Nant de Drance 8


J’ai eu la chance de visiter récemment le chantier d’un très gros projet hydroélectrique, « Nant de Drance« , en Suisse, tout près de la frontière française entre Martigny et Chamonix. Depuis 2009, des équipes de mineurs s’y relaient jour et nuit pour creuser la montagne sous deux barrages existants, Emosson et le Vieux Emosson. Ambiance :

D’abord, un tunnelier de Ø 9.47m a percé un tunnel de 5.6 km depuis la vallée, en montant selon une pente de 12% jusqu’à l’emplacement de la future centrale, 400m sous terre, ou plutôt sous roche, entre les deux barrages. Bientôt, une des plus grande cavernes artificielles du monde (190 x 40 x 54 m = 410’000 m³) accueillera 6 turbines Francis réversibles de 150 MW chacune pour faire du pompage-turbinage en exploitant la différence d’altitude entre les deux lacs artificiels:

Coupe schématique de l’installation. Cliquer pour la vue en plan [2]

La caverne est pratiquement terminée. Elle a été creusée de haut en bas : d’abord la voûte a été entièrement creusée et bétonnée, puis le sol a été dynamité couche par couche. En fait on n’utilise plus les bons vieux bâtons de dynamite, mais une pâte presque liquide produite en mélangeant deux composants stockés séparément juste avant de les injecter dans les trous de mine avec un bête tuyau. Puis on recouvre la zone avec un tapis formé de déchets de pneus attachés les uns aux autres pour empêcher les projections de cailloux. Et on fait péter ça sans prévenir, en faisant littéralement léviter le groupe de visiteurs qui se trouve à l’autre bout de la caverne ! J’ai vécu quelques explosions mémorables, de ma période « chimie amusante » à celle dans l’artillerie helvétique, mais cette détonation dans cette caverne, c’est l’apothéose !

Fête de la Sainte Barbe dans la future caverne des turbines. (Photo ALPIQ sur flickr)

nant de drance

Couverture de la brochure [1] où l’on voit les deux barrages

Deux autres réalisations extraordinaires sont les deux puits verticaux de Ø 8m et de 425m de haut qui conduiront les 2×150 m³ d’eau par seconde aux turbines. Ils sont réalisés par la méthode du « raise boring » : on commence par forer un puits vertical de faible diamètre jusque dans la cavité inférieure, puis on fixe au tube de forage une sorte de fraise, et on tire le tout vers le haut en faisant tourner la fraise qui agrandit le diamètre à Ø2.44 m en faisant tomber la roche excavée au bas du puits d’où elle est évacuée par le tunnel d’accès.

Phases 1 et 2 (illustration Herrenknecht [3])

Phase 3 : shaft drilling jumbo (SDJ) de Ø 8m [3]

Enfin, une plateforme du diamètre final est progressivement descendue. je n’ai pas très bien compris comment elle fragmente la roche sous elle, mais en tout cas elle fait également tomber le matériel dans le trou déjà existant, et les ouvriers travaillant sur la plate-forme peuvent bétonner les flancs du puits au cours de la descente. Et c’est là une autre de mes surprises : pas besoin de chemiser ces conduites d’acier, le béton suffit car la roche est très compacte, et une pression d’une quarantaine de bars n’est pas si énorme à l’intérieur d’une montagne.

2014-01-16_231548D’autres exploits techniques ont été réalisés dans ce chantier, comme la dépose des prises d’eau au fond du lac d’Emosson [4, 5]. Une autre est la surélévation du barrage du Vieux Emosson de 20m pour augmenter le volume du lac, qui correspond à de l’énergie stockée, de 11.2 millions de m³ à 24.6 millions de m³. Ce qui est étonnant, c’est qu’on transforme un barrage « poids-voûte » de 1955 en barrage « voûte » de 2014, nettement plus élevé , sans avoir besoin de renforcer la base, comme on le voit sur la figure ci-contre [6]

Chantier du Nouveau Vieux Emosson (Photo Goulu sur Flickr)

Cette partie du chantier était stoppée pour l’hiver mais néanmoins spectaculaire, avec ses énormes blocs de béton (non armé, le fer ne sert à rien dans un barrage) et la grue, capable de soulever 11 tonnes au bout de sa flèche de 80 m.

Une fois tout ceci terminé, Nant de Drance pourra absorber 900 MW de puissance produite au mauvais moment par des centaines d’éoliennes et la restituer quand vous en aurez besoin. Quand vous allumez la lumière, ayez une petite pensée pour ces centaines de mineurs et ouvriers qui travaillent dans l’ombre, les gaz et la poussière pour que clic! ça marche … Et si vous passez dans la région, venez admirer ces réalisations, la vue sur le Mont-Blanc et les traces de dinosaures. Un tel triopack, c’est rare !

