Vers des centrales plus souples et plus durables

L’hydroélectricité constitue le pilier historique du système électrique suisse. Elle fournit aujourd’hui plus de la moitié de l’électricité nationale et joue un rôle crucial pour l’intégration des énergies renouvelables intermittentes telles que l’éolien et le photovoltaïque. Dans la perspective de la Stratégie énergétique 2050, la production hydraulique devrait encore augmenter d’à peu près 5%, pour atteindre environ 38,6 TWh.

Mais ce pilier du système énergétique fait face à plusieurs défis majeurs. Au cours des trente prochaines années, près de 65% de la production hydroélectrique suisse sera concernée par le renouvellement des concessions hydrauliques. Ces procédures impliquent des évaluations techniques, environnementales et réglementaires complexes. Parallèlement, les centrales existantes doivent s’adapter à un réseau électrique en pleine transformation, marqué par des variations rapides de charge, des besoins croissants en services système et des exigences environnementales renforcées.

Dans ce contexte, l’enjeu n’est pas seulement de maintenir et d’augmenter la production électrique, mais aussi d’optimiser l’exploitation des installations existantes afin d’en améliorer la flexibilité, la fiabilité et la compatibilité environnementale.

Le projet HydroLEAP

Le projet pilote et de démonstration HydroLEAP a été conçu pour développer et démontrer de nouvelles solutions technologiques et opérationnelles visant à renforcer la flexibilité, la durabilité et la performance des centrales hydroélectriques suisses. Il a réuni huit partenaires issus des milieux académique et industriel. La recherche a été menée par l’EPFL, qui assurait la coordination scientifique, ainsi que par l’ETH Zurich et la HES-SO Valais-Wallis. Les partenaires industriels comprenaient Alpiq, FMV (Forces Motrices Valaisannes), Hydro Exploitation, Hydropower Dynamics Engineering, ainsi que le projet hydroélectrique Massongex-Bex-Rhône. Le projet a bénéficié d’un financement de l’Office fédéral de l’énergie et s’est déroulé sur près de cinq ans, jusqu’à son achèvement en septembre 2025.

L’architecture du projet repose sur trois démonstrateurs représentant des situations très différentes:

• La centrale de pompage-turbinage Forces Motrices Hongrin-Léman (FMHL) permet d’étudier de nouveaux modes d’exploitation flexibles à grande échelle.
• La centrale au fil de l’eau de KW Ernen, en Valais, sert de cas d’étude pour l’hybridation avec des batteries et le développement d’outils de maintenance prédictive.
• Enfin, le projet Massongex-Bex-Rhône, destiné à une installation à basse chute, offre un terrain privilégié pour développer des solutions de protection piscicole et de gestion des sédiments.

Au cœur de cette démarche se trouve également la Plateforme technologique pour machines hydrauliques (PTMH) de l’EPFL, dont la modernisation a permis de renforcer considérablement les capacités expérimentales pour l’étude des machines hydrauliques.

Plus de flexibilité, moins d’usure

L’évolution du système électrique modifie profondément les conditions d’exploitation des centrales hydroélectriques. Conçues à l’origine pour fonctionner dans des régimes relativement stables, ces dernières doivent aujourd’hui faire face à des sollicitations dynamiques beaucoup plus fréquentes. La montée en puissance des énergies renouvelables variables impose des ajustements rapides de puissance afin de maintenir l’équilibre du réseau.

Si les centrales hydrauliques disposent naturellement d’une grande capacité de modulation, leur fonctionnement en dehors des conditions nominales peut entraîner une baisse de performance et une augmentation des contraintes mécaniques. Des phénomènes tels que les fluctuations de pression, les instabilités hydrauliques ou les interactions fluide-structure peuvent générer des vibrations et accélérer la fatigue des composants. Les travaux menés dans le cadre du projet HydroLEAP ont permis d’analyser ces phénomènes à différentes échelles, en combinant simulations numériques, essais expérimentaux et mesures sur des installations réelles.

