Comment fonctionne une centrale hydroélectrique ?

L’hydraulique est la seconde source de production électrique en France, juste derrière le nucléaire. Près d’un électron sur sept généré dans notre pays provient de l’hydroélectricité. Mais comment fonctionne une centrale hydroélectrique et quelles sont les différentes façons d’exploiter cette énergie ?

Voilà plus de 2 000 ans que l’homme exploite le courant des rivières pour le transformer en énergie mécanique. D’abord utilisé pour moudre le grain, son utilisation s’est diversifiée au fil des siècles et a permis le développement de nombreuses industries comme la métallurgie, l’industrie horlogère ou encore l’industrie du papier dans les Alpes.

Entre la fin du XIXe siècle et le début du XXe siècle, la production hydroélectrique, une technologie alors naissante, connaît un succès fulgurant grâce à l’impulsion de l’ingénieur Aristide Bergès. Ce succès lui vaudra le surnom de « houille blanche » par opposition à la « houille noire », un type de charbon très utilisé pour produire de l’énergie. Il faudra ensuite attendre la fin de la Seconde Guerre mondiale pour que la France exploite pleinement son potentiel hydroélectrique en construisant plus d’une centaine de grands ouvrages jusque dans les années 1960.

À partir des années 1970, de nombreuses STEP (Station de Transfert d’Énergie par Pompage) seront mises en service. Ces installations, qui reposent sur le même principe que l’hydroélectricité, ont la capacité de stocker de l’énergie. Elles permettent notamment d’optimiser le fonctionnement des centrales nucléaires françaises.

Aujourd’hui, l’hydroélectricité représente 4 252 TWh de production dans le monde, soit 54 % de la production d’électricité renouvelable. La France se situe au troisième rang européen en termes de puissance installée avec près de 25,9 GW répartis sur environ 2400 centrales, et a produit environ 49,6 TWh d’électricité en 2022.

Le principe de fonctionnement d’une centrale hydroélectrique

Une centrale hydroélectrique a pour rôle de convertir l’énergie hydraulique d’un cours d’eau en électricité. Pour y parvenir, l’eau est canalisée grâce à une conduite forcée vers une turbine, qui entraîne un alternateur produisant de l’électricité. L’énergie potentielle de pesanteur de l’eau est convertie en énergie mécanique dans la turbine, puis en énergie électrique dans l’alternateur.

Outre les centrales hydroélectriques gravitaires qui permettent de produire de l’électricité grâce à l’écoulement de l’eau, il existe deux autres types d’installations reposant sur un principe similaire. Les rares usines marémotrices, comme celle de la Rance en Bretagne, sont des installations qui produisent de l’électricité grâce à la force des marées.

Enfin, les stations de pompage-turbinage (aussi appelées STEP) servent à stocker de l’électricité. Elles fonctionnent sur le même principe qu’une centrale hydroélectrique classique, mais sont équipées de deux réservoirs situés à des altitudes différentes. Lorsque la production électrique du réseau est supérieure à la demande, le « surplus » est utilisé pour pomper de l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur. En cas de besoin, l’eau fait le chemin inverse en actionnant les turbines, et donc en produisant de l’électricité.

La chute de l’eau n’a qu’une faible densité énergétique. À titre d’exemple, la chute d’un mètre cube d’eau (1 000 litres) sur 100 m de hauteur génère seulement 0,272 kWh, soit l’équivalent d’une batterie de petit vélo électrique citadin. Pour obtenir une quantité d’électricité intéressante, le rendement de l’installation est un facteur primordial. Plusieurs types de turbines ont donc été mises au point pour répondre aux différents types de centrales et de cours d’eau. On en distingue 3 principales.

Les différentes turbines hydroélectriques

➡️ La turbine Pelton est une évolution de la roue à augets qui équipait les moulins à eau. Adaptée aux grandes hauteurs de chute et aux faibles débits, elle a la particularité de ne fonctionner que grâce à l’énergie cinétique de l’eau, c’est-à-dire à la force issue de son déplacement. À la sortie de la conduite forcée, l’eau est concentrée vers un endroit précis de la turbine par l’intermédiaire d’un ou deux injecteurs, ce qui entraîne sa rotation. En France, ce type de turbine équipe de nombreuses centrales comme la STEP de Grand’Maison (4 turbines de 150 MW), la centrale de La Coche qui accueille la plus grande turbine Pelton de France, ou encore celle du Portillon qui dispose de la plus grande hauteur de chute de France (1 420 mètres).