Merci à Philippe, Jacky et Kari d’avoir rendu cette visite possible et mémorable.

Documents

  1. Brochure « Nant de Drance » (pdf)
  2. « Suisse - Nant-de-Drance, turbinage-pompage » sur hydrelect.info
  3. Swiss setting for shaft drilling prototype, Tunnel Talk, Herrenknecht News, Sept 2013
  4. Gérard Seingre, « Centrale de pompage-turbinage Nant de Drance : les défis d’un grand projet
    hydroélectrique dans les Alpes valaisannes« , Tunnels et Espace Souterrain - n°220 – Juillet/Août 2010 (avec chiffres du projet initial)
  5. Gérard Seingre, « Aménagement de pompage-turbinage, Projet Nant de Drance« , infra, 2011
  6. Olivier Vallotton « Surélévation du barrage de Vieux Emosson« , Wasser Energie Luft No 104/3, 2011
  7. « Travailler dans la roche en toute sécurité« , Brochure Implenia.
  • sebpourlespam

    Merci pour le reportage, c’est toujours fascinant de voir les tunneliers en action (même si pour le coup il ne s’agit peut être pas de tunneliers dans ce cas précis)

    C’est aussi une bonne nouvelle pour le stockage de l’énergie renouvelable. Je me suis souvent demandé pourquoi la technique du pompage turbinage n’était pas plus utilisée car les rendements sont très bons (de mémoire approchant les 90%)
    J’imagine qu’en France on a une trop forte production d’électricité excédentaire, que la densité énergétique est trop faible pour couvrir de larges demandes d’énergie soutenue et qu’il est préférable d’avoir des lieux de production/stockage à l’échelle d’une région (donc parfois inenvisageable si la région n’est pas vallonnée) et non d’un pays pour que le système soit économiquement viable.

    • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

      Effectivement, le recours aux énergies aléatoires pour remplacer l’énergie de ruban va nécessiter d’énormes systèmes de stockage, et le turbinage-pompage (STEP en France) est le système le plus adapté aujourd’hui ( voir http://www.drgoulu.com/2012/10/07/comment-stocker-lenergie/ ) . Ces systèmes sont cependant rares pour au moins deux raisons:

      D’abord, l’énergie stockée étant = m.g.h ou m est la masse d’eau et h la hauteur, on voit qu’il faut un grand réservoir en haut (et assez en bas pour le remplir par pompage), et une grande différence de hauteur, or les emplacements offrant les deux sont rares.

      Ensuite, la rentabilité n’est pas, ou plus garantie. Lorsque ces projets ont été lancés, les choses étaient simples : les centrales thermiques (nucléaire compris) produisaient un ruban excédentaire la nuit, donc les STEP pouvaient acheter chaque nuit de l’électricité bon marché et la vendre plus cher la journée suivante. Aujourd’hui, la production aléatoire des renouvelables fait que ce rythme n’est plus garanti, et les subventions au solaire+éolien (qui ne s’étendent pas aux systèmes de stockages indispensables…) ont abaissé le prix moyen de l’électricité

      Je n’avais pas fait le calcul, mais les 24 millions de m3 du lac supérieur débités à 300 m3/s correspondent à 22h x 900 MW soit presque 20 GWh d’énergie stockée. C’est beaucoup, et peu : ça ne produit l’équivalent que d’une seule centrale nucléaire pendant un seul jour si les éoliennes censées la remplacer ne tournent pas, soit grosso-modo l’équivalent de 2 millions d’Euros d’électricité à 100 Euros/MWh. Il faudra vider et remplir tout le lac près de 900 fois rien que pour amortir, sans intérêts ni prix d’achat de l’énergie de pompage ni frais de fonctionnement, le coût de la construction qui sera de l’ordre de 1.5 milliards d’Euros. Cet investissement est donc un pari risqué et à long terme.

      Pour info, EDF est un actionnaire important d’ALPIQ ( http://www.enerzine.com/7/6743+edf-detiendra-bientot-25-du-suisse-alpiq+.html ), lui même partenaire à environ 30% si je me souviens bien dans ce projet Nant de Drance.

