A la suite de notre article concernant l’énergie du vent avec les premiers moulins à vent, nous vous en proposons un aujourd’hui sur l’énergie hydroélectriques et les moulins à eau.
Il semble avec nos connaissances actuelles, que le moulin à eau soit le grand frère du moulin à vent ce qui en ferait la première application génératrice de puissance que l’on pourrait qualifier « d’industriel ». Elle reste aujourd’hui une énergie de choix car produisant plus de la moitié du bouquet de production renouvelable en France et allant jusqu’à 80% dans le mix mondial des Energies Renouvelables (ENR).
L'énergie hydroélectrique, est une énergie renouvelable qui est issue de la conversion de l'énergie hydraulique en électricité.
Cette énergie est fournie par la force cinétique de l'écoulement gravitaire de l'eau. Pour le moulin à eau, celle-ci fait tourner une roue, qui transmet son mouvement à divers mécanismes. Les systèmes les moins performants sont ceux induits par le courant, donc dépendant du débit de l'eau.
Source EDF : La production d'électricité par EDF en France continentale en 2021
L’hydroélectricité est la deuxième source de production électrique derrière le nucléaire et la première source d’électricité renouvelable en France.
L'hydraulique représentait 11,2% dans la production d'électricité française en 2019, 12,4 % en 2021 avec une production de 62.5 TWh et 11.1% en 2022 avec une production de 49,6 TWh.
Il est considéré en France que nous sommes déjà à plus de 80% de la place disponible pour l'installation de centrales gravitaires et de stations de pompage sur le territoire Français. En revanche des projets d'amélioration des performances des infrastructures existantes sont plutôt à l'étude.
On retrouve différents types d'installation pour la production d'énergie. Si les plus répandues et efficaces utilisent le phénomène de chute d'eau via les centrales gravitaires, les systèmes les moins performants sont ceux qui sont mus par le courant d'une rivière et qui sont tributaires de cette vitesse. Des installations méconnues existent également et utilisent d'autres principes de l'eau, on vous l'explique ci-dessous.
Les différentes installations
Au fil du temps, de nombreux modèles d'installation ont été développé :
Les centrales gravitaires ;
Centrales au fil de l’eau
Centrales d’éclusée
Centrales lacs
La Station de Transfert d’Énergie par Pompage (STEP) ;
Les hydroliennes ;
Les centrales marémotrices ;
L'énergie Houlomotrice.
1. Les centrales gravitaires
Les centrales gravitaires sont les plus connues en France et 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 ou d'une rivière et fournissent une énergie régulière pour le réseau électrique car produite « au fil de l’eau ». Elles nécessitent des aménagements simples et beaucoup moins coûteux que les centrales de plus forte puissance. 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 dans 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 sont issues des grands fleuves avec une forte pente comme le Rhin ou le Rhône, des barrages sur le fleuve ou d'un canal parallèle au fleuve. Elles 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 sont associées à une retenue d’eau créée par un barrage et sont nombreuses en France. Leur réservoir important permet un stockage saisonnier de l’eau et une modulation de la production d’électricité. Les centrales de lacs sont appelées durant les heures de plus forte consommation et permettent de répondre aux pics. L’usine peut être placée au pied du barrage ou plus bas. Dans ce cas, l’eau est transférée par des tunnels en charge du lac jusqu’à l’entrée de la centrale.
2. La STEP
La STEP ou Station de Transfert d’Énergie par Pompage, doit être vu comme un système de stockage. Le principe est de stocker l'énergie sous la forme d’eau. La STEP est constituée de deux retenues d’eau. Aux heures de consommation, la STEP fonctionne comme un barrage classique et va déverser l’eau du bassin de rétention jusqu’au bassin inférieur. Cependant durant les heures de surproduction électrique, l’eau du bassin inférieur est pompée pour être restockée dans le bassin supérieur aux heures de surproduction. A l’instar d’une batterie classique ou l’énergie électrique est stockée sous forme d’énergie chimique, la STEP stocke l’énergie électrique sous forme d’énergie brut.
La STEP n’est pas vue comme une centrale car son bilan de production est forcément négatif, elle consomme plus d’énergie lors du pompage de l’eau que lors de la chute. Nous l’associons donc à une batterie.
La STEP est utile pour répondre à la difficulté des producteurs d'énergie et gestionnaires de réseaux à moduler (hausse et baisse) la production électrique en fonction de la consommation sur le réseau électrique. Contrairement aux centrales nucléaires ou centrales photovoltaïques, la STEP bénéficie de la réactivité et permet une modulation. Même si la demande d’électricité est plus faible à certain moment, la production, elle, ne peut pas être arrêté, c'est pourquoi on pompera l’eau pour préparer la prochaine chute et absorber la surproduction électrique.
3. Les hydroliennes
Les hydroliennes sont des éoliennes spécifiques qui fonctionnent sous l'eau en utilisant l'énergie des courants marins. Le développement des hydroliennes est récent et déjà très prometteur mais très complexe du fait de l’érosion et la pression dans l’eau leur donnant une durée de vie plus limitée. Ces générateurs peuvent déployer une puissance beaucoup plus grande pour une taille beaucoup plus petite. Cependant elles créent des zones de perturbations pouvant affecter la vie maritime. L'installation d'hydroliennes notamment au niveau des courants de marées reste une voie très intéressante pour la production d'énergie avec les centrales marémotrices.
4. Les centrales marémotrices
L’énergie marémotrice consiste à exploiter l’énergie issue des marées dans des zones littorales de fort marnage (différence de hauteur d'eau entre la marée haute et la marée basse). Le phénomène de marée est induit par l’effet gravitationnel sur l’océan de deux astres à proximité de notre planète : la Lune et le Soleil.
