Production d'électricité hydraulique centrales hydroélectriques

Il existe 2 moyens pour produire de l'électricité avec de l'eau, découvrez aussi les différentes usines hydrauliques, leur coût et leur principe.

Principe de l'hydraulique

Soumise à l'attraction terrestre, l'eau cherche à descendre vers le niveau le plus bas. Cette masse d'eau représente une énergie considérable dont une partie est transformée en énergie mécanique par des moteurs hydrauliques.

La petite hydraulique 

Lorsque l'on a la possibilité d'installer une turbine hydroélectrique sur son ruisseau ou cours d'eau pour faire sa propre électricité pourquoi s'en priver ?

Historique de l'hydraulique

​La découverte et l'exploitation de la force motrice de l'eau remontent à l'Antiquité, il n'y pas de trace de cette utilisation pendant la préhistoire.​

Avant la production d'électricité et pendant près de 2400 ans, de nombreux moteurs ont été inventés pour fournir l'énergie nécessaire à l'élévation de l'eau ou pour actionner des mécanismes. Les premières roues à palettes et à augets, ancêtres de nos turbines modernes, datent du deuxième siècle avant Jésus-Christ. Dans la roue à augets, ou roue de dessus, c'est le poids de l'eau qui est utilisé et non sa vitesse. Ce type de roue diminue considérablement le gaspillage de l'eau.

Il n'existe aucune information sur l'origine de la première roue hydraulique, mais, il y a environ 2500 ans, l'énergie des chutes d'eau était exploitée en Asie et en Égypte. Cette première roue, à axe horizontal, devait avoir la forme d'une roue à palettes actionnée par le courant d'une rivière et servait à élever l'eau à l'aide de pots (noria). Il est à noter que des norias sont encore en service dans certaines régions du monde où elles fonctionnent en continu sans intervention humaine.

Vitruve

La roue à aubes, munie de pales, permet de créer un mouvement rotatif d'axe au départ du mouvement linéaire d'un cours d'eau.

Croquis de la machine de l'ingénieur Romain Vitruve.

Chronique des découvertes 

Au début de l'ère chrétienne, l'ingénieur romain Vitruve décrivait dans l'ouvrage « De Architectura » la première turbine. L'eau, provenant d'une retenue, était conduite par une goulotte inclinée et heurtait les palettes avec une vitesse variable suivant la hauteur de la chute, une roue à axe vertical et à palettes inclinées entraînait alors un moulin à moudre.

Les moulins hydrauliques auraient été inventés dans le Croissant fertile. L'archéologue James Henry Breasted de l'université de Chicago a donné le terme de « Croissant fertile » à l'arc formé par les différentes zones d'une région du Moyen-Orient qui ressemble à un croissant. Le Croissant fertile comprend les territoires des États actuels d'Israël, de Cisjordanie, du Liban ainsi que des parties de la Jordanie, de la Syrie, de l'Irak, de l'Égypte et le sud-est de la Turquie. 
Plus tard, au 4ème siècle, les Romains construisirent un grand moulin de 16 roues à augets, à Barbegal près d'Arles, qui produisait environ 2,8 tonnes de farine par jour, l'une des plus anciennes usines françaises de farine comportait une succession de moulins à eau actionnés par deux rangées parallèles de roues qui étaient mues par une cascade de dix-huit mètres et alimentées par un aqueduc long de dix kilomètres.

