Je continue avec l’idée que j’avais baptisée « Projet Aqueduc ». Je suis en train de préparer un article sur ce sujet, du type « démonstration de faisabilité ». Je le prépare en anglais et je me suis dit que c’est une bonne idée de reformuler en français ce que j’ai écrit jusqu’à maintenant, l’histoire de changer l’angle intellectuel, me dégourdir un peu et prendre de la distance.

Une démonstration de faisabilité suit une logique similaire à tout autre article scientifique, sauf qu’au lieu d’explorer et vérifier une hypothèse théorique du type « les choses marchent de façon ABCD, sous conditions RTYU », j’explore et vérifie l’hypothèse qu’un concept pratique, comme celui du « Projet Aqueduc », a des fondements scientifiques suffisamment solides pour que ça vaille la peine de travailler dessus et de le tester en vie réelle. Les fondements scientifiques viennent en deux couches, en quelque sorte. La couche de base consiste à passer en revue la littérature du sujet pour voir si quelqu’un a déjà décrit des solutions similaires et là, le truc c’est explorer des différentes perspectives de similarité. Similaire ne veut pas dire identique, n’est-ce pas ? Cette revue de littérature doit apporter une structure logique – un modèle – applicable à la recherche empirique, avec des variables et des paramètres constants. C’est alors que vient la couche supérieure de démonstration de faisabilité, qui consiste à conduire de la recherche empirique proprement dite avec ce modèle.    

Moi, pour le moment, j’en suis à la couche de base. Je passe donc en revue la littérature pertinente aux solutions hydrologiques et hydroélectriques, tout en formant, progressivement, un modèle numérique du « Projet Aqueduc ». Dans cette mise à jour, je commence par une brève récapitulation du concept et j’enchaîne avec ce que j’ai réussi à trouver dans la littérature. Le concept de base du « Projet Aqueduc » consiste donc à placer dans le cours d’une rivière des pompes qui travaillent selon le principe du bélier hydraulique et qui donc utilisent l’énergie cinétique de l’eau pour pomper une partie de cette eau en dehors du lit de la rivière, vers des structures marécageuses qui ont pour fonction de retenir l’eau dans l’écosystème local. Le bélier hydraulique à la capacité de pomper à la verticale aussi bien qu’à l’horizontale et donc avant d’être retenue dans les marécages, l’eau passe par une structure similaire à un aqueduc élevé (d’où le nom du concept en français), avec des réservoirs d’égalisation de flux, et ensuite elle descend vers les marécages à travers des turbines hydroélectriques. Ces dernières produisent de l’énergie qui est ensuite emmagasinée dans une installation de stockage et de là, elle est vendue pour assurer la survie financière à la structure entière. On peut ajouter des installations éoliennes et/ou photovoltaïques pour optimiser la production de l’énergie sur le terrain occupé par la structure entière.  Vous pouvez trouver une description plus élaborée du concept dans ma mise à jour intitulée « Le Catch 22 dans ce jardin d’Eden ». La faisabilité dont je veux faire une démonstration c’est la capacité de cette structure à se financer entièrement sur la base des ventes d’électricité, comme un business régulier, donc de se développer et durer sans subventions publiques. La solution pratique que je prends en compte très sérieusement en termes de créneau de vente d’électricité est une station de chargement des véhicules électriques.   

L’approche de base que j’utilise dans la démonstration de faisabilité – donc mon modèle de base – consiste à représenter le concept en question comme une chaîne des technologies :

>> TC_ES – stockage d’énergie

>> TC_CS – station de chargement des véhicules électriques

>> TC_RP – pompage en bélier hydraulique

>> TC_EW – réservoirs élevés d’égalisation

>> TC_CW – acheminement et siphonage d’eau

>> TC_WS – l’équipement artificiel des structures marécageuses

>> TC_HE – les turbines hydroélectriques

>> TC_SW – installations éoliennes et photovoltaïques     

Mon intuition de départ, que j’ai l’intention de vérifier dans ma recherche à travers la littérature, est que certaines de ces technologies sont plutôt prévisibles et bien calibrées, pendant qu’il y en a d’autres qui sont plus floues et sujettes au changement, donc moins prévisibles. Les technologies prévisibles sont une sorte d’ancrage pour the concept entier et celles plus floues sont l’objet d’expérimentation.

