Energie hydraulique

• Définition
• La centrale hydroélectrique ou hydraulique
• Production et consommation d’énergie hydraulique (ou hydroélectrique)
• L’avenir

L’énergie hydraulique ou hydroélectrique

Définition

L’énergie hydraulique est l’énergie mise en jeu lors du déplacement ou de l’accumulation d’un fluide incompressible telle que l’huile, l’eau douce ou l’eau de mer.

Ce déplacement produit un travail mécanique qui est soit :

• directement utilisé sous forme d’énergie mécanique
• l’eau d’un ruisseau fait tourner la roue d’un moulin à eau ou d’une noria
• dans une machine hydraulique, l’huile mise sous pression par une pompe et injectée dans un vérin pousse une lourde charge en exerçant une force qui peut atteindre plusieurs tonnes.
• dans un convertisseur de couple, l’huile propulsée par une turbine sur une autre turbine, transmet un couple sans à-coups et avec un effet multiplicateur.
• converti en énergie hydroélectrique (production d’électricité)
• une centrale hydroélectrique utilise l’énergie de la hauteur de chute et du débit d’un cours d’eau
• d’autres centrales utilisent l’énergie des marées, l’énergie des vagues et l’énergie des courants marins

Moulin à eau

L’énergie hydraulique est connue depuis longtemps. C’était celle des moulins à eau, qui fournissaient de l’énergie mécanique pour moudre le grain ou puiser de l’eau. Aujourd’hui, l’énergie hydraulique nous sert principalement à fabriquer de l’électricité dans les centrales hydroélectriques. Pour cela, on se sert de l’énergie des chutes d’eau. De l’eau qui tombe d’une chute (forte variation d’énergie potentielle) apporte en effet une énergie beaucoup plus concentrée que de l’eau qui coule dans une rivière (énergie cinétique).

L’énergie hydraulique est une manifestation indirecte de l’énergie du soleil, comme beaucoup de sources d’énergie sur terre (le vent, la houle, la biomasse, les énergies fossiles…). Sous l’action du soleil, l’eau s’évapore des océans et les nuages se déplacent au gré des vents. Des abaissements de température au-dessus des continents provoquent la condensation de la vapeur d’eau. La pluie et la neige (les précipitations) alimentent ainsi l’eau des rivières et des lacs.

La centrale hydroélectrique ou hydraulique

Elle comporte 3 éléments :

• Un barrage, pour créer une chute d’eau importante. Le barrage permet aussi souvent de créer un réservoir de stockage de l’eau, ce qui permet à la centrale de continuer à fonctionner, même en période de basses eaux.
• Un canal de dérivation, qui prélève l’eau nécessaire au fonctionnement de la centrale. Cela peut être un canal à ciel ouvert, une galerie souterraine ou une conduite. Certaines centrales de basse chute n’utilisent pas de canal de dérivation.
• La centrale elle-même, appelée aussi usine. C’est là que la chute d’eau fait tourner une turbine qui entraîne le générateur d’électricité (en général, un alternateur).
• Outre son intérêt pour la production d’énergie, un barrage permet aussi de réguler les crues d’un cours d’eau. Et il offre un réservoir d’eau pour l’irrigation agricole, et même parfois les loisirs (plages, sports nautiques).

La décision de construire un barrage hydroélectrique dépend de 3 conditions :

• De bonnes conditions topographiques : l’idéal, ce sont les gorges d’un cours d’eau, ou un resserrement en général. Si l’on veut stocker un maximum d’eau, il faut aussi calculer le volume de la cuvette en amont du barrage. Une vallée large et plate, c’est parfait !
• De bonnes conditions géologiques : les roches sur lesquelles s’appuie le barrage doivent être stables et étanches, à la fois pour des raisons d’efficacité et de sécurité.
• De bonnes conditions hydrologiques : les précipitations sur le bassin-versant qui alimente la cuvette du barrage doivent être suffisantes pour la remplir et compenser les pertes d’évaporation du lac de retenue.

