Mortalité des poissons dans les dispositifs hydro-électriques (Radinger et al 2022)

Trois chercheurs viennent de publier un passage en revue de ce que l’on sait et ne sait pas sur la mortalité des poissons passant dans des dispositifs de production hydro-électrique : turbines, roues, vis d’Archimède. La bonne nouvelle est que cette mortalité (en moyenne autour de 22%) peut tendre vers zéro sur les meilleurs sites, ce qui indique les voies de progrès pour les décennies de transition à venir. Mais pas mal de données manquent encore pour analyser l’impact sur les populations de poissons, en particulier la proportion réelle de ces poissons qui s’aventurent dans les zones de turbinage plutôt que dévaler ailleurs. 

 

Johannes Radinger, Ruben van Treeck et Christian Wolter ont passé en revue les données disponibles sur la mortalité des poissons en turbine et autres dispositifs hydro-électriques. Leur ensemble de données contenait 1058 évaluations de la mortalité obtenues à partir de 249 expériences rapportées dans 91 études. Des évaluations de la mortalité ont été menées sur 122 sites dans 15 pays. Les types de turbines comprenaient des Kaplan (n = 119 expériences), Francis (n = 72), les turbines à très basse chute (VLH) (n = 15), les vis d'Archimède (n = 22), les roues hydrauliques (n = 11), les turbines cross-flow (n = 5) et quelques autres types de turbines (par exemple, turbine hydrostatique et turbine Pelton) (n = 5). Les données ont fourni 276 890 individus de 75 espèces dans 27 familles et 15 ordres.

Ce graphique montre les mortalités observées dans le passage de l’équipement hydro-électrique, selon la nature de celui-ci.

Extrait de Radinger et al 2022, art cit.

Légende : relations entre l'ordre taxonomique, l'échelle hydroélectrique, le type de turbine et la mortalité dans les évaluations de la mortalité des poissons dans les turbines hydroélectriques (Oth, autres ordres de poissons n = 11 906 ; VLH, turbine à très basse chute n = 14 598 ; vis, vis d'Archimède n = 18 427 ; Ww, roue hydraulique n = 5178 ; Cf, turbine tangentielle n = 5359 ; Ott, autre type de turbine n = 2862). La largeur des bandes est proportionnelle au nombre d'individus. L'échelle hydroélectrique fait référence à la capacité de production d'une centrale hydroélectrique (vSHP, très petite hydroélectricité de < 1 MW ; SHP, petite hydroélectricité de 1 < 10 MW ; et LHP, grande hydroélectricité de ≥ 10 MW). Le nombre de poissons n'est fourni que pour les groupes de plus de 20 000 individus. 

Parmi toutes les études, espèces et milieux, en moyenne 22,3 % (n = 61 797 individus) de tous les poissons passant par les turbines ont été tués ou ont subi des blessures graves, potentiellement mortelles. Les 77,7 % restants (n = 215 093 individus) ont été évalués comme indemnes ou sublétalement blessés.

Ce graphique montre les mortalités rapportées selon les poissons et les types de turbines étudiées (on remarque en mauve la fourchette importante d'incertitude à 95%):

Extrait de Radinger et al 2022, art cit.

Légende : relation entre la longueur du poisson et le taux de mortalité moyen pour les six principaux types de turbines (lignes, effets moyens prédits basés sur un modèle mixte linéaire généralisé avec un terme d'interaction du type de turbine × longueur du poisson ; ombrage, bandes de confiance à 95 % ; points, taux de mortalité spécifiques pour une longueur de poisson et un type de turbine donnés [parfois hors des bandes de confiance de la moyenne]).

La mortalité en turbine n’est pas la mortalité totale des poissons, puisque les poissons peuvent emprunter d’autres voies que le canal usinier et la chambre d’eau où se situe le dispositif hydro-électrique (toute l'eau de la rivière ne passe pas dans l'usine). Et ce dispositif est généralement protégé par des grilles visant à réduire le nombre de poisson y circulant. Les chercheurs observent :

