Énergie Hydraulique : fonctionnement et chiffres clés

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 ;
• Centrales d'écluséecentrales de moyenne chute, ;
• Centrales de laccentrales de haute chute ;
• Stations de transfert d'énergie par pompage (STEP).

Les types de barrages

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

• Barrage-poids ;
• Barrage-voûte ;
• Barrage en remblai ;
• Barrage-buttée.

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 ;
• Énergie hydrolienne ;
• Énergie houlomotrice ;
• Énergie thermique des mers ;
• Énergie osmotique.

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

Avantages, inconvénients et solutions

Avantages

• Énergie renouvelable et proprel'intensité carbone du mix électrique ;
• Fiabilité et flexibilité ;
• Longévité des installations ;
• Stockage d'énergie ;
• Développement régional.

Inconvénients

• Dépendance aux conditions hydrologiques ;
• Coût initial élevé ;
• Impact environnemental ;
• Déplacement des populations.

Solutions pour limiter les effets négatifs

• Aménagements écologiques ;
• Gestion adaptative des réservoirs ;
• Consultation des communautés locales ;
• Surveillance et entretien réguliers.

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 ;
• à circuit fermé.

Les avantages

• Avantages économiquesprix sur le marché de l'électricité
   : 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 ;
• Coût relativement faible.

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 , la production journalière hydraulique en France s'est élevée à .

Production hydraulique en France

Production d'électricité hy.9: 55.8 (e) TWh en 2025 et 75.2 TWh en 2024- Source : données RTE

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

Le mix électrique français en %

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) ;
• Compagnie Nationale du Rhône (CNR).

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.