Energie hydraulique : sa définition, ses avantages et inconvénients

L’énergie hydraulique est issue de la force et du mouvement de l’eau (rivières, chutes d’eau, vagues et courants marins) qui permet de produire de l’énergie électrique. Ce mouvement est intégré dans un processus mécanique de production, directe et indirecte comme les énergies électriques dans des centrales hydroélectriques. La production d’hydroélectricité est une des premières sources d’énergies renouvelables en France et dans le monde. L'état des lieux de la filière hydraulique et ses perspectives d'avenir dans le mix énergétique français et mondial doivent répondre à des objectifs de transition énergétique. Et être une des réponses à la lutte contre le réchauffement climatique mondial.

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Qu’est-ce que l’énergie hydraulique ?

L’eau est l’élément de vie par excellence : pour sa fonction vitale pour les êtres humains, mais également par son formidable potentiel de production d’énergie.

Définition de l’énergie hydraulique

L’énergie hydraulique utilise la force cinétique des déplacements de l’eau sous toutes ses formes (chutes d’eau, courants des rivières et autres cours d’eau) pour produire de l’énergie. Ce processus est une manifestation indirecte de l’énergie solaire et de la force de gravité de la Lune dans le cycle de vie de l’eau : l’énergie solaire provoque des vapeurs d’eau des océans et des mers, qui se transforment en nuages et sont poussés au gré du vent pour se transformer en pluie et neige qui viennent alimenter les lacs, rivières, mers et océans. Ainsi, c’est la conjonction de plusieurs sources d’énergies renouvelables qui participent indirectement à la production d’énergie hydraulique.

La force de l’eau est utilisée depuis l’Antiquité via les moulins à eau pour fournir de l’énergie mécanique - directe i.e sans autre transformation – pour la fabrication du papier ou moudre le grain, puiser de l’eau, etc.

L’avènement de l’ère industrielle au 19ème siècle voit les premières utilisations de l'énergie hydraulique par le biais de barrages, produite par les chutes d’eau dans des centrales hydrauliques.

Ce sont les premières expérimentations de la transformation d’une énergie renouvelable – l’énergie hydraulique – pour en faire une énergie électrique via des centrales hydroélectriques. Cette filière – qualifiée de houille blanche – prend un essor fulgurant au début du 20ème siècle, encouragé par le développement du réseau d’électricité en France.

Comment fonctionne l’énergie hydraulique ?

L’énergie hydraulique renouvelable peut être comparée à l’énergie éolienne sur son mode de fonctionnement. L’eau produit un mouvement qui actionne des turbines dont le déplacement en continu - et sous la pression de la force de l’eau - permet de produit de l’énergie.

La pression de l’eau est essentielle dans le processus de production de l'énergie hydraulique, puisque plus elle est importante, plus le mouvement sera rapide et important.

Cette énergie est ensuite utilisée directement dans un processus de production mécanique (le cas des moulins à eau utilisés en agriculture par exemple) ou indirectement, dans un processus plus important pour produire une seconde énergie telle que l’énergie électrique.

Transformer l’énergie hydraulique en électricité, c’est possible ?

Quelle est la place de la filière hydraulique en France et dans le monde ? Quelles sont les différentes installations hydrauliques et les perspectives de développement possibles ?

La filière de production hydroélectrique en France

L’énergie hydroélectrique et sa filière de production représente près de 19% de la production d'électricité dans le monde, ce qui en fait la 3ème source de production d’énergie électrique au niveau mondial derrière le charbon (40%) et le gaz (20%).

L’énergie hydraulique en France a subi un net recul de sa production depuis le 20ème siècle, puisque dans les années 1950, 56% de la production d’électricité était issue de l’énergie hydraulique. Elle peine aujourd’hui à trouver sa place face au parc nucléaire dont la filière de production représente près de 75% de la production d’électricité contre 13% pour la filière hydraulique.

Toutefois, l’énergie hydraulique renouvelable en France a encore de grands potentiels d’exploitation.

