Découvrir l’hydroélectricité

Energie d'hier, aujourd'hui et demain

Pendant des siècles, les moulins à eau ont apporté à l’homme l’énergie mécanique nécessaire pour la mouture du grain, le sciage du bois, le travail du bois et du papier . Au 19ème siècle, après l’avènement de l’électricité, la création du moteur hydraulique (ou turbine) révolutionne l’artisanat et l’industrie. Les compagnies d’électricité équipent les cours d’eau de turbines hydrauliques pour alimenter en électricité les industries métallurgiques et chimiques, grosses consommatrices. Progressivement, une multitude de petites centrales de petites puissances voient le jour le long des cours d’eau et permettent l’électrification du pays. Avec la croissance de la demande en énergie, de grands équipements hydroélectriques voient le jour et enjoignent l’Etat à légiférer pour optimiser l’utilisation de l’énergie hydraulique. Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, la Loi de 1946 établit la nationalisation de la production, du transport de la distribution, de l’importation, de l’exportation et de la fourniture d’électricité, et créé EDF, monopole d’Etat. Elle fixa également les condition de l’obligation d’achat par EDF de la production des centrales hydroélectriques d’une puissance inférieure à 8 MW.

Aujourd’hui, le parc hydroélectrique français se compose de 2 400 centrales hydroélectriques, dont  environ 2 300 petites centrales (d’une puissance <10MW)  détenues par les producteurs autonomes, EDF et Engie.

• L’hydroélectricité est la première source d’électricité renouvelable du pays : elle produit en moyenne 65 TWh par an d’électricité propre (3 fois plus que la production éolienne et 8 fois plus que la production solaire).
• L’hydroélectricité est un pilier du réseau électrique français grâce à ses multiples qualités et sa complémentarité avec les autres énergies renouvelables dont elle accompagne le développement.
• L’hydroélectricité ne consomme pas d’eau (chaque goutte prélevée à la rivière lui est rendue plus en aval). Elle ne pollue pas, n’émet pas de déchet ou de gaz à effet de serre et ne fait pas appel à des matériaux rares. La conception des nouvelles centrales et la rénovation des centrales existantes prévoit systématiquement des aménagements environnementaux afin de favoriser la continuité écologique des cours d’eau.

Au fil du temps, l’hydroélectricité s’est développée partout sur le territoire : il en résulte une grande diversité d’installations hydroélectriques uniques, réalisées sur mesure en fonction de la situation géographique, du cours d’eau, … La classification du parc hydroélectrique peut s’établir sur différents critères :

• Le mode de production : on distingue les centrales au fil de l’eau, qui produisent au gré des débits des rivières, des centrales avec retenue (barrage), qui produisent à la demande ;
• La hauteur de chute : on distingue les centrales de haute chute, avec un dénivelé entre la prise d’eau et le point de restitution > 30 mètres, et les centrales de basse chute, avec un dénivelé inférieur ;
• La puissance : on distingue les petites centrales, d’une puissance inférieure à 10 MW, des grandes centrales;
• Le régime légal : la loi du 16 octobre 1919 définit deux régimes d’exploitation des centrales hydroélectriques. Les centrales sous le régime de l’autorisation, pour les puissances < 4,5 MW, et celles sous le régime de la concession, au dessus de ce seuil de puissance.

Grands principes

L’hydroélectricité est l’énergie produite grâce à la force motrice de l’eau.

Cette force dépend soit de la hauteur de la chute d’eau, soit du débit de la rivière : du petit torrent au lac de barrage, chaque centrale hydroélectrique est unique, réalisée sur mesure pour s’adapter au cours d’eau sur lequel elle se situe.

• Centrales de haute ou moyenne chute : elles exploitent un faible débit d’eau avec une dénivellation importante
• Centrales de basse chute : elles se caractérisent pas un débit d’eau qui peut être important sous un dénivelé plus faible

Fonctionnement

Une centrale hydroélectrique est composée de quatre éléments principaux :

• les ouvrages de prise d’eau (digues, barrages),
• les ouvrages d’amenée et de mise en charge (canal d’amenée, conduite forcée),
• les équipements de production (turbines, générateurs, systèmes de régulation),
• les ouvrages de restitution.