• En 260 après Jésus-Christ, une scierie hydraulique était établie dans une marbrerie sur la Moselle.
• À partir du Moyen Age, la force motrice de l'eau va être de plus en plus employée par les scieries, les moulins à céréales. Les premiers moulins étaient à roue horizontale. C'est grâce aux moulins hydrauliques et à l'arbre à cames que les manufactures pourront se mécaniser au Moyen Age. La came va permettre par exemple d'écraser mécaniquement la matière première du papier et du textile, le chanvre ou marteler le fer. La roue hydraulique est aussi le moteur du moulin à papier, de la scie mécanique, de la remonte dans les mines, de la pompe aspirante. L’industrie tout entière est mue par la roue du moulin à eau, l’invention de la machine de Watt mettra fin à cette technique.
• Au 19e siècle, Benoist de Fourneyron (1802-1867) un brillant inventeur et industriel français né à Saint-Étienne, inventait la première turbine à eau qui servait à entraîner une roue. Une cascade d'eau chutait d'une hauteur de 112 mètres et arrivait alors à une vitesse de 46 mètres par seconde sur une roue inclinée qui délivrait alors une puissance de 45 kW.
• Entre 1869 et 1877, Gramme mettait au point la dynamo, puis les alternateurs.
• En 1892, Boucherot et Blondel étudiaient le coulage entre alternateurs permettant de produire industriellement de l'électricité à partir de l'énergie mécanique.
• En 1885, Gaulard et Gibbs, inventaient le transformateur électrique permettant de transporter l'électricité sur de longues distances.
• Entre 1920 et 1940, plus de cinquante barrages seront édifiés.
• En 1946, la création de l'Électricité de France permettra de dégager des moyens financiers considérables et de planifier l'aménagement hydraulique du pays.
• en 1960, 56 % de la production française d'électricité était d'origine hydraulique.
• En 1994, la production d'origine hydraulique tombe à seulement 17 % de la production française d'électricité.
• En 2006, mise en place d'une politique de biodiversité d'EDF
• En 2007, 12 % (70Téra watts heure).
• En 2008, les 447 aménagements hydroélectriques exploités par EDF participent à la sécurité d’approvisionnement du pays, ils contribuent à permettre au Groupe de produire en France environ 12 % de son électricité sans émission de CO2. La France a une capacité de production de 70 TWh par an en moyenne. Bien que l’on constate une augmentation de + 4,6 TWh en 2006 soit 60,9 TWh, le niveau reste assez bas depuis la chute importante de 8,6 TWh en 2005 soit 56,3 TWh.
• En 2018, la production hydroélectrique a atteint 68,3 TWh. Source Bilan électrique 2018 RTE, février 2019 (PDF relatif à l'hydraulique figurant sur les pages 29 puis 40 à 43).

Pourtant parmi toutes les énergies renouvelables, l'hydroélectricité est la seule à être exploitée à grande échelle, et ceci, dans le monde entier. En effet, elle représente 18 % de la production électrique mondiale contre 64 % pour les combustibles fossiles (charbon, pétrole, etc.), 17 % pour le nucléaire et 0,5 % pour les centrales géothermiques.

À la différence de l'électricité, que l'on ne peut pas stocker, l'eau, en revanche, peut être accumulée (EDF accumule ainsi 7 milliards de m3 soit les ¾ des réserves d'eau en France).

Cette énergie accumulée est facilement mobilisable : la centrale de Grand Maison dans les Alpes peut, par exemple, fournir en une dizaine de minutes 1 800 MW, l’équivalent en puissance de deux réacteurs nucléaires. Cette souplesse de fonctionnement permet d'ajuster en permanence la production aux variations de la demande et fait de l'hydroélectricité le régulateur du réseau électrique français, indispensable lors de brusques variations de la consommation globale.

Produire de l'électricité avec de l'eau 

Les barrages hydroélectriques

Les centrales hydroélectriques nécessitent une très grande quantité d’eau pour produire de l’électricité. Un barrage constitue le moyen idéal pour la retenir. Le barrage s’oppose à l’écoulement naturel de l’eau, sauf en cas de forts débits, qu’il laisse alors passer. De grandes quantités d’eau s’accumulent et forment un lac de retenue. Lorsque l’eau est stockée et qu’il y a une forte demande en électricité, il suffit d’ouvrir des vannes pour commencer le cycle de production d’électricité. L’eau s’engouffre alors dans une conduite forcée et se dirige vers la centrale hydraulique située en contrebas du barrage. La centrale est située ainsi car l’énergie potentielle de l’eau retenue dans le barrage se transforme en énergie cinétique, ce qui entraîne la rotation de la turbine.

