Énergie Hydraulique : fonctionnement et chiffres clés

Par Florian Tostivint

Responsable éditorial - énergie

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L'énergie hydraulique exploite la force des cours d'eau pour produire de l'électricité via des barrages et des centrales hydroélectriques. Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) parfois associées jouent un rôle crucial dans le stockage de l'électricité. En France, l'hydroélectricité représente une part significative de la production d'énergie renouvelable, et bien que le potentiel de développement de nouvelles installations soit limité, des projets d'optimisation des infrastructures existantes sont en cours pour accroître l'efficacité et la production.

Qu'est-ce que l’énergie hydraulique ?

L'énergie hydraulique est une forme d'énergie renouvelable qui utilise la force motrice de l'eau pour générer de l'électricité. Elle exploite le mouvement naturel des cours d'eau, des chutes et des marées pour produire une énergie propre et durable.

L’énergie des cours d’eau

Depuis des millénaires, les civilisations ont tiré parti de l'énergie des cours d'eau pour diverses applications, notamment l'irrigation et le fonctionnement de moulins. Avec l'avènement de la révolution industrielle, cette énergie a été transformée pour produire de l'électricité à grande échelle. En canalisant l'eau à travers des turbines, les centrales hydroélectriques convertissent l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique, puis en électricité.

Principe de fonctionnement

Les centrales hydroélectriques fonctionnent en exploitant la différence de hauteur entre deux points d'un cours d'eau, appelée "chute". L'eau est parfois retenue par un barrage, créant un réservoir.

Lorsqu'elle est libérée, l'eau s'écoule à travers des conduites forcées vers des turbines situées en contrebas. La pression et le débit de l'eau font tourner les turbines, qui sont reliées à des alternateurs convertissant l'énergie mécanique en énergie électrique.

Les types de centrales hydroélectriques

Les centrales hydroélectriques se distinguent principalement par leur conception et leur mode de fonctionnement.

• Centrales au fil de l'eau : ces installations utilisent directement le débit naturel des cours d'eau sans constituer de réserves significatives. Elles produisent une électricité continue, proportionnelle au débit du cours d'eau, et sont souvent implantées sur de grands fleuves ou rivières à faible dénivelé.
• Centrales d'éclusée : également appelées centrales de moyenne chute, elles disposent de réservoirs de taille modérée permettant de stocker l'eau sur des périodes courtes, comme une journée ou une semaine. Elles sont généralement situées sur des cours d'eau avec des dénivelés modérés.
• Centrales de lac : connues aussi sous le nom de centrales de haute chute, ces installations sont équipées de grands barrages formant des lacs de retenue capables de stocker d'importants volumes d'eau sur des périodes prolongées, allant de plusieurs mois à une année. Implantées principalement en zones montagneuses, elles exploitent de forts dénivelés pour produire de l'électricité, notamment lors des pics de demande. 
• Stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) : ces installations particulières servent au stockage d'énergie. En période de faible demande électrique, l'eau est pompée vers un réservoir supérieur. Lors des pics de consommation, cette eau est relâchée vers un réservoir inférieur en passant par des turbines, produisant ainsi de l'électricité.

Les types de barrages

Les barrages hydroélectriques se déclinent en plusieurs types, adaptés aux caractéristiques géologiques et hydrologiques du site :

• Barrage-poids : construit en béton ou en maçonnerie, il retient l'eau grâce à son propre poids.
• Barrage-voûte : de forme arquée, il transfère la pression de l'eau vers les rives, nécessitant moins de matériaux que le barrage-poids.
• Barrage en remblai : composé de terre ou de roches, il est souvent utilisé lorsque les matériaux locaux sont disponibles en abondance.
• Barrage-buttée : combine des éléments de barrages-poids et en remblai, avec des contreforts soutenant la structure principale.

Facteur de charge et intermittence

Le facteur de charge d'une installation électrique est le rapport entre la production réelle d'électricité sur une période donnée et la production maximale théorique si l'installation fonctionnait à pleine capacité en continu. Pour l'hydraulique, le facteur dépend de plusieurs variables, notamment la disponibilité de l'eau, les variations saisonnières des précipitations et la gestion des réserves. Par exemple, une année avec de fortes précipitations augmentera le facteur de charge, tandis qu'une sécheresse le réduira.