Centrale hydroélectrique

Il faut aussi bien sûr convaincre les éventuels habitants de la cuvette qui va être submergée de déménager et les indemniser.

Il existe deux grands types de barrages :

• Les barrages-poids, qui s’appuient entièrement sur le sol du soubassement. Ce sol doit être particulièrement résistant, puisqu’il va encaisser toute la poussée de l’eau retenue. Les barrages-poids sont en béton, ou en remblais de terre ou de roches.
• Les barrages-voûtes, en forme d’arc convexe, qui s’appuient en grande partie sur leurs parois latérales rocheuses. Ces parois doivent être saines et sont inspectés régulièrement. Ce type de barrage est utilisé dans les vallées étranglées, pour des largeurs de barrage ne dépassant pas 6 fois sa hauteur.

Les barrages ne retiennent pas que de l’eau : ils arrêtent aussi les sédiments érodés par les cours d’eau qui alimentent la cuvette de retenue. Ils ont donc tendance à s’envaser plus ou moins vite. Exemple : à sa mise en service, le barrage de Sanmenxia, sur le Houang Ho en Chine, a perdu en 4 ans 41 % de sa capacité de stockage, en raison de la sédimentation de boues.

Il faut donc prévoir soit de pomper ces sédiments, soit de les vidanger régulièrement en utilisant une conduite de vidange placée à la base du barrage. Ces vidanges sont délicates. Attention à l’afflux d’eau boueuse en aval du barrage : les habitants et les poissons n’aiment pas ça !

La conception d’un barrage hydroélectrique doit tenir compte des risques et les limiter au maximum :

• Etude de la résistance aux crues : en 1889, le barrage de Johnston, aux États-Unis, cède sous l’effet d’une crue : 2 000 victimes. Tous les barrages sont aujourd’hui équipés d’évacuateurs de crues.
• Etude de la résistance du barrage aux séismes. Il faut aussi tenir compte de la stabilité des sols entourant la cuvette de retenue : en 1963, un gigantesque glissement de terrain se précipite dans le lac de retenue du barrage de Vaiont, en Italie. Le barrage résiste, mais une énorme vague d’eau passe par-dessus : 3 000 victimes dans la vallée en aval.
• Contrôle permanent du barrage lui-même : infiltrations d’eau dans le corps du barrage ou sous le barrage (effet « de renard »), déformations…
• Etude de l’impact écologique, en particulier autour et en aval des très grands barrages. Exemple : la construction sur le Nil du gigantesque barrage d’Assouan en Égypte (160 milliards de m³ de capacité de retenue) a provoqué plusieurs effets, entre autres une baisse sensible de la teneur en limons de l’eau, en aval du barrage. Résultat : le delta du Nil, qui avançait jusque-là sur la mer, a commencé à reculer (retrait du rivage de plusieurs dizaines de mètres par an à certains endroits), et les paysans du delta ont dû utiliser davantage d’engrais pour maintenir les rendements agricoles, en raison du déficit des limons apportés par la crue annuelle avant la construction du barrage. L’impact écologique des barrages de taille moyenne n’est pas nul non plus. Exemple : l’eau dormante de la retenue d’un barrage a tendance à être sous-oxygénée : les poissons qui reçoivent l’eau appauvrie qui alimente les turbines de la centrale n’apprécient pas. Et à l’inverse, quand on lâche brutalement de l’eau du haut du barrage, elle s’enrichit beaucoup en oxygène et contient des micro-bulles d’air. Les poissons n’aiment pas ça non plus… Pas faciles à satisfaire, ces petites bêtes !
• Etude de l’impact humain. La mise en eau des grands barrages, en particulier, oblige à déplacer de nombreuses personnes et peut noyer d’importantes surfaces de terres cultivées. Exemple : la mise en eau du plus grand barrage hydroélectrique du monde, celui des Trois Gorges sur le Yang Tse Kiang, en Chine, a commencé en 2003 et se terminera en 2009 (185 mde haut,2 kmde long, 22 milliards d’euros d’investissement, 26 turbines de 700 MW soit 18 200 MW de puissance : l’équivalent de 10 centrales nucléaires !). Entre 1,2 et 1,9 million de personnes devraient être déplacées, c’est-à-dire qu’il faudra toutes les reloger et leur donner de nouvelles terres à cultiver !

