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Sans l'énergie hydroélectrique, la Suisse ne serait que l'ombre de ce qu'elle est aujourd'hui. Le pays produit environ 60% de son électricité grâce à un réseau national de 1500 centrales hydroélectriques au fil de l'eau et à accumulation, et leur importance ne fera que croître. «D'ici 2050, l'électricité représentera entre 38 et 46% du mix énergétique suisse, ce qui représente un bond considérable par rapport aux 27% actuels», explique Robert Boes, professeur d'ingénierie hydraulique à l'ETH Zurich. En effet, une transition réussie vers les énergies renouvelables implique le remplacement des combustibles fossiles et l'électrification d'un plus grand nombre d'utilisations de l'énergie, comme les transports privés. Dans le même temps, la dernière centrale nucléaire de Suisse doit fermer dans une dizaine d'années, de sorte que le solaire, l'éolien et l'hydroélectricité devront prendre le relais. L'avantage des systèmes hydroélectriques à accumulation est leur capacité à stocker de grandes quantités d'énergie sur de longues périodes, ce qui est particulièrement important en hiver lorsque la lumière du soleil est moins abondante.
Élargir et construire
«Le fait que la Suisse puisse utiliser l'eau pour stocker de l'énergie est une aide précieuse pour la transition vers une économie à faible émission de carbone», explique Robert Boes. Au cours des dernières années, son groupe de recherche a mené des études approfondies sur le potentiel d'expansion des réservoirs en Suisse et sur la construction de nouveaux réservoirs. En 2020, ils et elles ont calculé la quantité d'énergie supplémentaire qui pourrait être produite si la capacité de 38 réservoirs existants dans les Alpes suisses - chacun ayant un volume utilisable d'au moins 20 millions de mètres cubes d'eau - était augmentée de 5, 10 ou 20%. Les scientifiques ont évalué le potentiel de chaque réservoir sur la base de huit critères, dont l'impact sur les zones de conservation et les infrastructures existantes et la capacité à déplacer la production d'électricité vers la période critique de l'hiver. Ils et elles ont conclu qu'il serait possible de transférer chaque année 2,2 à 2,9 térawattheures (TWh) supplémentaires d'électricité de l'été vers l'hiver en agrandissant entre 17 et 26 des réservoirs figurant sur leur liste. La production totale d'hydroélectricité en hiver passerait alors du chiffre actuel de 48% à 62% de la production hydroélectrique annuelle totale.
Le groupe de Robert Boes a également calculé le potentiel de construction de nouveaux réservoirs dans 62 zones précédemment identifiées où les glaciers reculent. Ces zones, qui abritaient autrefois de grandes masses de glace, se transformeront bientôt en lacs naturels ou en étendues vides qui pourront être utilisées comme réservoirs. «En l'espace de dix ans seulement, par exemple, le glacier de Trift, dans le canton de Berne, a tellement reculé que le lac pourrait déjà être utilisé pour produire de l'électricité», explique Robert Boes. Les infrastructures existantes sont souvent minimes à proximité des lacs glaciaires nouvellement formés et, dans la plupart des cas, les zones libérées de la glace ne sont pas protégées. L'analyse de Robert Boes a abouti à la création de nouvelles centrales hydroélectriques sur les 12 sites les plus appropriés, en tenant compte des biotopes d'importance nationale. Elles pourraient produire entre 1 et 1,2 TWh d'électricité par an grâce à l'écoulement naturel et ajouter une capacité de stockage de 1,4 à 1,5 TWh, en tenant compte des centrales existantes dans les cascades hydroélectriques situées en aval.
Les études menées par le groupe de recherche de Robert Boes ont figuré en bonne place à l'ordre du jour de la table ronde sur l'hydroélectricité organisée par le gouvernement suisse en août 2020, qui a réuni des organisations environnementales, des exploitants et exploitantes de centrales hydroélectriques et les autorités cantonales et fédérales. Les participantes et participants ont discuté de la manière d'atteindre l'objectif d'augmenter la production d'électricité hivernale de 2 TWh d'ici 2040, et se sont finalement mis d'accord sur une proposition visant à agrandir onze réservoirs existants - dont le réservoir du Grimsel dans le canton de Berne et le lac de Mattmark dans le canton du Valais - et à en créer quatre nouveaux. «Au cœur de la stratégie se trouve un réservoir potentiel près du glacier du Gorner, qui pourrait augmenter la capacité de stockage de 650 gigawattheures et la production annuelle de 200 gigawattheures d'énergie par an», explique Robert Boes. «Mais la construction de nouveaux réservoirs est beaucoup plus controversée que l'agrandissement des réservoirs existants. En effet, la proposition du Gorner a suscité de nombreuses critiques lors de la table ronde, et la Fondation suisse pour la protection du paysage a refusé de signer la déclaration finale. L'un de ses principaux griefs est que la création du lac de retenue du Gorner aurait des conséquences considérables pour l'une des dernières montagnes glaciaires intactes, inscrite à l'inventaire fédéral des paysages et monuments naturels d'importance nationale. Cet exemple montre une fois de plus que l'expansion de l'énergie hydroélectrique provoque toujours des conflits d'intérêts, même si elle peut être utile comme stratégie d'atténuation du changement climatique.
