conception et la construction des ouvrages de génie civil doivent faire l objet d une grande attention car les investissements en jeu sont généralement élevés et représentent typiquement 60 % des coûts d un petit projet hydroélectrique. Pour réduire les coûts, il est parfois possible de réutiliser des digues, des barrages ou d autres infrastructures de génie civil (des routes d accès par exemple) même si ces ouvrages n avaient pas été conçus initialement pour produire de l hydroélectricité. Sinon, l expérience montre qu il est généralement rentable d adopter une approche conservatrice dans la conception avec des structures simples et faciles à construire et à réparer. Il faut compter de 2 à 5 ans pour mener à bien un petit projet hydroélectrique, de sa conception à sa mise en route. En plus de la conception proprement dite, de l évaluation de la ressource et de la configuration du site, il ne faut pas oublier le temps nécessaire à la réalisation d études d impact environnemental et à l obtention des permis de construction. La conception d un petit projet comprend généralement 4 phases. Les deux premières sont parfois amalgamées en une seule. La première phase consiste à reconnaître le terrain et à procéder à des études hydrologiques pour identifier différents sites prometteurs, pour les classer selon leur potentiel hydroélectrique et pour estimer les coûts de leur développement. La deuxième phase comprend une étude préliminaire de faisabilité pour chacun de ces sites, incluant la cartographie des sites, leur étude géotechnique, la recherche de lieux d emprunts pour le sable, le gravier et les roches et une première esquisse des projets, de leurs caractéristiques, de leurs coûts et de leur impact environnemental. Acétate 13 Page 9 de 15

10 RETScreen International ACÉTATE 13 : Enjeux d un projet de petite centrale hydroélectrique (suite) On passe alors à la troisième phase, une étude de faisabilité détaillée comprenant des analyses sismiques, des statistiques sur les risques d inondation, une conception plus approfondie des fondations et des ouvrages principaux, le choix des principaux composants. Cette phase comprend aussi une évaluation des coûts du projet, du raccordement au réseau électrique, des impacts du projet sur l exploitation du réseau et enfin sa rentabilité financière. La quatrième phase est celle de la planification du projet et de sa conception détaillée. On procède à la conception du système de raccordement au réseau et de transport d électricité, à l élaboration des plans et des devis comprenant les spécifications du projet, et à la préparation des documents d appels d offres. ACÉTATE 14 : Enjeux environnementaux d une petite centrale hydroélectrique L ampleur et la nature des impacts environnementaux d un petit projet hydroélectrique dépendent du type de projet et du site d implantation. Plusieurs impacts négatifs peuvent être atténués en prêtant attention à la conception, à la construction et à l exploitation de la nouvelle centrale. Très souvent, l impact le plus important est la création d un réservoir qui submerge des terres qui peuvent comprendre des exploitations agricoles ou forestières, des villages, des sites archéologiques, des habitats naturels et des sites de reproduction. Dans certaines régions où le sol et l eau sont naturellement acides, comme sur le bouclier canadien, certains composés organiques contenant du mercure peuvent être relâchés dans l eau pendant la période de décomposition des végétaux qui ont été submergés lors de la formation du réservoir. Cette décomposition dégage également du méthane et du gaz carbonique et contribue donc aux émissions de gaz à effet de serre. Pour diminuer ces effets, on procède à la coupe des forêts et au défrichage des terrains avant d être inondés. Cependant la plupart des petits projets hydroélectriques n ont pas de tels problèmes car il s agit le plus souvent de centrales au fil de l eau qui inondent peu de terres. La formation d un petit réservoir a comme but de régulariser le débit d alimentation de la centrale et c est souvent uniquement la zone de rapides en amont du barrage qui se trouve submergée. Il est parfois possible d utiliser un lac ou un réservoir