Blue Water Footprint of Hydropower Generation under Arid and Semi-Arid Climatic Conditions

Résumé technique : Empreinte eau bleue de la production hydroélectrique sous des conditions climatiques arides et semi-arides

Énoncé du problème
Les ressources en eau douce sont de plus en plus contraintes par la croissance démographique, l'expansion économique et le changement climatique, une situation particulièrement aiguë dans les régions arides et semi-arides comme l'Iran. Bien que l'hydroélectricité soit une source d'énergie renouvelable critique, sa dépendance aux grands réservoirs crée un « coût hydrique caché » important par l'évaporation de surface. Dans les climats chauds et secs, ces pertes par évaporation peuvent réduire considérablement la disponibilité de l'eau pour d'autres secteurs et compromettre la durabilité de l'hydroélectricité. Malgré l'importance du nexus eau-énergie, il existe une rareté des évaluations quantitatives complètes de l'empreinte eau bleue (EEB) — spécifiquement le volume d'eau de surface et souterraine consommée et non restituée au bassin versant — associée à la production hydroélectrique en Iran. Les études existantes manquent souvent de données régionales détaillées ou ne parviennent pas à rendre compte de manière adéquate de la nature polyvalente des réservoirs et de l'influence de la variabilité climatique sur les taux d'évaporation.

Méthodologie
Cette étude emploie une approche descriptive-analytique pour quantifier l'EEB de 25 centrales hydroélectriques opérationnelles en Iran sur la période 2004–2021. La population de recherche comprenait 73 centrales actives, parmi lesquelles 25 ont été sélectionnées de manière intentionnelle en fonction de la disponibilité de données opérationnelles cohérentes.

• Sources de données : La production annuelle d'électricité (Térajoules, TJ) et les volumes d'évaporation des réservoirs (mètres cubes, m³) ont été extraits des bilans énergétiques nationaux officiels, des rapports de la Compagnie de gestion des ressources en eau de l'Iran et des données du Centre de gestion des centrales hydroélectriques.
• Calcul de l'empreinte eau : L'empreinte eau totale ($WF_{e,Total}$) a été calculée comme la somme de la phase de construction ($WF_{e,c}$) et de la phase opérationnelle ($WF_{e,o}$). En raison de l'absence de données de construction spécifiques pour chaque barrage, une valeur de substitution de 0,3 m³/TJ (basée sur Golabi et al., 2019) a été appliquée pour la phase de construction. L'empreinte de la phase opérationnelle a été dérivée en divisant le volume évaporé annuel ($E_o$) par la production annuelle d'électricité ($P$).
• Allocation de l'évaporation : Reconnaissant que de nombreux réservoirs servent des objectifs multiples (ex. : irrigation, contrôle des crues, approvisionnement domestique), l'étude a évité d'attribuer 100 % de l'évaporation à l'hydroélectricité. Au lieu de cela, elle a utilisé l'approche d'allocation proposée par Scherer et Pfister (2016). Un facteur d'allocation ($f_A$) a été déterminé en fonction du classement de priorité de l'hydroélectricité parmi les objectifs du réservoir ($n$). Si l'hydroélectricité était classée $r$, le facteur était calculé pour distribuer la perte par évaporation proportionnellement.
• Analyse de sensibilité : Pour traiter l'incertitude des hypothèses d'allocation, une analyse de sensibilité a été menée en comparant trois scénarios : l'allocation basée sur le classement de l'étude (scénario de référence), une allocation égale entre tous les usages ($f_A = 1/n$), et une allocation complète à l'hydroélectricité ($f_A = 1,0$).
• Analyse statistique : La normalité des données a été évaluée à l'aide du test de Kolmogorov–Smirnov, avec des analyses effectuées via SPSS version 23 et Excel.

Résultats clés
L'étude a révélé une hétérogénéité significative de l'empreinte eau bleue à travers les 25 centrales, fortement influencée par la taille de la centrale, la morphologie du réservoir et le climat local.

