Énergie hydroélectrique

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 Ne doit pas être confondu avec Énergie hydraulique.

L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique renouvelable qui est issue de la conversion de l'énergie hydraulique en électricité. L'énergie du courant d'eau est transformée en énergie mécanique par une turbine hydraulique, puis en énergie électrique par une machine synchrone.

En 2013, l’énergie hydroélectrique représente environ 16 % de la production mondiale d’électricité[1] et possède de nombreux atouts. C'est une énergie renouvelable, d'un faible coût d'exploitation et qui est responsable d'une faible émission de gaz à effet de serre. Elle présente toutefois des inconvénients sociaux et environnementaux particulièrement dans le cas des barrages implantés dans les régions non montagneuses : déplacements de population, éventuellement inondations de terres agricoles, modifications des écosystèmes aquatique et terrestre, blocage des alluvionsetc.

Troisième source de production d'électricité mondiale, l’énergie hydroélectrique est amenée à se développer en intégrant la protection des ressources piscicoles et en s’articulant avec d’autres énergies renouvelables comme l’éolien ou d’autres systèmes hybrides (par exemple avec l’hydrogène).

Principes[modifier | modifier le code]

Vue en coupe d'une turbine hydraulique couplée à un générateur électrique.
- A:Générateur avec 1:Stator et 2:Rotor réglables
- B: Turbine: avec 3:Vannes 4:Pales turbine, 5:Flux d'eau et 6:Axe de rotation

L'énergie électrique est produite par la transformation de l'énergie cinétique de l'eau en énergie électrique par l'intermédiaire d'une turbine hydraulique couplée à un générateur électrique. Pour les barrages par accumulation la quantité d'énergie disponible, sur une période donnée, dans la réserve d'eau d'un barrage dépend de son volume, des apports et pertes naturels sur la période et de la hauteur de chute. Pour les barrages au fil de l'eau la quantité d'énergie produite est directement liée au débit (m3/s, m3/h, m3/j, m3/an).

Il existe quatre grands types de turbines. Le choix du type de turbine le plus adapté est fait par le calcul de la vitesse spécifique notée ns.

  • La turbine Pelton, adaptée aux hautes chutes, avec une roue à augets, inventée par Lester Allan Pelton en 1879. Elle est conçue pour les hauteurs de chute de plus de 200 mètres ;
  • La turbine Francis, plutôt montée pour des chutes moyennes, voire hautes, avec une roue à aubes simple ou double. Conçue par James B. Francis en 1868 ;
  • La turbine Kaplan, inventée en 1912, parfaitement adaptée aux basses chutes et forts débits, avec une roue de type hélice, comme celle d'un bateau. Viktor Kaplan a mis au point une roue à hélice dont les pales peuvent s'orienter en fonction des débits utilisables ;
  • La turbine Wells, assez peu connue, utilise le mouvement de l'air provoqué par le mouvement des vagues à travers un tube vertical. Principe développé par Alan Wells.

Histoire[modifier | modifier le code]

Entrée monumentale de l'exposition de 1925

Les êtres humains se servent de moulins à eau actionnés par des roues à aubes pour moudre le blé depuis plus de deux mille ans. Les industries horlogère et papetière des Alpes y ont beaucoup recours du fait de l'abondance des torrents descendant jusque dans les vallées. Au XIXe siècle, les roues à aubes sont utilisées pour produire de l'électricité puis, sont remplacées par les turbines.

En 1869, l'ingénieur Aristide Bergès l'utilise sur une chute de deux cents mètres à Lancey pour faire tourner ses défibreurs, râpant le bois afin d'en faire de la pâte à papier. Il parle de « houille blanche » en 1878 à Grenoble, puis à la foire de Lyon en 1887 et lors de l'Exposition universelle de Paris de 1889.

Dès les années 1900, les progrès technologiques de l'hydroélectricité suisse sont à l'origine d'intenses spéculations boursières sur les sociétés hydroélectriques, qui profitent aux implantations industrielles dans les Alpes.

