L’énergie hydraulique est l’énergie fournie par le mouvement de l’eau quel qu’il soit.
L’hydroélectricité ou énergie hydroélectrique consiste à transformer l’énergie cinétique du courant d’eau en énergie mécanique par une turbine, puis en énergie électrique par un alternateur.
Une centrale hydraulique se compose d’une retenue d’eau (prise « au fil de l’eau » ou constituée par un barrage) et d’une installation de production électrique, ou mécanique (pour les moulins).
L’hydroélectricité est considérée comme une énergie renouvelable et propre car elle utilise le flux naturel de l’eau pour produire de l’électricité sans émettre de gaz à effet de serre ni épuiser les ressources. Elle peut avoir des désavantages, notamment l’impact environnemental sur les écosystèmes aquatiques, la nécessité de grands barrages qui déplacent des populations, et la dépendance aux variations saisonnières des précipitations.
Quels sont les constituants des centrales hydroélectriques ?
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 en amont afin que la centrale continue de fonctionner même en période de basses eaux ;
- la centrale hydroélectrique, appelée aussi usine, qui permet d’utiliser la chute d’eau afin d’actionner les turbines puis d’entraîner un alternateur.
Un canal de dérivation creusé peut permettre de dériver latéralement l’excédent d’eau arrivant vers un étang de barrage. Un évacuateur de crues permet de faire passer les crues de la rivière sans danger pour les ouvrages.
Les barrages
La conception d’un barrage dépend essentiellement de la forme de la vallée, de sa géologie et des matériaux disponible sur le site. Le débit des crues à laisser passer joue également un rôle structurant.
Les barrages les plus fréquents sont, de loin, les barrages en remblai de terre ou d’enrochements obtenus en carrière par abattage à l’explosif ou prélevés dans des zones d’emprunt dans l’espace de la future retenue.
L’étanchéité est centrale (en matériaux argileux ou en béton bitumineux) ou sur la surface amont (en béton de ciment ou en béton bitumineux). Ce type de barrage s’adapte à des géologies très variées.
Il existe également :
- des barrages poids construits d’abord en maçonnerie, puis en béton, puis plus récemment en béton compacté au rouleau BCR qui permet d’importantes économies de temps et d’argent. Le rocher de fondation doit être de bonne qualité ;
- des barrages voutes en béton adaptés aux vallées relativement étroites et dont les rives sont constituées de rocher de bonne qualité. La subtilité de leurs formes permet de diminuer la quantité de béton et de réaliser des barrages économiques. Certains sont aussi construits en BCR.
Citons également les barrages à voutes multiples et à contreforts qui ne sont plus construits et sont remplacés par les barrages poids en BCR.
Les turbines
Les centrales hydroélectriques sont équipées de turbines qui transforment l’énergie du flux d’eau en une rotation mécanique de façon à actionner des alternateurs.
Le type de turbine utilisé dépend de la hauteur de la chute d’eau :
- pour les très faibles hauteurs de chute (1 à 30 mètres), des turbines-bulbe sont utilisées, elles peuvent être réversibles et fonctionner en pompe ;
- pour les faibles chutes (5 à 50 mètres) et les débits importants, la turbine Kaplan est privilégiée : ses pales sont généralement orientables ce qui permet d’ajuster la puissance de la turbine à la hauteur de chute souvent variable au cours de l’année hydrologique en conservant un bon rendement ;
- la turbine Francis est utilisée pour les moyennes chutes (40 à 600 mètres) et moyen débit. L’eau entre par la périphérie des pales et est évacuée en leur centre ;
- la turbine Pelton est adaptée aux hautes chutes (200 à 1 800 mètres). Elle reçoit l’eau sous très haute pression par l’intermédiaire d’un injecteur (impact dynamique de l’eau sur l’auget).
Pour les petites centrales hydroélectriques, des turbines à prix bas (et dont le rendement est moins bon) et de concepts simples facilitent l’installation de petites unités.
Du moulin à la turbine
Les barrages moulins existent probablement depuis la préhistoire mais c’est au Moyen-âge qu’ils se sont fortement développés en Europe pour alimenter les moulins à eau, moudre le blé, fouler le lin, préparer le cuir, alimenter les martinets et les forges, etc.
Progressivement, les moulins sont associées à des retenues amont créés par des petits barrages en terre et maçonnerie pour stocker l’eau, augmenter la période de fonctionnement du moulin à la saison sèche (régulation saisonnière) et permettre une plus grande puissance pendant les heures d’ouverture du moulin (régulation journalière).
À la fin du XIXe siècle, la turbine remplace la roue hydraulique et les premiers barrages destinés à la production d’électricité font leur apparition, ce qui permet d’éloigner les usines des rivières et de partager l’électricité produite par des unités de tailles croissantes.
Quels sont les différents types de centrales hydroélectriques ?
Les centrales gravitaires
Les centrales gravitaires mettent à profit un débit d’eau et un dénivelé.
Elles peuvent être classées en fonction du débit turbiné Q et de leur hauteur de chute H (puisque leur puissance est égale à P = k g Q H, exprimée en kW et MW, g étant l’accélération de la pesanteur (9,81 m/s2) en France et k le rendement global de l’ordre de 0,8).
Les centrales au fil de l’eau
Elles utilisent le débit d’un fleuve et fournissent une électricité de base produite « au fil de l’eau » et injectée immédiatement sur le réseau électrique.
Elles nécessitent des aménagements simples et moins coûteux que les centrales de haute chute : ouvrages de dérivation, petits barrages ou seuils servant à dériver une part du débit de la rivière vers la centrale, éventuellement un réservoir lorsque l’on souhaite une production électrique seulement une partie de la journée alors que le débit de la rivière est relativement constant.
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 à laquelle l’eau est restituée. La faible perte de charge (énergie dissipée par le frottement du liquide dans les canaux et les tunnels permet à l’eau de prendre de la hauteur par rapport à la rivière et donc d’acquérir de l’énergie potentielle par rapport à celle-ci.
Les centrales d’éclusée
Installées dans les grands fleuves à relativement forte pente comme le Rhin ou le Rhône, les centrales d’éclusées sont constituées de barrages sur le fleuve ou sur un canal parallèle au fleuve qui 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 successifs turbinent l’eau du fleuve de manière cohérente, en trains d’eau. Un même débit est ainsi turbiné sur toute la hauteur d’eau cumulée de la chute d’eau. 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 et de produire de l’électricité aux heures où elle est le plus nécessaire et à le plus de valeur économique et sociale.