Trouver un équilibre entre des intérêts contradictoires
Paolo Burlando, professeur d'hydrologie et de gestion des ressources en eau à l'ETH Zurich, a passé des années à s'attaquer à ces conflits d'intérêts. «Les projets hydroélectriques entraînent inévitablement la fragmentation des cours d'eau, ce qui a un impact sur les écosystèmes locaux», explique-t-il. Il cite un exemple tiré de ses propres recherches dans les Kafue Flats, en Zambie, une plaine inondable de 240 kilomètres de long et de 50 kilomètres de large, composée de marécages, de lagunes ouvertes et de zones inondées de façon saisonnière. Pendant la saison des pluies, la plaine inondable reçoit l'eau de la rivière Kafue, un affluent du fleuve Zambèze. C'est un habitat important pour les antilopes, les zèbres et les hippopotames, ainsi que pour 450 espèces d'oiseaux menacées. Pourtant, depuis la construction de deux grands barrages dans les années 1970, la fréquence des inondations a diminué, ce qui a eu un impact négatif sur la biodiversité. Alors, comment mettre en balance la nécessité de produire de l'énergie et l'importance de protéger les écosystèmes ?
Pour répondre à ces questions, Paolo Burlando et son équipe élaborent des modèles mathématiques destinés à faciliter une gestion participative et intégrée des ressources en eau. Ils et elles espèrent que la simulation de scénarios et l'évaluation quantitative des impacts permettront de réduire les conflits entre la protection de la nature, la production d'électricité, l'utilisation de l'eau à des fins agricoles et l'exploitation de l'eau pour des activités industrielles. Le projet DAFNE de l'UE s'est avéré être l'occasion idéale de mettre les modèles à l'épreuve : avec l'aide de 13 partenaires de recherche d'Europe et d'Afrique, ainsi que d'autorités régionales et d'exploitants et exploitantes de centrales hydroélectriques, Paolo Burlando a pu appliquer l'un de ses modèles à deux études de cas concrètes : le bassin hydrographique du fleuve Zambèze en Afrique australe et celui du fleuve Omo-Turkana à la frontière entre l'Éthiopie et le Kenya. Les variables clés utilisées dans le modèle comprenaient les revenus des compagnies hydroélectriques et la sécurité de l'approvisionnement en électricité, la quantité d'eau disponible pour l'agriculture, les déviations de l'inondation naturelle des écosystèmes fragiles et les implications pour la disponibilité de l'eau potable. Les simulations ont également porté sur l'impact attendu du changement climatique. Dans le cas du Zambèze, les chercheurs et chercheuses ont pu montrer que la production d'électricité pouvait être augmentée de 20% simplement en améliorant la coordination entre les exploitants et exploitantes de barrages des pays, sans aucun impact négatif supplémentaire sur les écosystèmes.
Pour la deuxième étude de cas, dans le bassin de l'Omo-Turkana, l'équipe de DAFNE s'est penchée sur une situation politique complexe. L'Éthiopie a construit trois barrages sur le fleuve Omo au cours des dernières années et a prévu d'utiliser l'eau pour la culture à grande échelle de la canne à sucre dans les régions méridionales du bassin. L'Omo est le seul grand fleuve qui alimente le lac Turkana. Situé presque entièrement à l'intérieur des frontières du Kenya, le lac est une ressource vitale pour des milliers de nomades et leur bétail. «Selon nos modèles, la production d'électricité en Éthiopie ne limitera pas la disponibilité de l'eau au Kenya à long terme ; tout au plus affectera-t-elle la variabilité temporelle du régime d'écoulement des cours d'eau», explique Paolo Burlando. «Mais l'extraction d'eau pour l'irrigation extensive constitue une menace bien plus grande.» La production d'énergie ne nécessite que le stockage de l'eau et son acheminement par des turbines. Cela altère le cours naturel de la rivière en la fragmentant et en modifiant le régime d'écoulement naturel, ce qui a un impact sur les écosystèmes aquatiques, mais n'a pas d'effet sur la quantité totale d'eau. Une liaison au niveau institutionnel n'est pas encore à l'ordre du jour, et le conflit reste politiquement et techniquement irrésolu. «Mais au moins, des expertes et experts techniques d'Éthiopie et du Kenya se sont assis à la même table et ont discuté de scénarios de gestion concrets et de solutions pour les utilisations conflictuelles», conclut Paolo Burlando.
Une meilleure coordination
Le projet de suivi de l'UE, GoNEXUS, espère appliquer l'expérience acquise dans le cadre de DAFNE non seulement au niveau des bassins hydrographiques, mais aussi à l'échelle continentale, voire mondiale. D'ici à 2025, l'équipe internationale du projet travaillera sur huit études de cas en Europe et en Afrique, en mettant l'accent sur les dépendances entre l'eau, l'alimentation, l'énergie et les écosystèmes. Dans le même temps, les recherches de Paolo Burlando présentent également des avantages potentiels évidents pour la Suisse et sa stratégie énergétique. Sous les auspices du Centre de compétences suisse pour la recherche énergétique, son équipe a développé un certain nombre de modèles qui ont été utilisés pour étudier des systèmes exemplaires de stockage d'énergie hydroélectrique tels que celui de la Maggia, dans le canton du Tessin, où quatre barrages et plusieurs centrales hydroélectriques de pompage-turbinage affectent la plaine d'inondation naturelle de la Maggia. «Dans le cas de la Maggia, nous avons pu démontrer qu'il était possible d'augmenter la production d'électricité en révisant le lâcher d'eau excédentaire imposé par la loi dans les différents réservoirs, ce qui permettrait également de réduire l'impact sur les écosystèmes du plan d'inondation», explique Paolo Burlando. Il reconnaît volontiers que l'expertise technique et scientifique ne suffit pas à faire décoller une stratégie de gestion intégrée de l'eau et que celle-ci ne peut réussir que si la volonté politique est présente. Il estime néanmoins que les décisions politiques pourraient bénéficier d'un peu plus d'attention de la part de la science. «Nous pouvons certainement aider les politiques à trouver des compromis dans l'intérêt du public», insiste-t-il.