« Les évaluations des impacts de l'hydroélectricité sur la mortalité des poissons dans les turbines ne doivent pas être considérées isolément. Il est également important de prendre en compte le risque d'entraînement des poissons, qui est la probabilité de passer devant les turbines par rapport à des voies alternatives, telles que des déversoirs ou des installations de dérivation ou de migration des poissons (Harrison et al., 2019 ; Schilt, 2007). (…) Il est essentiel de contextualiser le taux de mortalité à un taux réalisé par poisson ou par espèce pour tirer des conclusions plus larges au niveau de la population, en particulier pour les poissons non migrateurs qui n'ont pas nécessairement besoin de passer par les centrales hydro-électriques pour réaliser leurs cycles de vie. »

La conclusion donne le point de vue des chercheurs :

« Tous les avantages de l'hydroélectricité en tant qu'énergie propre et renouvelable doivent être débattus en rapport avec les blessures des poissons et les autres impacts qu'elle exerce. Nous soutenons que dans ces conflits d'intérêts, il est difficile de s'entendre sur des taux de mortalité tolérables et que les parties prenantes doivent tenir compte des aspects du bien-être animal, de l'écologie des populations et de la conservation de la biodiversité, mais aussi de l'économie de l'hydroélectricité, de la politique environnementale et de l'acceptation sociétale. Compte tenu de l'exhaustivité de notre ensemble de données et de nos analyses, qui tenaient également compte des incertitudes généralement négligées, nos résultats soutiennent un choix éclairé et un débat holistique sur la durabilité de l'hydroélectricité et l'importance d'élucider les coûts écologiques encourus sur les rivières. Pour les très petites et petites centrales hydroélectriques, la charge de justification est importante en raison d'un taux de mortalité global de 22,3 % et de leur grand nombre à l'échelle mondiale malgré leur part négligeable dans la production d'hydroélectricité renouvelable (ARCADIS & Ingenieur büro Floecksmühle, 2011 ; Schwarz, 2019).

La gamme de mortalités observées empiriquement a indiqué qu'il existait des centrales hydro-électriques avec des types communs de turbines, des configurations techniques et opérationnelles et des mesures de protection des poissons mises en œuvre qui ont réussi à réduire la mortalité, dans plusieurs cas même à 0. Ces centrales exemplaires ouvrent la voie à une hydroélectricité plus durable. En revanche, les configurations préjudiciables qui entraînent une mortalité élevée doivent être identifiées et fermées ou au moins substantiellement rénovées. Les turbines à rotation plus lente, telles que les vis d'Archimède, les turbines VLH et les roues hydrauliques, sont moins nocives pour les poissons que la plupart des types de turbines conventionnelles (Bracken et Lucas, 2013). Néanmoins, nous soulignons l'importance de poursuivre les recherches sur le développement de turbines généralement plus protectrices pour les poissons et les ajustements des turbines courantes (Čada, 2001 ; Hogan et al., 2014). Le fonctionnement et les effets protecteurs de ces turbines sur les poissons doivent être évalués avec des méthodes normalisées et contrôlées dans des conditions de terrain réalistes. Les turbines protectrices des poissons accompagnées d'installations fonctionnelles de migration des poissons vers l’amont et l’aval doivent devenir l'étalon-or. Compte tenu de l'essor actuel de l'hydroélectricité dans les grands systèmes fluviaux mégadivers (Anderson et al., 2018 ; Winemiller et al., 2016), l'adoption d'une telle norme à l'échelle mondiale est encore plus importante pour équilibrer les besoins en énergie renouvelable avec ceux de la protection de la biodiversité et et de l’amélioration envronnemental des écosystèmes fluviaux. »

Discussion

Ces données montrent que la mortalité des poissons en turbines, vis ou roues est un sujet réel, qui doit inspirer un souhait de généralisation progressive des bonnes pratiques. Cela concerne surtout les poissons de grande taille qui ont des migrations ou des mobilités importantes dans leur cycle de vie. Il convient de rechercher les meilleures options pour continuer à réduire cette mortalité, la bonne nouvelle étant qu’elle peut être quasi nulle dans les configurations les plus favorables. Au lieu de perdre de l’argent public à détruire des ouvrages utiles et appréciés en rivières, les gestionnaires publics eau et biodiversité seraient avisés de travailler davantage dans cette direction avec les exploitants.