Dans les années 1920, une rapide expansion de l'électricité voit le jour en France, avec une multiplication par huit de la production d'électricité hydraulique grâce aux premiers barrages.

En 1925, Grenoble organise l'Exposition internationale de la houille blanche.



Centrales hydroélectriques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Énergie hydraulique.
Schéma en coupe d'un barrage hydroélectrique.
- A : réservoir,
- B : centrale électrique,
- C : turbine,
- D : générateur,
- E : vanne,
- F : conduite forcée,
- G : lignes haute tension,
- H : rivière
Salle des machines de la centrale hydroélectrique de Fessenheim. On reconnait les générateurs peints en bleu.

Il existe trois formes principales de production d'énergie hydroélectrique :

  • les centrales dites gravitaires, ainsi nommées car les apports d'eau dans leur réservoir ou leur prise d'eau sont essentiellement issus de cours d'eau par gravitation, telles que les centrales au fil de l'eau ou les centrales hydroélectriques de lac ;
  • les stations de transfert d'énergie par pompage (S-T-E-P), aussi connues sous l'appellation centrales hydrauliques à réserve pompée ou centrale de pompage-turbinage, dans lesquelles des turbines réversibles pompent l'eau d'un bassin inférieur vers un bassin supérieur. Elles comprennent aussi fréquemment une partie gravitaire. Le transfert est un transfert temporel (pompage durant le creux de la demande à partir d'électricité produite par des équipements de base et production d'électricité par turbinage durant la pointe, en substitution ou en complément à celle, plus coûteuse, des équipements de pointe) ;
  • les usines marémotrices, qui utilisent l'énergie du mouvement des mers, qu'il s'agisse du flux alterné des marées (marémotrice au sens strict), des courants marins permanents (hydroliennes au sens strict) ou du mouvement des vagues.

Les centrales gravitaires[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Petite centrale hydroélectrique.

Les centrales gravitaires sont celles mettant à profit l'écoulement de l'eau au long d'une dénivellation du sol. On peut les classer selon trois types de fonctionnement, déterminant un service différent pour le système électrique. Ce classement se fait en fonction de la constante de vidage, qui correspond au temps théorique qui serait nécessaire pour vider la réserve en turbinant à la puissance maximale.

Classement par type de fonctionnement[modifier | modifier le code]

On distingue ainsi :

  • les centrales au fil de l'eau, dont la constante de vidage est généralement inférieure à deux heures ;
  • les centrales « éclusées », dont la constante de vidage est comprise entre deux et deux cents heures ;
  • les « lacs » (ou réservoirs), dont la constante de vidage est supérieure à deux cents heures.

Les centrales au fil de l'eau, principalement installées dans des zones de plaines présentent pour ces raisons des retenues de faible hauteur. Elles utilisent le débit du fleuve tel qu'il se présente, sans capacité significative de modulation par stockage. Elles fournissent une énergie en base[n 1] très peu coûteuse. Elles sont typiques des aménagements réalisés sur les fleuves importants tel que le Rhône et le Rhin.

Les centrales éclusées présentent des lacs plus importants, leur permettant une modulation dans la journée voire la semaine. Leur gestion permet de suivre la variation de la consommation sur ces horizons de temps (pics de consommation du matin et du soir, différence entre jours ouvrés et weekend, etc.). Elles sont typiques des aménagements réalisés en moyenne montagne.

Les centrales-lacs correspondent aux ouvrages présentant les réservoirs les plus importants. Ceux-ci permettent un stockage saisonnier de l'eau, et une modulation de la production pour passer les pics de charge de consommation électrique : l'été pour les pays où la pointe de consommation est déterminée par la climatisation, l'hiver pour ceux où elle est déterminée par le chauffage. Ces centrales sont typiques des aménagements réalisés en moyenne et haute montagne.

Les deux derniers types de lacs permettent par rétention de l'eau un certain stockage d'énergie (énergie potentielle de chute), permettant de lisser, au moins partiellement, la production d'électricité.