Je commence la revue de littérature par le contexte environnemental, donc avec l’hydrologie. Les variations au niveau de la nappe phréatiques, qui est un terme scientifique pour les eaux souterraines, semblent être le facteur numéro 1 des anomalies au niveau de rétention d’eau dans les réservoirs artificiels (Neves, Nunes, & Monteiro 2020[1]). D’autre part, même sans modélisation hydrologique détaillée, il y a des preuves empiriques substantielles que la taille des réservoirs naturels et artificiels dans les plaines fluviales, ainsi que la densité de placement de ces réservoirs et ma manière de les exploiter ont une influence majeure sur l’accès pratique à l’eau dans les écosystèmes locaux. Il semble que la taille et la densité des espaces boisés intervient comme un facteur d’égalisation dans l’influence environnementale des réservoirs (Chisola, Van der Laan, & Bristow 2020[2]). Par comparaison aux autres types de technologie, l’hydrologie semble être un peu en arrière en termes de rythme d’innovation et il semble aussi que des méthodes de gestion d’innovation appliquées ailleurs avec succès peuvent marcher pour l’hydrologie, par exemple des réseaux d’innovation ou des incubateurs des technologies (Wehn & Montalvo 2018[3]; Mvulirwenande & Wehn 2020[4]). L’hydrologie rurale et agriculturale semble être plus innovatrice que l’hydrologie urbaine, par ailleurs (Wong, Rogers & Brown 2020[5]).

Ce que je trouve assez surprenant est le manque apparent de consensus scientifique à propos de la quantité d’eau dont les sociétés humaines ont besoin. Toute évaluation à ce sujet commence avec « beaucoup et certainement trop » et à partir de là, le beaucoup et le trop deviennent plutôt flous. J’ai trouvé un seul calcul, pour le moment, chez Hogeboom (2020[6]), qui maintient que la personne moyenne dans les pays développés consomme 3800 litres d’eau par jour au total, mais c’est une estimation très holistique qui inclue la consommation indirecte à travers les biens et les services ainsi que le transport. Ce qui est consommé directement via le robinet et la chasse d’eau dans les toilettes, ça reste un mystère pour la science, apparemment, à moins que la science ne considère ce sujet comment trop terre-à-terre pour s’en occuper sérieusement.     

Il y a un créneau de recherche intéressant, que certains de ses représentants appellent « la socio-hydrologie », qui étudie les comportements collectifs vis-à-vis de l’eau et des systèmes hydrologiques et qui est basée sur l’observation empirique que lesdits comportements collectifs s’adaptent, d’une façon profonde et pernicieuse à la fois, aux conditions hydrologiques que la société en question vit avec (Kumar et al. 2020[7]). Il semble que nous nous adaptons collectivement à la consommation accrue de l’eau par une productivité croissante dans l’exploitation de nos ressources hydrologiques et le revenu moyen par tête d’habitant semble être positivement corrélé avec cette productivité (Bagstad et al. 2020[8]). Il paraît donc que l’accumulation et superposition de nombreuses technologies, caractéristique aux pays développés, contribue à utiliser l’eau de façon de plus en plus productive. Dans ce contexte, il y a une recherche intéressante conduite par Mohamed et al. (2020[9]) qui avance la thèse qu’un environnement aride est non seulement un état hydrologique mais aussi une façon de gérer les ressources hydrologiques, sur ma base des données qui sont toujours incomplètes par rapport à une situation qui change rapidement.

Il y a une question qui vient plus ou moins naturellement : dans la foulée de l’adaptation socio-hydrologique quelqu’un a-t-il présenté un concept similaire à ce que moi je présente comme « Projet Aqueduc » ? Eh bien, je n’ai rien trouvé d’identique, néanmoins il y a des idées intéressement proches. Dans l’hydrologie descriptive il y a ce concept de pseudo-réservoir, qui veut dire une structure comme les marécages ou des nappes phréatiques peu profondes qui ne retiennent pas l’eau de façons statique, comme un lac artificiel, mais qui ralentissent la circulation de l’eau dans le bassin fluvial d’une rivière suffisamment pour modifier les conditions hydrologiques dans l’écosystème (Harvey et al. 2009[10]; Phiri et al. 2021[11]). D’autre part, il y a une équipe des chercheurs australiens qui ont inventé une structure qu’ils appellent par l’acronyme STORES et dont le nom complet est « short-term off-river energy storage » (Lu et al. 2021[12]; Stocks et al. 2021[13]). STORES est une structure semi-artificielle d’accumulation par pompage, où on bâtit un réservoir artificiel au sommet d’un monticule naturel placé à une certaine distance de la rivière la plus proche et ce réservoir reçoit l’eau pompée artificiellement de la rivière. Ces chercheurs australiens avancent et donnent des preuves scientifiques pour appuyer la thèse qu’avec un peu d’astuce on peut faire fonctionner ce réservoir naturel en boucle fermée avec la rivière qui l’alimente et donc de créer un système de rétention d’eau. STORES semble être relativement le plus près de mon concept de « Projet Aqueduc » et ce qui est épatant est que moi, j’avais inventé mon idée pour l’environnement des plaines alluviales de l’Europe tandis que STORES avait été mis au point pour l’environnement aride et quasi-désertique d’Australie. Enfin, il y a l’idée des soi-disant « jardins de pluie » qui sont une technologie de rétention d’eau de pluie dans l’environnement urbain, dans des structures horticulturales, souvent placées sur les toits d’immeubles (Bortolini & Zanin 2019[14], par exemple).