D'une région et d'une année à l'autre, le facteur de charge de l'hydraulique pourra être inférieur à 20% ou supérieur à 60%.

Contrairement à d'autres sources d'énergie renouvelable comme l'éolien ou le solaire, l'hydroélectricité offre une production plus stable et prévisible. Cependant, elle n'est pas totalement exempte d'intermittence. Les variations saisonnières des débits fluviaux, les périodes de sécheresse prolongées ou les besoins en eau pour d'autres usages (irrigation, consommation humaine) peuvent affecter la disponibilité de l'eau pour la production électrique. La gestion efficace des réservoirs et des barrages est donc essentielle pour minimiser l'impact de ces fluctuations.

Coûts de production

Le coût de production de l'énergie hydroélectrique est influencé par plusieurs facteurs, notamment les coûts initiaux de construction, les dépenses d'exploitation et de maintenance, ainsi que la durée de vie de l'installation. Ces coûts fixes étant rapportés aux megawattheures produits, la rentabilité pourra varier d'une année à l'autre, mais ils sont généralement sous les 100€/MWh.

Les barrages terrestres (onshore) nécessitent des investissements initiaux substantiels en raison de la construction de structures massives et de l'infrastructure associée. Cependant, une fois en service, ces installations offrent des coûts d'exploitation relativement bas et une longue durée de vie, souvent supérieure à 50 ans, ce qui permet d'amortir les coûts initiaux sur une période prolongée.

Bien que l'hydroélectricité soit principalement associée aux installations terrestres, des installations offshore existent, notamment les centrales marémotrices qui exploitent l'énergie des marées. Ces installations en milieu marin présentent des défis supplémentaires, tels que des conditions environnementales plus rigoureuses, des coûts de construction et de maintenance plus élevés, et des technologies plus complexes pour résister à la corrosion et aux forces océaniques.

L'une des énergies marines

Il est essentiel de distinguer l'hydroélectricité des autres formes d'énergies marines, bien que toutes exploitent la puissance de l'eau. Contrairement à l'hydroélectricité traditionnelle, qui exploite l'énergie potentielle des cours d'eau continentaux via des barrages, les énergies marines se concentrent sur les phénomènes dynamiques propres aux environnements marins.

Les énergies marines renouvelables regroupent diverses technologies utilisant les ressources des mers et des océans pour produire de l'électricité. Voici les principales :

• Énergie marémotrice : elle exploite les mouvements de flux et de reflux des marées pour générer de l'électricité, généralement via des barrages marémoteurs installés dans les estuaires. Un exemple notable est l'usine marémotrice de la Rance en France.
• Énergie hydrolienne : elle utilise la force des courants marins en installant des turbines sous-marines, similaires à des éoliennes, qui tournent sous l'effet des courants et produisent de l'électricité.
• Énergie houlomotrice : elle tire parti du mouvement des vagues et de la houle pour actionner des dispositifs mécaniques ou des colonnes d'eau oscillantes, convertissant ainsi l'énergie cinétique des vagues en électricité.
• Énergie thermique des mers : elle exploite la différence de température entre les eaux de surface, plus chaudes, et les eaux profondes, plus froides, pour produire de l'électricité via des cycles thermodynamiques.
• Énergie osmotique : basée sur la différence de salinité entre l'eau douce des fleuves et l'eau salée des océans, cette technologie utilise la pression osmotique pour générer de l'électricité.

Chacune de ces technologies présente des caractéristiques spécifiques et des degrés de maturité technologique variés.

Avantages, inconvénients et solutions

Avantages 

• Énergie renouvelable et propre : l'hydroélectricité utilise le cycle naturel de l'eau pour produire de l'électricité sans émissions directes de gaz à effet de serre, contribuant ainsi à la réduction de l'intensité carbone du mix électrique (11g CO₂eq/kWh). Elle ne produit aucun déchet.
• Fiabilité et flexibilité : les centrales peuvent ajuster rapidement leur production pour répondre aux fluctuations de la demande énergétique, offrant une stabilité appréciée au réseau électrique.
• Longévité des installations : les infrastructures hydroélectriques ont une durée de vie pouvant dépasser 50 ans, ce qui en fait des investissements durables avec des coûts d'exploitation relativement faibles après l'amortissement initial.
• Stockage d'énergie : les réservoirs des barrages permettent de stocker de l'eau, et donc de l'énergie potentielle, pouvant être libérée en fonction des besoins, et jouent un rôle crucial dans la gestion des pics de demande.
• Développement régional : la construction et l'exploitation de centrales hydroélectriques peuvent stimuler l'économie locale en créant des emplois et en améliorant les infrastructures.