      • sebpourlespam

        Bonjour,

        Je ne suis pas sûr que les emplacements soient si rares que ça en France, on a l’avantage d’avoir de nombreuses chaines montagneuses. Il est probable également que les raisons soient le manque d’audace politique et l’inutilité de cette solution étant donné que le solde d’électricité vendu par EDF est excédentaire. En France, on a encouragé et on encourage encore le chauffage électrique, ce qui est une aberration, donc le stockage électrique n’est pas vraiment le problème puisqu’on a trop d’électricité, c’est d’ailleurs pour ça qu’on a encouragé le TGV et la voiture électrique. On construit un EPR pour remplacer les centrales vieillissantes et servir de vitrine à Areva pas véritablement pour combler une manque énergétique. Ceci dit, il y a de mémoire environ 20% d’énergie provenant de l’hydraulique en France, c’est peut être suffisant pour assumer les variations journalières du réseau (même si la majorité doit être de l’hydrolien au fil de l’eau)

        A l’étranger, c’est une autre histoire… Espagne, Allemagne et Italie par exemple ont une volonté politique plus affirmée sur le renouvelable mais le pompage-turbinage n’est pas vraiment développé pour autant, est ce qu’acheter de l’électricité nucléaire à bas prix à la France ou du gaz/charbon est plus avantageux que le pompage-turbinage ou est-ce l’inertie du système qui n’a pas permis de démocratiser cette solution considérant que la prise de conscience environnementale et les possibilités offertes par les énergies renouvelables sont récentes? Sans doute un peu des deux…

        Les STEP étaient destinée à acheter la nuit une électricité moins chère mais pas nulle, la marge était donc faible. Dans le cas des énergies renouvelables, le gap est plus important, on stocke de l’énergie qui sinon serait perdue en pure perte (OK il faut relativiser car on doit bien acheter l’électricité pour pomper mais j’exagère à peine si on fait un bilan global macroéconomique)

        Vous évoquez 20GWH mais c’est 3 fois plus avec un dénivelé de 1000m plutôt que 300m, c’est près de 3 centrales en continue ou plutôt 6 si on considère que la « décharge »/turbinage n’est utile que la moitié de la journée… avec l’avantage de la réactivité et de la puissance instantanée. C’est ce qui manquait aux énergies renouvelables pour palier à intermittence de la production (journalière du moins)

        « Cet investissement est donc un pari risqué et à long terme. »
        Vraiment? 900Mw pour un coût de 1.5 Meuros, soit grosso modo 1.5 euro du watt installé. C’est équivalent grosso modo à l’éolien, 2 fois moins cher que les centrales nucléaires nouvelles générations, sans nécessité de matière première ni gestion des déchets avec un durée de vie donc des amortissements 2 à 3 fois supérieurs à une centrale nucléaire, 4 à 6 fois supérieurs à l’éolien. Bref, ça me parait une bonne affaire (relativisé toutefois pas l’achat de l’électricité nécessaire au pompage) d’autant que les frais de fonctionnement ne doivent pas être très élevés comparativement aux autres énergies.

        Je ne suis pas particulièrement favorable aux énergies renouvelables mais il faut reconnaître que le pompage/turbinage pourrait véritablement palier à leur principal inconvénient.

        • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

          Il me semblait bien que j’avais écrit un truc sur le potentiel hydroélectrique… C’est là : http://www.drgoulu.com/2008/09/06/potentiel-hydroelectrique/ et j’ai réparé un lien vers un document officiel français de 2006 : http://www.ladocumentationfrancaise.fr/var/storage/rapports-publics/064000471/0000.pdf si ça vous intéresse.

          Pour construire un barrage, il ne suffit hélas pas d’une vallée en altitude. Il faut certaines conditions géologiques pour que le lac soit étanche, notamment pour que l’eau sous pression ne percole pas dans les roches sur lesquelles le barrage s’appuie. Dans mon Valais Natal (la vallée entre le Glacier du Rhône et le Lac Léman), pratiquement toutes les vallées latérales de la rive gauche ( côté sud ) abritent un barrage alors qu’il n’y en a qu’un (grand) sur la rive droite, le http://fr.wikipedia.org/wiki/Barrage_de_Tseuzier qui a été endommagé suite à un sondage géologique…

          En plus pour le pompage il faut de l’eau en abondance en aval, donc un gros fleuve ou un lac. Voilà, yapluka trouver 2 lacs séparés de quelques kilomètres avec une différence de niveau de quelques centaines de mètres pour savoir où faire éventuellement une centrale, si la géologie s’y prête…

          Pour la rentabilité, le gros problème est l’incertitude sur l’évolution du marché à long terme, or une centrale de turbinage pompage est un investissement à long terme. On est actuellement dans une phase de transition vers quelque chose de moins prévisible que les anciens cycle quotidiens et saisonniers, et les investisseur n’aiment pas l’incertitude…
          Aujourd’hui si vous vouliez investir dans l’énergie, les gouvernements vous garantissent un rendement sur 20 ans si vous faites des moulins à vent, et rien du tout pour des moulins à eau. Que choisiriez-vous ?