Ce qui manque le plus à notre connaissance, ce sont des études assez massives et concluantes sur la proportion des poissons qui passent vers la turbine (ou vis, ou roue) par rapport à ceux qui prennent une autre voie de dévalaison (déversoir dans la zone de débit réservé, goulotte de dévalaison avant les grilles, etc.). En effet, l’impact réel sur les poissons au plan écologique (populationnel) tient à cette proportion des individus qui passent dans la turbine par rapport à celle qui dévalent autrement. Il existe quelques suivis radiotélémétriques (taggage de poisson pour analyser leur comportement de l’amont vers l’aval), mais ils sont sur de faibles populations. Et l’analyse de la configuration hydraulique des sites n’est pas standardisée (un seuil de moulin de 1 ,5 m déversé en permanence sur toute sa largeur n'est pas un barrage de 15 m avec un seul exutoire dévalant).

Il faut aussi signaler que dans le bilan global et holistique de l'hydro-électricité, on doit inclure les dimensions positives des retenues et canaux : ces milieux d'origine artificielle servent aussi de refuges et de zones de croissance à certains espèces. Et dans un contexte de réchauffement climatique, ils sont parfois les options de dernier ressort face aux mortalités massives impliquées par les assecs (voir par exemple la revue de Beatty et al 2017).

Aucun scénario de sortie du carbone ne prévoit la possibilité de se passer de l’hydro-électricité, la tendance étant d'augmenter sa part dans le mix énergétique, en particulier pour compenser les pertes pouvant être liées à de moindres débits en suite au réchauffement climatique et à de meilleurs aménagements écologiques au droit des ouvrages. Le GIEC intègre cette source d'énergie dans les options de prévention d'un réchauffement dangereux dans son dernier rapport. Il convient donc d’aborder ce sujet avec un esprit constructif où l’on cherche les meilleurs compromis entre la protection des poissons d’une part, la décarbonation et relocalisation de l’énergie d'autre part.  

Référence : Radinger J et al (2022), Evident but context-dependent mortality of fish passing hydroelectric turbines, Conservation Biology, 36, 3, e13870

Améliorer la performance des roues de dessus des moulins à eau (Quaranta et Revelli 2020)

Deux ingénieurs italiens se penchent sur une manière d'optimiser le rendement des roues de dessus, en ajoutant une paroi sur la zone de descente des augets chargés en eau. Les tests sur modèle de laboratoire montrent un gain de rendement de 1,2 à 1,5 dans les plages de rotation plus rapide de la roue. Voilà de quoi donner des idées et tester des améliorations pour des milliers de sites équipables ou équipés en France. L'énergie hydraulique, par son bon rendement de conversion de l'énergie de l'eau, a un excellent bilan carbone, matière première et cycle de vie. En particulier quand on utilise le génie civil en place (moulins, étangs, canaux) sans créer de nouvelles infrastructures. En ces temps où l'on valorise le local et la sobriété, il conviendrait d'encourager ces équipements.

Exemple de roue de dessus, extrait de Quaranta et Revelli 2020, art cit

Les moulins, les étangs, les petits barrages, les canaux d'irrigation ou de régulation proposent un grand potentiel cumulé d'hydroélectricité, mais à faible puissance unitaire, avec des hauteurs maximales de quelques mètres et des débits de quelques mètres cubes par seconde (voir Punys et al 2019). Comme l'observent Emanuele Quaranta et Roberto Revelli, ingénieurs experts des dispositifs de petite hydro-électricité, "l'installation d'hydroturbines à faible chute pourrait être une option viable pour générer une énergie renouvelable propre en dessous de 100 kW (microhydroélectricité) sur ces sites, avec des effets bénéfiques sur l'économie locale et sur l'électrification des zones reculées. Dans les zones rurales et décentrées, l'installation de micro-centrales hydroélectriques est considérée comme l'une des options les plus économiques pour l'électrification rurale, en particulier lorsque les structures hydrauliques existantes sont utilisées pour réduire les coûts d'infrastructure".

Dans ce contexte, les roues hydrauliques sont considérées comme très respectueuses de l'environnement, en raison de leurs faibles vitesses de rotation et de leur travail en surface libre. Les roues de dessous, dites roues cinétiques, utilisent uniquement la vitesse de l'eau pour tourner par pression sur leurs pales ou aubes situées en bas de la roue. Les roues de poitrine et les roues de dessus, dites roues gravitaires, utilisent aussi la gravité par remplissage d'augets qui, une fois chargés, entraînent la roue. Les roues de dessus sont généralement utilisées pour une hauteur de 2,5 à 6 m et des débits inférieurs à 0,2 m3/s par mètre de largeur, avec des rendements maximaux observés en conditions de laboratoire à 85%. L'un des intérêts de l'énergie hydro-électrique est que, contrairement à la plupart des autres, elle peut atteindre ces très bons rendements de conversion de la source naturelle d'énergie, ce qui signifie qu'elle a une moindre empreinte matières premières par unité d'énergie produite et un meilleur taux de rendement énergétique en cycle de vie complet. 

