Impact sur la qualité de l'eau
Dans le cadre du développement et de l'exploitation des projets liés aux systèmes photovoltaïques flottants, il est essentiel de préserver la qualité de l'eau. La mesure de la qualité de l'eau passe par la surveillance de paramètres tels que :
- La stratification de l'eau
- La température de l'eau
- L'oxygène dissous (OD)
- La conductivité électrique (CE)
- La turbidité
Stratification de l'eau
Au fil du temps, les lacs présentent une stratification verticale. La stratification thermique a lieu pendant la saison chaude, dans les lacs suffisamment profonds. Elle est due aux importantes différences de densité (poids) entre l'eau chaude et l'eau froide.[12]
En été, la surface de l'eau est plus chaude. Les différences de température augmentent entre la surface de l'eau et les profondeurs.[13] Cela crée un cycle dans lequel l'eau chaude située à la surface flotte au-dessus de l'eau froide située en dessous. À mesure que l'eau de surface se réchauffe grâce à l'énergie solaire, elle devient de moins en moins dense par rapport à l'eau froide située en dessous, créant ainsi différentes couches d'eau dans le lac :[13]
- La couche d'eau supérieure, l'épilimnion, est bien mélangée.
- La deuxième couche, le métalimnion, fonctionne comme une barrière qui entrave le mélange et le transfert de chaleur entre l'épilimnion et la strate plus profonde
- Cette couche plus profonde, l'hypolimnion, est composée d'eau froide qui ne se mélange pas avec les couches supérieures et qui circule mal.[14]
Le changement climatique prolonge la période de stratification des lacs,[15] augmentant ainsi la durée entre les mélanges de printemps et d'automne. Comme le temps entre les mélanges s'allonge, la concentration d'oxygène dans les eaux profondes des lacs diminue. Ce phénomène peut avoir des conséquences néfastes sur les habitats situés en eaux profondes.[16]
Lorsque les systèmes photovoltaïques flottants recouvrent un plan d'eau, ils réduisent la quantité de rayonnement solaire qui atteint la surface. Cela protège le plan d'eau des effets du brassage par le vent,[10] qui modifie la température et la stratification de l'eau.[17] La vitesse du vent et le rayonnement solaire ont généralement des effets opposés sur la structure thermique des plans d'eau. La diminution de la vitesse du vent a tendance à augmenter la stratification et le réchauffement de la surface. La diminution du rayonnement solaire a tendance à augmenter le brassage et le refroidissement des eaux de surface.[18]
La stratification détermine toute une série de processus biologiques, chimiques et physiques au sein des lacs. Parmi ces processus, on retrouve la dynamique démographique et les interactions entre les espèces. Cela affecte alors l'échange d'oxygène, de nutriments et de carbone entre la surface et le fond du lac.[19]
Une étude réalisée par Exley et al.[20] et utilisant une approche de modélisation s'est penchée sur l'impact potentiel des systèmes photovoltaïques flottants sur un lac anglais. Ce lac présente une superficie de 670 ha, une profondeur maximale de 42 m et une profondeur moyenne de 16,8 m. Il est donc nettement plus grand que les lacs de sable largement utilisés en Europe dans le cadre des projets liés aux systèmes photovoltaïques flottants. Les effets sur la qualité de l'eau du lac ont été étudiés pour des niveaux de couverture allant de 0 à 100 %.
L'étude montre que les changements induits par les systèmes photovoltaïques flottants au niveau des principaux paramètres météorologiques que sont le rayonnement global et la vitesse du vent ont des effets opposés sur l'équilibre des températures et le comportement de circulation. Par exemple, l'augmentation de la surface de couverture des systèmes photovoltaïques flottants réduit le rayonnement global, ce qui entraîne une baisse de la température de l'eau.
En même temps, la diminution de la vitesse du vent entraîne une augmentation de la température, ce qui se traduit par une compensation au moins partielle. Les résultats ont mis en évidence une température de l'eau réduite, une période de stratification plus courte ainsi qu'une profondeur de mélange plus faible. Cependant, dans les scénarios impliquant une faible surface de couverture, la durée de la stratification a été prolongée.
Une autre étude réalisée par Ilgen et al.[21] s'intéresse à l'incidence des systèmes photovoltaïques flottants sur la dynamique thermique d'un lac. La stratification thermique, le bilan énergétique et la température de l'eau ont fait l'objet d'une attention particulière. Les recherches ont été menées en Allemagne, sur le système photovoltaïque flottant d'une capacité de 749 Wc du lac Maiwald, qui présente une profondeur de 70 m. La vitesse du vent et l'irradiation sous le système photovoltaïque flottant ont considérablement diminué : respectivement de 23 % et 73 % par rapport aux mesures de référence.
Les chercheurs ont utilisé le modèle général de lac pour simuler différentes couvertures photovoltaïques ainsi que des conditions climatiques changeantes à l'aide d'un ensemble de données sur trois mois. Les résultats suggèrent que, pendant l'été, la couverture photovoltaïque entraîne une stratification thermique plus courte et moins stable. Cela peut atténuer l'effet de réchauffement attendu du changement climatique.