La centrale hydroélectrique la plus puissante en France est celle de Grande Maison en Isère qui produit 1800MW.

Les usines marémotrices

Il existe 3 usines marémotrices dans le monde :

•  Chine. Jiangxi a : mise en service : 1980, puissance : 3,2 MW. 
•  Canada. Annapolis : mise en service : 1985. Puissance : 17,3 MW. 
•  France. Usine de la Rance (Bretagne) qui possède 24 turbines d'une puissance de 10 000 kW chacune. Total : 240MW.  
  
  

Les usines marémotrices utilisent les marées comme source d'énergie : le mouvement ascendant remonte l'eau dans un réservoir, le mouvement descendant crée le dénivelé indispensable pour produire l'énergie. En Bretagne, l’usine marémotrice de la Rance fournit chaque année 640 millions de kWh, (soit 640 GWh par an) l'équivalent de la consommation de la ville de Rennes. 
Bilan de la totalité de l’électricité produite : les turbines produisent  500 GWh dans le sens bassin mer, et 140 GWh dans le sens mer bassin. Les turbines fonctionnent 4 000 h/an.

La centrale de la Rance était un projet pilote, mais l’énergie marémotrice n'a pas vu le succès escompté, car elle a été détrônée par d'autres énergies (le nucléaire par exemple) jugées plus "rentables".

Les différentes usines hydrauliques 

 Les usines de haute chute

Elles disposent d'une grande retenue d'eau qui se remplit en général, au moment de la fonte des neiges. Il y a un dénivelé important entre la retenue et le barrage de l'ordre de plusieurs kilomètres. Le débit est généralement faible. Les réserves d'eau autorisent une durée de fonctionnement à pleine puissance de la centrale à environ 400 heures. Ils peuvent donc fournir d'importantes quantités d'énergie pendant les heures de plus forte consommation (il faut noter que la centrale de Portillon en Haute-Garonne détient le record français avec une chute de 1420 mètres).

Les usines de moyenne chute

Elles sont généralement situées en moyenne montagne, sur des cours d'eau à pente moyenne et à débit abondant, dans des régions de relief adouci (jura, Massif central). Elles possèdent des réserves d'eau qui peuvent être vidangées sur de courtes périodes (entre 2 et 400 heures). Leur production est très réduite ou arrêtée pendant les heures les moins chargées de la journée ou de la semaine. En revanche, pendant les heures où la demande est forte, la production de ces centrales est au niveau maximum, ce qui entraîne la vidange de la réserve (fonctionnement en écluses). Elles permettent ainsi de produire de l'électricité aux pointes de consommation journalières et hebdomadaires.

Les usines de basse chute

Elles ne comportent pas de réserve d'eau disponible. Leur capacité de retenue n'excède pas deux heures. Les barrages sont équipés de vannes importantes pour le passage des crues, d'où leur nom de « barrages mobiles ». Les centrales au fil de l'eau fournissent une « énergie de base ». Elle est en effet appelée en premier (avec l'énergie produite par les centrales nucléaires) pour répondre aux besoins de la consommation, mais ne joue aucun rôle de régulation. L'importance du débit compense la faible hauteur de chute et permet de fournir une énergie importante à l'usine. Ces centrales turbinent en permanence l'eau qui coule dans des cours d'eau (rivière ou fleuve) caractérisés par une faible pente et un fort débit.

Les usines de pompage-turbinage

Elles comportent deux bassins, l'un au-dessus de la centrale, et l'autre immédiatement en aval. En période de forte consommation, lorsque l'énergie est chère, l'eau contenue dans le bassin supérieur est utilisée pour produire de l'électricité puis est stockée dans le bassin inférieur. En période de basse consommation, l'eau est repompée vers le bassin supérieur et ainsi de suite.  Les usines marémotrices utilisent la force des marées pour produire de l'électricité. L'usine expérimentale marémotrice de la Rance fonctionne à une échelle industrielle. Il en existe une en Nouvelle-Écosse (Canada).