Inconvénients 

• Dépendance aux conditions hydrologiques : les variations climatiques, en particulier les périodes de sécheresse, peuvent réduire le débit des cours d'eau, affectant la production électrique et la disponibilité en eau pour d'autres usages.
• Coût initial élevé : la construction de barrages et d'infrastructures associées requiert des investissements financiers substantiels, bien que ces coûts soient compensés sur le long terme par une production stable et des coûts d'exploitation réduits.
• Impact environnemental : la création de barrages peut entraîner la submersion de vastes zones, affectant les écosystèmes terrestres et aquatiques, perturbant les habitats naturels et les routes migratoires des poissons. La présence de grandes quantités d'eau retenue peut augmenter la pression sur les failles géologiques, potentiellement déclencher des séismes ou provoquer des glissements de terrain.
• Déplacement des populations : les projets de grande envergure peuvent nécessiter le déplacement de communautés locales, entraînant des conséquences sociales et culturelles significatives.

Solutions pour limiter les effets négatifs 

• Aménagements écologiques : intégrer des passes à poissons et des échelles spécifiques pour permettre la migration des espèces aquatiques et réduire l'impact sur la biodiversité.
• Gestion adaptative des réservoirs : mettre en place des stratégies de gestion de l'eau tenant compte des prévisions climatiques pour optimiser la production électrique tout en préservant les écosystèmes et les usages en aval.
• Consultation des communautés locales : impliquer les populations concernées dès les phases de planification pour identifier les impacts potentiels et développer des plans de relocalisation ou de compensation adaptés.
• Surveillance et entretien réguliers : assurer un suivi constant de l'état des infrastructures et des zones environnantes pour détecter et prévenir les risques géologiques ou structurels.

Les STEP : une solution de stockage

Les Stations de Transfert d'Énergie par Pompage (STEP) sont des installations hydroélectriques spécifiques conçues pour stocker de l'énergie en pompant de l'eau vers un réservoir supérieur lors des périodes de faible demande, puis en la turbinant pour produire de l'électricité lors des pics de consommation.

Principe de fonctionnement

Une Station de Transfert d'Énergie par Pompage fonctionne en deux phases distinctes : la phase de pompage et la phase de turbinage.

Lors des périodes où la demande en électricité est inférieure à la production, généralement la nuit ou pendant les creux de consommation, l'excédent d'énergie disponible sur le réseau est utilisé pour actionner des pompes qui transfèrent l'eau d'un bassin inférieur vers un bassin supérieur. Cette opération stocke de l'énergie potentielle sous forme d'eau élevée.

Lorsque la demande en électricité augmente, l'eau stockée dans le bassin supérieur est relâchée vers le bassin inférieur en passant par des turbines. Le mouvement de l'eau entraîne les turbines, qui sont couplées à des alternateurs produisant de l'électricité.

Ce processus permet de restituer rapidement l'énergie stockée au réseau, contribuant ainsi à l'équilibrage entre l'offre et la demande électrique. Il s'agit d'un avantage majeur, puisqu'aucune autre technologie de stockage de l'électricité à grande échelle n'existe encore. 

Les types de STEP

Les STEP se déclinent principalement en deux catégories :

• à circuit ouvert : elles utilisent des réservoirs naturels ou artificiels déjà existants, tels que des lacs ou des rivières, pour constituer les réservoirs supérieur et inférieur. L'eau est prélevée et restituée dans le même bassin naturel, ce qui limite les besoins en construction de nouvelles infrastructures.
• à circuit fermé : également appelées STEP "pures", ces installations disposent de deux réservoirs artificiels dédiés, généralement construits spécifiquement pour le stockage d'énergie. L'eau circule en circuit fermé entre les deux réservoirs sans interaction directe avec les cours d'eau naturels, minimisant ainsi l'impact environnemental.

