Production d'électricité - Turbine hydroélectrique - 6 700 kW / Canada

Mandat de l'étude de cas

Une société privée de production d'électricité vous demande de préparer une étude de préfaisabilité pour un projet de petite centrale hydroélectrique. Cette société envisage d'ajouter une capacité de production de 7 MW à son réseau hydroélectrique. Cette capacité additionnelle serait livrée au réseau électrique central dans le cadre d'un contrat de 20 ans.

L'analyse a pour but d'évaluer la viabilité financière du projet afin de déterminer, en $/kWh, à quel prix l'électricité doit être vendue à la province pour que ce projet soit rentable. La société d'électricité a pour principe de rentabiliser ses investissements en 10 ans (temps de retour simple) et propose actuellement un prix de 0,03 $/kWh. La société a déjà effectué une inspection du site.

Données techniques

Le projet est situé sur la côte nord de la Colombie-Britannique, au Canada, à environ 45 km au sud-est de Prince Rupert. L'accès à partir de Prince Rupert est possible uniquement par bateau (4 heures) ou par voie aérienne (20 minutes).

Le site est constitué d'un lac de 5,5 km² qui alimente une rivière par une série de courtes chutes d'eau à pic, totalisant une hauteur d'environ 110 m avant d'atteindre le niveau de la marée haute du Pacifique. L'amplitude des marées ne dépasse pas 1 m. Une petite digue de retenue, d'une hauteur de 2 m et de 125 m de long, devra être construite à la sortie d'eau du lac. Il n'y a pas à prévoir de débit minimum. À partir de l'inspection du site effectuée, il a été déterminé qu'un bâtiment de 400 m² sera construit au pied des chutes d'eau. Il abritera les équipements hydroélectriques constitués d'une seule turbine Francis et d'une génératrice de 7 500 kVa avec un facteur de puissance de 0,90 soit une puissance utile de 6 750 kW. Un tunnel de 600 m de long et une conduite forcée de 1,5 m de diamètre et 50 m de long en acier, amèneront l'eau du lac à la turbine. La prise d'eau est située dans le fond du lac. Le tunnel est creusé de bas en haut. On attend le dernier moment pour faire sauter à la dynamite le dernier bouchon de rocher avant de noyer le tunnel. Au niveau de la rive du lac, une vanne contrôle l'entrée d'eau dans le tunnel qui se trouve alors à 20 m sous le sol.

Le client vous fournit les données qu'il a obtenues lors de l'inspection du site pour établir la courbe de débits classés du site :

Comme il s'agit d'un site isolé, un camp temporaire doit être établi pour loger environ une trentaine d'ouvriers. Un chemin temporaire de 2,2 km de longsera nécessaire. De plus, le site d'emprunt se trouve à 20 km du site. Le point le plus proche de raccordement au réseau électrique est situé à 1,8 km du site. Il s'agit d'une ligne de 69 kV.

Données financières

Les données financières pour l'analyse sont fournies par le client : taux d'imposition sur le revenu de 43,6 %, taux d'inflation de 2,5 %, ratio d'endettement de 75 %, taux d'intérêt sur la dette de 8 %, taux d'actualisation de 10 % et durée de l'emprunt de 20 ans. Pour acquérir la propriété, il faudra prévoir un investissement de 200 000 $. On peut prévoir que la compagnie provinciale d'électricité acceptera une augmentation annuelle de l'électricité fournie de 3 %. Les coûts d'investissement seront amortis de sur les 20 années du contrat de fourniture. Les frais d'exploitation et d'entretien seront assez importants et doivent prévoir un technicien sur place en permanence. Les droits hydrauliques sont estimés à environ 130 000 $ par an et la taxe foncière sur la propriété de 200 000 $ sera de 1 % des coûts de construction de la centrale. En plus de ces taxes, il faut louer des terres qui appartiennent à l'État, pour un montant annuel de 5 500 $ et payer une redevance annuelle de 41 000 $.

Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.

Solution

Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.