Selon la longueur des ouvrages d’amenée on pourra distinguer :

• la centrale en dérivation, où une partie du débit du cours d’eau est dérivée sur quelques dizaines de mètres jusqu’à plusieurs kilomètres, puis turbinée sous une hauteur de chute supérieure à la hauteur du barrage,
• la centrale de pied de barrage qui utilise uniquement le dénivelé créé par le barrage.

Une partie du cours d’eau est acheminée vers la centrale via un canal d’amenée et, selon les installations, une conduite forcée. En sortie de la conduite forcée ou du canal d’amenée, l’eau entraîne la rotation de la turbine avant d’être restituée dans le canal. La turbine entraîne alors un générateur électrique le plus souvent via un multiplicateur de vitesse. Le générateur, couple à un transformateur produit de l’électricité qui est mise en circulation sur le réseau de distribution électrique. La puissance d’une centrale dépend principalement de deux paramètres : la hauteur de chute et le débit turbine.

Les centrales sont dotées d’équipements permettant le passage des sédiments et la circulation des poissons :

• la passe à poissons permet aux espèces de franchir le barrage et de remonter la rivière de l’aval vers l’amont,
• de l’amont vers l’aval, un plan de grilles plus ou moins fines empêche les poissons de passer dans la turbine et les dévie vers un exutoire qui les redirige vers la rivière,
• un débit minimum, dit débit réservé, d’au moins 1/10ème du cours d’eau, alimente en permanence le lit de la rivière et permet d’assurer la continuité écologique des la rivière et, le cas échéant, la pratique des autres usages.

Les différents types de centrales hydroélectriques

On distingue généralement 3 grandes familles d’ouvrages : les ouvrages de production au fil de l’eau, les ouvrages de lac ou d’éclusée et les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP).

• Les centrales au fil de l’eau

Il en existe plus de 2 000 en France. Les centrales au fil de l’eau sont majoritairement des petites centrales. Elles ne disposent pas de possibilité de stockage et produisent au gré des débits du cours d’eau. Ces ouvrages produisent donc de façon continue et fournissent une électricité de base. L’hydraulique au fil de l’eau constitue une puissance installée d’environ 7 600 MW pour une production annuelle moyenne de 37 TWh, soit plus de 50 % de la production hydroélectrique française. Certains de ces ouvrages peuvent atteindre des puissances importantes, comme ceux disposés sur le Rhône et le Rhin, qui produisent près des deux-tiers de la production au fil de l’eau pour seulement une trentaine d’ouvrages.

• Les centrales de lac

Les centrales de lac ou d’éclusée disposent d’une retenue d’eau leur permettant de stocker celle-ci afin de la turbiner aux périodes de plus forte demande. Ces deux catégories de centrales se distinguent en fonction de la durée de remplissage de leur réservoir : moins de 400 heures pour les centrales d’éclusée, au-delà pour les centrales de lac. Les centrales d’éclusée ont donc des durées d’accumulation assez courtes et modulent leur production au niveau journalier, voire hebdomadaire, là où les centrales de lac peuvent assurer une modulation saisonnière de leur production.

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

Les STEP sont des centrales de pompage – turbinage fonctionnant avec une retenue supplémentaire à l’aval. Pendant les heures creuses, l’eau est pompée de la retenue inférieure vers la retenue supérieure, pour être ensuite turbinée dans le sens inverse pendant les heures de pointes. La dizaine d’installations que compte la France totalise une puissance de 4 500 MW, mobilisables en quelques minutes.

On peut aussi « turbiner » l’eau potable ou les eaux usées. Par exemple, lorsque les eaux potables sont captées en source de montagne, l’acheminement vers les robinets des usagers nécessite des installations pour dissiper la trop grande pression pour que l’eau n’arrive pas dans le réseau avec trop de puissance. Pourquoi ne pas placer une turbine qui récupèrerait cette énergie pour produire de l’électricité ? Les technologies existent et des collectivités les utilisent.