Classement par type de remplissage[modifier | modifier le code]

Il est également possible de classer les centrales en fonction des caractéristiques de remplissage de leur réservoir qui conditionne l'usage électrique qui peut en être fait.

Par exemple, le remplissage de certains réservoirs peut statistiquement être obtenu de façon hebdomadaire, saisonnière, annuelle, voire pluriannuelle, dans le cas de très grandes étendues d'eau comme le réservoir de Caniapiscau, créé dans le cadre du projet de la Baie-James, au Québec[2]. Il est évident que la vitesse de remplissage a un impact direct sur la flexibilité d'utilisation.

Classement par hauteur de chute[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Hauteur de chute.

Enfin, on peut classer les ouvrages en fonction de leur hauteur de chute, c'est-à-dire de la différence d'altitude entre le miroir théorique du réservoir plein et la turbine. Cette hauteur de chute détermine les types de turbines utilisées.

On distingue ainsi :

  • les hautes chutes (> 200 m)
  • les moyennes chutes (entre 50 et 200 m)
  • les basses chutes (< 50 m)

Entre ces trois types de classement, il n'existe pas d'équivalence stricte mais une forte corrélation :

  • Les centrales au fil de l'eau ont en général un remplissage fréquent avec des apports réguliers, et de faible hauteur de chute ;
  • les éclusées ont un remplissage quotidien ou hebdomadaire influencé par la saison (saison de crues) et des hauteurs de chute moyenne, plus rarement haute ;
  • les lacs ont des remplissages en général saisonniers (fonte des neiges ou saison des pluies) et des hauteurs de chutes importantes.

Les stations de transfert d'énergie par pompage[modifier | modifier le code]

Mesurant 285 mètres de haut, la Grande Dixence est le plus haut barrage poids du monde (Valais, Suisse)
Article détaillé : Pompage-turbinage.

Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), en plus de produire de l'énergie à partir de l'écoulement naturel, comportent un mode pompage permettant de stocker l'énergie produite par d'autres types de centrales lorsque la consommation est inférieure à la production, par exemple la nuit, pour la redistribuer, en mode turbinage, lors des pics de consommation.

Ces centrales possèdent deux bassins, un bassin supérieur et un bassin inférieur entre lesquels est placée une machine hydroélectrique réversible : la partie hydraulique peut fonctionner aussi bien en pompe, qu'en turbine et la partie électrique aussi bien en moteur qu'en alternateur (machine synchrone). En mode accumulation la machine utilise la puissance disponible sur le réseau pour remonter l'eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur et en mode production la machine convertit l'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau en électricité.

Le rendement (rapport entre électricité consommée et électricité produite) est de l'ordre de 82 %.

Ce type de centrale présente un intérêt économique lorsque les coûts marginaux de production varient significativement sur une période de temps donnée (le jour, la semaine, la saison, l'année, etc.). Elles permettent en effet de stocker de l'énergie gravitaire, dans les périodes où ces coûts sont bas, pour en disposer dans les périodes où ils sont élevés.

C'est par exemple le cas s'il existe des variations récurrentes importantes de la demande (entre été et hiver, jour ou nuit, etc.), des productions « fatales » en quantité importante, qui seraient sinon perdues (énergie éolienne) ou des productions d'énergie en base faiblement modulables (nucléaire, hydraulique de fil de l'eau).

Les centrales maritimes[modifier | modifier le code]

À partir des marées[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Énergie marémotrice.

Une usine marémotrice est une centrale hydroélectrique qui utilise l'énergie des marées pour produire de l'électricité. L'usine marémotrice de la Rance mise en service en 1966, pour pallier la faible production d'électricité en Bretagne, en est un exemple.

À partir des vagues[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Énergie des vagues.

Le Japon s’est intéressé le premier aux ressources de la houle à partir de 1945, suivi par la Norvège et le Royaume-Uni.

