L'histoire et l'utilisation de l'énergie hydraulique sont intimement liées à l'impressionnante réserve d'eau dont dispose la Terre. La planète bleue est recouverte à plus de 70 % par cette précieuse ressource, mais le parcours pour en faire une source fiable d'énergie est loin d'être une partie de plaisir !
L'énergie hydroélectrique issue de la force motrice des cours et chutes d'eau est désormais l'une des principales sources d'énergie verte. Avec l'évolution de la technologie, de nombreuses centrales et installations révolutionnaires ont permis de tirer parti de la force de l'eau pour une meilleure exploitation de son potentiel.
Origine, historique, fonctionnement, différentes formes… SirEnergies vous propose une immersion dans l'univers passionnant de l'énergie hydraulique !
Quelle est l'origine de l'énergie hydraulique ?
À l'instar de l'énergie éolienne et de la biomasse, l’énergie hydraulique est le résultat d'une double action : celle de la force de la gravité de la Lune et celle du Soleil. On ne s'y attend pas forcément, n'est-ce pas ?! Pour être plus précis, nous pouvons dire que l'origine de l’énergie hydroélectrique est liée au cycle de l'eau.
Sous l'impulsion du Soleil et du vent, l'eau des océans s'évapore et forme des nuages. La vapeur d'eau est ensuite condensée par l'abaissement des températures, puis se transforme en précipitations (pluie et neige).
Les précipitations alimentent les couches poreuses de la Terre, d'où la formation des nappes souterraines. Elles s'écoulent également dans les rivières, les lacs et des lagunes, qui s'écoulent à leur tour dans les océans. La force d'attraction de la Lune et celle du Soleil produisent enfin des marées dont la force est exploitée : c'est l'origine de l'énergie hydraulique !
La première machine créée pour utiliser l’énergie des marées fut la roue à aubes. Elle a laissé place aux moulins à eau dès l'Antiquité pour pomper l'eau, actionner des marteaux-pilons ou moudre le grain. L'époque préindustrielle a ensuite été le théâtre de nombreuses techniques basées sur la force hydraulique, mais la première centrale hydraulique arrive au XIXe siècle. Son objectif ? Transformer la force de l'eau en énergie électrique !
Quand a été inventée l'énergie hydraulique ?
L'énergie hydraulique a été inventée en 1869 à Grenoble par l'ingénieur français Aristide Bergès. Le dispositif utilisé à l'origine servait à faire tourner des défibreurs grâce à la force hydraulique d'une chute d'eau de 200 m. La « houille blanche » pose ainsi les fondements d'une véritable révolution qui aboutit en 1878 à la première centrale électrique.
Créée par William George Armstrong, cette machine de 7 kW servait à alimenter le domaine de Cragside en Angleterre. D'autres centrales voient le jour par la suite pour éclairer les parcs, les petites villes et les châteaux.
Le développement de l'électrochimie et de l'industrie conduit les chercheurs à mettre au point les premiers transformateurs électriques à partir de 1889. L'hydroélectricité prend alors son envol avec la fabrication des premières centrales hydrauliques de plus de 1 MW. Il a néanmoins fallu attendre la fin de la Première Guerre mondiale et l'extension du réseau électrique pour bénéficier de centrales hydrauliques plus puissantes.
En France, l'expansion de l'électricité dans les années 1920 marque le début d'une course effrénée vers le développement de l'hydroélectricité. La production de cette énergie renouvelable est alors multipliée par huit avec l'avènement des premiers barrages hydrauliques.
Comment fonctionne l'énergie hydraulique ?
Si l'énergie hydroélectrique est considérée comme une alliée de taille dans la course au développement des énergies renouvelables, c'est en grande partie grâce à son mode de fonctionnement. Sur le principe, il reste le même, quel que soit le dispositif utilisé.
Pour produire de l'énergie hydroélectrique, on exploite la différence de hauteur entre deux points d'un même cours d'eau. Il peut également s'agir de deux niveaux d'un barrage. Dans les faits, la vitesse d'écoulement de l'eau s'accélère suffisamment pour activer le dispositif de production adjacent.
Le dispositif est constitué d'un barrage érigé pour retenir une grande quantité d'eau. Cette dernière traverse une prise d'eau à une grande vitesse. Il s'ensuit une transformation de la force hydraulique en énergie cinétique. La turbine de la centrale hydroélectrique s'occupe alors de convertir l'énergie cinétique en énergie mécanique.
La centrale hydraulique est munie d'un générateur servant à transformer l'énergie mécanique en électricité. Il ne reste plus qu'à moduler la tension électrique pour l'adapter au réseau domestique.
L'eau utilisée sort enfin du barrage et poursuit son cours normal, sans aucune altération. La quantité d'énergie produite dépend ainsi de trois facteurs :
- la pression hydraulique,
- le volume d'eau,
- la vitesse d'écoulement.
La pression de l'eau dépend quant à elle du différentiel de hauteur entre l'emplacement de la turbine et le cours d'eau. En d'autres termes, plus le dénivelé entre ces deux points est important, plus l'énergie générée est importante !
Quelles sont les différentes formes de l'énergie hydraulique ?
Malgré ses nombreux avantages, l'hydroélectricité reste dépendante d'un élément : l'eau. Pour contourner le problème, il a fallu concevoir et créer plusieurs types de centrales hydrauliques. Nous vous invitons à découvrir les principaux dispositifs utilisés.
Centrale au fil de l'eau
Loin de l'image poétique à laquelle renvoie son appellation, la centrale au fil de l’eau est un dispositif conçu pour permettre à l'or bleu de passer du barrage à la centrale au fur et à mesure de son écoulement. Ici, le débit est très élevé, même si la chute de l'eau ne dépasse pas 30 m.