Température de l'eau
La température de l'eau est l'une des principales caractéristiques physiques des lacs. La température de l'eau est essentielle au développement, à la reproduction ainsi qu'au maintien du système immunitaire des peuplements piscicoles.[22] Les variations de la température de l'eau influent sur le rythme des processus biologiques et chimiques, ainsi que sur le niveau d'eutrophisation des lacs.[23]
Lorsque la température de l'eau augmente, le métabolisme de nombreux organismes aquatiques s'accélère rapidement. Dans les lacs, les températures élevées de l'eau entravent le processus de mélange vertical. Cela a un impact sur les niveaux d'oxygène dissous et de nutriments essentiels dans le lac, ainsi que sur la chaîne alimentaire.[25]
À mesure que la température augmente, l'oxygène et d'autres gaz deviennent moins solubles. Il se peut alors que l'eau plus chaude ne contienne pas suffisamment d'oxygène pour maintenir la vie.[26] Les basses températures, quant à elles, peuvent restreindre les performances métaboliques en perturbant l'équilibre entre l'offre et la demande d'oxygène.[24]
Oxygène dissous
Dans les milieux aquatiques, l'oxygène dissous (OD) désigne la quantité d'oxygène disponible pour les poissons, les invertébrés et les autres organismes présents dans l'eau.[27] La plupart des plantes et des animaux aquatiques ont besoin d'oxygène pour vivre.[27] Par exemple, les poissons ne peuvent pas survivre de façon prolongée dans une eau contenant moins de 4 mg/l d'oxygène dissous.[28]
Une faible concentration d'oxygène dissous dans l'eau peut être un indicateur de pollution. Il s'agit d'un facteur d'évaluation clé de la qualité de l'eau, du contrôle de la pollution et des processus de traitement.[29] La concentration d'oxygène dissous peut être influencée par les changements de température de l'eau au fil des saisons.[30] Pendant la stratification estivale, la couche supérieure du lac se réchauffe. Les niveaux d'oxygène dissous augmentent en raison du transfert d'oxygène de l'air et de la photosynthèse des algues. À mesure que l'on descend en profondeur, la température de l'eau et l'oxygène dissous diminuent.[30]
Conductivité électrique
La conductivité électrique des lacs est un paramètre important qui permet d'évaluer la qualité de l'eau, de comprendre la dynamique écologique et de gérer les ressources en eau douce.[31] Elle reflète directement la salinité et les polluants, ainsi que le nombre de contaminants dans l'eau.
La conductivité de l'eau varie selon le type d'eau ; les lacs et les cours d'eau présentent généralement une conductivité comprise entre 0 et 200 µS/cm.[26] D'importantes variations de la conductivité peuvent révéler la présence d'une source de pollution dans l'environnement aquatique.[33]
Turbidité
La turbidité d'un lac désigne la clarté de l'eau, ou le fait que la lumière du soleil puisse pénétrer ou non dans les parties plus profondes du lac. La turbidité varie souvent selon les saisons, en fonction du débit des rivières et de la croissance du phytoplancton (algues et cyanobactéries).[34]
Le dragage entraîne souvent une turbidité élevée du fait des quantités importantes de sédiments dissous. La lumière du soleil dont les plantes ont besoin pour produire de l'oxygène pour les poissons et pour les autres organismes aquatiques peut être bloquée.[34] En outre, une quantité excessive de limon ou d'autres particules en suspension dans l'eau absorbe la chaleur solaire. Cela réchauffe l'eau et réduit davantage la quantité d'oxygène dissous.
Études en direct de projets liés aux systèmes photovoltaïques flottants
Ces études s'intéressent à l'impact des systèmes photovoltaïques flottants sur le type de paramètres que nous avons étudiés jusqu'à présent.
De Lima et al., 2021 : Exploration sous-marine à Bomhofsplas
- Emplacement : lac Bomhofsplas, puits d'extraction de sable à Zwolle, Pays-Bas
- Taille : 70 ha
- Couverture du lac par les systèmes photovoltaïques flottants : 26 %
- Capacité installée : 27,4 MWc
Dans le cadre de cette étude de 10 mois[35], des mesures ont été prises à l'aide de drones et de capteurs sous-marins. Ces mesures ont été prises à différentes profondeurs et à deux endroits : sous les systèmes photovoltaïques flottants et en eau libre.
Figure 2. (a) Les points sur la carte indiquent la position des capteurs et des plongées du drone sous-marin ; au centre du parc solaire (point rouge) et en eau libre/à l'endroit de référence (point jaune). (b) Schématisation verticale des différents capteurs positionnés à différentes profondeurs.
L'étude a révélé des différences négligeables d'équilibre des températures et de comportement de stratification entre l'eau située sous le parc solaire et le plan d'eau libre. La conductivité électrique était similaire sur les deux sites, mais en moyenne 6,6 % plus élevée en eau libre.
Au début du mois de septembre, la conductivité électrique a soudainement chuté au niveau du point de référence, mais pas sous les panneaux solaires flottants. En cas de changements météorologiques soudains, la couverture fournie par les panneaux peut servir de protection.