Au début du mois d’août 1995, l’Ocean Swell Powered Renewable Energy (OSPREY), la première centrale électrique utilisant l’énergie des vagues, est installée au nord de l’Écosse. Le principe est le suivant : les vagues pénètrent dans une sorte de caisson immergé, ouvert à la base, poussent de l’air dans les turbines qui actionnent les alternateurs générant l'électricité. Cette dernière est ensuite transmis par câble sous-marin à la côte, distante d’environ 300 mètres. La centrale avait une puissance de 2 MW, malheureusement, cet ouvrage, endommagé par les vagues, a été anéanti par la queue de l'ouragan Felix en 2007. Ses créateurs ne se découragent pas, et une nouvelle machine, moins chère et plus performante, est actuellement mise au point[Quand ?]. Elle doit permettre de fournir de l'électricité aux petites îles qui en manquent et, d'alimenter une usine de dessalement de l'eau de mer.

À partir des courants marins[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Hydrolienne.

Un projet de la société britannique Marine Current Turbines (en) a prévu d'utiliser des hydroliennes qui utilisent les courants marins de manière similaire à une hélice de bateau pour produire de l'électricité.

Utilisation dans le monde[modifier | modifier le code]

Le barrage des Trois-Gorges, dans la province du Hubei en Chine, est le plus grand barrage ainsi que le plus grand générateur d'électricité au monde[3].

Synthèse mondiale[modifier | modifier le code]

L'eau qui est la source de l’énergie hydroélectrique est stockable : la production d’électricité peut donc être stockée pendant les heures creuses pour être utilisée en pointe, c’est-à-dire quand la demande est la plus forte sur le réseau public de distribution électrique. La production d'hydroélectricité est limitée par le débit et les réserves d'eau disponibles ; ces réserves dépendent du climat, des pompages réalisés en amont des retenues (par exemple pour l'irrigation) et de la taille des retenues d’eau (barrages).

La puissance hydroélectrique installée dans le monde atteignait 1 036 GW en 2014[h 1], auxquels s'ajoutent 142 GW de pompage-turbinage[h 2] ; elle représentait 18,7 % de la puissance électrique mondiale en 2012 selon la CIA[4] et 10,7 % en Europe en 2011[5]. Les ajouts de nouvelles capacités ont atteint 37,4 GW en 2014 (dont 1,5 GW de pompage-turbinage), soit une progression de 3,7 %[h 1]. En 2015 (données provisoires), les mises en service se sont élevées à 33 GW (dont 2,5 GW de pompage-turbinage), portant la puissance installée mondiale à 1 211 GW dont 145 GW de pompage-turbinage. La Chine a continué à dominer le marché avec 19,4 GW de nouvelles installations, portant sa puissance installée à 320 GW. La production 2015 est estimée à 3 975 TWh[6].

Cependant, la proportion d'énergie hydroélectrique produite est moindre que celle de la puissance installée : environ 16 % de la production électrique mondiale[h 3], mais elle joue un rôle particulièrement important pour assurer l’équilibre instantané entre la production et la consommation d’électricité ; en effet, l'énergie hydroélectrique est, grâce à sa souplesse (mobilisable en quelques minutes), une variable d'ajustement indispensable car l'énergie électrique se stocke très difficilement en quantité importante.

Puissance installée et production d'hydroélectricité en 2014
Région Puissance centrales conventionnelles
GW
Puissance pompage-turbinage
GW
Ajouts 2014[h 4]
MW
Production
2014 (TWh)
Production
2015 (TWh)
Afrique 27,0 2,0 128 112 120
Asie Méridionale et Centrale 156,0 6,4 4 073 455 455
Asie Orientale et Pacifique 364,0 59,0 24 724 1 330 1 400
Europe 166,1 50,9 405 633 633
Amérique du Nord et Centrale 175,6 22,5 3 081 690 682
Amérique du Sud 147,9 1,0 4 979 680 685
Principaux pays producteurs
Drapeau de la République populaire de Chine Chine 280 21,8 21 850 1 064
Drapeau du Brésil Brésil 89,3 3 312 393
Drapeau du Canada Canada 77,6 0,2 1 995 375
Drapeau des États-Unis États-Unis 79,3 22,4 147[h 5] 259
Drapeau de la Russie Russie 49,1 1,4 1 168 164
Drapeau de la Norvège Norvège 28,7 1,4 136
Drapeau de l'Inde Inde 44,8 4,8 1 972[h 6] 131
Drapeau du Venezuela Venezuela 15,1 514[h 7] 78,2
Drapeau du Japon Japon 22,3 27,4 78
Drapeau de la France France 18,4 7 67
Source des données : International Hydropower Association[h 8] ; 2015 : provisoire[6]