Des simulations à la maintenance prédictive

Des modèles hydrauliques unidimensionnels ont été développés afin d’étudier les transitoires dans les conduites et les galeries d’amenée, notamment pour identifier les conditions de fonctionnement susceptibles de provoquer des coups de bélier lors des transitions entre différents modes d’exploitation. Ces analyses ont été complétées par des simulations tridimensionnelles détaillées (CFD, Computational Fluid Dynamics) permettant d’étudier les structures d’écoulement internes aux machines hydrauliques et les pertes de charge dans différentes configurations de fonctionnement.

Ces études ont aussi été couplées à un jumeau numérique du comportement hydraulique des centrales: Hydro-Clone. Ce modèle combine des représentations physiques du système hydraulique avec les données d’exploitation issues du système Scada. L’intégration de données mesurées en temps réel ouvre la voie à des applications de surveillance avancée et de maintenance prédictive.

Des essais sur modèles réduits aux mesures sur des installations réelles

Les phénomènes de fatigue des machines hydrauliques ont également été étudiés expérimentalement. Des essais sur modèles réduits ont été réalisés sur différents types de turbines et de pompes multi-étagées afin d’évaluer l’impact des régimes transitoires sur les sollicitations mécaniques.

En parallèle, l’étude d’un système hybride associant une batterie à l’aménagement hydraulique a été menée afin de développer une solution permettant de réduire l’usure des machines tout en augmentant les services système fournis au réseau.

Ces travaux ont été complétés par des analyses modales et des mesures de transmissibilité réalisées sur des machines à l’échelle réelle. Ces méthodes permettent d’identifier certaines signatures vibratoires associées à des conditions de fonctionnement défavorables et contribuent au développement d’outils de surveillance non intrusifs.

Au-delà des aspects purement mécaniques, la présence de sédiments dans l’eau constitue un facteur supplémentaire de dégradation. Dans certains bassins alpins, l’abrasion due aux particules solides peut entraîner une érosion progressive des surfaces hydrauliques. Les travaux réalisés dans le cadre du projet ont permis d’améliorer la caractérisation de ces phénomènes et d’étudier différentes stratégies d’exploitation visant à limiter les effets de l’érosion.

L’ensemble de ces travaux contribue à mieux comprendre les conditions d’exploitation flexibles des centrales hydroélectriques et à identifier des stratégies permettant d’augmenter la flexibilité tout en limitant l’usure des équipements.

Vers de nouveaux modes d’exploitation flexibles

Les solutions développées au cours du projet ont été validées sur trois démonstateurs. Avec une puissance installée de 420 MW, la centrale de pompage-­turbinage Forces Motrices Hongrin-Léman constitue l’un des principaux aménagements de stockage par pompage en Suisse. Elle joue un rôle important dans la régulation du réseau électrique, notamment pour la fourniture de services système.

Dans ce contexte, le projet HydroLEAP s’est intéressé au fonctionnement en court-circuit hydraulique, un mode d’exploitation qui consiste à faire fonctionner simultanément pompe et turbine afin de fournir une réserve de réglage même lorsque l’installation est en phase de pompage. L’analyse de ce mode d’exploitation a nécessité une étude détaillée du comportement hydraulique du système.

Les résultats montrent que certaines configurations permettent d’augmenter la capacité de régulation continue de l’installation tout en évitant l’arrêt complet de la centrale lors des transitions entre pompage et turbinage. Ils proposent également de nouvelles trajectoires de démarrage pour les groupes ternaires, permettant de réduire la fatigue des roues hydrauliques de jusqu’à environ 15%.

Contrôle prédictif et hybridation avec des batteries

La centrale au fil de l’eau de KW Ernen a servi de démonstrateur pour l’étude de l’hybridation entre production hydraulique et stockage électrochimique. L’intégration d’un système de stockage par batteries permet d’absorber les variations rapides de puissance nécessaires à la régulation de fréquence, tandis que les turbines assurent la production principale.

L’application de méthodes de contrôle prédictif a permis d’optimiser le dimensionnement et l’utilisation du système de stockage, tout en réduisant les mouvements des directrices (Guide Vane Opening, GVO) des turbines. Cette approche contribue à limiter les fluctuations de pression et à maintenir les machines hydrauliques proches de leur point de fonctionnement optimal.

L’ajout d’une batterie de capacité modeste, environ 5% de la puissance totale de la centrale, permet de doubler la puissance de réglage fournie au réseau électrique (figure 1). Ce gain est obtenu sans réduire la durée de vie de l’installation, sans coûts d’entretien supplémentaires (hors investissement initial pour la batterie) et sans risque accru pour les composants électromécaniques.