existant et il n y a alors aucune inondation. Cependant les centrales utilisées uniquement pendant les périodes de pointe de demande d électricité utilisent des débits d eau très variables. Cela a comme conséquence de faire fluctuer les niveaux d eau dans le réservoir en amont mais également dans le canal d alimentation, dans le canal de fuite et dans la rivière en aval de la centrale. Ces fluctuations sont lentes et progressives en amont de la centrale, surtout si le réservoir est important et ne posent pas de problème. En revanche, elles peuvent être plus rapides et problématiques en aval de la centrale. Acétate 14 Page 10 de 15

11 Module de formation analyse de projets de petite centrale hydroélectrique ACÉTATE 14 : Enjeux environnementaux d une petite centrale hydroélectrique (suite) En plus de la submersion de territoires, la construction de digues ou de barrages peut avoir d autres conséquences sur l environnement. En particulier, sur certaines espèces de poissons marins comme les saumons, qui viennent se reproduire sur leurs lieux de naissance en eau douce, et doivent donc remonter les rivières. Pour réduire ce problème, les barrages sont équipés d un passage libre, appelé «échelle à poisson». Les amateurs de kayak ou de canot en eau libre et sur des rapides verront également des changements de leurs lieux de prédilection. Si les travaux remuent inutilement le terrain dans le lit de la rivière, il peut y avoir une sédimentation excessive en aval du projet. Enfin, lorsque l on dérive un cours d eau, il faut s attendre à perdre des habitats naturels entre la puise d eau et le canal de fuite de la centrale. Ce problème peut être atténué en maintenant dans l ancien lit un débit résiduel minimum En revanche, la perte de zones de rapides et de chutes d eau, généralement considérées comme des sites potentiellement touristiques dont on apprécie la beauté, est alors déplorée. Les questions d esthétique sont aussi très importantes dès qu il s agit d implanter des ouvrages de génie civil et des lignes électriques dans un paysage naturel. Ces propos montrent que les questions environnementales peuvent avoir une importance variable d un projet à un autre. Un projet de centrale au fil de l eau exploitant un barrage existant aura peu d impacts. Une centrale du même type mais dans un site encore naturel demandera la construction d un barrage de dérivation, ce qui engendrera plus d impacts. La construction d un réservoir avec barrage et inondation de terres exigera une évaluation beaucoup plus approfondie des impacts environnementaux. ACÉTATE 15 : Petite centrale hydro en réseau central Exemples : Slovaquie, Canada et États-Unis La plupart des petits projets hydroélectriques sont des petites centrales au fil de l eau raccordées au réseau électrique principal. Comme un tel réseau bénéficie d un grand nombre de sources d électricité, les variations de la puissance fournie par une telle centrale ne posent pas de problèmes. De plus, toute l énergie produite est absorbée. De telles centrales peuvent être la propriété de compagnies d électricité ou de producteurs indépendants. Dans ce dernier cas, les promoteurs de tels projets chercheront à obtenir des compagnies d électricité, des contrats de vente à long terme, à un taux qui leur permet d assurer le service de la dette qui a été encourue lors des investissements initiaux. La photo, en bas à gauche, montre une centrale de 2,3 MW avec 2 turbines, en Slovaquie. Dans le fond, on aperçoit la conduite forcée qui descend de la montagne. Cette centrale, datant de 1924, est un exemple de la longévité de telles infrastructures. En bas à droite, on a une vue aérienne d un récent projet à Terre-Neuve au Canada, celui de Star Lake. D après la forme de l ancien lit de la rivière, au niveau des rapides en aval du barrage, on voit que celui-ci n a pas créé d inondation d un vaste territoire. En haut à droite, on voit le bâtiment d une petite centrale du Sud-Est des États-Unis, une construction en brique qui fait partie du patrimoine architectural de la région. Acétate 15 Page 11 de 15