Son pourcentage de production reste bien en dessous de certains de ses voisins européens ou dans le monde. A l’image de pays comme la Norvège ou la Suisse qui affichent une production d’électricité de près de 50% issue de l’énergie hydraulique. Ou le cas de la Chine dont la croissance de production exponentielle est de 12% par an. Le barrage des Trois-Gorges situé au cœur de la Chine, sur le Yangzi Jiang, s’étend sur plus de 2335 mètres de longueur et 185 mètres de hauteur, et est doté de 2 centrales hydrauliques pouvant produire plus de 98,8 TWh (2014) par an. Ce qui en fait la plus grande centrale hydroélectrique au monde !

En comparaison, le potentiel de production d’énergie hydroélectrique en France est de 60-70 TW par an. Un score moins important certes, mais qu’il faut relativiser face aux différentes installations disponibles et possibles de mettre en place.

L’énergie hydroélectrique a besoin d’un ensemble d’installations qui fonctionne de façon optimale pour produire de l’électricité. En France, 640 barrages sont utilisés pour produire de l’électricité. En France, l’exploitation de l’énergie hydraulique passe en majorité par les centrales de lacs et les centrales au fil de l’eau.

Les centrales de lacs offrent un grand potentiel de production, notamment en cas de pics de consommation. Elles peuvent de fait mobiliser de grandes ressources, dans un délai très court (9000 MW en quelques minutes). Elles sont composées :

1. De barrage dont le rôle consiste à bloquer l’écoulement naturel de l’eau, de la retenir et de la stocker ;
2. De conduites d’eau par un ensemble de tuyaux permettant d’orienter l’écoulement de l’eau artificiellement vers la centrale hydraulique située en contrebas du barrage ;
3. De centrale hydraulique où l’eau est acheminée à un point précis pour faire tourner des turbines. Entraînées par la force de l’eau, les turbines font tourner un alternateur qui produit le courant électrique alternatif ;
4. De transformateur, utilisé pour gérer la tension du courant électrique alternatif afin qu’il soit transportable via les lignes à très hautes tensions.

L’eau utilisée n’a pas subi de transformation proprement dite et est exempte d’émissions de CO2. Elle réintègre le cycle de vie de l’eau pour être réutilisée lors de prochaines phases de production d’énergies hydrauliques.

Une centrale hydroélectrique permet de moduler sa production en fonction de la demande de consommation énergétique. Ceci grâce à son réservoir d’eau qui permet d’ajuster à la hausse comme à la baisse la puissance électrique produite.

L’énergie hydraulique peut être utilisée dans d’autres types d’installations, comme les centrales au fil de l’eau.

Les différents modes d’utilisation de l’énergie hydraulique

Plusieurs types d’installations permettent de produire l’énergie hydroélectrique :

• Les centrales de lacs que l’on vient d’aborder ;
• Les centrales au fil de l’eau qui produisent de l’hydroélectricité mais sans utilisation de barrages et donc de possibilité de stocker l’eau. Basées sur le cours de rivières ou de grands fleuves, elles fournissent de l’énergie de consommation de base, dite au fil de l’eau ;
• Les petites centrales hydrauliques (PCH) dont la puissance est inférieure à 10 MW ;
• Les stations de transfert d’énergie par pompage ou STEP, qui permettent de pomper des volumes d’eau pendant les périodes de basse consommation et de les utiliser pendant les pics de consommation. On dit que les STEP permettent de stocker l’énergie électrique.

A côté de ces 4 grandes installations hydrauliques, on trouve d’autres types d’installation qui exploitent l’énergie produite par l’eau : les centrales marémotrices et hydroliennes (entre autres) qui utilisent les mouvements de l’eau issus des mers et océans pour produire de l’énergie électrique. Ces énergies renouvelables sont appelées les énergies marines.

Le cas des énergies marines

Les énergies marines ou énergies bleues représentent un formidable potentiel de développement pour la filière des énergies renouvelables en France ou dans le monde. Elles peuvent de ce fait participer à la transition énergétique en cours ; mais encore faut-il que les intérêts grandissants pour cette énergie renouvelable se concrétisent par des réalisations industrielles à grandes échelles.

Il faudra pour cela trouver la maîtrise des mouvements des océans et des mers, ce qui est loin d’être facile.

