Les données bathymétriques optimisent la production hydroélectrique en Suisse

Assurer la sécurité et la protection des infrastructures fluviales et réservoirs suisses

L'acquisition de données bathymétriques et latérales est essentielle pour que la société énergétique suisse Axpo puisse entretenir son infrastructure hydroélectrique, d'autant plus que les débris que les glaciers déversent dans les rivières et les lacs suisses peuvent gravement endommager les machines. La surveillance et la mesure de l'envasement et de l'affouillement contribuent à garantir une production d'énergie optimale, et le service de sécurité des barrages d'Axpo utilise un sonar bathymétrique interférométrique à ces fins depuis 2019. En 2022, l'équipe a reçu une nouvelle mise à niveau de l'IA pour le sonar, qui a déjà été mis à profit pour s'assurer que l'eau continue de couler.

Aujourd'hui, plus de 60% de l'électricité de la Suisse est produite par l'hydroélectricité, et une augmentation de la capacité de production est prévue pour répondre à la consommation croissante et combler un potentiel déficit énergétique. La nouvelle capacité proviendra de grands projets et d'innovations plus petites, ainsi que d'optimisations et d'extensions, qui nécessitent toutes des données bathymétriques ou latérales précises.

À titre d'exemple d'innovation plus modeste, et sachant que chaque kilowattheure comptera à l'avenir, Axpo a installé une petite turbine de 2,5 MW dans la conduite de transfert d'eau entre les réservoirs de Curnera et de Nalps. Cette ressource jusqu'alors inexploitée est entrée en service au début de 2022 et devrait produire jusqu'à 10 millions de kilowattheures d'électricité par an, soit suffisamment pour alimenter environ 2 200 foyers.

Bien qu'une nouvelle capacité soit clairement nécessaire, le maintien de la capacité existante est un énorme défi, en particulier compte tenu de la quantité de débris glaciaires qui pénètrent dans le réseau d'eau, causant potentiellement de graves dommages aux machines des centrales hydroélectriques en plus d'avoir un impact sur les écosystèmes plus en aval. Les données bathymétriques et à balayage latéral sont essentielles pour surveiller l'accumulation de ces sédiments, afin que les ingénieurs puissent décider de la meilleure ligne de conduite.

Le service de sécurité des barrages d'Axpo est chargé de collecter, distribuer, stocker, analyser, traiter et présenter des données qui montrent avec précision comment les matériaux s'accumulent autour des entrées d'eau des centrales hydroélectriques de l'entreprise. Le département surveille et mesure l'envasement dans le but d'informer les travaux de dragage et autres travaux d'ingénierie (y compris les travaux majeurs tels que l'élévation de la hauteur des entrées d'eau) afin de maintenir un débit d'eau optimal avec le moins de matières étrangères possible.

S'il est essentiel de protéger les équipements de production d'électricité pour éviter les arrêts et réduire la fatigue à long terme, les données collectées aident également les ingénieurs à affiner les systèmes en fonction des volumes d'eau mesurés.

Le principal outil de collecte de données du département est un sonar bathymétrique GeoSwath 4 fourni par le fabricant britannique GeoAcoustics, qui a jusqu'à présent collecté plus de 200 km de lignes de levé couvrant environ 75 km de rivières et de lacs à travers le réseau Axpo. L'équipe de sécurité du barrage a passé plus d'un mois en jours opérationnels à utiliser des navires d'opportunité comme plate-forme d'enquête. Cependant, à partir de septembre 2022, l'ensemble de l'installation, y compris les instruments, a été installé dans un référentiel unique sur un nouveau bateau (Fig. 1).

Le bateau et le sonar sont maintenant utilisés pour surveiller l'accumulation de limon autour d'infrastructures importantes telles que les prises d'eau et la zone de voie navigable entourant et incluant la zone de production d'électricité, également dans le réservoir de Nalps. Situé à 1 908 m au-dessus du niveau de la mer et doté d'un barrage voûte à double courbe de 127 m et d'une crête de barrage de 480 m, le lac a un volume d'eau de 44,5 millions de mètres cubes. Ce dernier chiffre a été informé par une enquête pour calculer les niveaux d'envasement et le réservoir existant et les volumes d'eau utilisables, qui ont produit les résultats illustrés à la figure 2.