Contrairement aux hydroliennes qui captent l’énergie cinétique des courants de marée, le principe d’une centrale marémotrice s’appuie sur une énergie potentielle : cette source d’énergie utilise le marnage pour produire de l’électricité en exploitant la différence de hauteur entre deux bassins séparés par un barrage.
La centrale de la Rance en Bretagne a été la première grande centrale marémotrice dans le monde et longtemps la plus puissante avec une capacité installée de 240 MW.
5. L'énergie Houlomotrice.
Le vent, en frappant la surface de l’océan, propage une onde mécanique, plus ou moins marquée en fonction de sa force : la vague est créée. L’énergie houlomotrice (énergie des vagues) n’est pas à confondre avec l'énergie marémotrice même si elle s’y rapproche.
Bien qu’à ce jour, aucun projet permettant la production d’énergie électrique sur du long terme à l’échelle commerciale n’ait encore été finalisé, ce secteur se développe rapidement. En effet, c’est une technologie difficile à maîtriser en raison de l’environnement marin, souvent hostile, qui impose aux systèmes de résister à des conditions extrêmes raccourcissant la durée de vie des composants.
Les technologies à placer dans les océans sont lourdes et grandes, et tout cela pour peu de puissance. Elles nécessitent donc beaucoup d’investissements, mais sont actuellement en cours de développement.
L’École centrale de Nantes a développé une plate-forme de démonstration et d’expérimentation (projet SEM REV) au large du Croisic. Elle permet d’accueillir et de tester des prototypes de systèmes à énergie des vagues et des éoliennes flottantes de taille réduite. Une étape importante pour la mise au point des différents systèmes de récupération d’énergie houlomotrice.
Comment ça marche ?
Nous parlerons ici du principe standard de fonctionnement des sites de production d'énergies hydroélectriques. Il s’agit en réalité de l’énergie cinétique généré par le mouvement de l’eau (courant naturel ou créé à partir d’une différence de niveau). Cette énergie est transformée en énergie mécanique par une turbine hydraulique puis transformée en énergie électrique.
Les centrales hydroélectriques 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 dériver latéralement l'excédent d'eau arrivant vers un étang de barrage tandis qu'un évacuateur de crues permet de les faire passer par la rivière sans danger pour les ouvrages.
La centrale ou usine, qui permet d’utiliser la chute d’eau afin d’actionner les turbines puis d’entraîner un alternateur.
1. La retenue de l'eau
Le barrage retient l'écoulement naturel de l'eau. De grandes quantités d'eau s'accumulent et forment un lac de retenue.
2. La conduite forcée de l'eau
Une fois l'eau stockée, des vannes sont ouvertes pour que l'eau s'engouffre dans de longs tuyaux métalliques appelés conduites forcées. Ces tuyaux conduisent l'eau vers la centrale hydraulique, située en contrebas.
La plupart des centrales hydrauliques en France sont automatisées. Chaque centrale se met en marche selon un programme prédéfini en fonction des besoins d'électricité.
3. La production d'électricité
À la sortie de la conduite, la force de l'eau fait tourner une turbine qui fait à son tour fonctionner un alternateur pour produire le courant alternatif. La puissance de la centrale dépend de la hauteur de la chute et du débit de l'eau. Plus ils seront importants, plus la puissance sera élevée.
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 noté « 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 hélices 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.
4. L'adaptation de la tension
Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à très haute et haute tension.
L'eau turbinée qui a perdu de sa puissance rejoint la rivière par un canal spécial appelé canal de fuite. Avec une capacité installée de 25,5 GW, le parc hydraulique est inégalement installé sur le territoire français. Les régions de montagne Auvergne Rhône-Alpes, Occitanie et Provence-Alpes-Côte d’Azur comptabilisent à elles seules plus de 80 % de la capacité installée hydraulique nationale.
Les enjeux de l'Energie hydraulique
L'énergie hydroélectrique fait partie des énergies renouvelables et peut être une aubaine pour la stabilité énergétique et décarbonée des pays. Il est considéré par le GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) que les productions d'énergies d'origines hydraulique sont nettement moins émettrices en CO2 que les autres ENR (jusqu'à x 20) et encore plus que les énergies fossiles (jusqu'à x 200).
Cependant il est a prendre en compte qu'elle peut causer des impacts environnementaux majeurs. La déformation des paysages naturels et la perturbation de l’écosystème durant la phase de travaux d’une centrale sont souvent jugés comme rédhibitoires pour les généraliser.
Pour exemple le barrage de Serre-Ponçon, qui est la plus puissante centrale hydroélectriques de la région PACA avec 380 MW, a engendré la création de la retenue d'eau dont fait partie le lac de sainte croix. Ceci a nécessité le déplacement des populations de la vallée et deux villages ont disparus sous les eaux. Aujourd'hui la nature a repris ses droits et pour y avoir passé de nombreux étés, il s'agit d'une belle destination nature entre pédalo, pêche, et camping, mais pas sur que les anciens soit du même avis.
Beaucoup de pays ont d'ailleurs beaucoup développé des centrales hydroélectriques.
La Chine, depuis la création du barrage des Trois Gorges sur le fleuve Yangzi en 2014, est devenu leader en matière de production d'hydroélectricité avec 18,2 GW. Mais aussi en Afrique et en Amérique du Sud des projets se développent. Il s'avère que les enjeux économiques de telles constructions, ainsi que la lutte contre le réchauffement climatique, se trouvent l’emporter sur les autres enjeux écologiques.