On peut citer les installations potentielles suivantes :

• Les centrales marémotrices qui utilisent l’énergie marémotrice - i.e le mouvement de l’eau produit par la gravité de la Terre et de la Lune - pour produire de l’électricité ;
• Les hydroliennes qui utilisent des turbines exploitant les courants marins ;
• Les fermes houlomotrices – ou fermes à vagues - qui utilisent le mouvement des vagues ;
• L’utilisation de l’énergie thermique des mers ou énergie hydrothermique issue de la différence de températures entre les eaux de surface et les eaux profondes.

L’impact de l’énergie hydraulique

La production d’électricité à partir de l’énergie hydraulique offre de multiples atouts mais aussi des effets négatifs, comme tout type de production exploité à l’échelle industrielle (ex : les mines de charbon, les gisements de gaz, l’exploitation du pétrole, etc.). Ces conséquences néfastes peuvent-elles enrayer le potentiel de développement de la filière des énergies hydrauliques ?

Avantages et inconvénients de l’énergie hydraulique

Les avantages de l'énergie hydraulique :

• L’hydroélectricité est issue d’une source d’énergie verte ;
• L’énergie hydraulique n’émet de gaz à effet de serre, elle préserve donc la planète du réchauffement climatique ;
• Elle ne produit pas de déchets – contrairement à l’énergie nucléaire qui en produit un certain nombre à hauts potentiels toxiques ;
• L’énergie hydraulique permet de réguler les pics de consommation d’électricité survenant en hiver par exemple, grâce à ses réservoirs de stockage et de pallier ainsi à des coupures de réseau intempestives ;
• L’énergie verte est de plus accessible à un coût abordable sur le moyen-long terme ;
• Les centrales hydroélectriques participent au développement économique et touristique des zones d’habitations où elles sont implantées.

A l'inverse, voici quelques impacts négatifs de cette énergie :

• L’énergie hydraulique suppose la construction d’installations de barrages avec un fort impact sur les écosystèmes environnants. La faune et la flore de ces cours d’eau sont directement impactés par la construction d’une retenue d’eau artificielle – avec la disparation de certaines espèces animales ;
• Idem pour la construction de réseaux de lignes électriques qui donnent lieu généralement à d’autres constructions telles que des routes et l’installation de poteaux ;
• La construction des infrastructures hydrauliques prend de la place et est souvent à l’origine de déplacements de populations ;
• Les zones d’exploitation de l’énergie hydraulique sont limitées à des endroits montagneux. Or, la plupart de ces zones sont déjà exploitées et dotées de centrales de lacs. Cette limitation réduit le développement de cette énergie renouvelable et de fait l’augmentation de sa part dans le mix énergétique français. Problématique, lorsqu’on sait les intentions du gouvernement de réduire la production d’électricité issue du parc nucléaire de 50% d’ici 2050 et le recours aux énergies fossiles de 30% d’ici 2030 ;
• La production hydroélectrique demande de lourds investissements de capitaux ;
• L’énergie hydraulique est soumise aux aléas climatiques et peut représenter une source de production d’énergie électrique instable. En cas de sécheresse, les cours d’eau se réduisent et de fait sa force motrice de l’eau également.

Quelles solutions pour limiter les effets négatifs de cette énergie renouvelable ?

Pour limiter leurs impacts, les centrales hydroélectriques doivent répondre à des obligations légales, que l’on peut retrouver dans la loi sur l’eau et les milieux aquatiques (Lema) du 30 décembre 2006. Cette Loi fixe un cadre législatif au regard des enjeux environnementaux et écologiques :

• Les cours d’eau doivent être maintenus à un débit minimum – débit réservé – afin de garantir la préservation de la vie et son développement ;
• Les déplacements des espèces devront être préservés par l’installation de passes à poissons, notamment pour les poissons migrateurs en périodes de reproduction ;
• De même, certains cours d’eau ne sont pas propices à l’exploitation d’une centrale hydraulique car ils sont de véritables réserves naturelles pour des espèces de poissons ;
• De manière générale, toute faune sauvage doit être préservée et des dispositions prises à leur égard par les exploitants des centrales hydrauliques ;
• L’après-barrage doit être aussi pris en considération. La démolition d’un barrage libère une eau lourde en sédiments souvent toxiques ;
• L’eau détournée pour être exploitée par les turbines doit retrouver le lit du cours d’eau en aval. Le cycle de l’eau doit être respecté.