La Chine, le Canada, le Brésil et les États-Unis sont les plus gros producteurs d'hydroélectricité. Mais la place de cette énergie renouvelable dans la production nationale d'électricité est très variable et quatre pays se démarquent avec en 2013 des parts de 96,1 % en Norvège, 68,6 % au Brésil, 67,8 % au Venezuela et 60,1 % au Canada[1].

Détails par pays[modifier | modifier le code]

Drapeau de la République populaire de Chine Chine

Article détaillé : Hydroélectricité en Chine.

Drapeau du Brésil Brésil

Article détaillé : Hydroélectricité au Brésil.

Drapeau du Canada Canada

Article détaillé : Hydroélectricité au Canada.

Drapeau : Québec Québec

Drapeau des États-Unis États-Unis

Article détaillé : Hydroélectricité aux États-Unis.

Drapeau de la Russie Russie

Article détaillé : Hydroélectricité en Russie.

Drapeau de l'Inde Inde

Article détaillé : Hydroélectricité en Inde.

Drapeau de la France France

Article détaillé : Hydroélectricité en France.

Drapeau de l'Espagne Espagne

Article détaillé : Hydroélectricité en Espagne.

Drapeau de la Norvège Norvège

Article détaillé : Hydroélectricité en Norvège.

Drapeau de la Suède Suède

Article détaillé : Hydroélectricité en Suède.

Drapeau de l'Islande Islande

Article détaillé : Énergie en Islande.

L'hydroélectricité représente la majeure partie de la production électrique. La plupart des centrales hydroélectriques sont détenues par Landsvirkjun, la compagnie nationale d'énergie, qui est le principal fournisseur électrique en Islande.

En 2008, les 14 centrales de Landsvirkjun ont produit 12 345 GWh d'électricité dont 11 866 GWh, soit 96 %, provenaient de l'hydroélectricité. De plus, 10 330 GWh, soit 84 %, était destinée aux industries à forte demande énergétique, comme les fonderies d'aluminium.

Drapeau de la Suisse Suisse

Article détaillé : Hydroélectricité en Suisse.

Après avoir représenté près de 90% de la production d'électricité en Suisse jusqu'au début des années 1970 avant le développement du nucléaire[7], l'énergie hydraulique produit actuellement 56% de l'électricité du pays[8]. La part de production de cette source pour le pays va cependant reprendre de l'importance avec la sortie programmée du nucléaire.

Coût de l'hydroélectricité[modifier | modifier le code]

Malgré des coûts de mise en œuvre généralement élevés, les coûts de maintenance sont raisonnables, les installations sont prévues pour durer longtemps, il n'y a pas de coût de combustible et l'énergie de l'eau est renouvelable si elle est bien gérée. Le coût du kWh varie dans des proportions considérables selon les caractéristiques de l'aménagement réalisé ; celui des barrages géants sur les grands fleuves peut être extrêmement bas, attirant les industries électro-intensives telles que l'aluminium ; mais des centrales à coûts élevés peuvent être très rentables du fait de leur souplesse de fonctionnement et de leur capacité de régularisation de la production globale.

Environnement[modifier | modifier le code]

L'hydroélectricité est considérée comme une énergie propre et inépuisable, contrairement au pétrole ou au gaz naturel. Certaines recherches[9] émettent des doutes sur le bilan en gaz à effet de serre des systèmes hydroélectriques. L'activité bactériologique dans l'eau des barrages, surtout en régions tropicales, relâcherait d'importantes quantités de méthane (gaz ayant un effet de serre 20 fois plus puissant que le CO2).