Je peux conclure provisoirement que tout ce qui touche à l’hydrologie strictement dite dans le cadre du « Projet Aqueduc » est sujet aux changements plutôt imprévisible. Ce que j’ai pu déduire de la littérature ressemble à un potage bouillant sous couvercle. Il y a du potentiel pour changement technologique, il y a de la pression environnementale et sociale, mais il n’y pas encore de mécanismes institutionnels récurrents pour connecter l’un à l’autre. Les technologies TC_EW (réservoirs élevés d’égalisation), TC_CW (acheminement et siphonage d’eau), et TC_WS (l’équipement artificiel des structures marécageuses) démontrant donc un avenir flou, je passe à la technologie TC_RP de pompage en bélier hydraulique. J’ai trouvé deux articles chinois, qui se suivent chronologiquement et qui semblent par ailleurs avoir été écrits par la même équipe de chercheurs : Guo et al. (2018[15]), and Li et al. (2021[16]). Ils montrent la technologie du bélier hydraulique sous un angle intéressant. D’une part, les Chinois semblent avoir donné du vrai élan à l’innovation dans ce domaine spécifique, tout au moins beaucoup plus d’élan que j’ai pu observer en Europe. D’autre part, les estimations de la hauteur effective à laquelle l’eau peut être pompée avec les béliers hydrauliques dernier cri sont respectivement de 50 mètres dans l’article de 2018 et 30 mètres dans celui de 2021. Vu que les deux articles semblent être le fruit du même projet, il y a eu comme une fascination suivie par une correction vers le bas. Quoi qu’il en soit, même l’estimation plus conservative de 30 mètres c’est nettement mieux que les 20 mètres que j’assumais jusqu’à maintenant.

Cette élévation relative possible à atteindre avec la technologie du bélier hydraulique est importante pour la technologie suivante de ma chaîne, donc celle des petites turbines hydroélectriques, la TC_HE. L’élévation relative de l’eau et le flux par seconde sont les deux paramètres clés qui déterminent la puissance électrique produite (Cai, Ye & Gholinia 2020[17]) et il se trouve que dans le « Projet Aqueduc », avec l’élévation et le flux largement contrôlés à travers la technologie du bélier hydraulique, les turbines deviennent un peu moins dépendantes sur les conditions naturelles.

J’ai trouvé une revue merveilleusement encyclopédique des paramètres pertinents aux petites turbines hydroélectriques chez Hatata, El-Saadawi, & Saad (2019[18]). La puissance électrique se calcule donc comme : Puissance = densité de l’eau (1000 kg/m3) * constante d’accélération gravitationnelle (9,8 m/s2) * élévation nette (mètres) * Q (flux par seconde m3/s).

L’investissement initial en de telles installations se calcule par unité de puissance, donc sur la base de 1 kilowatt et se divise en 6 catégories : la construction de la prise d’eau, la centrale électrique strictement dite, les turbines, le générateur, l’équipement auxiliaire, le transformateur et enfin le poste extérieur. Je me dis par ailleurs que – vu la structure du « Projet Aqueduc » – l’investissement en la construction de prise d’eau est en quelque sorte équivalent au système des béliers hydrauliques et réservoirs élevés. En tout cas :

>> la construction de la prise d’eau, par 1 kW de puissance  ($) 186,216 * Puissance^-0,2368 * Élévation ^-0,597

>> la centrale électrique strictement dite, par 1 kW de puissance  ($) 1389,16 * Puissance^-0,2351 * Élévation^-0,0585