La centrale au fil de l'eau permet de produire de l'électricité en continu. En France, le parc hydraulique compte environ 90 % de centrales au fil de l'eau pour une puissance totale de près de 8 500 MW.
Centrale de lac
Les centrales-lacs sont des dispositifs hydroélectriques de grande envergure. Avec leur énorme capacité de stockage, vous pouvez les retrouver en haute montagne, dans les endroits propices aux chutes de 30 m.
Le principal défaut des centrales de lac ? Le débit d'écoulement de l'eau. Leur fonctionnement se base sur la rétention d'un barrage hydraulique, d'où le terme de « lac de retenue ». L'eau issue de la fonte des neiges et des fleuves est stockée de façon saisonnière dans un réservoir suffisamment grand pour réguler la production d'électricité sur plus de 400 h !
Les petites centrales hydrauliques (PCH)
Avec un fonctionnement très proche de celui d'une centrale au fil de l'eau, les petites centrales hydrauliques (PCH) ont une puissance inférieure à 10 MW. Elles fonctionnent sans barrages de retenue : le dispositif utilisé sert ici à créer un dénivelé pour générer de l'énergie hydraulique.
L'exploitation des PCH de moins de 4,5 MW s'effectue sous le régime de l'autorisation. L'installation appartient donc à un propriétaire privé qui s'en sert pour la vente ou l'autoconsommation d'électricité. Les centrales d'une puissance supérieure à 4,5 MW appartiennent quant à elle à l'État. Leur exploitation est régie par le régime de la concession (confiée par le Pouvoir public à un opérateur).
Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP)
L'évocation de cet acronyme fait penser à s'y méprendre à la célèbre formule « step by step »… À juste titre ! En effet, les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) produisent de l'énergie hydroélectrique sur le même principe. Elles ont également la particularité d'être réversibles.
Les STEP utilisent le différentiel de hauteur entre leur turbine et la chute d'eau pour créer de l'énergie électrique. En période de faible consommation, elles se servent de l'électricité du réseau associé pour enclencher le fonctionnement d'une pompe. Cette dernière fait remonter l'eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur, afin de perpétuer le cycle de la transformation.
Les usines marémotrices
L'usine marémotrice est une centrale hydraulique servant à exploiter l'énergie des marées. Autrement dit, elle utilise les fluctuations du niveau de la mer pour créer de l'électricité. Son installation requiert des sites comme les baies ou les estuaires dans lesquels les amplitudes des marées sont élevées.
Le fonctionnement d'une usine marémotrice est le même que celui d'une centrale classique. Il suffit d'établir un barrage à travers le site d'exploitation pour former un bassin de stockage. Rien de bien compliqué en somme. La particularité de cette installation réside toutefois dans le principe des vases communicants qu'elle utilise. Deux cycles sont alors possibles selon la hauteur d'eau disponible : le simple et le double effet.
Les hydroliennes
L'hydrolienne est une hélice munie d'une turbine hydraulique, qui transforme la force motrice des courants fluviaux ou marins en énergie mécanique. Elle diffère fondamentalement de l'éolienne, car il est très facile de prévoir les courants marins, contrairement aux vents et à leur intensité.
Les hydroliennes peuvent produire jusqu'à 1 MW d'électricité par an. Pour ce faire, le dispositif doit être en contact avec un courant moyen de 2,5 m/s. Sa surface d'interception doit, quant à elle, être d'environ 300 m.
Les fermes houlomotrices
La ferme à vagues est un ensemble d'appareils ancrés au même endroit. Le site d'exploitation se situe souvent près du littoral ou en haute mer pour mieux capter l'énergie des vagues.
Les différents états d'avancement connus et testés concernent la :
- Chaîne flottante articulée,
- Colonne à oscillation verticale,
- Paroi oscillante immergée,
- Centrale de pression en immersion,
- Colonne d'eau.
Pour l'Agence internationale de l'énergie (AIE), la puissance marine mondiale équivaut à 90 000 térawattheures (TWh). Les fermes houlomotrices constituent dès lors un moyen efficace pour exploiter cette source inépuisable.
L'hydraulique en quelques chiffres
Pour mieux comprendre l'énergie hydraulique et son importance, nous nous sommes intéressés aux chiffres. Les statistiques dans l'Hexagone et le reste du monde parlent d'elles-mêmes !
L'hydraulique en France
Le parc hydraulique français se caractérise par une capacité installée de 25 718 MW. Elle correspond à 42% de la puissance électrique renouvelable installée dans notre pays. La France compte plus de 2 300 centrales hydroélectriques. Par ailleurs, quatre régions assurent la production de plus de 90 % de la production. Il s'agit de :
- L'Auvergne-Rhône-Alpes,
- La région du Grand Est,
- L'Occitanie,
- La Provence-Alpes-Côte d'Azur.
La palme d'or revient à l'Auvergne-Rhône-Alpes avec plus de 45 % de la production nationale.
L'hydraulique dans le monde
L'énergie hydraulique représente environ 16 % de la production électrique mondiale. Elle se classe à la troisième place des sources énergétiques les plus utilisées, mais à la première place en matière d'énergie renouvelable.
L'Asie réalise 27 % de la production mondiale d'hydroélectricité. La Chine est le principal producteur, suivi par le Brésil, le Canada et les États-Unis.
En conclusion, l'histoire de l'énergie hydraulique est celle d'une quête perpétuelle pour mettre la force de l’eau au service de la modernité. De l'invention d'Aristide Bergès au XIXe siècle à nos jours, les centrales hydrauliques ont connu des avancées majeures. Il est néanmoins légitime de se demander si l'énergie hydroélectrique est la source d'énergie la plus écologique…
