L'énergie Hydroélectrique

L’énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique renouvelable qui est issue de la conversion de l’énergie hydraulique en électricité. L’énergie cinétique du courant d’eau, naturel ou généré par la différence de niveau, est transformée en énergie mécanique par une turbine hydraulique, puis en énergie électrique par une génératrice électrique synchrone.

En 2019, la puissance installée des centrales hydroélectriques atteint 1 308 gigawatts, produisant environ 4 306 térawattheures par an, soit 70 % de la production mondiale d’énergie renouvelable et 15,8 % de la production mondiale d’électricité en 2018. Les atouts de l’hydroélectricité sont son caractère renouvelable, son faible coût d’exploitation et ses faibles émissions de gaz à effet de serre ; la capacité de stockage de ses réservoirs contribue à la compensation des variations de la demande ainsi que de celles des énergies intermittentes (éolien, solaire). Elle a toutefois des impacts sociaux et environnementaux, particulièrement dans le cas des barrages implantés dans les régions non montagneuses : déplacements de population, éventuellement inondations de terres arablesfragmentation et modifications des écosystèmes aquatique et terrestre, blocage des alluvions, etc..

Les principaux producteurs d’hydroélectricité en 2019 sont la Chine (30,2 %), le Canada (9,2 %), le Brésil (9,0 %) et les États-Unis (6,4 %), dont les centrales figurent parmi les plus puissantes.

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 horlogères et papetières des Alpes y ont beaucoup eu 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

Techniques De Production de L’Energie Hydroélectrique :

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 ».

Les Centrales Hydroélectriques

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 sont celles mettant à profit l’énergie potentielle liée à la dénivellation entre le réservoir et la centrale. On peut classer les centrales 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 :

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 basen 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 :

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. Il est évident que la vitesse de remplissage a un impact direct sur la flexibilité d’utilisation.

Classement par 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 (supérieures à 200 m)
  • les moyennes chutes (entre 50 et 200 m)
  • les basses chutes (inférieures à 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 (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).

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.

 

  • A partir 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[réf. souhaitée].

Au début du mois d’août 1995, l’Ocean Swell Powered Renewable Energy (en) (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 transmise 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. 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.

 

  • A partir des courants marins.

 

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

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.

L’hydroélectricité est considérée comme une énergie renouvelable, à la différence du pétrole ou du gaz naturel.

Certaines recherches 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). 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…

Depuis la création du barrage des Trois Gorges sur le fleuve Yangzi en Chine en 2014, ce pays est leader en matière de production d’hydroélectricité, en Asie, mais aussi en Afrique12 et en Amérique du Sud13. Les enjeux économiques de telles constructions, ainsi que la lutte contre le réchauffement climatique, se trouvent l’emporter sur les autres enjeux écologiques.