Parallèlement, des méthodes de diagnostic avancées ont été développées pour améliorer la surveillance des équipements. L’analyse du contenu vibratoire des signaux mesurés a permis de définir un indicateur spécifique, appelé Vibration Content Index, capable d’identifier certains régimes de fonctionnement susceptibles d’accélérer la fatigue des composants. Des capteurs virtuels reposant sur des méthodes d’apprentissage automatique ont également été développés afin de détecter précocement certaines anomalies liées à la cavitation ou à l’érosion.

Protection piscicole et gestion des sédiments

Le projet Massongex-Bex-Rhône s’est concentré sur les enjeux environnementaux associés aux centrales à basse chute. Les travaux ont notamment porté sur la conception de systèmes de protection piscicole et sur l’analyse des écoulements à proximité des grilles d’entrée d’eau. Des simulations numériques ont été réalisées afin d’évaluer l’influence de la géométrie des grilles et des dispositifs de dérivation sur l’écoulement.

Ces analyses ont été complétées par des essais expérimentaux réalisés dans un canal hydraulique à l’ETH Zurich dédié aux études étho-hydrauliques. Ces essais ont permis d’observer le comportement de différentes espèces de poissons dans des conditions d’écoulement contrôlées et d’évaluer l’efficacité de plusieurs dispositifs de guidage.

Les travaux ont également porté sur le transport sédimentaire et sur l’évaluation du risque d’érosion des turbines. Des mesures de concentration en sédiments en suspension ont été utilisées pour développer des modèles permettant d’estimer l’impact de ces particules sur la durée de vie des équipements et pour définir des stratégies d’exploitation adaptées lors d’événements de forte charge sédimentaire.

Une plateforme expérimentale unique pour l’innovation hydraulique

Un élément clé du projet HydroLEAP a été la modernisation de la Plateforme technologique pour machines hydrauliques (PTMH) de l’EPFL. Depuis sa création en 1969, cette infrastructure constitue l’un des centres de référence mondiaux pour l’étude expérimentale des machines hydrau­liques.

Dans le cadre du projet, plusieurs bancs d’essai ont été entièrement modernisés afin de permettre l’étude de nouveaux concepts de fonctionnement. Un premier banc d’essai (figure 2) a été adapté pour tester des turbines Pelton à échelle réduite conformément aux normes internationales. Cette installation permet notamment d’étudier des régimes transitoires tels que les démarrages rapides ou les arrêts d’urgence.

Un second banc a été amélioré pour analyser les phénomènes transitoires dans différents types de machines hydrauliques, tandis qu’un troisième banc expérimental intègre désormais un système de stockage par batterie et un simulateur de réseau électrique. Cette configuration permet d’étudier expérimentalement l’hybridation entre centrales hydroélectriques et systèmes de stockage.

Ces infrastructures offrent aux chercheurs la possibilité de reproduire en laboratoire des conditions d’exploitation réalistes et de valider rapidement de nouvelles solutions avant leur mise en œuvre sur des installations industrielles.

Perspectives pour la modernisation du parc hydroélectrique suisse

Les résultats obtenus dans le cadre d’HydroLEAP montrent que l’hydroélectricité dispose encore d’un potentiel important d’innovation. Les travaux réalisés ont permis d’identifier de nouvelles stratégies d’exploitation flexibles, d’évaluer l’intérêt de l’hybridation avec des systèmes de stockage par batteries et de développer des outils numériques destinés à améliorer la surveillance et la maintenance des installations. Parallèlement, les recherches menées sur la protection des poissons et sur la gestion des sédiments contribuent à améliorer l’intégration environnementale des aménagements hydroélectriques.

L’ensemble de ces résultats fournit des éléments concrets pour la modernisation du parc hydroélectrique suisse et l’adaptation des installations existantes aux nouvelles exigences du système électrique.

Dans un contexte marqué par la transition énergétique et l’évolution des conditions d’exploitation, ces travaux montrent que l’hydroélectricité peut continuer à jouer un rôle central dans un système énergétique fiable et largement fondé sur les énergies renouvelables.