          • sebpourlespam

            Merci pour le lien sur votre autre article. Je l’avais déjà lu et j’en profite pour vous remercier pour la qualité de vos articles. J’adore me balader sur votre site à la recherche de petites pépites qui mettent en perspective les choses.

            Dommage que la géologie ne se prête pas mieux au pompage/turbinage, malgré tout j’ai du mal à croire qu’il n’y ait pas quelques sites disponibles qui pourraient répondre aux conditions, éventuellement en « recyclant » un barrage traditionnel car il suffirait « presque seulement » d’un bassin de réception et de pompes pour adapter ce système. On n’envisageait peut être moins cette possibilité à l’époque où on n’avait pas véritablement besoin de stocker l’énergie mais puisqu’on tient à nous vendre du renouvelable (j’entends éolien et photovoltaïque), autant le faire intelligemment en palliant à l’intermittence de ces sources d’énergie.

            Et puis la percolation doit être moins problématique dans la vallée qu’en altitude.

            Quant à l’éolien, il est plus probable qu’EDF se lance dans ces chantiers pour se donner une image vertueuse à l’heure de l’ouverture à la concurrence, pas véritablement dans un but écologique ni mercantile (vu la faible part de l’éolien dans l’offre globale). EDF a toujours privilégié la centralisation de la production : centrale ou barrage. Et pas sûr que le rendement de l’éolien soit si avantageux que ça si on considère les frais élevés de construction, de fonctionnement et les oppositions de plus en plus fortes sans compter que la subvention des tarifs est sujette aux caprices du législateur.

  • Pierre

    grrr… Je pensais avoir posté un long commentaire hier soir, mais visiblement je suis pas allé au bout de la procédure d’inscription. Bref.

    J’y disais que ce type de projet de stockage d’électricité était la condition sine qua non au développement au délà de « l’épaisseur du trait » des ENR intermittentes, et que l’hydrau était la seule techno capable à la fois de forte puissances, de capacité pas trop ridicule, et d’un coup qui s’approche du rentable.
    Je crois qu’on est d’accord sur ces points…

    J’y faisais le calcul de capacité de cette installation, je tombais sur 20GW.h, ce qui me semblait assez peu, mais tu confirme.

    Les questions que je soulevais concernait le nombre de site en Europe apte à accueillir ce type de projet. En gros la majorité se situent dans les Alpes, déjà bien bétonnés pour la bonne cause par les Suisses commes les Français (j’imagine que les Italiens ne sont pas en reste), les Pyrénées dans une moindre mesure, et les montagnes Scandinaves, Norvège en tête.
    Mais tous ces sites suffiront ils à établir une capacité de stockage à même de répondre à l’intermittence de, disons, des ENR intermittentes représentant 50% de la production électrique européenne?

    Et comme je soupçonne que la réponse soit non, envisage on des station de pompage/turbinage :
    - en plaine en exploitant des cavités souterraines, naturelles, ou artificielles, type ancienne mine/carrière. Je n’ai aucune idée des ordres de grandeur concernant la profondeur, le volume, le nombre de site existant, le coup si on s’amuse à recreuser un gros trou de quelques dizaines de millions de m³ à quelque centaines de mètre de profondeur, et accessoirement (quoique) la viabilité d’un point de vue géologique, quel risque de provoquer des effondrement/affaissement de terrain, du au stress du vidage/remplissage quasiment quotidien?

    - en mer. J’ai vu il y a pas mal de temps un projet de ‘barrage’ en mer. En fait il s’agissait d’un cylindre de béton, qui allait du plancher océanique à la surface + qques mètres de marge. En bas on y plaçait lesnombre de turbines requises.
    Avantages : pas limité par le nombre de site, pas vraiment limité sinon par le génie civil par le volume, dénivelé potentiellement très conséquent, conséquences d’un accident de barrage plus limité qu’en montagne,, et pour finir, peu de NIMBY pouvant mettre des batons dans les roues d’un tel projet.

    Un projet de ce type est il sérieusement enviseagable?