La figure 3.1 montre les résultats d'une autre enquête, où l'équipe utilisant le sonar bathymétrique a acquis des données assez granulaires sur le niveau d'envasement d'un déversoir en amont d'une centrale fluviale. Ces données se sont avérées un outil efficace pour les levés avant et après le dragage, ici et dans de nombreuses autres caractéristiques similaires à travers les rivières et les lacs surveillés par l'équipe Axpo. Les données sont utilisées à la fois à des fins d'ingénierie et de vérification à la fin d'un projet de dragage, comme le montre la figure 3.2.

Alors que le sonar mesure l'accumulation de limon et de débris à l'interface entre la rivière ou le lac et l'installation de production hydroélectrique, il est également utilisé par l'équipe d'Axpo pour mesurer les effets d'un phénomène connu sous le nom d'affouillement dans des zones critiques du réseau. . L'objectif principal est de protéger l'intégrité des infrastructures clés telles que les déversoirs et les prises d'eau contre les dommages causés par le mouvement constant de l'eau et des débris. Alors que l'affouillement est souvent mesuré à l'aide d'un sonar à balayage latéral, le sonar bathymétrique fournit la résolution et la qualité nécessaires pour une vision précise de ce qui se passe, permettant à Axpo de surveiller et de protéger les infrastructures sous-marines sur divers sites.

Le département de la sécurité des barrages a récemment évalué une nouvelle solution de traitement de données IA pour le sonar bathymétrique qui détecte et élimine automatiquement les valeurs aberrantes dans les données, rendant possible la diffusion de données en temps réel lors d'un levé. À ce stade, l'avantage pour l'équipe Axpo a été principalement d'accélérer le traitement jusqu'au produit final, car le système d'IA produit des données de qualité contrôlée qui offrent une longueur d'avance significative dans le post-traitement. Axpo a également reconnu le potentiel de l'IA pour améliorer l'efficacité des levés, car les données diffusées en continu peuvent informer le pilote et les arpenteurs de caractéristiques spécifiques sous le bateau en temps réel.

Le système d'IA a été développé grâce à un partenariat continu avec des spécialistes de l'IA de l'Université d'East Anglia et l'équipe R&D de GeoAcoustics. Le filtrage traditionnel des données de mesure de phase repose fortement sur la configuration par un utilisateur expert de filtres sur les données brutes pour les « nettoyer ». L'équipe a donc entrepris d'automatiser certains aspects techniques très spécifiques du processus d'acquisition de données. Le résultat est un système qui aidera Axpo à acquérir des données propres et présentables beaucoup plus rapidement.

Considérant que les nouveaux programmes d'amélioration de la capacité hydroélectrique dans toute la Suisse exigeront un flux continu de données bathymétriques mises à jour, toute rationalisation des processus d'enquête - comme l'utilisation de l'IA dans le traitement des données - est la bienvenue. Le nouveau bateau de sondage d'Axpo contribuera également à une meilleure efficacité, car les géomètres peuvent le remorquer jusqu'à la rivière ou le lac qui a besoin de nouvelles données ou de données existantes à vérifier sans avoir à trouver un bateau disponible avant d'installer le package hydroacoustique.

La combinaison du nouveau bateau de l'équipe et du sonar amélioré par l'IA continuera d'aider à soutenir l'optimisation de la capacité de production existante et la constitution d'une nouvelle capacité à la lumière des problèmes potentiels de pénurie d'énergie pendant l'hiver et de l'objectif du pays d'atteindre le zéro net. émissions de carbone d'ici 2050.

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Ephraim Friedli est spécialiste en ingénierie chez Axpo Power AG, où il est responsable des mesures bathymétriques...

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