Des centrales hydroélectriques pompées urbaines pour verdir la production électrique

Illustration – Principe de la centrale hydroélectrique pompée souterraine urbaine proposée par Pierre Couture. Elle permet de stocker l'énergie et réguler les variations des énergies renouvelables, entre autres, et constitue un élément incontournable des réseaux électriques de demain. (illustration: Paul Berryman, tirée de mon livre Rouler sans pétrole)

Le 5 mars 2009, Steven Chu, le secrétaire d’État à l’énergie des États-Unis, exposait devant une commission sénatoriale les priorités de son gouvernement en recherche et développement. Parmi les 5 secteurs identifiés, on retrouve le stockage d’énergie à grande échelle. Des unités de stockage de taille appropriée permettraient de compenser les variations journalières de l’énergie solaire et éolienne, et d’augmenter l’efficacité des centrales thermiques. Le stockage d’énergie est donc un maillon essentiel pour diminuer les émissions de gaz à effet de serre et les émissions toxiques reliées à la production d’électricité.

La solution la plus utilisée présentement pour le stockage à grande échelle de l’énergie est la centrale hydroélectrique pompée. Dans sa version traditionnelle, il s’agit de deux réservoirs d’eau situés l’un plus haut que l’autre, reliés ensemble par une galerie souterraine où se trouve une turbine qui peut fonctionner dans les deux sens. Pendant les périodes de faible demande d’électricité (la nuit par exemple) le moteur-générateur électrique couplé à la turbine pompe l’eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur. Aux périodes de forte demande, on laisse couler l’eau du réservoir supérieur vers le réservoir inférieur, ce qui entraîne la turbine et génère de l’électricité. On appelle également ces installations des centrales à pompage-turbinage. Dans une centrale bien conçue, l’aller-retour de l’eau entre les deux réservoirs entraîne une perte d’environ 20% de l’énergie stockée.

Mais, pour réguler les fluctuations journalières de l’énergie éolienne et solaire, ou pour réguler les variations de la demande au fil de la journée, on n’a pas besoin de stocker plus de 25% environ de l’énergie produite. La régulation entraîne donc une perte de seulement 5% de l’énergie totale produite.

Illustration – Principe de la centrale hydroélectrique pompée traditionnelle. (source : compagnie suisse FMV)

Il y a présentement près de 200 centrales hydroélectriques pompées sur la planète, totalisant 90 GW de puissance, soit environ 3% de la puissance installée à l’échelle mondiale, selon l’ESA (Electricity Storage Association).

L’obligation d’avoir une dénivellation importante entre les deux réservoirs d’eau a fait dire à plusieurs que le stockage d’énergie par pompage-turbinage était une technologie qu’on ne pouvait exploiter à grande échelle un peu partout. À preuve, l'affirmation suivante

«Expanded use of this technology depends on the availability of suitable geography»

«Une utilisation à grande échelle de cette technologie dépend de la disponibilité d'une géographie appropriée»

qu'on retrouve dans le document «National Energy Policy Recommandations» de l'IEEE-USA ( Institute of Electrical and Electronics Engineers), datée du 15 janvier 2009 (téléchargement ICI sous la rubrique Energy and Environment).

Mais, il semble bien qu’une telle affirmation relève d’un manque d’imagination, car on peut très bien construire des centrales hydroélectriques pompées au beau milieu de vastes plaines ou encore au cœur d’une ville. Il suffit de creuser un puits profond dans le rock et de construire des galeries au fond pour obtenir le deuxième réservoir.

C’est le concept qui a été proposé par Pierre Couture, chercheur pour Hydro-Québec et inventeur du moteur-roue moderne (billet du 11 février 2009). Louis-Gilles Francoeur, journaliste au journal Le Devoir a dévoilé ce projet dans un article daté du 22 janvier 2004.

Pour éviter de trop grands travaux d'excavation pour les galeries, on a intérêt à les situer à une plus grande profondeur. Pierre Couture préconise de creuser un puits d’environ 2 mètres de diamètres et trois kilomètres de profondeur. Des turbines qui peuvent également être inversées et agir comme pompes sont disposées à tous les kilomètres en descendant, avec une caverne tampon juste derrière (voir l’illustration au début du billet).

