SmallFLEX - Démonstrateur de la flexibilité de la petite hydraulique

En janvier 2018, la mise en place de la révision de l’ordonnance sur l’énergie en Suisse, modifiant le système de rétribution soutenant la production d’électricité d’origine renouvelable fait apparaître un nouveau défi pour la petite hydraulique, « être plus flexible pour fournir de l'électricité lorsque c’est nécessaire », en suivant le marché de l’énergie.  

Pour les petites centrales au fil de l’eau, ce nouveau challenge semble difficile à relever et nécessite d’explorer différentes solutions techniques avec des experts en hydraulique dans le domaine de l’hydrologie, du génie civil, des phénomènes transitoires, des machines hydrauliques et de l’environnement.

Dans le cadre du Centre de Compétence Suisse pour l’approvisionnement en électricité (SCCER-SoE), différents instituts ont décidé de s’associer pour démontrer le potentiel de flexibilité des petites centrales hydroélectriques au fil de l’eau. Un aménagement en Haut-Valais a été sélectionné pour réaliser cette première étude : la centrale de Gletsch-Oberwald des FMV qui est équipée avec deux turbines Pelton de 7 MW.

L’objectif de ce projet est de démontrer la capacité des petites centrales hydroélectriques à fournir de l’énergie de pointe et des services systèmes tout en respectant l’environnement. Les nouveaux résultats obtenus par les partenaires du SCCER-SoE seront implémentés sur un même site pilote mis à disposition par FMV avec pour objectif de proposer un fonctionnement flexibilisé de la centrale et générer ainsi des revenus supplémentaires pour les propriétaires de l’aménagement. La capacité de l’infrastructure, des équipements et d’autres mesures d’adaptation permettant de produire de manière flexible sera évaluée tout en mesurant l’impact de ce nouveau fonctionnement sur l’environnement, la production et les revenus. Les résultats obtenus grâce à ce démonstrateur seront ensuite présentés publiquement et utilisés comme référence pour le futur de la petite hydraulique.

Ce projet P+D, financé par l’OFEN et FMV, est mené par le groupe hydroélectricité de la HES-SO Valais-Wallis et réalisé en collaboration avec PVE, WSL, EAWAG, FMV et l’EPFL.

Six tâches ont été définies avec les objectifs suivants :

Tâche 1 : Evaluation du potentiel de stockage (EPFL PL-LCH, HES SO Valais)

L’objectif de cette tâche est d’identifier les possibilités de stockage de l’aménagement afin de concentrer la production sur des périodes avec une rémunération plus élevée, de préférence avec les meilleurs rendements. L'accent est mis sur l'hiver et les mois de transition pendant lesquels les apports naturels sont inférieurs au débit nominal.

Tâche 2 : Flexibilité des machines hydrauliques (HES SO Valais, PVE, EPFL LMH)

L’objectif de cette tâche est d'étudier la flexibilité de la centrale en réalisant, selon les résultats de la tâche 1 :

- une estimation de la capacité de la centrale à offrir des services systèmes.

- une étude de l’influence des variations de la chute sur la qualité du jet.

- une étude de l’influence de la variation de la chute sur la fatigue de la roue Pelton.

- l’installation du système Hydro-Clone^® pour monitorer la centrale.

Tâche 3 : Prévisions hydrologiques en temps réel (WSL)

Le but de la tâche 3 est de démontrer la plus-value que pourraient apporter des prévisions des débits d’apport pour l’aménagement à court terme (<1 jour) et à plus long terme (> 1 semaine) concernant l’afflux d’eau à la prise d’eau à Gletsch. Ceci sera réalisé en combinant différents modèles numériques récemment développés chez MétéoSuisse, SLF et WSL, et couplés avec des données en temps réel.

Tâche 4 : Effets à court terme des éclusées sur les écosystèmes (EAWAG)

L’objectif de cette tâche est de réaliser une série d’expériences sur le terrain en aval de la centrale hydroélectrique afin de quantifier les effets à court terme des éclusées sur l’écosystème (essentiellement les populations de macroinvertébrés) durant les essais de variations de débit pour adapter la production de la centrale au marché de l’énergie.

Tâche 5 : Campagnes expérimentales sur site (HES SO Valais et tous les partenaires)

La réalisation des campagnes de mesure sur site nécessite la réalisation de plusieurs tâches préparatoires permettant la définition d'un programme de production pendant les jours des essais qui respecte les limites de fonctionnement de la centrale et les souhaits du propriétaire. Deux campagnes ont été programmées :

• la première campagne porte sur la validation de la méthodologie mise en œuvre en respectant la plage des points de fonctionnement garantis par le constructeur de la turbine.
• la deuxième campagne se concentre sur la détermination des limites d’un fonctionnement flexible en utilisant la totalité du volume de stockage identifiée.

 Tâche 6 : Business modèle d'une petite centrale hydroélectrique flexible (FMV)

Les résultats des tâches précédentes réalisées dans ce projet sont intégrés pour évaluer l’intérêt économique de ces nouveaux modes de fonctionnement plus flexibles. Les limitations liées aux stockages identifiés dans la tâche 1, à la plage de fonctionnement de la centrale étudiée numériquement et expérimentalement dans les tâches 2 et 5, l’effet des éclusées à court terme sur l’écosystème évalué dans la tâche 4 ainsi que les opportunités liées aux prévisions des débits d’apport identifiées à la tâche 3 seront assemblées pour définir les spécifications des nouvelles conditions de fonctionnement de la centrale. De nouvelles pistes pour des modèles financiers possibles pour des petites centrales hydroélectriques plus flexibles seront ainsi identifiées.

En mai 2020, la deuxième campagne du projet P+D SmallFLEX a été menée avec succès par le groupe hydroélectricité de la HES-SO Valais-Wallis et les partenaires du projet dans la petite centrale hydroélectrique de Gletsch-Oberwald appartenant aux FMV. Pour la première fois, la flexibilité de cette centrale au fil de l’eau a été explorée jusqu'à ses limites. L'instrumentation utilisée lors de la première campagne de 2018, dédiée au suivi de la surface libre à l'entrée de la chambre de mise en charge, des principales caractéristiques de la machine testée ainsi que du niveau d'eau dans la zone alluviale en aval, a été redéployée en parallèle avec le système Hydro-Clone®. La prédiction du débit d'apport ainsi que l'utilisation de la totalité du stockage identifié, incluant le dessableur, la chambre de mise en charge et un tiers de la conduite forcée, ont été mis en place et coordonnés entre les partenaires. Un programme de production spécial comprenant différents pics de puissance pendant deux jours de test a été élaboré sur la base des simulations transitoires de la centrale réalisées par PVE avec le logiciel Simsen, des simulations numériques de l'écoulement dans la machine et d'essais en laboratoire du dénoyage de la conduite à échelle réduite. Les mesures réalisées durant cette deuxième campagne ont permis de mettre en évidence le phénomène de falaise lorsque le niveau de surface libre dans la conduite forcée atteint une certaine côte. Elles ont aussi permis de définir les cartes de performances des turbines utiles à l’analyse financière.