>> les turbines, par 1 kW de puissance  ($)

@ la turbine Kaplan: 39398 * Puissance^-0,58338 * Élévation^-0,113901

@ la turbine Frances: 30462 * Puissance^-0,560135 * Élévation^-0,127243

@ la turbine à impulsions radiales: 10486,65 * Puissance^-0,3644725 * Élévation^-0,281735

@ la turbine Pelton: 2 * la turbine à impulsions radiales

>> le générateur, par 1 kW de puissance  ($) 1179,86 * Puissance^-0,1855 * Élévation^-0,2083

>> l’équipement auxiliaire, par 1 kW de puissance  ($) 612,87 * Puissance^-0,1892 * Élévation^-0,2118

>> le transformateur et le poste extérieur, par 1 kW de puissance 

($) 281 * Puissance_–^0,1803 * Élévation^-0,2075

Une fois la puissance électrique calculée avec le paramètre d’élévation relative assurée par les béliers hydrauliques, je peux calculer l’investissement initial en hydro-génération comme la somme des positions mentionnées ci-dessus. Hatata, El-Saadawi, & Saad (2019 op. cit.) recommandent aussi de multiplier une telle somme par le facteur de 1,13 (c’est donc un facteur du type « on ne sait jamais ») et d’assumer que les frais courants d’exploitation annuelle vont se situer entre 1% et 6% de l’investissement initial.

Syahputra & Soesanti (2021[19]) étudient le cas de la rivière Progo, dotée d’un flux tout à fait modeste de 6,696 mètres cubes par seconde et située dans Kulon Progo Regency (une region spéciale au sein de Yogyakarta, Indonesia). Le système des petites turbines hydroélectriques y fournit l’électricité aux 962 ménages locaux, et crée un surplus de 4 263 951 kWh par an d’énergie à revendre aux consommateurs externes. Dans un autre article, Sterl et al. (2020[20]) étudient le cas de Suriname et avancent une thèse intéressante, notamment que le développement d’installations basées sur les énergies renouvelables crée un phénomène d’appétit d’énergie qui croît à mesure de manger et qu’un tel développement en une source d’énergie – le vent, par exemple – stimule l’investissement en installations basées sur d’autres sources, donc l’hydraulique et le photovoltaïque.  

Ces études relativement récentes corroborent celles d’il y a quelques années, comme celle de Vilanova & Balestieri (2014[21]) ou bien celle de Vieira et al. (2015[22]), avec une conclusion générale que les petites turbines hydroélectriques ont atteint un degré de sophistication technologique suffisante pour dégager une quantité d’énergie économiquement profitable. Par ailleurs, il semble qu’il y a beaucoup à gagner dans ce domaine à travers l’optimisation de la distribution de puissance entre les turbines différentes. De retour aux publications les plus récentes, j’ai trouvé des études de faisabilité tout à fait robustes pour les petites turbines hydroélectriques, qui indiquent que – pourvu qu’on soit prêt à accepter un retour d’environ 10 à 11 ans sur l’investissement initial – le petit hydro peut être exploité profitablement même avec une élévation relative en dessous de 20 mètres (Arthur et al. 2020[23] ; Ali et al. 2021[24]).

C’est ainsi que j’arrive donc à la portion finale dans la chaîne technologique du « Projet Aqueduc », donc au stockage d’énergie (TC_ES) ainsi que TC_CS ou la station de chargement des véhicules électriques. La puissance à installer dans une station de chargement semble se situer entre 700 et 1000 kilowatts (Zhang et al. 2018[25]; McKinsey 2018[26]). En dessous de 700 kilowatt la station peut devenir si difficile à accéder pour le consommateur moyen, due aux files d’attente, qu’elle peut perdre la confiance des clients locaux. En revanche, tout ce qui va au-dessus de 1000 kilowatts est vraiment utile seulement aux heures de pointe dans des environnements urbains denses. Il y a des études de concept pour les stations de chargement où l’unité de stockage d’énergie est alimentée à partir des sources renouvelables (Al Wahedi & Bicer 2020[27]). Zhang et al. (2019[28]) présentent un concept d’entreprise tout fait pour une station de chargement située dans le milieu urbain. Apparemment, le seuil de profitabilité se situe aux environs de 5 100 000 kilowatt heures vendues par an.  