12 RETScreen International ACÉTATE 16 : Petite centrale hydro en réseau isolé Exemples : États-Unis et Chine Un petit projet hydroélectrique sert aussi à répondre à des besoins locaux d électricité dans des régions en dehors des réseaux électriques centraux, par exemple ceux de communautés éloignées ou d un groupe de plusieurs villages raccordés par un réseau isolé ou encore ceux d industries en régions éloignées comme des mines ou des exploitations forestières. Certaines résidences individuelles peuvent même exploiter un cours d eau à l aide de très petites installations et de micro turbines et combler leurs besoins d électricité, surtout si elles ne sont pas raccordées à un réseau électrique. Comme les régions isolées n ont pas accès aux bas tarifs d électricité disponibles à partir des réseaux principaux, les utilisateurs de ces régions accordent une plus grande valeur à l électricité, ce qui permet à des petits projets hydroélectriques d y être très rentables. Cependant, la fluctuation de la puissance qui peut être produite par une petite centrale au fil de l eau devient un enjeu important qui ne se présente pas dans le cas d un réseau central qui a accès à une multitude de fournisseurs d électricité. Si la puissance minimale garantie par la petite centrale ne peut pas répondre à la demande de pointe du réseau, il faut envisager le recours à un groupe électrogène auxiliaire, par exemple à un moteur diesel. Inversement, en période de crue, il est possible que toute l électricité que pourrait produite de la petite centrale ne trouve pas d utilisation, ce qui représente des revenus potentiels en moins. La photo du haut montre les alternateurs d une petite centrale hydroélectrique de Chine. Ce pays possède un nombre impressionnant de petites centrales de ce type, totalisant une puissance installée de MW. La photo du bas montre la petite centrale électrique de 800 kw qui alimente la communauté éloignée de 700 habitants de King Cove en Alaska. Acétate 16 ACÉTATE 17 : Modèle RETScreen pour les projets de petite centrale hydroélectrique Le modèle RETScreen pour petits projets hydroélectriques est un outil simple mais très utile pour réaliser des analyses préliminaires de la faisabilité technique et financière d implanter une petite centrale hydroélectrique en n importe quel endroit du monde. L analyse porte sur la production annuelle d énergie, les coûts globaux sur la durée de vie du projet, et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Les projets envisagés peuvent aussi bien être raccordés à un réseau central qu à un réseau isolé, consister en une centrale au fil de l eau comme comprendre un réservoir et leur envergure peuvent aller de la simple installation d une micro turbine dans le lit de la rivière à la construction d une petite centrale à plusieurs turbines. Un outil très pratique est la «Méthode d établissement des coûts par formules» qui aide à déterminer rapidement le budget d un projet en se basant sur ses caractéristiques et la configuration du site. L utilisateur a quand même le choix de procéder à l élaboration d un devis détaillé s il le désire en donnant les coûts des différents éléments du projet, basés sur les prix unitaires et les quantités en jeu. Les limites du modèle RETScreen pour petits projets hydroélectriques sont mineures si on suppose que l on reste au niveau d une analyse préliminaire de faisabilité. Dans le modèle, on suppose que les variations de la demande d électricité sur un réseau isolé se font à l intérieur d une journée et qu il n y a pas de variations saisonnières de la demande. Le modèle n a pas non plus été conçu pour prendre en compte une variation de la hauteur d eau d un réservoir de stockage; les calculs sont basés sur une hauteur de chute moyenne fournie par l utilisateur. Acétate 15 Page 12 de 15