Notes explicatives

• Bien que le raccord au réseau électrique doive être en 69 kV, le concepteur a choisi d'utiliser une tension intermédiaire de 13,8 kV. C'est ce qui explique l'estimation plus faible, par la « méthode de calcul des coûts par formule », des coûts du poste de raccordement et du transformateur. Le coût du câble sous-marin de 1,5 km augmente considérablement les coûts de la ligne électrique installée, ainsi que les frais d'entretien qui y sont rattachés.
• La méthode de calcul des coûts par formules de RETScreen suggère de classer ce projet dans la catégorie « mini », la catégorie « petit » cependant été utilisé car cette catégorie est plus appropriée au projet.
• Il est probable que la génératrice utilisée dans ce projet ait besoin d'un reconditionnement complet tous les 5 à 10 ans. Il est difficile de prévoir les coûts d'une telle opération. RETScreen peut être utilisé pour effectuer une analyse de sensibilité de ces frais périodiques sur la viabilité du projet. Ainsi, un reconditionnement de 1,5 M$ (50 % du coût d'achat initial) tous les 7 ans réduira le taux de rendement interne du projet.
• L'estimation des coûts d'investissement obtenue par la méthode de calcul des coûts par formules de RETScreen a été ajustée de manière à mieux refléter les coûts réels de ce projet particulier. Même si la répartition des coûts par poste budgétaire n'est pas parfaite, l'estimation du coût global est précise à quelques points près, par rapport au coût ajusté de 13 928 401 $, qui reflète le coût réel du projet.

Projet réel

Résultats

En 1989, Synex Energy Resources Ltd. réalisa une étude de préfaisabilité pour une petite centrale hydroélectrique à Brown Lake dans le nord-ouest de la Colombie-Britannique, au Canada. Le projet faisait suite à un appel d'offres de la société provinciale d'électricité, BC Hydro, pour des projets de fourniture d'électricité d'une puissance inférieure à 5 MW. Après de fastidieuses négociations, un projet hydroélectrique de 7 MW fut réalisé en 1996. L'électricité est livrée au réseau central de BC Hydro et la centrale est exploitée par une société privée.

Description du système

Le lac Brown a une superficie de 5,5 km². Il alimente une série de courtes chutes d'eau à pic, totalisant une hauteur d'environ 110 m. Une petite digue de retenue en béton permet de contrôler les crues et sert de déversoir en cas de besoin. La plupart du temps le niveau du lac est inférieur à cette digue. Une prise d'eau submergée a été aménagée à partir de la rive, au nord-ouest de ce barrage et débouche sur un tunnel non chemisé de 600 m de long et d'une section de 2 m x 3 m. Une conduite forcée de 1,5 m de diamètre amène l'eau jusqu'à la turbine. La centrale électrique est à côté du marais Brown's Mill, au pied des chutes et de la rivière Ecstall. Le bâtiment possède des fondations en béton armé et une structure en acier équipée d'un pont roulant permettant l'entretien de la turbine. Il abrite des équipements hydroélectriques constitués d'une seule turbine Francis pouvant produire jusqu'à 7,2 MW d'électricité, d'un système de régulateur, d'un panneau de contrôle et d'un sectionneur. Une ligne aérienne de 300 m sort de la centrale en 13,8 kV. Ensuite, un câble sous-marin de 1,5 km traverse la rivière Ecstall avant d'atteindre le poste de raccordement à la ligne électrique de 69 kV du réseau principal de BC Hydro.

Leçons à tirer

• Processus d'approbations : Le site était idéal et attrayant sur plusieurs points techniques tels que la hauteur de chute, les débits d'eau et le fait qu'une ancienne scierie y avait déjà exploité la force hydraulique. Cependant, l'obtention des approbations et permis fut un véritable cauchemar. C'est justement l'ancienne scierie qui fut problématique; il fallut savoir si le site était orphelin ou non avant de pouvoir accorder un nouveau permis d'exploitation et établir si des règlements antérieurs s'appliquaient ou non. Ce n'est qu'un exemple de la nature des préoccupations techniques et sociales qui ont dominé les négociations avec les instances administratives.
• Droits de propriété : Établir qui détient le contrôle ou la propriété des terres est une tâche importante lors de la phase de développement d'un projet. Des héritiers des anciens propriétaires de la scierie possédaient le terrain. Leur acheter aurait coûté bien trop cher au stade de développement du projet alors que l'on n'était pas encore certain de sa réalisation. Des négociations ont permis au promoteur d'avoir une option sur le terrain jusqu'au moment de décider la réalisation du projet.
• Lac de retenue : La présence du lac permet d'optimiser et de contrôler la fourniture d'électricité, ce qui a justifié de plus grands investissements pour obtenir une turbine à plus haute efficacité et une conduite forcée ayant des pertes de charge réduites, ce qui augmente les revenus de vente d'électricité.
• Localisation du site : Le fait que le site soit éloigné et dans une région pluvieuse a demandé des investissements pour faciliter la maintenance de la centrale: un pont roulant, une grande surface de travail dans la centrale, le rachat des roulottes et ateliers du chantier pour les laisser sur place au besoin.
• Automatisation : La centrale est automatisée et télécontrôlée. Cependant, on a décidé d'avoir en permanence un technicien sur le site, surtout pour des raisons de sécurité. Cela a été une bonne décision car lors de plusieurs événements, la centrale a bénéficié de sa présence, ce qui a contribué à ses bonnes performances et au redémarrage très rapide de la production d'électricité. Des problèmes techniques mineurs ont pu immédiatement être arrangés directement par cette personne, certains ajustements ou réglages ont pu être optimisés sur place, de manière beaucoup plus simple qu'en devant envoyer une équipe d'urgence.
• Prise d'eau : L'étape la plus critique de la construction fut la prise d'eau dans le fond du lac. Le tunnel fut creusé de bas en haut. On a attendu le dernier moment pour faire sauter à la dynamite le dernier bouchon de rocher à partir de la vanne de contrôle située sous le niveau du lac. L'opération s'est bien déroulée. Avant d'ouvrir la vanne et de mettre en eau le tunnel et la conduite forcée, des plongeurs ont du enlever les débris de l'explosion. Un problème survint plus tard au niveau de la grille d'aspiration d'eau (crépine). Les plongeurs avaient oublié de rapporter le bris d'un des supports lors de l'explosion, une réparation relativement mineure si elle avait pu être faite immédiatement. Avec l'accumulation de poids sur la grille, un coin s'est soulevé, laissant passer des débris.