L’avenir de la filière hydraulique en France et dans le monde

La filière d’énergie hydroélectrique représente pour la France près de 13% de la production d’électricité globale, ce qui en fait la 1ère source renouvelable d’électricité utilisée dans l’hexagone, et la deuxième derrière l’énergie nucléaire dans le mix énergétique.

L’ensemble du parc hydroélectrique représente près de 20% de la puissance électrique totale en France pour une capacité de production électrique « moyenne » de 12% par an. Pourquoi moyenne ? Car l’énergie hydraulique renouvelable est fortement dépendante des conditions hydrologiques, ce qui engendre de fortes disparités d’une année sur l’autre et peut représenter un fort handicap pour le développement de la filière.

Toutefois, le dernier panorama de l’électricité renouvelable paru en septembre 2019 dresse un état des lieux nuancé, avec de forts objectifs pour la filière hydraulique et l’ensemble des filières d’énergies renouvelables en France (éolien et solaire en tête).

On note ainsi dans ce rapport la forte croissance de la puissance de production électrique du parc éolien (15,9 GW de production) et solaire (9.2 GW). Et la stabilisation de la filière hydraulique (25.6 GW). Cette dernière garde sa position de leader mais quel est son avenir en France ?

La filière hydraulique possède de nombreux atouts – modulable, stockage, zéro émission de CO2, renouvelable – cependant elle est limitée par son parc de production. Si celui-ci a atteint ses pleines capacités, les énergies marines, elles, en sont encore au début de leur exploitation. Les promesses de développement viendront-elles de là pour atteindre la part de 30% des énergies renouvelables en France pour 2030 et faciliter la transition énergétique ?

Les objectifs quantitatifs et orientations fixés par la Programmation Pluriannuelle de l’Énergie (PPE) à atteindre pour la filière hydraulique sont :

1. D’augmenter la production d’hydroélectricité de 2 à 3 TWh à 2023 et la capacité de production de 500 à 750 MW ;
2. De préserver la flexibilité de production de l’énergie hydroélectrique, tout en intégrant de nouvelles énergies renouvelables ;
3. Continuer à concilier les enjeux environnementaux et la production d’énergie renouvelable ;
4. Continuer le développement de la filière hydroélectrique par un système d’appels d’offres ;
5. Développer les STEP pour augmenter la capacité de stockage d’énergie.

Si développement de la filière hydraulique il y a, elle viendra également dans le reste du monde. Au niveau mondial, la filière hydraulique représente près de 20% de la production d’électricité et son potentiel global est loin d’être exploité.

Pierre-Louis Viollet, directeur du département de Recherche et Développement d’EDF affirme que les regards doivent se tourner vers le continent africain, l’Asie, la Russie et l’Amérique du Sud (source : article Pour la Science).

Au niveau mondial, la production annuelle est de l'ordre de 3 000 twh, alors que l'on pourrait produire près de 9 000 twh de façon rentable.

Et même atteindre 14 600 TWh si l’on investit en masse sur la construction de nouvelles installations, soit près de 75% de la consommation d’électricité mondiale !

Les offres d’électricité issues de l’énergie hydraulique

Les offres d’électricité verte des fournisseurs d’énergie ne sont pas toutes à 100% issues de la filière hydraulique.

Certains le font, à l’instar de Electricité de Provence ou Energies d’Ici, mais la plupart propose un mix d’énergies renouvelables (éolien, solaire et hydraulique).

Néanmoins, toutes les offres d’électricité verte sont certifiées par des Garanties d’Origine, par lesquelles le fournisseur d’électricité s’engage à injecter sur le réseau, l’équivalent en électricité verte de ce qui a été consommé par le client.

^*Tableau mis à jour quotidiennement. Budget annuel calculé pour une consommation de 8000 kWh à Lyon en tarif Base 6 kVA