Production et consommation d’énergie hydraulique (ou hydroélectrique)

Quels sont les principaux pays producteurs d’énergie hydroélectrique (ou hydrolectrique)?

En 2005,la Chineest devenue le premier pays producteur mondial d’hydroélectricité, devant le Canada. Elle devrait conforter cette position d’ici quelques années, avec la mise en service progressive du gigantesque barrage des Trois-Gorges sur le Yang-Tse-Kiang.

Et par zones géographiques :

Les pays producteurs d’hydroélectricité en sont aussi les consommateurs, même si certains pays comme la Franceexportent un peu d’électricité vers les pays voisins. Par continent, l’énergie hydroélectrique semble bien mieux partagée que les sources d’énergie non renouvelables. A l’exception de l’Afrique, dont le potentiel hydroélectrique est très sous-exploité.

La production hydroélectrique mondiale en 2005 atteint 2 900 TWh (milliards de kWh). Cela représente 16,7 % de la production totale d’électricité (17 350 TWh).

L’avenir

Les avantages :

L’hydroélectricité fait partie des énergies renouvelables et non polluantes : pas de dégagement de gaz à effet de serre, ni de production de déchets toxiques. Les risques d’accident (rupture de barrage) sont très faibles, grâce à un contrôle continu des ouvrages. Les risques principaux sont d’ordre écologique local, en particulier en aval du barrage. Ils concernent surtout les très grands barrages.

La production hydroélectrique mondiale a progressé sur 10 ans, entre 1992 et 2002, de 19 %, mais moins vite que la consommation mondiale d’électricité (+ 32 %) ! Et cette progression est très faible en Amérique du Nord et en Europe.

On pense que le potentiel hydroélectrique exploitable de la planète serait d’environ 14 000 TWh, soit 5 fois plus que le potentiel exploité aujourd’hui. Ce potentiel global se situerait pour 1/4 en Asie, 1/4 en Amérique du Sud et 1/4 dans l’ex-URSS. Mais son développement actuel est très contrasté : l’Europe et l’Amérique du Nord exploiteraient déjà la moitié de leur potentiel, mais l’Asie 11 %, l’ex-URSS 7 % et l’Afrique 4 % seulement.

Propre et avec un potentiel inexploité important, l’énergie hydroélectrique devrait logiquement beaucoup se développer dans les prochaines décennies.

Les inconvénients

Toutefois, il existe 3 freins importants à ce développement :

• le problème social des personnes déplacées. Il faut que leur déplacement n’aboutisse pas à une régression de leur niveau de vie, ce qui coûte cher à concevoir et à mettre en application : il faut les reloger correctement, leur trouver un travail au moins aussi bien rémunéré qu’auparavant…
• les problèmes d’environnement et de perturbation de l’équilibre écologique, en amont et en aval du barrage, qui nécessitent des études sérieuses ;
• les grands et moyens barrages coûtent très cher : les gouvernements cherchent de plus en plus à faire appel à des fonds privés pour les financer. Et les investisseurs privés pourraient se détourner des projets hydroélectriques en privilégiant le développement des énergies fossiles, en raison des erreurs qui ont souvent été commises jusqu’ici dans la construction des grands barrages : programmes de déplacement des populations mal conçus et mal réalisés ; coûts nettement plus élevés que prévu à l’origine; manque de discipline et retards importants lors de la construction : processus de prise de décision davantage politique qu’économique… Tout cela n’étant pas du tout favorable à la rentabilité des projets !

L’avenir du développement de l’hydroélectricité dépend donc de la capacité des gouvernements et du secteur public à s’entendre avec le secteur privé, afin que celui-ci accepte d’investir dans la construction de barrages.

Source planete-energies.com