Les impacts environnementaux varient avec le type et la taille de la structure mise en place : ils sont faibles s'il s'agit d’exploiter les chutes d’eau naturelles, les courants marins, les vagues, mais ils deviennent très importants s'il s’agit de créer des barrages et des retenues d'eau artificielles. Dans ce dernier cas, on critique généralement la disparition de terres agricoles et de villages (entrainant des déplacements de population) ainsi que la perturbation du déplacement de la faune (pas seulement aquatique) et, globalement, de tout l'écosystème environnant.

Un exemple notable d'impact environnemental majeur est la destruction de la Cascade des Sept Chutes, à la frontière entre le Brésil et le Paraguay, en 1982 par le barrage d'Itaipu. Aujourd'hui deuxième, il s'agissait du plus grand barrage au monde lors de son entrée en opérations. Deux semaines ont suffi pour que les retenues d'eau artificielles du barrage submergent la région des chutes. Le gouvernement brésilien a ensuite fait dynamiter les monts qui restaient hors de l'eau, détruisant ainsi l'une des principales merveille naturelles du monde.

Il faut remarquer que dans les projets de barrages, la production d'hydroélectricité est fréquemment complémentaire, d'autres finalités telles que la maîtrise des crues et de leurs conséquences, l'amélioration de la navigabilité d'un cours d'eau, l'alimentation en eau de canaux, la constitution de stocks d'eau pour l'irrigation, le tourisme...

Le Projet de barrage de Belo Monte est très vivement critiqué par les Amérindiens dont le Chef Raoni et par les écologistes car le barrage provoquera la déforestation d'une partie de la forêt amazonienne.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Par énergie en base on entend une production très faiblement modulée en puissance.

Rapport 2015 sur le statut de l'hydroélectricité, hydropower.org[modifier | modifier le code]

  1. a et b p. 3
  2. p. 4
  3. p. 8
  4. p. 6-7
  5. p. 30
  6. p. 60
  7. p. 36
  8. p. 72-73

Autres références[modifier | modifier le code]

  1. a et b (en) [PDF] Agence internationale de l’énergie (AIE - en anglais : International Energy Agency - IEA) Key World Energy Statistics 2015, 6 novembre 2015, voir pages 19 et 24.
  2. Société d'énergie de la Baie James, Le complexe hydroélectrique de la Grande Rivière : réalisation de la première phase, Montréal, Société d'énergie de la Baie James / Éditions de la Chenelière, , 496 p. (ISBN 2-89310-010-4), p. 321.
  3. (en) The Top 100 - Part I The World's Largest Power Plants, sur le site industcards.com
  4. (en)The World Factbook : World - Electricity - installed generating capacity, Central Intelligence Agency, consulté le 29 mars 2016.
  5. (en)The World Factbook : European Union - Electricity - installed generating capacity, Central Intelligence Agency, consulté le 29 mars 2016.
  6. a et b (en)2016 Key Trends in Hydropower, International Hydropower Association.
  7. Office fédéral de l'énergie OFEN, « Force hydraulique », sur le site officiel de l'administration fédérale suisse,‎ (consulté le 29 octobre 2014).
  8. Fédération romande pour l'énergie, « Situation délicate de la force hydraulique en Suisse », sur frenergie.ch,‎ (consulté le 29 octobre 2014).
  9. Voir : Les barrages plus polluants que les centrales à charbon ou l'article original en anglais : Methane quashes green credentials of hydropower. Voir aussi Les effets environnementaux de l’hydroélectricité, archive Wikiwix)

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Pierre Crausse & François Vieillefosse, De l’eau à la lumière, un siècle d’énergie hydroélectrique en France, Toulouse, Nouvelles Éditions Loubatières, 2011, (ISBN 978-2-86266-649-5)
  • Pierre Lavy (2011) Mini-centrales hydroélectriques ; Ed:Eyrolles 2011-03-24, 110 p

Mathieu RUILLET,

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Projets hydroélectriques notoires[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]