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 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 2021, la puissance installée des centrales hydroélectriques atteint 1 360 GW, produisant environ 4 252 TWh, soit 54 % de la production mondiale d'électricité renouvelable et 15,0 % de la production mondiale d’électricité en 2021. 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 arables, fragmentation et modifications des écosystèmes aquatique et terrestre, blocage des alluvionsetc..

Les principaux producteurs d'hydroélectricité en 2021 sont la Chine (31,5 %), le Canada (8,9 %), le Brésil (8,0 %) et les États-Unis (6,1 %), dont les centrales figurent parmi les plus puissantes. La part de l'hydroélectricité dans la production d'électricité atteint 93,4 % en Norvège, 63,5 % au Brésil et 58,8 % au Canada.

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 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 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.

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

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.

On distingue ainsi :

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.

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[1]. Il est évident que la vitesse de remplissage a un impact direct sur la flexibilité d'utilisation.

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 :

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

La production d'une centrale hydroélectrique est tributaire des apports des cours d'eau qui l'alimentent, fluctuant selon les saisons et d'une année à l'autre en fonction des précipitations. Ainsi, la production hydroélectrique du Brésil a reculé de 16 % entre 2011 et 2015 du fait d'une série d'années de sécheresse, malgré la mise en service de plusieurs nouveaux barrages[2]. En Espagne, des variations encore plus extrêmes sont observées : +56,1 % en 2010, -27,7 % en 2011, -26,6 % en 2012, +69,9 % en 2013 ; -47,1 % en 2017, +74,7 % en 2018, -27 % en 2019 et +26 % en 2020[3].

Les réservoirs des centrales de lac constituent un moyen de stockage qui peut contribuer à la compensation du caractère saisonnier des précipitations ainsi que de la demande. Ils n'ont que rarement un volume suffisant pour compenser les variations interannuelles.

Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), en plus de leur production d'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 (charbon, 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.

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’, 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[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.

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.

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 ; elle peut aussi être stockée pendant les week-ends pour être turbinée en semaine, ou encore stockée au printemps pendant la fonte des neiges pour être turbinée en hiver. 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 1 360 GW fin 2021, en progression de 1,9 %, et la production hydroélectrique était estimée à 4 252 TWh, en baisse de 2,7 % par rapport à 2020. Les ajouts de nouvelles capacités ont atteint 26 GW en 2021, contre 21 GW en 2020[h 1]. 80 % de ces ajouts ont été réalisés en Chine : 20,84 GW ; les autres pays ayant installé de nouvelles capacités sont le Canada : 924 MW, l'Inde : 803 MW, le Népal : 684 MW, etc[h 2]. La Chine domine largement le classement des pays par puissance installée avec 391 GW, soit 28,7 % du total mondial, suivie par le Brésil (109,4 GW) et les États-Unis (101,9 GW)[h 3]. Les centrales de pompage-turbinage totalisent 165 GW de puissance installée, et les nouvelles installations en 2021 ont atteint 4,7 GW (1,5 GW en 2020)[h 1], dont 4,5 GW en Chine[h 4]. Les projets en cours sont estimés à 548 GW, dont 240 GW en Asie de l'est et Pacifique, et le potentiel restant à équiper est évalué à 1 923 GW, dont 474 GW en Afrique, 387 GW en Amérique du nord et centrale, 359 GW en Asie de l'est et Pacifique, 355 GW en Asie du sud et centrale, 275 GW en Amérique du sud et 73 GW en Europe[h 5].

La part de l'hydroélectricité dans la production électrique mondiale en 2021 est estimée par BP à 15,0 % et sa part dans la production d'électricité renouvelable à 54 %. Sa production a baissé de 1,8 % en 2021, mais progressé de 16,1 % depuis 2011[5].

En 2019, les ajouts de nouvelles capacités ont atteint 15,6 GW, contre 21,8 GW en 2018. Les pays ayant installé les plus importantes capacités sont le Brésil : 4,92 GW, la Chine : 4,17 GW et le Laos : 1,89 GW[6].

Selon The World Factbook, l'hydraulique représentait 18,7 % de la puissance électrique mondiale en 2012[7] et 10,7 % en Europe en 2011[8].

La part de l'énergie hydroélectrique dans la production est moindre que sa part dans la puissance installée : 15,7 % de la production électrique mondiale en 2019 (contre 20,9 % en 1973)[9], 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.

La puissance installée des centrales de pompage-turbinage atteint 164 761 MW, dont 36 000 MW en Chine (21,8 %), 27 470 MW au Japon (16,7 %) et 21 912 MW aux États-Unis (13,3 %) ; ces trois pays rassemblent 51,8 % du total mondial[h 6].

Les plus gros producteurs d'hydroélectricité étaient en 2019 la Chine (30,1 %), le Brésil (9,2 %), le Canada (8,8 %) et les États-Unis (7,2 %). Mais la place de cette énergie renouvelable dans la production nationale d'électricité est très variable et cinq pays se démarquent avec des parts de 93,4 % en Norvège, 63,5 % au Brésil, 58,8 % au Canada, 29,2 % en Turquie et 27,8 % au Vietnam[9].

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 Afrique[10] et en Amérique du Sud[11]. Les enjeux économiques de telles constructions, ainsi que la lutte contre le réchauffement climatique, se trouvent l’emporter sur les autres enjeux écologiques.

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 (entraînant des déplacements de population) ainsi que la perturbation du déplacement de la faune (pas seulement aquatique) et, globalement, de tout l'écosystème environnant.

Quelques exemples notables d'impact environnemental majeur sont :

Outre les conséquences dues aux retenues d'eau comme l'affaissement des deltas[18], les séismes[19], des catastrophes peuvent être dues à la construction des ouvrages eux-mêmes. Ainsi, l'effondrement en 2018 d'un barrage sur la rivière Pian, affluent du Mékong, construit, comme de nombreux barrages au Laos, sans réelle étude d'impact, laisse 6 600 personnes sans abri et fait plus d'une centaine de victimes[20]. La catastrophe a eu des répercussions sur les eaux du Mékong, qui a englouti 17 villages au Cambodge[21].

Sur les autres projets Wikimedia :

Barrage installé dans une vallée
Centrale traversante un fleuve.
Machinerie servant à produire de l'électricité.
Une turbine installée sur un pied en béton.
Dans le sens des aiguilles d'une montre, en partant du haut à gauche : le barrage-voûte du Gordon en Australie, la centrale au fil de l'eau de Rheinfelden en Suisse, la salle des turbines de la centrale hydroélectrique de Walchensee en Allemagne et une turbine Pelton.
Vue en coupe d'une turbine hydraulique couplée à un générateur électrique.
A : Générateur avec 1 : Stator et 2 : Rotors réglables
B : Turbine : avec 3 : Vannes 4 : Pales turbine, 5 : Flux d'eau et 6 : Axe de rotation.
Entrée monumentale de l'exposition de 1925.
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. Les générateurs sont peints en bleu.
Mesurant 285 mètres de haut, la Grande Dixence est le plus haut barrage poids du monde (Valais, Suisse).
Le barrage des Trois-Gorges, dans la province du Hubei en Chine, est le plus grand barrage ainsi que la plus puissante centrale électrique au monde[4].
Barrage Nâgârjuna Sâgar et son usine hydroélectrique de 810 MW sur le fleuve Krishna.