Les calculs démontrent que pour obtenir une puissance de 1 GW pendant 10 heures, il faut creuser 3 kilomètres de galeries de 20 mètres x 20 mètres d’ouverture (1,2 millions de mètres cubes) pour emmagasiner l’eau au fond. Le coût d’une telle centrale pompée souterraine serait dans la fourchette 700 M$ à 1000 M$, et pourrait réguler des centrales électriques de 3 à 4 GW de puissance maximale.

En comptant une durée de la centrale pompée de 50 ans, on arrive au bout du compte à un coût inférieur à 0,2 cents/kWh d’énergie produite et régulée, ce qui ne représente que quelques pourcents du coût de production.

Les centrales hydroélectriques pompées peuvent être utilisées de multiples façons. On peut, bien sûr, augmenter le pourcentage d’énergies renouvelables en régulant leurs fluctuations inhérentes. Pour diminuer le besoin de régulation, on a intérêt à mettre en place des lignes à haute tension efficaces pour relier les parcs éoliens sur des milliers de kilomètres, car il y a toujours du vent quelque part. Les lignes à haute tension DC sont particulièrement intéressantes à cet égard puisqu’elles ne génèrent que 3% de pertes par 1000 km. Les centrales solaires, quant à elles, suivent assez bien la demande journalière en électricité (plus de soleil à midi). En les plaçant dans des endroits désertiques, on s’assure d’un minimum de couverture nuageuse, ce qui requerra moins de stockage d’énergie pour les fluctuations. La plus grande partie du stockage servirait à reporter à la nuit une partie de l’énergie produite dans le jour.

Par ailleurs, les centrales hydroélectriques pompées sont également intéressantes pour augmenter l’efficacité des centrales thermiques. On sait, par exemple, que les centrales au gaz naturel à cycle combiné peuvent atteindre une efficacité de 60%. Malheureusement on ne peut varier de façon importante la puissance de telles centrales pour suivre la demande journalière. On doit utiliser pour cela des centrales au gaz dont l’efficacité est inférieure à 40%. On voit donc tout l’intérêt d’une centrale hydroélectrique pompée qui serait couplée à une ou plusieurs centrales au gaz naturel. On pourrait alors utiliser les centrales au gaz les plus efficaces et les faire fonctionner toujours à régime constant optimal. Les fluctuations quotidiennes seraient prises en charge par la centrale pompée. En procédant de la sorte, on obtiendrait 50% plus d’électricité avec le même gaz naturel!

Avec l’électricité supplémentaire ainsi récupérée on pourrait fermer des centrales au charbon beaucoup plus polluantes, en attendant de fermer également, à terme, les centrales au gaz pour les remplacer par de l’énergie renouvelable.

Les centrales hydroélectriques pompées sont donc un élément ESSENTIEL de toute politique énergétique intelligente! Et avec le concept souterrain proposé par Pierre Couture, elles vont devenir de plus en plus intéressantes.

La grande importance des moteurs-roues

Illustration - Représentation d'un moteur-roue semblable à ceux développés par l'équipe de Pierre Couture à Hydro-Québec et présenté au public en 1994. L'auteur de ce blog l'a dessiné à partir d'information publique contenue dans les documents publicitaires et les brevets.

Les Québécois de plus de 30 ans se souviennent avoir vu à la télévision, en 1994 et 1995, une voiture expérimentale révolutionnaire équipée de moteurs-roues électriques très performants. Il s’agissait d’une Chrysler Intrepid modifiée par les chercheurs d’Hydro-Québec, sous la direction du docteur Pierre Couture, un physicien génial, en avance sur son temps, l’inventeur principal de ce groupe de traction inégalé à ce jour. La conférence de presse pour annoncer cette technologie révolutionnaire s'est tenue le premier décembre 1994. Pour voir le matériel promotionnel distribué ce jour-là cliquez ICI, et pour lire la transcription de l'allocution de Pierre Couture expliquant la technologie cliquez ICI et téléchargez l'épisode 2-29 du volume 2 de mon ouvrage Sur la route de l'électricité.

