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L’énergie hydraulique

Exploitation de la force de l’eau vive

lundi 9 avril 2012, par Jean

Résumé de l’article
La technique est simple : un barrage, une chute d’eau, une turbine entraînant un alternateur qui produit l’électricité.
L’énergie hydraulique ne produit pas de CO² et est d’une grande souplesse d’emploi.
L’impact de la grande hydraulique sur l’environnement est non négligeable, de même que les risques de rupture de barrages.
L’hydraulique serait la moins chère des énergies renouvelables pour produire de l’électricité : 2 à 3 cts d’euros par Kwh.
L’essentiel du potentiel de développement se situe dans les pays émergents. Il serait de 500 Mtep.

1. Description

L’eau qui nous tombe du ciel fait des petits ruisseaux qui font de grandes rivières.

L’exploitation de l’énergie hydraulique utilise la force motrice d’une chute d’eau pour faire tourner une turbine entrainant
un alternateur qui produit de l’électricité. C’est la version moderne du moulin à eau.
On ne traite pas ici de l’énergie de la mer, qui fait l’objet d’un autre article.

Pour s’adapter aux fluctuations de la production (pluie, sécheresse) et de la demande (période creuse,
période de pointe), on constitue un réservoir d’eau en amont de la chute grâce à un barrage de retenue.

L’énergie récupérée dépend de la taille du bassin versant et de sa pluviométrie, qui va déterminer la quantité d’eau.
Elle est aussi directement proportionnelle à la hauteur de chute entre le niveau de la retenue et la turbine.

Il existe des barrages de toutes tailles :
- micro-centrales de moins de 10 MW,
- barrages sur les grands fleuves (petite hauteur
d’eau mais grand débit),
- énormes barrages avec de grands dénivelés, de plusieurs GW (18 GW pour le plus grand, le barrage des Trois Gorges en Chine).

En 2009, l’hydraulique représente 2,3 % de l’énergie produite dans le monde et 35 % du renouvelable (pourcentage exprimé après conversion en énergie primaire).

La ressource hydraulique est mal répartie dans le monde. Puisqu’il faut de la pluie et des montagnes, elle n’est disponible que dans les pays qui présentent ces deux caractéristiques (pas de chance pour les pays du Sahara et la Belgique !).

Le champion est la Norvège avec 98,5 % d’électricité de source hydraulique, devant le Brésil (80 %). La Chine a le plus grand parc de barrages, devant les Etats-Unis et le Canada.

2. Avantages attendus

Les moulins à papier et à farine de nos aïeux utilisaient directement l’énergie mécanique de l’eau. Ils ont maintenant fait place à des centrales où cette énergie mécanique est transformée en électricité.

- Cette conversion se fait avec un excellent rendement de 90 %, ne génère ni CO2 ni d’autres polluants, et la source d’énergie, l’eau
de pluie, est gratuite et inépuisable tant que le climat ne se détraque pas.

- Un autre avantage significatif de cette forme d’énergie est sa souplesse. On peut arrêter, démarrer (tant qu’il y a de l’eau dans le réservoir) ou moduler instantanément la production. Il suffit de tourner un robinet.

C’est bien visible-sur la figure ci-contre où on voit la production hydraulique (en bleu) passer de presque zero dans la nuit au maximum à midi, tandis que le nucléaire (en beige) reste constant.
Sur le réseau électrique, l’hydraulique est mise à contribution pour subvenir aux pointes de consommation.

- Moyennant une adaptation, on peut aller encore plus loin. Si l’on adjoint un réservoir en aval et des pompes qui peuvent remonter l’eau
du réservoir aval vers le réservoir amont, on peut faire marcher l’installation à l’envers.
On consomme alors de l’électricité pour remonter l’eau. Cela permet de gérer les pointes de production électrique (par exemple beaucoup de vent sur l’éolien) ou les creux de consommation (par exemple en pleine nuit).
L’eau remontée sera utilisée plus tard quand elle sera utile. C’est donc une manière de stocker l’énergie.
C’est actuellement de loin la première et la plus efficace forme de stockage de l’électricité.
Ce concept, appelé Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) est déjà utilisé en France et bien d’autres pays.
Un STEP peut être en montagne, mais aussi au bord de la mer qu’on utilise alors comme l’un des deux bassins (c’est autant d’économisé, pas besoin de le construire).
L’autre bassin peut être un lac artificiel en haut d’une falaise côtière ou au milieu d’un atoll artificiel.
(voir plus de détails dans l’article consacré au stockage ici)

3. Problèmes ou risques

- L’inégalité de répartition mentionnée plus haut peut être source de tension entre pays dotés et ceux qui ne le sont pas.

- La grande hydraulique a un impact lourd sur l’environnement :
- inondation de vastes surfaces
- déplacements de population
- blocage des alluvions
- risque de rupture des barrages. Il est loin d’être négligeable.
Entre 1959 et 1987 on a recensé 30 ruptures, causant 18000 morts (dont plus de 4000 en Inde). Elles sont dues à des causes techniques (de moins en moins), naturelles (crues exceptionnelles, glissements de terrain, plus rarement séismes) ou humaines (l’ingénieur s’est trompé dans ses calculs, mauvaise construction, malveillance).

- La petite hydraulique peut perturber les écosystèmes, modifier le débit des cours d’eau, empêcher la migration des poissons.

4. Potentiel de développement

Aujourd’hui on produit annuellement dans le monde 3300 TWh à comparer à un potentiel exploitable avec les technologies
actuelles estimé à 16000 TWh.

Comme illustré sur les diagrammes ci-dessus, l’exploitation de ce potentiel est très inégale.
Pour certains pays (Suisse, Norvège, Mexique, Suède, France) presque tout ce qui était aménageable a été utilisé
et il n’y a plus grand chose à gratter.
Seule reste possible l’expansion de micro-centrales, encore que les contraintes écologiques risquent de la limiter très sérieusement.

Le gisement d’expansion se trouve donc essentiellement dans les pays émergents, probablement moins regardants sur les risques écologiques.

Dans son scénario BLUE MAP, l’IEA envisage pour 2050 une production quasiment doublée, de 5800 TW, encore très loin
du maximum exploitable, l’essentiel de l’accroissement étant localisé en Asie-Pacifique.
Cela correspond à 0,5 Gtep.

5. Coûts et prix

L’hydraulique est une énergie très rentable. Une centrale, qui peut durer plus de cent ans, s’amortit très bien et l’eau
est gratuite. De plus, un barrage sert souvent également à la régulation de débit de cours d’eau, l’irrigation et
la production d’eau potable, si bien que le financement
peut être assuré partiellement par d’autres acteurs que la branche hydro-électricité.
Le coût est donc essentiellement l’amortissement de l’investissement de la construction du barrage, de la centrale
et sa maintenance.

Il y toutefois une grande disparité car le coût de la construction dépend :
- de la configuration des lieux,
- du type de centrale (au fil de l’eau ou en montagne).
En outre le facteur de charge de la centrale varie aussi beaucoup
entre une utilisation quasi continue (au fil de l’eau) ou une utilisation uniquement pour effacer les pointes.

Néanmoins, on considère que le KWh hydraulique revient :
- entre 2 à 3 centimes d’euro pour le grand hydraulique,
- entre 3 à 7 pour le petit hydraulique
(sources World Energy Assessment et World Bank).
Ces valeurs ne devraient pas sensiblement évoluer dans le futur.

Cela place l’hydraulique comme la source la moins chère des renouvelables pour la production d’électricité.

Pour en savoir plus, voir un dossier de l’IEA sur ce sujet ici (en anglais).

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