• Variation par taille de centrale : Contra-irement à l'hypothèse selon laquelle les grandes centrales sont toujours plus efficaces, les résultats ont montré que les petites centrales hydroélectriques (<10 MW) présentaient l'EEB la plus élevée par unité d'énergie produite.
  • EEB la plus élevée : La centrale de Golab (petite échelle) a enregistré la plus haute empreinte avec 283 852,15 m³/TJ.
  • EEB la plus faible : La centrale de Shah Qasim à Yasuj (petite échelle) avait la plus faible avec 323,22 m³/TJ.
  • Grandes centrales : Parmi les grandes centrales (>100 MW), Karkheh présentait l'empreinte la plus élevée (15 599,34 m³/TJ), tandis que Karoon-3 présentait la plus faible (412,84 m³/TJ).
• Tendances temporelles : L'EEB annuelle a fluctué de manière significative entre 2004 et 2021. Le pic est survenu en 2021 (11 136,44 m³/TJ), coïncidant avec l'une des années les plus sèches de l'histoire récente de l'Iran, caractérisée par des précipitations 40 à 50 % inférieures à la moyenne à long terme et des températures plus élevées. L'empreinte annuelle la plus basse a été enregistrée en 2008 (3 690,31 m³/TJ).
• Facteurs climatiques : Les centrales situées dans des régions chaudes et arides ont démontré des taux de perte d'eau nettement plus élevés. L'étude a confirmé que les températures élevées, les conditions de sécheresse et la faible humidité intensifient directement l'évaporation, augmentant ainsi l'EEB.
• Résultats de la sensibilité : Bien que l'ampleur absolue de l'EEB varie considérablement selon les hypothèses d'allocation (par exemple, l'EEB de Golab variait d'environ 283 000 m³/TJ dans le scénario de référence à environ 1,77 million de m³/TJ sous l'allocation complète), le classement relatif des centrales est resté cohérent. Cela suggère que les principales conclusions de l'étude concernant la forte intensité hydrique de certaines centrales sont robustes malgré les incertitudes d'allocation.

Signification et revendications
L'article prétend fournir un cadre novateur reliant l'utilisation de l'eau par l'hydroélectricité à la variabilité climatique, offrant une perspective critique sur la durabilité des interactions eau-énergie dans les environnements arides.

• Réévaluation de la durabilité de l'hydroélectricité : Les conclusions remettent en question la perception conventionnelle de l'hydroélectricité comme une source d'énergie universellement durable. Dans les régions à stress hydrique comme l'Iran, les taux d'évaporation élevés des grands réservoirs peuvent rendre de tels projets écologiquement injustifiables du point de bien de la gestion des ressources en eau.
• Contribution méthodologique : L'étude démontre la nécessité d'intégrer les facteurs d'allocation et la variabilité climatique dans les évaluations de l'empreinte eau. Elle souligne que négliger la nature polyvalente des réservoirs ou ignorer les conditions climatiques locales conduit à des évaluations de durabilité inexactes.
• Implications politiques : Les auteurs soutiennent que la planification hydroélectrique future en Iran doit adopter une approche régionalement différenciée. Ils suggèrent de prioriser les systèmes au fil de l'eau ou les plus petits réservoirs avec des rapports surface/volume plus faibles pour minimiser l'évaporation. De plus, l'étude préconise l'intégration de l'analyse de l'empreinte eau dans la planification énergétique nationale et l'adoption de stratégies de gestion intégrée de l'eau et de l'énergie pour renforcer la résilience face au changement climatique.
• Contexte mondial : Les valeurs d'EEB rapportées sont généralement plus élevées que celles des régions tempérées mais s'alignent sur les résultats d'autres zones arides (ex. : sud de l'Espagne, Afrique du Sud), renforçant la conclusion que le climat local est le principal déterminant de l'ampleur de l'empreinte eau dans les systèmes hydroélectriques.

L'étude conclut que si l'hydroélectricité reste une source d'énergie clé, sa durabilité dans les régions arides dépend de la reconnaissance et de l'atténuation des pertes par évaporation grâce à une meilleure gestion des réservoirs, une conception adaptée au climat et une diversification du portefeuille d'énergies renouvelables.