13 Module de formation analyse de projets de petite centrale hydroélectrique ACÉTATE 18 : Calculs RETScreen : petite centrale hydroélectrique Le modèle RETScreen calcule la quantité d énergie produite par année en se basant sur la hauteur de chute, sur les rendements des différents éléments de la centrale, sur la courbe annuelle des débits classés de la rivière, et, dans le cas des réseaux isolés, sur la courbe des puissances classées représentative du profil quotidien de la demande d électricité, appelé dans le modèle «courbe des charges classées». Comme pour la courbe des débits classés, la courbe des puissances classés, aussi appelée courbe des charges classées, donne la puissance qui est égalée ou dépassée pendant un pourcentage donné de temps d une année. Nous allons exposer brièvement les différentes étapes de calcul du modèle. Pour avoir plus de détails, nous suggérons de consulter le Manuel d ingénierie et d études de cas, disponible sans frais sur le site Internet de RETScreen, à la rubrique e-manuel. La première étape est de calculer le rendement de la turbine aux différents débits d eau, en utilisant des formules empiriques établies pour les différents types de turbines proposées. L utilisateur a aussi la possibilité de déterminer lui-même la courbe donnant le rendement de la turbine qu il veut utiliser en fonction du débit qui la traverse. La deuxième étape est le calcul de la puissance qui sera générée en fonction du débit. La puissance générée est le produit du débit massique d eau, de la gravité terrestre, de la tête de pression, du rendement de la turbine au débit donné, du rendement de l alternateur et du rendement du système de transmission. On retranche à cette valeur la puissance parasite consommée par la centrale elle-même. La tête de pression utilisée dans le calcul est la différence de niveau entre la surface du réservoir amont et l axe de la turbine moins les pertes hydrauliques dans les conduites. La puissance installée de la centrale est tout simplement le résultat de ce calcul pour le débit de conception, appelé aussi «débit nominal». La troisième étape est l établissement de la courbe des puissances classées produites par la centrale électrique. Pour ce faire, on applique simplement aux valeurs de la courbe des débits classés les résultats du calcul précédemment exposé. Lorsque le débit disponible dépasse le débit de conception, on considère que la différence ne traverse pas la turbine, le débit de conception est la valeur maximale utilisée dans le calcul de la puissance générée par la centrale. La quatrième étape est le calcul de l énergie qui peut être produite annuellement par la centrale; il s agit tout simplement de l aire située sous la courbe des puissances classées produites par la centrale. La dernière étape est le calcul de l énergie renouvelable effectivement fournie au réseau. Avec un raccordement à un réseau central, la puissance produite peut toujours être absorbée par le réseau et l énergie renouvelable fournie est égale à l énergie qui peut être produite annuellement par la centrale hydroélectrique. Dans le cas d un réseau isolé, la puissance produite par la centrale peut parfois excéder la demande d électricité appelée sur le réseau et elle n est pas alors utile. On doit donc superposer à la courbe des puissances classées produites par la centrale, celle des puissance classées appelées par le réseau (appelée «courbe de charge classée»). La courbe des puissances classées est divisée en 20 intervalles représentant la puissance produite pour des durées égales à 5 % d une année. La valeur de la puissance moyenne produite dans un intervalle multiplée par la durée de cet intervalle, est la quantité d énergie produite pendant cette durée. La somme des 20 quantités d énergie ainsi calculées est la quantité annuelle d énergie produite. Acétate 18 Page 13 de 15

14 RETScreen International ACÉTATE 19 : Exemple : validation du modèle RETScreen pour les projets de petite centrale hydroélectrique Le modèle RETScreen a été validé de plusieurs façons. Différentes parties du modèle ont été évaluées, plus particulièrement le calcul des courbes de puissance des différentes turbines du modèle, le calcul de la puissance installée de la centrale et de la quantité d énergie annuelle qui peut être produite par celle-ci, et enfin la précision de la formule d établissement des coûts budgétaires d un projet. La courbe de rendement mesurée sur une turbine Francis de 7 MW fabriquée par GEC Alsthom et installée sur un site ayant une tête de 105 m près de Prince Rupert, en Colombie-Britannique, au Canada, a été comparée à celle prédite par RETScreen. Ce sont ces 2 courbes que l on voit sur ce graphique; on voit qu il y