Hydroélectricité

L’hydroélectricité ou énergie hydroélectrique exploite l’énergie potentielle des flux d’eau (fleuves, rivières, chutes d’eau, courants marins, etc.). L’énergie cinétique du courant d’eau est transformée en énergie mécanique par une turbine, puis en énergie électrique par un alternateur.

L’hydroélectricité constitue la première source renouvelable et la troisième source - toutes filières confondues - de production électrique au monde (15,8% en 2018)⁽¹⁾ derrière le charbon (38%) et le gaz (23,2%). En France métropolitaine, la production hydroélectrique a atteint 60 TWh en 2019, soit 11,2% de la production nationale d’électricité cette année-là.

Une centrale hydroélectrique se compose d’une retenue d’eau (prise « au fil de l’eau » ou barrage) ainsi que d’une installation de production.

Les centrales gravitaires

Les centrales gravitaires mettent à profit l’écoulement de l’eau et un dénivelé. Elles peuvent être classées en fonction du débit turbiné et de leur hauteur de chute. Il existe trois types de centrales gravitaires (ici énumérées par ordre d’importance dans le mix hydraulique):

• les centrales au fil de l’eau utilisent le débit d’un fleuve et fournissent une énergie de base produite « au fil de l’eau » et injectée immédiatement sur le réseau. Elles nécessitent des aménagements simples et beaucoup moins coûteux que les centrales de plus forte puissance : petits ouvrages de dérivation, petits barrages servant à dériver le débit disponible de la rivière vers la centrale, éventuellement un petit réservoir lorsque le débit de la rivière est trop faible (constante de vidage⁽²⁾ inférieure à 2 heures). Elles sont généralement constituées d’une prise d’eau, d’un tunnel ou d’un canal, puis d’une conduite forcée et d’une usine hydroélectrique située sur la rive de la rivière. La faible perte de charge⁽³⁾ dans le tunnel ou le canal permet à l’eau de prendre de la hauteur par rapport à la rivière et donc d’acquérir de l’énergie potentielle ;
• les centrales d’éclusée dans les grands fleuves à relativement forte pente comme le Rhin ou le Rhône, des barrages sur le fleuve ou sur un canal parallèle au fleuve provoquent des suites de chutes d’eau décamétriques qui ne perturbent pas la vallée dans son ensemble grâce à des digues parallèles au fleuve. Les usines hydroélectriques placées aux pieds des barrages turbinent l’eau du fleuve. Une gestion fine de l’eau stockée entre deux barrages permet de fournir de l’énergie de pointe en plus de l’énergie de base ;
• les centrales-lacs (ou centrales de hautes chutes) sont également associées à une retenue d’eau créée par un barrage. Leur réservoir important (constante de vidage de plus de 200 heures) permet un stockage saisonnier de l’eau et une modulation de la production d’électricité : les centrales de lac sont appelées durant les heures de plus forte consommation et permettent de répondre aux pics. Elles sont nombreuses en France. L’usine peut être placée au pied du barrage ou bien plus bas. Dans ce cas, l’eau est transférée par des tunnels en charge du lac jusqu’à l’entrée de la centrale.

Principe de fonctionnement d’une centrale gravitaire (©Connaissance des Énergies)

Les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP)

Les stations de transfert d’énergie par pompage (ou STEP) possèdent deux bassins, un bassin supérieur (par exemple, un lac d’altitude) et un bassin inférieur (par exemple une retenue artificielle) entre lesquels est placé un dispositif réversible pouvant aussi bien fonctionner comme pompe ou turbine pour la partie hydraulique et comme moteur ou alternateur pour la partie électrique. 

L’eau du bassin supérieur est turbinée en période de forte demande pour produire de l’électricité.  Puis, cette eau est pompée depuis le bassin inférieur vers le bassin supérieur dans les périodes où l’énergie est bon marché, et ainsi de suite. Les STEP ne sont pas considérées comme productrices d’énergie de source renouvelable puisqu’elles consomment de l’électricité pour remonter l’eau turbinée. Ce sont des installations de stockage d’énergie. Elles interviennent fréquemment pour des interventions de courte durée à la demande du réseau et en dernier recours (après les autres centrales hydrauliques) pour les interventions plus longues, notamment en raison du coût de l’eau à remonter. Le rendement entre l’énergie produite et l’énergie consommée est de l’ordre de 70% à 80%. L’opération se révèle rentable lorsque la différence de prix de l'électricité entre les périodes creuses (achet d’électricité à bas prix) et les périodes de pointe (vente d’électricité à prix élevé) est importante. La STEP de la vallée de l'Eau d'Olle se sert, par exemple, du lac du barrage du Verney comme retenue aval et du lac du barrage de Grand'Maison comme retenue amont.

Principe de fonctionnement d’une station de transfert d’énergie par pompage (©Connaissance des Énergies)

Les centrales utilisant l’énergie de la mer (marémotrices, hydroliennes, houlomotrices) sont décrites dans une fiche spécifique « énergies marines ».

Les centrales hydrauliques sont constituées de 2 principales unités :

• une retenue ou une prise d’eau (dans le cas des centrales au fil de l’eau) qui permet de créer une chute d’eau, avec généralement un réservoir de stockage afin que la centrale continue de fonctionner, même en période de basses eaux. Un canal de dérivation creusé peut permettre de dériver latéralement l'excédent d'eau arrivant vers un étang de barrage. Un évacuateur de crues permet de faire passer les crues de la rivière sans danger pour les ouvrages ;
• la centrale, appelée aussi usine, qui permet d’utiliser la chute d’eau afin d’actionner les turbines puis d’entraîner un alternateur.