Les avantages

• Avantages économiques : elles permettent de lisser les variations de prix sur le marché de l'électricité en stockant l'énergie excédentaire lorsque les prix sont bas et en la restituant lors des pics de demande, où les prix sont plus élevés. Cette stratégie optimise l'utilisation des ressources et réduit les coûts pour les consommateurs. Au passage, les STEP contribuent à stabiliser le réseau, limitant ainsi les besoins en infrastructures supplémentaires coûteuses.
  Sécurité énergétique : la hausse significative de la production d'électricité intermittente en Europe, bien que positive pour l'environnement, modifie structurellement le marché de l'électricité et pose des questions de sécurité énergétique. Cette production, indépendante de la demande, nécessite un ajustement constant pour maintenir l'équilibre du réseau. Les périodes de surproduction peuvent entraîner des prix négatifs, tandis que les périodes de sous-production, notamment en hiver, posent des défis majeurs. Dans un contexte de décarbonation, le stockage de l'énergie devient essentiel, et l'hydraulique offre une capacité de réponse rapide et cruciale pour compenser les fluctuations des énergies renouvelables.
• Comparaison avec d'autres technologies de stockage : son rendement énergétique se situe généralement entre 70 % et 85 %, signifiant qu'une partie de l'énergie est "perdue" lors du cycle de pompage-turbinage, mais ce qui représente un chiffre élevé. Par exemple, les solutions de stockage par hydrogène ont un rendement  inférieur à 25 %. Cette efficacité énergétique fait des STEP une option privilégiée pour le stockage massif d'énergie. De plus, leur technologie est mature et éprouvée, offrant une fiabilité accrue par rapport à d'autres solutions émergentes.
• Coût relativement faible : la mise en place de nouvelles STEP nécessite des investissements significatifs, mais peu élevés quand ils sont rapportés à la puissance installable. On les estime à entre 0,5 et 2 millions d'euros par MW de puissance installée.

Toutefois, l'identification de sites adéquats requiert des conditions géographiques spécifiques, notamment des dénivelés suffisants entre les réservoirs.

Les chiffres clés

L'hydroélectricité occupe une place très variable dans les mix énergétiques des pays.

En France

En 2024, la France disposait d'une puissance installée hydroélectrique de 25,7 GW. Cette même année, la production hydroélectrique a atteint 74,7 TWh, couvrant près de 14 % de la consommation électrique nationale.

En ce 14 mai 2025, la production journalière hydraulique en France s'est élevée à 171 GWh.

Production d'électricité hydro (barrage) en France (en GWh) - source RTE

Production d'électricité hydro fil de l'eau en France (en GWh) - source RTE

Production d'électricité stockage hydro en France (en GWh) - source RTE

Production cumulée après déduction du pompage : 14,8 TWh en 2024 et 13,1 TWh en 2025 - Source : https://www.edf.fr/groupe-edf/espaces-dedies/investisseurs/performances…

La filière hydraulique est la deuxième source de production d'électricité française, et la première renouvelable.

Source : Chiffres clés de la production d’électricité française en 2024 RTE - Graphique : Selectra

Le parc hydroélectrique français comprend environ 2 500 installations. Les principales régions productrices sont l'Auvergne-Rhône-Alpes (44% à elle seule), l'Occitanie et la Provence-Alpes-Côte d'Azur, bénéficiant de massifs montagneux propices à l'exploitation hydroélectrique.

Production hydraulique par région - Source RTE (Panorama des énergies renouvelables 2022)

En Europe

Au niveau européen, la France se positionne comme le quatrième producteur hydroélectrique, représentant 8,8 % de la production totale en 2022, derrière la Norvège, la Suède et la Turquie.

Dans le monde

À l'échelle mondiale, la France se classe au 14^e rang des producteurs hydroélectriques, contribuant à 1,3 % de la production mondiale en 2023.

Les principaux pays producteurs d'hydroélectricité sont aussi parmi les plus grands au monde : la Chine, le Brésil, le Canada, les États-Unis et la Russie. La Norvège est le pays où l’hydroélectricité domine le plus, représentant 93,4 % de sa production électrique en 2023, suivie du Brésil (63,5 %) et du Canada (58,8 %). Le Vietnam (27,8 %), la Turquie (29,2 %) et la Chine (17,4 %) se distinguent aussi part une part importante de l’hydroélectricité dans leurs mix électriques respectifs.

Au total, l'hydraulique pesait pour 14,28 % du mix électrique mondial.