Emanuele Quaranta et Roberto Revelli, dont la laboratoire dispose d'une roue expérimentale, ont voulu savoir s'il était possible d'améliorer le rendement des roues de dessus quand celles-ci ont une rotation plus rapide. Pour cela, ils ont créé une paroi sur le demi-cercle de roue qui correspond à la phase descendante de la roue, quand celle-ci vient de charger l'auget du sommet en eau (cf ci-dessous). Le but est d'éviter des pertes dans la rotation et de renforcer la puissance par gain de pression hydrostatique des augets.

La paroi semi-circulaire (à droite) évite notamment des pertes turbulentes, extrait de Quaranta et Revelli 2020, art cit

L'analyse des résultats confirme que la roue expérimentale avec paroi montre des gains de 1,1 à 1,5 de rendement, et que ce gain est plus marqué en vitesse rapide (entre 3 et 4 rad/s). Le rendement maximal des roues de dessus reste néanmoins meilleur dans les plages à vitesses plus lentes (entre 0,5 et 3 rad/s).

Les auteurs notent que l'ajout de cette paroi crée une contrainte en situation réelle : éviter que des flottants ne se coincent entre la roue et la paroi. Il faut donc prévoir une grille plus sélective à l'entrée de la goulotte d'amenée de l'eau entre le bief et la roue. 

Voilà une recherche qui donnera éventuellement des idées au nombreux propriétaires souhaitant relancer ou ayant relancé des roues afin de produire une énergie locale, propre et zéro-carbone.

Référence : Quaranta E,  R. Revelli (2020), Performance optimization of overshot water wheels at high rotational speeds for hydropower applications, J. Hydraul. Eng., 146, 9, 06020011

Barbegal, première grande usine hydraulique de l'histoire et fabrique de biscuits (Sürmelihindi et al 2018)

L'aqueduc et les moulins de Barbegal constituent un complexe romain de meunerie hydraulique situé à Fontvieille, à proximité (7 km) de la ville d'Arles, non loin du moulin d'Alphonse Daudet. Cet ensemble a été construit au début du IIe siècle siècle de notre ère et forme la première grande usine hydraulique connue de l'histoire, avec 16 roues de moulins. Une équipe de chercheurs vient de suggérer que la production de cette usine à eau était probablement destinée à l'exportation de biscuits de mer (Panus nauticus) pour les marins, et non à la consommation locale. 

Le vallon des Arcs en amont du complexe de Barbegal est franchi par deux ponts aqueducs parallèles sur arches. Ce dispositif résulte de modifications sur l'aqueduc d'Arles, dont la branche orientale fut détournée pour alimenter la meunerie de Barbegal. L'eau conduite dans l'aqueduc actionnait deux séries de huit roues verticales à augets, disposées de part et d'autre d'une allée centrale. Il s'agissait de roue de dessus, fonctionnement par remplissage d'augets et utilisation de l'énergie gravitaire.

Les roues de Barbegal fournissaient l'énergie à des moulins à farine. L'usage cette mouture reste débattu (alimentation de la ville d'Arles, exportation pour des garnisons...).

Dans un travail venant de paraître, cinq chercheurs (Gül Sürmelihindi, Philippe Leveau, Christoph Spötl, Vincent Bernard et Cees W. Passchier) suggèrent une production de biscuits :

"Les dépôts de carbonate précipités à partir de l’eau pendant le fonctionnement des moulins, formant des moulages sur le bois. Ces moulages sont préservés et fournissent des informations uniques sur la fréquence d'utilisation et de maintenance des moulins, et même sur la structure des chambres de la roue hydraulique. Les séries chronologiques d'isotopes stables des gisements de carbonate révèlent que l'activité de l'usine était régulièrement interrompue pendant plusieurs mois. Cela suggère fortement que le complexe de la minoterie n'était pas utilisé pour fournir régulièrement de la farine à un grand centre de population, comme on le pensait auparavant, mais servait probablement à produire du biscuit de mer non périssable pour les ports à proximité."