L’idée de base était de faire de l’Intrepid une voiture hybride branchable. En rechargeant la batterie le soir chez soi, le propriétaire de la voiture aurait pu parcourir 65 km en mode électrique à chaque jour, sans consommer de carburant. Pour les trajets plus longs que 65 km, un petit moteur-générateur thermique aurait rechargé la batterie en cours de route, conférant à la voiture une autonomie similaire à celle d’une voiture traditionnelle. C’est ce qu’on appelle aujourd’hui une voiture hybride série, dont le moteur à carburant n’est pas connecté mécaniquement aux roues. Par ailleurs, comme 80% des gens font moins de 65 km par jour avec leur voiture, en moyenne, la grande majorité de leur kilométrage se serait fait à l’électricité. C’est ce concept que GM a repris dans sa Chevy Volt, qui devrait être commercialisée en 2011. Toutefois, la Chevy Volt n’est pas équipée de moteurs-roues, mais d’un moteur électrique central, sous le capot, ce qui rend la voiture plus lourde, plus chère et laisse moins d’espace disponible.

Malheureusement, en 1995 Hydro-Québec a pris une décision totalement incompréhensible de réduire de façon importante son projet de développement du groupe de traction Couture, ce qui a conduit à la démission de son inventeur en 1995. Pierre Couture n’a plus jamais travaillé sur ce projet depuis. La compagnie TM4, une filiale d’Hydro-Québec qui devait commercialiser le groupe de traction à 4 moteurs-roues, d’où son nom d’ailleurs, a arrêté, à toute fin pratique, le développement du moteur-roue, pour faire des moteurs électriques centraux, comme tout le monde. Les lecteurs désireux d’en connaître davantage sur cette saga désolante du moteur-roue d’Hydro-Québec sont invités à consulter mon dernier livre Rouler sans pétrole.

L’auteur de ce blog est absolument convaincu que le groupe de traction Couture à 4 moteurs-roues est toujours le meilleur et que c’est le groupe de traction de l’avenir. Voici pourquoi.

Tout d’abord, en regardant l’illustration plus haut, on constate que les aimants permanents (en vert et orangé) sont collés très près de la jante de la roue, ce qui confère au moteur un grand diamètre (38 cm environ) et augmente la force de même que la puissance des moteurs. Il y a bien sûr d’autres innovations imaginées par Pierre Couture qui contribuent à donner à ses moteurs-roues une efficacité supérieure à 96%, tout en ayant une puissance de plus de 100 kW par moteur et un couple («force») de 1200 N.m pour chaque moteur, ce qui était 2,5 fois plus qu’un moteur de Corvette de l’époque! La puissance totale avec 4 moteurs-roues aurait dépassé 400 kW et le couple total 4800 N.m, de quoi propulser la Chrysler Intrepid de 0 à 100 km/h en 3 secondes, selon les calculs de Pierre Couture !!

Les performances de ces moteurs-roues ont été validées en laboratoire, mais au moment de la démission du docteur Couture, seulement 2 moteurs-roues étaient installés sur l’Intrepid et l’électronique de puissance n’était pas encore terminée, d’où l’incapacité de faire les tests complets sur route. Toutefois, l’illustration ci-dessous nous montre un des tests extérieurs où les roues motorisées tournent sur place en brûlant le caoutchouc des pneus. Une telle performance n’était pas possible avec le gros moteur V8 original de la Chrysler Intrepid.