Le barrage des Trois Gorges, situé en Chine sur le fleuve Yangtsé, est le plus grand barrage du monde avec une capacité installée de 22 500 MW. Sa construction, achevée en 2012, a nécessité le déplacement de plus d'1,3 million de personnes et a submergé plusieurs villes et sites archéologiques. Il produit en moyenne 80 à 100 TWh d’électricité par an, contribuant significativement à l'approvisionnement énergétique de la Chine

La filière hydroélectrique française

La filière hydroélectrique en France est structurée autour de deux acteurs majeurs.

Quelles sont les principales entreprises du marché en France ?

• Électricité de France (EDF) : Fondée en 1946, EDF est le principal producteur et fournisseur d'électricité en France. L'entreprise exploite près de 80 % de la capacité hydroélectrique nationale, soit environ 20,1 GW. EDF est un acteur historique majeur dans le secteur énergétique français.
• Compagnie Nationale du Rhône (CNR) : Créée en 1933, la CNR est le deuxième producteur français d'hydroélectricité et le premier producteur d'énergie exclusivement renouvelable. Elle gère les aménagements hydroélectriques sur le fleuve Rhône, contribuant significativement à la production nationale. Ses principaux actionnaires sont Engie et la Caisse des dépôts et consignations.

Peut-on encore en construire en France ?

Le potentiel au niveau des cours d'eau est déjà bien couvert en France.

La Programmation Pluriannuelle de l'Énergie (PPE) sur la période 2019-2028 prévoit une augmentation de la puissance installée de l'ordre de de 900 à 1 200 MW d'ici 2028, ce qui correspondrait à une production supplémentaire de 3 à 4 TWh.

Cependant, le développement de nouvelles installations hydroélectriques en France est confronté à des contraintes environnementales et réglementaires. La construction de nouveaux barrages est limitée par la nécessité de préserver les écosystèmes aquatiques et de respecter les classements des cours d'eau qui interdisent l'établissement de nouveaux ouvrages sur certains tronçons. Par conséquent, les efforts se concentrent davantage sur la modernisation et l'optimisation des infrastructures existantes, ainsi que sur le développement de petites centrales hydroélectriques et de stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) pour améliorer le stockage et la gestion de l'énergie.

Certains experts, comme Bernard Tardieu, recommandent l'option des lagons marémoteurs, qui consistent en la création de bassins en mer, formés par des digues reliées à la côte, exploitant l'énergie potentielle des marées pour produire de l'électricité. Des turbines bidirectionnelles génèrent de l'électricité lors des marées montantes et descendantes. Ces technologies sont éprouvées car utilisées dans les centrales marémotrices, notamment l'usine de la Rance en Bretagne. Les techniques de construction en mer sont maîtrisées, avec un savoir-faire disponible en France et en Europe. Cette expertise assure la fiabilité et la durabilité des infrastructures marémotrices.

Le potentiel est grand, car la France dispose de zones propices au développement de lagons marémoteurs, notamment sur la côte ouest du Cotentin en Normandie et les côtes d'Albâtre et d'Opale dans les Hauts-de-France. Des études estiment une capacité potentielle d'environ 15 GW, équivalant à une production annuelle de 25 TWh, soit environ 5 % de la consommation électrique nationale. Cette production serait comparable à celle de deux réacteurs nucléaires de type EPR.

Les lagons marémoteurs offrent une production d'électricité fiable et prévisible, avec des coûts de revient compétitifs estimés autour de 70 €/MWh. La longue durée de vie des installations permet d'amortir les investissements initiaux sur plusieurs décennies. De plus, les coûts d'exploitation sont faibles et peu sensibles aux fluctuations externes. L'utilisation des turbines en mode pompage permettrait en outre d'augmenter la production en ajustant les niveaux d'eau, améliorant ainsi le rendement énergétique. Cette flexibilité offre également des services de stockage et de modulation pour le réseau électrique.

Les digues des lagons marémoteurs peuvent aussi servir de barrières contre l'érosion côtière et les inondations, protégeant ainsi les zones littorales. En rétablissant les niveaux naturels de marée à l'intérieur des bassins, les écosystèmes locaux sont préservés. Ils présentent donc l'avantage de minimiser les impacts environnementaux en s'implantant hors des estuaires.