À gauche : une turbine Pelton. À droite : les auges d’une turbine Pelton avec son injecteur et le déflecteur de ce dernier / Images : Voith, Kecko – Flickr CC.

➡️ La turbine Francis, adaptée à des hauteurs de chutes moyennes et des débits moyens à forts, est le type de turbine le plus répandu. Par sa forme complexe, elle exploite l’énergie hydraulique grâce à la différence de pression qui se crée entre les deux faces de chacune des pales de la turbine. C’est le même phénomène qui se produit autour d’une aile d’avion et qui lui permet de s’élever. Ce type de turbine récupère également une partie de l’énergie cinétique de l’eau grâce à sa forme en spirale. On retrouve ce type de turbines dans un très grand nombre de centrales, les plus grosses jamais produites étant celles du barrage chinois des Trois Gorges qui atteignent une puissance de 800 MW.

En haut à gauche : une turbine Francis réversible (capable de pomper et de turbiner) notamment destinée aux STEP. En bas à gauche : une turbine Francis classique. À droite : une des turbines Francis du barrage des Trois-Gorges en Chine, les plus puissantes du monde / Visuels : Voith, Huahydro (améliorée avec Pixelcut).

➡️ La turbine Kaplan et la turbine à bulbe immergé, sont destinées aux faibles hauteurs de chutes et aux très grands débits. Ressemblant à une hélice de bateau, elle dispose généralement de pales orientables, ce qui lui confère un rendement très important, de l’ordre de 90 % à 95 %. Elle équipe de nombreux barrages comme celui de Seyssel, sur le Rhône ou de Fessenheim sur le Rhin. C’est ce type de turbines que l’on retrouve également dans l’usine marémotrice de la Rance. Leur seule différence et l’orientation (verticale pour la turbine Kaplan, horizontale pour le bulbe).

En haut à gauche : une turbine Kaplan. En bas à gauche : une turbine à bulbe immergé. À droite : une turbine Kaplan en 1932 / Visuels : Voith, Tekniska Museet – Flickr CC.

➡️ D’autres types de turbines existent, mais sont très rarement utilisées, comme la vis d’Archimède (vis sans fin), les turbines VLH, Alden, Turgo, Banki, ou encore la turbine à tourbillon.

Le domaine d’application des différents types de turbines hydroélectriques / Schéma : Voith, traduit de l’anglais par Google Traduction.

Les différents types de centrales hydroélectriques

Les centrales hydroélectriques sont classées selon deux critères qui vont généralement de pair. Le premier critère, appelé constante de vidage, définit le temps nécessaire pour vider le réservoir lorsque les turbines tournent à plein régime. Le second critère concerne la hauteur de chute, c’est-à-dire la différence d’altitude entre la surface de la réserve et l’axe de la turbine. Grâce à ces 2 critères, on peut établir 3 catégories de centrales principales :

➡️ Les centrales au fil de l’eau. Ces centrales ne sont pas ou peu pilotables, elles produisent de l’électricité uniquement à partir du flux d’un cours d’eau, sans stockage ou avec un stockage très réduit en amont (moins de 2 heures de stock). Leur hauteur de chute est inférieure à 50 mètres et ne dépasse habituellement pas une dizaine de mètres. Ces ouvrages représentent 90 % des installations françaises. On en retrouve sur la plupart des grands fleuves, principalement le Rhône et le Rhin.

➡️ Les centrales d’éclusée disposent d’un stockage oscillant entre 2 et 200 heures. La retenue sert principalement à adapter la production par rapport aux besoins en électricité. Par exemple, ce type de centrale permet de stocker l’eau la nuit pour produire de l’électricité en journée, quand la demande est la plus élevée. La hauteur de chute de ce type d’installation est souvent comprise entre 20 et 50 mètres. On retrouve ces installations en moyenne montagne, sur le Verdon, la Durance, la Dordogne ou encore dans le massif central.

➡️ Les centrales à réservoir ont, quant à elles, une réserve supérieure à 200 heures. Ce type d’installation se trouve presque exclusivement en haute montagne, dans les Alpes et les Pyrénées. Ces installations ont généralement une hauteur de chute de plus de 200 mètres. Elles représentent 40 % de la puissance installée du parc national.