En termes de technologie de stockage strictement dite, les batteries Li-ion semblent être la solution de base pour maintenant, quoi qu’une combinaison avec les piles à combustible ou bien avec l’hydrogène semble prometteuse (Al Wahedi & Bicer 2020 op. cit. ; Sharma, Panvar & Tripati 2020[29]). En général, pour le moment, les batteries Li-Ion montrent le rythme d’innovation relativement le plus soutenu (Tomaszewska et al. 2019[30] ; de Simone & Piegari 2019[31]; Koohi-Fayegh & Rosen 2020[32]). Un article récent par Elmeligy et al. (2021[33]) présente un concept intéressant d’unité mobile de stockage qui pourrait se déplacer entre plusieurs stations de chargement. Quant à l’investissement initial requis pour une station de chargement, ça semble expérimenter toujours mais la marge de manœuvre se rétrécit pour tomber quelque part entre $600 ÷ $800 par 1 kW de puissance (Cole & Frazier 2019[34]; Cole, Frazier, Augustine 2021[35]).

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[2] Chisola, M. N., Van der Laan, M., & Bristow, K. L. (2020). A landscape hydrology approach to inform sustainable water resource management under a changing environment. A case study for the Kaleya River Catchment, Zambia. Journal of Hydrology: Regional Studies, 32, 100762. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2020.100762

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[4] Mvulirwenande, S., & Wehn, U. (2020). Fostering water innovation in Africa through virtual incubation: Insights from the Dutch VIA Water programme. Environmental Science & Policy, 114, 119-127. https://doi.org/10.1016/j.envsci.2020.07.025

[5] Wong, T. H., Rogers, B. C., & Brown, R. R. (2020). Transforming cities through water-sensitive principles and practices. One Earth, 3(4), 436-447. https://doi.org/10.1016/j.oneear.2020.09.012

[6] Hogeboom, R. J. (2020). The Water Footprint Concept and Water’s Grand Environmental Challenges. One earth, 2(3), 218-222. https://doi.org/10.1016/j.oneear.2020.02.010

[7] Kumar, P., Avtar, R., Dasgupta, R., Johnson, B. A., Mukherjee, A., Ahsan, M. N., … & Mishra, B. K. (2020). Socio-hydrology: A key approach for adaptation to water scarcity and achieving human well-being in large riverine islands. Progress in Disaster Science, 8, 100134. https://doi.org/10.1016/j.pdisas.2020.100134

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[9] Mohamed, M. M., El-Shorbagy, W., Kizhisseri, M. I., Chowdhury, R., & McDonald, A. (2020). Evaluation of policy scenarios for water resources planning and management in an arid region. Journal of Hydrology: Regional Studies, 32, 100758. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2020.100758

[10] Harvey, J.W., Schaffranek, R.W., Noe, G.B., Larsen, L.G., Nowacki, D.J., O’Connor, B.L., 2009. Hydroecological factors governing surface water flow on a low-gradient floodplain. Water Resour. Res. 45, W03421, https://doi.org/10.1029/2008WR007129.

[11] Phiri, W. K., Vanzo, D., Banda, K., Nyirenda, E., & Nyambe, I. A. (2021). A pseudo-reservoir concept in SWAT model for the simulation of an alluvial floodplain in a complex tropical river system. Journal of Hydrology: Regional Studies, 33, 100770. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2020.100770.

[12] Lu, B., Blakers, A., Stocks, M., & Do, T. N. (2021). Low-cost, low-emission 100% renewable electricity in Southeast Asia supported by pumped hydro storage. Energy, 121387. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121387

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[24] Ali, M., Wazir, R., Imran, K., Ullah, K., Janjua, A. K., Ulasyar, A., … & Guerrero, J. M. (2021). Techno-economic assessment and sustainability impact of hybrid energy systems in Gilgit-Baltistan, Pakistan. Energy Reports, 7, 2546-2562. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.04.036

[25] Zhang, Y., He, Y., Wang, X., Wang, Y., Fang, C., Xue, H., & Fang, C. (2018). Modeling of fast charging station equipped with energy storage. Global Energy Interconnection, 1(2), 145-152. DOI:10.14171/j.2096-5117.gei.2018.02.006

[26] McKinsey Center for Future Mobility, How Battery Storage Can Help Charge the Electric-Vehicle Market?, February 2018,

[27] Al Wahedi, A., & Bicer, Y. (2020). Development of an off-grid electrical vehicle charging station hybridized with renewables including battery cooling system and multiple energy storage units. Energy Reports, 6, 2006-2021. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.07.022

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