Reconstitution du complexe de Barbegal, illustration in Sürmelihindi G et al (2018), art cit.

Barbegal a été désigné comme "la plus grande concentration connue de puissance mécanique du monde antique" (Greene 2000)

Et pourtant, selon nos critères modernes, cette usine antique avait une puissance très modeste.

Le débit de l'aqueduc a été estimé entre 240 et 1000 litres par seconde. Le dénivelé exploité par les moulins est de 18 mètres. La puissance maximale brute de l'aménagement devait être de l'ordre de 50 kW, la puissance nette encore moindre en raison de pertes de charge dans les goulottes d'amenée et les roues. Il a été proposé une puissance efficace de l'ordre de 32 kW et une capacité quotidienne de production de 4,5 tonnes de mouture (Sellin 1983).

A titre de comparaison, le barrage le plus puissant de France (Grand-Maison en Isère)  aune puissance de 1 800 000 kW, soit 30 000 fois supérieure. On voit combien nos économies modernes dépendent d'un usage intensif de l'énergie par rapport au monde antique, ou féodal (voir le remarquable essai de Smil 2017).

Références : 
Sürmelihindi G et al (2018),  The second century CE Roman watermills of Barbegal: Unraveling the enigma of one of the oldest industrial complexes, Science Advances,  DOI: 10.1126/sciadv.aar3620
Greene K (2000), Technological Innovation and Economic Progress in the Ancient World: M.I. Finley Re-Considered, The Economic History Review, New Series, 53, 1, 29-59.
Sellin RHJ (1983), The large Roman water mill at Barbegal (France), History of Technology, 8, 91-109
Smil V (2017), Energy and civilization. A history, MIT Press, 552 p.

Renaissance du moulin de Penthièvre sur la Bresle

Les amis du moulin de Penthièvre nous font parvenir une information sur la très belle relance d'un ouvrage hydraulique sur la Bresle - un survivant au milieu des ruines de la destruction du patrimoine et du paysage par une vision dogmatique de la continuité écologique. Mais de plus en plus de propriétaires et riverains s'engagent aujourd'hui dans une voie positive, bien loin de cet intégrisme de la division et du conflit. Un très bel exemple à suivre partout: gérez vos moulins, restaurez-le, équipez-les!

C'est à une véritable renaissance à laquelle les habitants de Blangy-sur-Bresle et de Monchaux-Soreng assistent depuis quelques semaines. Après deux années d’études et d'immenses difficultés administratives, le Moulin de Penthièvre, témoin du passé meunier et industriel de la Vallée de la Bresle, tourne à nouveau !

Doté d'une magnifique roue à aubes en bois de plus de 3 mètres de diamètre (dont il aura fallu près d'une tonne et demie de chêne brut non traité pour remplacer les pales), ce sublime moulin, "au fil de l'eau", est un des très rares survivants de la campagne de destruction massive à laquelle se livrent la DDTM et l'EPTB de la Bresle au nom d'un abscons et dévoyé concept de "continuité écologique".

"E pur si muove !" : Et pourtant elle tourne ! comme avait dit en 1633 le physicien et astronome italien Galilée, véritable symbolede la victoire de la science sur l'obscurantisme administratif de l'époque.

La restauration du Moulin de Penthièvre, de sa roue, de ses vannages et de son mécanisme s'inscrivent à la fois dans un réel projet écologique, basé sur une énergie renouvelable, et dans le développement touristique du Domaine. Dans ce but, la prochaine étape sera la mise en route d'une centrale hydroélectrique qui servira à alimenter en électricité l'intégralité du Domaine de Penthièvre. Ce programme de réhabilitation s'est bien sûr effectué dans le plus total respect de l'eau et des bâtiments. Le Moulin, à l'instar du Château, est inscrit à l'Inventaire Supplémentaire des Monuments Historiques.

Afin d'offrir à tous les amoureux des moulins, de l’histoire, de l’architecture et/ou de la nature l'occasion de s'impliquer dans ce magnifique projet, aux indéniables retombées touristiques et économiques pour les communes de Blangy-sur-Bresle et celles environnantes, voire pour la vallée de la Bresle tout entière, une Association des Amis du Domaine de Penthièvre sera créée prochainement. Les personnes intéressées sont, dès à présent, invitées à s'inscrire sur le site www.domainedepenthievre.fr.