Aperçu général

Le projet de Brown Lake fut élaboré dans le cadre d'un appel d'offres d'une société publique d'électricité pour la fourniture d'électricité de toutes origines à partir de centrales de faible puissance. Bien que l'appel d'offres soit ouvert à toutes les sources d'énergie, toutes les soumissions concernaient des projets de petites centrales hydroélectriques.

La société d'électricité a dû réaliser qu'aucun des projets ne pouvait être rentable si elle n'acceptait pas de réviser son prix d'achat d'électricité. Cependant, les dossiers progressaient lentement, la moindre clause d'un contrat simple et standard était l'objet de négociations fastidieuses. Les délais additionnels ont causé des dommages financiers à tous les projets. Toutefois, les promoteurs du projet de Brown Lake restaient convaincus que leur projet était du moins l'un des meilleurs, mais que sa viabilité ne pouvait pas être assurée aux conditions tarifaires standards offertes par BC Hydro.

Lors de l'évaluation financière des projets, plusieurs variables sont prises en considération. Si le projet n'atteint pas le seuil de rentabilité permettant d'assurer son financement à long terme, le promoteur peut essayer les options suivantes :

• Réviser la conception pour baisser les coûts.
• Trouver des sources de financement plus compétitives.
• Rendre les coûts de construction les plus bas possibles en mettant différents entrepreneurs en compétition.
• Vérifier si l'évaluation de l'hydrologie du site n'est pas trop conservatrice.
• Vérifier si certains postes budgétaires de l'analyse des coûts n'ont pas été évalués avec des marges de sécurité trop élevées.
• Évaluer à quel prix de vente de l'électricité le projet deviendrait rentable.

Dans la plupart des projets, le promoteur reprend plusieurs fois ces différentes hypothèses et variables pour raffiner de manière itérative l'analyse d'un projet. Cependant, plus on baisse les coûts sans avoir en main des contrats fermes, plus on augmente les risques financiers du projet. Le promoteur de Brown Lake a optimisé ces variables tout en gardant un niveau de risque acceptable et a continué d'estimer que le prix d'achat de l'électricité, offert par BC Hydro, était trop bas. Dans un tel cas, ce n'est qu'une question de temps pour que le projet devienne rentable, puisque le prix de revient marginal de l'électricité augmente en général au fur et à mesure que le distributeur d'électricité a besoin de puissance additionnelle, et ce, à taux plus élevé que le taux d'inflation générale. En général, dans de tels projets, il faut toujours renégocier à la hausse le prix offert par le distributeur d'électricité.

Photo

Centrale hydroélectrique, Colombie-Britannique, Canada

Références

• McDonnell, Glenn, « Communications personnelles », Synex Energy Resources Ltd., 2000.
• Synex Energy Resources Ltd., Brown Lake Project - Request for Debt Financing, décembre 1994.
• Synex Energy Resources Ltd., Brown Lake Project - Turbine and Generation Equipment Supply SERL Y3024-H1, mai 1995.
• Weyell, Chris, « Communications personnelles », Sigma Engineering Ltd., 2000.