Les barrages

• les plus fréquents, de loin, sont les barrages en remblai de terre ou d’enrochements obtenus en carrière par abattage à l’explosif. L’étanchéité est centrale (en argile ou en béton bitumineux) ou sur la surface amont (en béton de ciment ou en béton bitumineux). Ce type de barrage s’adapte à des géologies très variées ;
• les barrages poids construits d’abord en maçonnerie, puis en béton puis plus récemment en béton compacté au rouleau BCR) qui permet d’importantes économies de temps et d’argent. Le rocher de fondation doit être de bonne qualité ;
• les barrages voutes en béton adaptés aux vallées relativement étroites et dont les rives sont constituées de rocher de  bonne qualité. La subtilité de leurs formes permet de diminuer la quantité de béton et de réaliser des barrages économiques ;
• les barrages à voutes multiples et à contreforts ne sont plus construits. Les barrages poids en BCR les remplacent.

Les turbines

Les centrales sont équipées de turbines qui transforment l’énergie du flux d’eau en une rotation mécanique de façon à actionner des alternateurs.

Le type de turbine utilisé dépend  de la hauteur de la chute d’eau :

• pour les très faibles hauteurs de chute (1 à 30 mètres), des turbines à bulbe peuvent être utilisées ;
• pour les faibles chutes (5 à 50 mètres) et les débits importants, la turbine Kaplan est privilégiée : ses pales sont orientables ce qui permet d’ajuster la puissance de la turbine à la hauteur de chute en conservant un bon rendement ;
• la turbine Francis est utilisée pour les moyennes chutes (40 à 600 mètres) et moyen débit. L’eau entre par la périphérie des pales et est évacuée en leur centre ;
• la turbine Pelton est adaptée aux hautes chutes (200 à 1 800 mètres) et faible débit. Elle reçoit l’eau sous très haute pression par l’intermédiaire d’un injecteur (impact dynamique de l’eau sur l’auget).

Pour les petites centrales hydroélectriques, des turbines à prix bas (et dont le rendement est moins bon) et de concepts simples facilitent l’installation de petites unités.

Rentabilité et prévisibilité de la production

La construction de barrages est caractérisée par des investissements d’autant plus élevés que la hauteur de chute est importante et que la vallée est large. Ces dépenses d'investissements diffèrent fortement selon les caractéristiques de l'aménagement et les dépenses annexes liées aux contraintes sociales et environnementales, en particulier le coût des terrains expropriés. Les avantages économiques liés à la capacité de modulation de la production d’électricité permettent de rentabiliser ces investissements car la ressource hydraulique est gratuite et les frais d’entretien sont réduits.

L’énergie hydraulique permet de répondre aux besoins d’ajustement de la production électrique, notamment en stockant de l’eau dans de grands réservoirs au moyen de barrages ou de digues. Les fluctuations annuelles de la production hydraulique sont cependant importantes. Elles sont essentiellement liées aux précipitations. La production peut croître de 15% les années où la ressource hydraulique est forte et diminuer de 30% les années de grande sécheresse.

Impact social et environnemental

Il est parfois reproché à l'énergie hydraulique d’engendrer des déplacements de population, les rivières et les fleuves étant des lieux privilégiés pour installer des habitations. Par exemple, le barrage des Trois Gorges en Chine a entraîné le déplacement de près de deux millions de personnes. En raison d’une régulation modifiée de l’eau, les écosystèmes en amont et en aval des barrages peuvent être perturbés (notamment la migration des espèces aquatiques) bien que des dispositifs comme les passes à poissons soient installés.

Mesure de la puissance hydroélectrique

La puissance d’une centrale hydraulique peut se calculer par la formule suivante⁽⁹⁾:

P = Q.ρ.H.g.r

Avec :

• P : puissance (exprimée en W) ;
• Q : débit moyen mesuré en mètres cube par seconde ;
• ρ : masse volumique de l'eau, soit 1 000 kg/m³ ;
• H : hauteur de chute en mètres ;
• g : constante de gravité, soit près de 9,8 (m/s²) ;
• r : rendement de la centrale (compris entre 0,6 et 0,9)

Chiffres clés

Dans le monde :

• l'hydroélectricité a compté pour près de 15,8% de la production mondiale d'électricité en 2018 (avec une production annuelle d'environ 4 193 TWh) ;
• une dizaine de pays, dont quatre en Europe, produisent plus de la moitié de leur électricité grâce à l’hydraulique. La Norvège vient en tête, suivie par le Brésil, la Colombie, l’Islande, le Venezuela, le Canada, l’Autriche, la Nouvelle Zélande et la Suisse.

En France :

• la production hydroélectrique en France métropolitaine a atteint 60 TWh en 2019, soit 11,2% de la production nationale d’électricité cette année-là.
• la France métropolitaine dispose d'environ 2 300 installations hydroélectriques, de tailles et de puissances très diverses, dont 433 sont exploitées par EDF.

Les barrages moulins existent probablement depuis la préhistoire mais c'est au Moyen-âge qu'ils se sont fortement développés en Europe pour alimenter les moulins à eau, moudre le blé, fouler le lin, préparer le cuir, alimenter les martinets  et les forges, etc. À la fin du XIX^e siècle, la turbine remplace la roue hydraulique et les premiers barrages destinés à la production d’électricité font leur apparition, ce qui permet d’éloigner les usines des rivières et de partager l’électricité produite par des unités de tailles croissantes.