    Un petit calcul d’ordre de grandeur pour se chauffer les méninges de bon matin.
    Prenons la France, 60GW de nucléaire (grosso modo), qu’on convertirait en 60GW moyen (et pas crête) d’éolien et PV (je suis en train d’écrire le seul scénario qui serait acceptable que devraient présenter les anti nucléaires, dont je ne suis pas vraiment), sur une semaine (c’est la durée calculée par l’américain qui a chiffrée le coût de la batterie au plomb pour les US) :
    60 * 24 * 7 ~= 10000GW.h
    Si je pars sur l’idée d’un dénivelé max de 1000m, je vais considérer un dénivelé moyen de 500m, comme tout est linéaire, que mon réservoir à la même surface sur tout sa hauteur, ca me parait une approximation/simplification acceptable.

    Quel volume doit faire mon cylindre, et par conséquent, quel diamètre?

    E = m.g.h
    10000*10^6 * 3,6*10^6 J/kWh = 3,6.10^16 J
    m = 3,6.10^16 / (9,81 * 500) = 7,3.10^12kg
    V = 7,3.10^9 m³
    S = V / h = 7,3.10^9 / 500 = 1,46.10^7 m²
    r = sqrt(1,46.10^7 / pi) = 2155m

    Quand même…
    Quelle épaisseur de béton? Combien de C0² et de pétrole brûlé pour faire le ciment? Quelle retour sur investissement énergétique?
    Très accessoirement quel coût?

    • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

      Aïe… je vérifie… non, rien dans les « pending » ni les « spam », effectivement il y a eu un problème chez vous … Pour vous remercier d’avoir retapé votre commentaire je vous offre un lien : https://chrome.google.com/webstore/detail/lazarus-form-recovery/loljledaigphbcpfhfmgopdkppkifgno ou un conseil gratuit : [Ctrl]-[A]+[Ctrl][C] sur un long commentaire avant de clicker …

      Toute personne capable de calculer voit qu’il y a un très gros problème avec la « transition énergétique » ( http://www.drgoulu.com/2009/11/08/copenhague-shut-up-and-calculate/ par exemple) Plusieurs erreurs sont systématiquement commises:

      1) Ne considérer que l’électricité. Remplacer le nucléaire est une chose, remplacer pétrole et charbon en est une autre, or les voitures électriques, les pompes à chaleur et les transports publics vont augmenter la consommation d’électricité. On aura besoin de solaire, d’éolien, et de nucléaire, à grande échelle.

      1) Mesurer l’énergie totale, produite annuellement plutôt que la puissance. Or on ne produit ni ne consomme de l’énergie (qui d’ailleurs est la chose la mieux conservée de l’Univers…) mais de la puissance.

      3) Négliger le transport et le stockage, compléments indispensables des sources décentralisées, intermittentes et subventionnées … Effectivement, les coûts et risques financiers et énergétiques du transport et stockage des énergies « renouvelables » n’est pas pris en compte.

      Il y a un excellent document de l’ifri qui traite de tout ceci : http://www.ifri.org/?page=detail-contribution&id=7098 . je pensais y consacrer un article un de ces jours ou une de ces nuits…

      • Pierre

        J’avais fait mon ctrlA+C, mais voyant mon message apparaitre après un F5, j’ai pensé qu’il était posté, en fait j’étais encore en édition en attente de validation… bref.

        On est globalement d’accord sur le fait que la question de la transition énergétique n’est rarement discuté dans l’ensemble de sa chaine.

        1/ Oui, j’ai parfois la naïveté de croire qu’en améliorant les rendements, et en restreignant les usages, on arrive à se passer des fossiles et faire avec les 60GW de nucléaire qu’il nous reste (je parle du cas franco-français), en y incluant de la cogénération nucléaire. Mais si on veut tout remplacer par des éoliennes, il un manque un petit facteur 3…

        2/ A mon avis il faut tout prendre en compte dans la réflexion. Les watts crêtes pour dimensionner le transport, la puissance moyenne (ou la production par unité de temps, ca revient au même) sur des périodes de temps correspondantes à la capacité de stockage afin de dimensionner et le stockage, et le nombre d’éoliennes/PV à installer, et enfin, oui la puissance pointe fournissable au réseau.
        L’avantage avec l’hydrau, c’est que j’ai l’impression que ce problème n’en est pas vraiment un. Tant qu’il y a de l’eau à faire couler, on rajoute des turbines, et en avant les GW.

        3/ Et ca doit au moins doubler le coût global des ENR, et ca n’est jamais discuté. De ce point de vue là, les pro-ENR sont au moins d’aussi mauvaise foi que beaucoup de pro-nucléaires.