Quel impact de l’hydroélectricité sur l’humain et l’environnement ?

Les installations de production hydroélectriques comportent de nombreux avantages comme celui de pouvoir produire de l’énergie propre et potentiellement pilotable, contrairement à d’autres moyens de production comme le solaire et l’éolien. De plus, si la création des barrages nécessite de très grandes quantités de béton, elles ont une très grande durée de vie, ce qui en atténue l’impact carbone. À titre d’exemple, la quasi-totalité des barrages construits en France depuis le début du XXe siècle est encore en fonctionnement.

Néanmoins, la création de ce type d’ouvrage, et en particulier de son réservoir, modifie en profondeur l’environnement d’un cours d’eau, entraînant parfois des déplacements de population, la submersion de sites naturels et historiques tout en entraînant le bouleversement d’écosystèmes entiers.  Le barrage des Trois-Gorges, situé dans la province du Hubei en Chine, en est l’exemple le plus parlant. Construit entre 1994 et 2012, son réservoir de plus de 1 000 km²g (soit 4 fois la superficie de Marseille) a entraîné le déplacement d’1,8 million de personnes, et la submersion d’environ 1300 sites historiques et archéologiques. En Amérique du Sud, la construction du barrage d’Itaipu en 1982, à la frontière du Brésil et du Paraguay, a entraîné la submersion de la cascade des Sept-Chutes, considérées alors comme les plus grandes cascades du monde.

En France, l’impact des barrages hydroélectriques sur la biodiversité est indéniable, empêchant notamment la migration de certains poissons. Mais depuis de nombreuses années, un ensemble de dispositifs sont mis en place pour atténuer l’impact environnemental de ces infrastructures, notamment dans le cadre de rénovations.

On retrouve désormais :

• Des vannes de décharge pour évacuer les sédiments, et donc éviter le phénomène d’envasement,
• Des passes à poissons pour favoriser leur migration,
• Des passes à canoë,
• Des turbines spécifiques destinées à protéger les poissons,

Ce type de mesures commence à porter ses fruits. Sur la Garonne, par exemple, des populations de saumon sont de nouveau observées, remontant le fleuve jusqu’au pied des Pyrénées.

Quel avenir pour les centrales hydroélectriques en France ?

Selon le Conseil Mondial de l’Énergie, la France exploite actuellement 90 % de son potentiel économiquement exploitable, estimé à 70 TWh de production par an. Cependant, les possibilités d’évolution du parc hydroélectrique restent nombreuses. En premier lieu, un grand nombre de centrales pourraient être améliorées, tant pour en accroître la production que pour en limiter l’impact environnemental.

Du côté des STEP, leur capacité à stocker de l’électricité sous forme d’énergie potentielle est un atout précieux pour compenser le caractère intermittent de la production électrique des parcs solaires et éoliens. La puissance totale actuelle des STEP, de 5,8 GW à l’heure actuelle, pourrait être augmentée notamment grâce au développement des STEP marines.

Enfin, le développement de la petite hydraulique est encouragé par la loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte votée en 2015. Ce type d’installation est néanmoins contesté par de nombreuses associations de protection de l’environnement à cause des potentiels impacts néfastes qu’elle pourrait engendrer.

Malgré ces perspectives de développement, le parc hydroélectrique français connaît une période difficile à cause des potentielles évolutions du régime des concessions. Les installations de plus de 4,5 MW sont en effet soumises au régime des concessions. Cela signifie que les installations appartiennent à l’État, mais que leur construction et leur exploitation sont effectuées par des entreprises tierces pour leur propre compte. Ces concessions, d’une durée souvent très longue (75 ans) permettent à l’exploitant d’amortir les frais engagés pour la construction de l’édifice.

Mais depuis 2008, une directive européenne indique que la France doit ouvrir à la concurrence l’attribution des concessions qui arrivent à leur terme. Face à cette demande, la situation reste bloquée et les concessions arrivant à échéance n’ont toujours pas été renouvelées. Il y aurait actuellement 38 concessions ayant déjà pris fin. De son côté EDF refuse de rénover son parc ou d’entreprendre des travaux, de peur de perdre la charge de l’exploitation des centrales en question.