Localisation de la production hydroélectrique en France.

La production hydraulique française 

La France se situe en neuvième position au niveau mondial pour sa production hydraulique d'environ 50 TWh/an (en 2002), ce qui ne représente pourtant que 12% de la production électrique nationale (56% en 1960). Dans le monde, l'hydroélectricité représentait en 2005 : 16,2% de la production totale de l'électricité, contre 15,2% de l'électricité produite par le nucléaire, le reste (66%) étant toujours assuré par des combustibles fossiles.
«Au fil de l'eau », sur le cours d'une rivière ou d'un autre courant, donc sans réservoir de stockage d'eau, technique intéressante pour alimenter des sites isolés. Les variations de débit des cours d'eau obligent toutefois les consommateurs locaux de ces sites à s'équiper de générateurs électriques d'appoint en cas de faible débit d'eau.

Cette petite hydraulique peut également alimenter un réseau général interconnecté, ou être utilisée pour fournir l'électricité à un village, un complexe industriel ou agricole.

Le coût de l'énergie hydraulique 

Une fois l'investissement initial amorti (sur une période de quinze à trente ans), le coût de l'électricité n'est plus que de 0,14€/kWh en France pour la grande hydraulique (la moyenne européenne étant 2 centimes d'euro), ce qui correspond aux dépenses d'exploitation et d'entretien-maintenance. Mais la petite hydraulique est aussi très rentable, puisque son coût total (amortissement compris) varie de 2 à 5 centimes d'euro/kWh. Le coût du kilowattheure hydroélectrique est compétitif vis-à-vis de l’électricité d’origine fossile (charbon et hydrocarbures), surtout si l’on prend en compte le fait que très souvent les aménagements hydroélectriques sont à buts multiples : énergie, irrigation, contrôle des crues, etc. Par ailleurs, une fois les emprunts initiaux remboursés, le coût du kilowattheure hydroélectrique devient très rentable puisque seules les dépenses d’exploitation et d’entretien-maintenance sont à assurer, ainsi que des provisions pour de grosses réparations.

L'énergie potentielle d'un site 

L'énergie hydroélectrique (l'énergie potentielle de l'eau accumulée dans des barrages) est transformée en énergie cinétique par écoulement.

Celle-ci est transformée en énergie mécanique grâce à une turbine, qui à son tour entraîne un générateur électrique : alternateur ou dynamo. L'énergie mécanique devient alors de l'énergie électrique. La puissance disponible résulte de la conjonction de deux facteurs : la hauteur de la chute et le débit dérivé. Potentiel théorique brut : d'une façon très générale, le potentiel hydroélectrique d'un bassin peut être défini comme la somme de toute l'énergie brute de ruissellement, qu'on pourrait théoriquement obtenir par l'intégration généralisée du produit Q x H, c'est-à-dire débit (en mètres cubes par seconde) multiplié par dénivellation (ou hauteurs de chute), tenant compte de tous les écoulements visibles. La détermination d'un tel potentiel sur un bassin versant et, par extension, sur l'ensemble des bassins mondiaux est donc simple dans son principe. Il faut, d'après la relation précédente, multiplier le produit Q x H par g (9,81) pour avoir la puissance P en kilowatts. Ce potentiel théorique brut constitue la limite supérieure idéale de toutes les disponibilités hydroélectriques. Mais cette limite est trop éloignée des possibilités d'utilisation effective pour présenter d'autre intérêt que théorique ; on se rapproche davantage du réel en corrigeant ce potentiel brut par des coefficients d'abattement convenables. 