a une excellente concordance entre les valeurs du fabricant et celles de RETScreen. Le calcul de la puissance installée de la centrale et de la quantité d énergie qui peut être produite annuellement par celle-ci a été comparée aux résultats d un logiciel utilisé en Espagne et au Royaume-Uni pour des petits projets hydroélectriques. Le logiciel s appelle HydrA. Les résultats de cette comparaison ont fait l objet d une publication de l Agence internationale de l énergie. Un site en Écosse avec une hauteur de chute de 65 m et un débit nominal de 1,6 m 3 /s a été utilisé dans cette comparaison. La puissance estimée par les 2 modèles pour différents types de turbine se situant entre 700 et 825 kw. Dans le cas de turbines Francis, Turgot ou à écoulement transversal, le rapport de l Agence internationale de l énergie conclut qu il y a une faible différence dans les calculs de l énergie produite. L écart maximum entre les 2 modèles a été de 6,5 % dans le calcul de la puissance installée et de 3,5 % dans le calcul de l énergie produite annuellement. Les résultats d un budget établi par la méthode d établissement des coûts par formule proposée dans RETScreen ont été comparés à ceux obtenus en utilisant la méthode détaillée d un projet récent de 6 MW à Terre-Neuve au Canada. Le projet a une tête de pression de 114 m, un débit nominal de 6,1 m 3 /s. Il comprend un petit barrage formant une faible retenue d eau, 2 turbines de type Francis, un seul alternateur, une conduite forcée de m et 3 km de lignes électriques. Les estimés de coûts des différents éléments du budget pris séparément peuvent varier assez significativement selon que l on prend une méthode ou l autre. Cependant, quand on compare les budgets totaux selon les 2 méthodes, on constate que la formule d établissement des coûts donne un budget qui n est supérieur que de 11 % au résultat de la méthode du budget détaillé. Au niveau d une analyse préliminaire de faisabilité, ce niveau de précision est satisfaisant. Acétate 19 ACÉTATE 20 : Conclusions Les projets de petites centrales hydroélectriques, c est-à-dire des projets inférieurs à 50 MW, permettent de fournir rentablement de l électricité à des réseaux centraux, à des réseaux isolés ou pour répondre à des besoins particuliers d électricité en des sites éloignés. La plupart des petits projets hydroélectriques sont des centrales au fil de l eau et ne comprennent donc pas de réservoir de stockage. De tels projets coûtent donc moins cher et leur impact environnemental est également moindre. La puissance produite par de telles centrales variera en fonction des fluctuations de débit de la rivière. De telles variations sont tout à fait gérables dans le cas d un réseau central. Cependant, dans le cas de réseaux isolés, on pourra avoir à installer des génératrices électriques auxiliaires. Ce dédoublement de capacité est généralement acceptable car dans des sites isolés, l hydroélectricité produite a en principe une plus grande valeur pour les utilisateurs. Acétate 20 Page 14 de 15

15 Module de formation analyse de projets de petite centrale hydroélectrique ACÉTATE 20 : Conclusions (suite) Comme la plupart des autres sources d énergie renouvelable, l hydroélectricité demande des investissements élevés pour la réalisation du projet mais ensuite les frais d exploitation et d entretien sont très faibles. La majeure partie des investissements est consacrée aux ouvrages de génie civil; c est pourquoi 75 % de ces investissements dépendent du site. La durée de vie utile d une petite centrale hydroélectrique est supérieure à 50 ans. Le logiciel RETScreen permet de calculer la puissance installée, la puissance garantie, la quantité annuelle d énergie produite et les coûts budgétaires d un petit projet hydroélectrique en se basant sur la courbe des débits classés et la hauteur de chute d un site. RETScreen permet de réduire considérablement les coûts de réalisation d études préliminaires de faisabilité de petits projets hydroélectriques. ACÉTATE 21 : Questions? Voici la fin du module de formation Analyse de projets de petite centrale hydroélectrique du cours d analyse de projets d énergies propres de RETScreen International. Acétate 21 Page 15 de 15