Malgré les fluctuations, les niveaux d'oxygène dissous sont restés acceptables tout au long de l'expérience de suivi. Ils sont restés supérieurs à une concentration minimale de 6,48 mg/l et à une saturation de 65,87 %. Pour les organismes vivants, la concentration minimale d'oxygène dissous dans l'eau doit être comprise entre 3 et 4 mg/l.[36]
Figure 3. Données sur la qualité de l'eau entre juillet et décembre 2020 : (a) comparaison entre la conductivité électrique au niveau du point de référence et sous le parc solaire et (b) niveaux d'oxygène dissous (concentration et saturation) sous les panneaux solaires flottants.
Les valeurs de température et de conductivité présentent de très faibles différences. En moyenne, la température était 3,3 % plus élevée sous les systèmes photovoltaïques flottants. La conductivité électrique était inférieure de 0,03 mS/cm en eau libre. Les systèmes photovoltaïques flottants ont un effet mineur sur l'équilibre des températures, la conductivité et le comportement de stratification.[35]
Deltares, 2022 : Analyse de la qualité de l'eau à Beilen
- Emplacement : Beilen, Pays-Bas
- Couverture du lac par les systèmes photovoltaïques flottants : 48 % (lac de 20 ha)
- Capacité installée : 15,9 MWp
Deltares est un institut de connaissances indépendant sur l'eau et le milieu sous-marin. Entre 2021 et 2022, il a surveillé les niveaux d'oxygène, la température de l'eau ainsi que la transparence de l'eau à différentes profondeurs et à différents endroits dans le cadre de ce projet.
Les résultats ont montré que la qualité de l'eau était similaire entre l'eau libre et l'eau située sous le parc solaire. En juillet, à la suite de mesures initiales réalisées à quatre profondeurs différentes, il a été décidé de passer à des mesures par mètre afin d'en savoir plus sur la couche intermédiaire.
En septembre, une couche intermédiaire d'environ 3 m à 7/8 m a été observée. À mesure que l'automne avançait, cette couche intermédiaire a disparu sans qu'aucune différence de température ne soit détectable entre l'eau libre et l'eau située sous les panneaux photovoltaïques flottants.
En janvier et en mars, l'eau s'est complètement mélangée, ce qui a entraîné des différences de température minimes en fonction de la profondeur. Le 30 mars 2022, une couche intermédiaire d'environ 2 à 4 m est réapparue. Là encore, il n'y avait aucune disparité de température entre l'eau située sous les panneaux photovoltaïques flottants et l'eau libre.
Les résultats suggèrent que, malgré les fluctuations saisonnières au niveau de la couche intermédiaire, la température de l'eau est restée constante sous le parc solaire et en eau libre.
Figure 4. Température de l'eau à différentes profondeurs en eau libre et sous le parc solaire.
Enviso, 2023 : Surveillance continue à Lippe Gabrielsplas
- Emplacement : Lippe Gabrielsplas, Pays-Bas
- Couverture du lac par les systèmes photovoltaïques flottants : 35 % (taille du lac : 23 ha)
- Capacité installée : 13,7 MWp
Le bureau d'ingénieurs Enviso a évalué ce site entre 2022 et 2023, comparant à nouveau l'eau libre à l'eau située sous les modules photovoltaïques flottants. Pendant les mois les plus chauds, une légère différence de température de 0,5 à 1 °C a été observée au niveau de la couche d'eau supérieure. Ce phénomène était potentiellement lié à l'ombrage causé par le parc solaire.
Cependant, aucune différence importante des niveaux d'oxygène dissous n'a été relevée au niveau de la couche supérieure ou à une profondeur de 8 à 9 m. Les résultats n'ont pas montré de différence notable entre les mesures effectuées en eau libre et celles effectuées sous les panneaux solaires.
Figure 5. Température de l'eau et oxygène mesurés à différentes profondeurs sous le parc solaire (01) et en eau libre (02)
Yang et al., 2022 : Modélisation théorique à Singapour
- Emplacement : réservoir de Tengeh, Singapour
- Taille : 42 ha
- Couverture du lac par les systèmes photovoltaïques flottants : 30 %
En dehors des frontières de l'UE, cette étude[37] a analysé comment une installation hypothétique affecterait la température de l'eau et les paramètres de qualité de l'eau dans un réservoir tropical peu profond.
Pour examiner les effets sur la qualité de l'eau, un modèle de lac hydrodynamique-écologique tridimensionnel ainsi que des mesures sur le terrain ont été utilisés. Un système photovoltaïque flottant de démonstration de 1 ha et une maquette de 6 m² ont été installés dans le réservoir de Tengeh afin d'analyser les changements de qualité de l'eau sous le panneau par rapport aux conditions en eau libre.
Les résultats ont mis en évidence des niveaux d'oxygène dissous plus faibles sous les panneaux solaires (7,97 mg/l) qu'en eau libre (8,48 mg/l), mais toujours situés dans la plage acceptable pour les organismes vivants. Une légère augmentation du pH (à hauteur de 0,5) et de la température de l'eau de surface (à hauteur de 0,5 °C) a été observée sous les panneaux de démonstration.