Potentiel théorique net :

même si l'on pouvait équiper un cours d'eau « intégralement », c'est-à-dire sans avoir à tenir compte de situations déjà acquises (telles que : villes construites en des lieux offrant des possibilités de grands réservoirs d'accumulation, existence de cultures ou de voies de communication ne pouvant être déplacées, débits d'irrigation, débits industriels ou d'usage domestique à réserver), il serait impossible de récupérer toute l'énergie hydraulique théoriquement disponible. Sans même compter les parties hautes des bassins, une fraction de cette énergie se dissipe sous forme de « pertes » dues à la nature même des phénomènes qui régissent l'écoulement de l'eau ou le fonctionnement des machines et qui sont inévitables, quoi qu'on puisse faire : pertes de charge dans les conduites et ouvrages d'amenée, rendement des turbines et alternateurs qui n'atteint jamais l'unité, pertes en ligne au cours des transports, etc. Elles ramènent le potentiel effectivement utilisable à 70 ou 75 p. 100 de sa valeur brute. Le potentiel ainsi défini, et qui se calcule pour des évaluations à l'échelle mondiale par la formule P = 7,5 x Q x H, est appelé potentiel théorique net pour le différencier du potentiel théorique brut (10 x Q x H ). La valeur de P est donnée en kilowatts.

Conclusion sur l'énergie hydraulique 

Toutes les méthodes d’analyse sont répertoriées (méthodes de détermination des débits réservés à conserver en permanence dans les rivières et cours d'eau). Les équipements adéquats sont disponibles (conception des passes à poissons, turbines sur de très faibles chutes permettant d’éviter les barrages et les dérivations de fleuves).

Les solutions pour intégrer au mieux les aménagements hydroélectriques en préservant l’environnement local sont connues. L’hydroélectricité a été la première filière d’énergie renouvelable industrialisée à grande échelle pour la production d’électricité. Lorsque l'on analyse impartialement ses avantages et ses inconvénients pour en tirer des conclusions opérationnelles par rapport aux autres filières d’énergies renouvelables, la production hydroélectrique doit être présentée comme un complément très intéressant plutôt qu'une relève et une alternative, ce qui évitera tous les aspects négatifs, réels ou imaginaires.

Facteurs positifs

Les progrès en cours et à venir sur le transport à longue distance de l’électricité permettront de plus en plus de mettre en valeur des « méga gisements » hydroélectriques encore inexploités (exemple Himalaya, Andes, bas Zaïre, etc.). À plus long terme, si la production de nouveaux vecteurs énergétiques (hydrogène, par exemple) à partir de sources énergétiques ne produisant pas de gaz à effet de serre venait à se révéler nécessaire, l’hydroélectricité sur ce type de gisements serait sans doute la filière la mieux adaptée du fait de son faible coût et de sa disponibilité.

Facteurs négatifs

La déréglementation du secteur électrique peut freiner le développement futur de l’hydroélectricité, à la fois dans les pays industrialisés et dans les pays émergents. En effet, les calculs économiques sur le court terme conduisent les compagnies d’électricité à privilégier les centrales au coût d’investissement le plus faible (par exemple, les centrales au gaz naturel à cycles combinés), même si tous calculs faits, le coût de l’hydroélectricité s'avère plus beaucoup intéressant sur le long terme en matière environnementale et financière.

Le second facteur est la décision de pays industrialisés comme la Suède, par exemple de "geler" tout ou partie de leur potentiel hydroélectrique inexploité afin de laisser les rivières et les fleuves non aménagés à l’état naturel, décision tout à fait honorable. Cette position peut se justifier tant que la nécessité de lutter contre les émissions de gaz à effet de serre ne devient pas vitale. Dans le cas contraire, elle serait difficilement justifiable et ouvrirait plutôt la voie à des positions aussi radicales concernant d’autres filières d’énergies renouvelables. Par exemple avec l’argument de laisser libres de toute intrusion d’aérogénérateurs les grands espaces ventés et sauvages de tel ou tel pays. Comme pour l'éolien, il peut être préférable de créer une mini centrale en se regroupant avec les voisins. D'ailleurs, certains villages réhabilitent aujourd'hui des moulins à eau qui deviennent alors une source locale de production d'électricité.

L'Europe impose à EDF de « vendre» au privé ses centrales hydroélectriques. La France perd de plus en plus sa souveraineté en bradant à des groupes privés tout ce qui peut rapporter de l'argent. 

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