Illustration - Images tirées de l'émission Découverte de Radio-Canada, présentant un reportage sur le moteur-roue réalisé en 1997. (photos: Archives de Radio-Canada)

Maintenant, le but d’avoir des performances aussi stupéfiantes n’était pas d’épater la galerie mais de récupérer le plus d’énergie au freinage, même en freinant brusquement. Avec quatre bons moteurs-roues et de bonnes batteries on peut récupérer près de 90% de l’énergie cinétique de la voiture lorsqu’on freine. Les moteurs agissent alors comme des freins électromagnétiques qui produisent du courant et rechargent la batterie. C’est ce qu’on appelle le freinage regénératif. Dans une voiture traditionnelle, l’énergie cinétique est perdue en chaleur dans les freins mécaniques. Dans une voiture électrique à moteur central on récupère de l’ordre de 20 à 25% maximum de l’énergie cinétique, car le moteur électrique n’est connecté qu’à deux roues, et derrière un différentiel de surcroît. Or une voiture doit freiner aux quatre roues, et dans une voiture électrique à moteur central on doit ajouter des freins mécaniques aux deux roues motorisées, car on ne peut freiner derrière un différentiel uniquement. En effet, si une des deux roues est sur la glace, l’autre se mettrait à tourner rapidement et le conducteur risquerait de perdre le contrôle de la voiture.

De plus, avec quatre moteurs-roues, il n’y a pas de différentiel ni de transmission d’ailleurs. C’est un entraînement direct, et il n’y a aucune perte d’énergie entre le moteur et les roues, comme c’est le cas dans une voiture à moteur central. Voilà une deuxième raison pour laquelle les moteurs-roues consomment moins d’énergie.

Par ailleurs, puisque la consommation d’énergie est plus faible, on peut réduire la grosseur de la batterie, du moteur-générateur et du réservoir de carburant. Sans compter que les moteurs-roues eux-mêmes sont plus légers qu’un moteur central de puissance équivalente, puisque leurs structures extérieures remplissent une double fonction, en servant également de structure de soutien aux roues. L’allègement de la voiture constitue donc une troisième cause de réduction pour la consommation d’énergie.

Maintenant, le fait qu’avec des moteurs-roues il n’y ait pas de moteur sous le capot permet d’effiler ce dernier et de fermer le dessous de la voiture en avant. Ces modifications à la carrosserie de la voiture améliorent l’aérodynamique et apportent une quatrième contribution à la réduction de consommation d’énergie.

Ces quatre facteurs combinés donnent une consommation d’énergie des voitures à moteurs-roues environ 35% inférieure à celle d’une voiture électrique à moteur central pour une conduite urbaine, et de l’ordre de 15% inférieure pour une conduite sur l’autoroute. En conduite mixte, on obtient donc une réduction de consommation de l'ordre de 25 % attribuable aux moteurs-roues. C'est une grosse différence, particulièrement pour les voitures urbaines, les camions de livraison et les autobus! Cette réduction de la consommation fait baisser non seulement les coûts d'opération mais également le coût d'achat des véhicules, puisque la batterie (très coûteuse) et le moteur thermique (pour les véhicules hybrides branchables) peuvent être réduits de taille considérablement. De plus, les véhicules à moteurs-roues ont plusieurs composantes en moins (pas de différentiel, pas de transmission, pas de cardans, pas de sytème mécanique de freinage ABS).

Par ailleurs, non seulement les voitures à moteurs-roues sont les plus économes en énergie mais elles sont en même temps les plus puissantes, ce qui, en soi, représente un changement important de paradigme. James Bond et Al Gore pourraient faire du covoiturage ensemble dans une voiture à moteurs-roues et les deux seraient très heureux!

En terminant, il serait bon de mentionner quatre autres avantages des moteurs-roues qui ne sont pas liés à la consommation d’énergie. Le fait qu’il n’y ait pas de moteur sous le capot augmente la zone d’écrasement (crunching zone) du métal lors d’un impact frontal, ce qui améliore la sécurité des passager en diminuant la brutalité du choc. Par ailleurs, l’absence de moteur sous le capot donne beaucoup plus de flexibilité au designer pour aménager les espaces. De plus, avec quatre moteurs-roues, on peut intégrer un système antirérapage par logiciel, de même qu'un système de freinage anti-bloquage ABS par logiciel également. Enfin, le conducteur dispose de quatre roues motrices, ce qui est très apprécié l'hiver dans les pays nordiques, de même que par ceux qui ont à circuler sur des routes de terre.

Dans un futur billet je parlerai des divers véhicules à moteurs-roues qui ont été présentés par divers fabricants.

Des monorails à moteurs-roues au lieu des TGV

ILLUSTRATION - Vision artistique du monorail à moteurs-roues imaginé par Pierre Couture dans las années 1990, tirée de mon dernier livre Rouler sans pétrole. (Dessin: Paul Berryman)

L’auteur de ce blog ayant vécu en France pendant deux ans sait à quel point les TGV sont confortables et plus rapides que l’avion pour des parcours inférieurs à 1000 km, si on tient compte des pertes de temps aux aéroports et des trajets entre les aéroports et les centres-ville.

Mais, l’implantation d’une ligne de TGV coûte environ 15 millions d’euros/km (15 M€/km) en France, soit 23 M$ CAN/km. Dans les pays nordiques comme le Canada, il faut des assises plus profondes à l’épreuve du gel et du dégel, et la facture pourrait bien monter à plus de 30 M$/km. Le coût d’un TGV entre Québec et Montréal (250 km) pourrait donc dépasser 7,5 milliards de dollars. Pour rentabiliser de telles infrastructures il faut une grande densité de population, alors qu’au Canada, les villes populeuses sont peu nombreuses et très distancées.

Ce problème du transport en commun interurbain rapide, Pierre Couture, l’inventeur du moteur-roue moderne (à l’Institut de recherche d’Hydro-Québec en 1994) y a longuement réfléchi. Il aboutit à un concept tout à fait révolutionnaire. Jugez-en par vous-même.

Afin de minimiser les travaux d’assise des voies qui doivent résister au gel, la solution proposée par Pierre Couture est de construire un monorail ultraléger, à deux voies, dont la structure est supportée par des poteaux simples se terminant en Y. Les wagons autonomes, suspendus et motorisés par 16 moteurs-roues, sont capables de transporter une soixantaine de passagers et voyagent séparés l’un de l’autre, à une vitesse de 250 km/h environ. Pour éviter d’avoir à exproprier des terrains pour les lignes, les rails sont disposés entre les deux chaussées des autoroutes ou le long des emprises pour les rails des trains. Les surfaces utilisées au sol sont à peine de quelques mètres carrés à tous les soixante mètres. Pour les virages trop serrés, il suffirait de déborder légèrement des tracés et d’incliner les travées. Les roues étant équipées de pneus en caoutchouc, elles offrent une meilleure adhérence que les roues en fer des trains, ce qui permet au monorail de gravir les pentes des autoroutes et d'enjamber les viaducs. La travée étroite sur laquelle roulent les moteurs-roues est recouverte et englobée par une enceinte légère, suffisamment en pente pour que la neige ne s’y accumule pas.

À bien y penser, ce monorail léger et rapide à moteurs-roues, imaginé par Pierre Couture, serait très avantageux un peu partout sur la planète, pas seulement dans les pays froids. Surtout que le coût des infrastructures est au moins 3 fois moins élevé que celui d’un TGV, compte tenu du faible travail du sol, de l'absence d'expropriation, et de la construction automatisée des structures en usine, 12 mois par année ! On pourrait mettre ces monorails au point seulement avec l’argent économisée en implantant une ligne de 250 km, puisque cette ligne coûterait environ 5 milliards de dollars de moins que pour un TGV ! Par la suite, la commercialisation de cette technologie ferait vite récupérer les investissements.

Ces monorails légers et rapides seraient idéaux également pour relier les centres-villes aux aéroports, ou désengorger les ponts à l’heure de pointe, en accrochant les rails aux structures latérales des ponts. Les gens qui habitent la rive sud du fleuve Saint Laurent et qui vont travailler sur l’île de Montréal apprécieraient un tel service de transport en commun, beaucoup moins cher qu’un métro sous le fleuve.

Avis aux gens de chez Bombardier qui vont voir chuter l’industrie aéronautique dans les années qui viennent, et qui sont également dans les trains, ou à d'autres entrepreneurs. Soyez visionnaires…