L’énergie hydroélectrique : qu’est-ce que c’est et comment fonctionne-t-elle ?

L’énergie hydroélectrique, sans doute l’une des énergies renouvelables les plus visibles, et son fonctionnement ainsi que son rôle dans le stockage de l’énergie sont aussi intéressants qu’inconnus.

Contemporaine des grands philosophes grecs tels que Platon et Aristote, et instrument fondamental de l’essor de l’Empire romain, l’énergie hydraulique a été d’une grande utilité pour l’humanité pendant des millénaires. Cependant, ce n’est qu’avec l’avènement de la révolution industrielle et de l’électricité que l’hydroélectricité a connu un essor considérable, devenant la clé du développement des sociétés des XIXe et XXe siècles. Aujourd’hui, nous allons explorer le passé, mais aussi l’avenir, de cette forme d’énergie renouvelable, et nous verrons comment elle fonctionne. Voulez-vous nous rejoindre pour ce voyage au cœur de la puissance de l’eau et découvrir le fonctionnement de l’énergie hydroélectrique ?

La maîtrise des forces de la nature et leur exploitation à notre avantage constituent l’une des plus grandes entreprises de l’humanité. Ainsi, de génération en génération, les hommes n’ont cessé de modifier leur environnement pour assurer leur survie et, dans un second temps, améliorer leur qualité de vie. Les grandes civilisations de l’Antiquité ont façonné leur monde en exploitant les ressources naturelles à leur avantage et en se développant grâce à elles. La puissance de l’eau, élément fondamental de notre planète, n’y fait pas exception ; elle en est même l’élément central. La roue à eau grecque, le moulin romain ou la sāqiyah égyptienne ne sont que quelques exemples de l’importance de l’énergie hydraulique pour des tâches telles que le pompage de l’eau ou la mouture des céréales. Si son rôle était déjà important à l’époque, il est devenu crucial avec l’essor technologique et scientifique de la révolution industrielle du XIXe siècle, lorsque l’électricité est devenue la pierre angulaire du développement des villes et, par conséquent, des économies des pays industrialisés. C’est alors qu’est apparue l’hydroélectricité telle que nous la connaissons aujourd’hui.

Stimulées par le développement du générateur électrique et la sophistication des turbines, les centrales hydroélectriques se sont multipliées dans les pays les plus développés. Des termes comme « barrage » et « réservoir » se sont répandus dans le langage courant, et des projets de construction de grands ouvrages hydrauliques pour répondre à la demande croissante d’électricité ont vu le jour en Europe et en Amérique à un rythme effréné, transformant profondément notre environnement naturel. À cette époque, une très large part de l’énergie électrique était produite grâce à l’énergie hydraulique.

Coexister avecd’autres types de production d’énergie renouvelable comme l’énergie éolienne et solaire, l’énergie hydroélectriqueL’énergie hydroélectrique demeure fondamentale à ce jour. Ce n’est pas un hasard si près d’un quart de l’électricité mondiale est produite grâce à elle, cette part étant considérablement plus élevée dans des pays comme la Norvège (99 %), la République démocratique du Congo (97 %), le Brésil (96 %) ou le Canada (60 %). Preuve de l’importance de cette technologie : certains des plus grands ouvrages de génie civil de notre époque sont des centrales hydroélectriques, comme le barrage des Trois-Gorges (Chine, 22 500 MW) ou le barrage d’Itaipu (Brésil et Paraguay, 14 000 MW). Mais savons-nous vraiment comment fonctionne l’énergie hydroélectrique ?

Comment fonctionne l’énergie hydroélectrique ?

Intéressons-nous à une centrale hydroélectrique relativement classique. Chaque centrale de ce type se compose de plusieurs éléments principaux nécessaires à son fonctionnement. Examinons-les un par un :

• Barrage : Il s’agit d’un ouvrage de génie civil, principalement en béton, qui permet de maintenir le volume d’eau retenu pour l’exploitation de la centrale hydroélectrique. Certains des plus impressionnants rehaussent la chute d’eau de plusieurs centaines de mètres.
• Réservoir : Il s’agit de l’installation de stockage d’eau qui abrite l’installation et recueille le flux d’eau entrant.
• Vannes à écluse : Ce sont les éléments mobiles qui s’ouvrent et se ferment pour laisser passer l’eau.
• Conduite forcée : Canalisation par laquelle l’eau est acheminée vers les centrales électriques.
• Turbines : Ce sont les moteurs alimentés par l’eau lors de son passage, permettant ainsi la génération d’énergie mécanique.
• Générateurs électriques : Ce sont les éléments responsables de la conversion de l’énergie mécanique des turbines en énergie électrique.
• Ligne électrique : Elle transporte l’électricité nouvellement produite vers les différents points de consommation.
• Tube d’aspiration : Il s’agit de l’orifice de sortie de tout le flux hydraulique utilisé lors du processus de production d’électricité.

En résumé, les centrales hydroélectriques utilisent la force de l’eau qui tombe entre deux points situés à des hauteurs différentes pour produire de l’électricité. Autrement dit, le fonctionnement de l’installation repose sur l’exploitation de la force de gravité et de la masse de l’eau grâce à une série d’éléments mécaniques qui absorbent cette énergie potentielle pour la convertir ensuite en énergie électrique.

Ainsi, l’eau retenue dans le réservoir circule dans les circuits hydrauliques du barrage, comblant la différence de niveau entre deux points. Cette cascade artificielle, qui imite celles des chutes d’eau naturelles, permet à l’eau d’acquérir, grâce à la gravité, une vitesse qui est convertie en énergie cinétique par les turbines situées au point le plus bas de l’ouvrage. L’eau circule alors à travers la turbine, ce qui accélère sa rotation et génère de l’énergie mécanique transmise au générateur électrique pour être convertie en énergie électrique.

En définitive, l’eau quitte l’installation et est rejetée dans la partie aval du fleuve sans aucun impact négatif sur l’environnement. Ce procédé affiche une efficacité remarquable : près de 90 % de l’énergie potentielle de l’eau est utilisée pour la production d’électricité, les seules pertes d’efficacité étant liées à la mise en charge du circuit hydraulique et aux frottements des turbines.

Ainsi, nous pouvons obtenir une électricité 100 % renouvelable, une énergie parmi les plus positives grâce à sa grande durabilité et à sa réutilisation, contribuant à réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. De plus, l’eau utilisée peut servir à la consommation domestique ou à l’irrigation. Ce type de technologie, à longue durée de vie, présente également un intérêt particulier pour la régulation du cours des rivières et la prévention des inondations ; une des raisons fondamentales de la construction du barrage des Trois-Gorges en Chine, dont la finalité énergétique s’ajoute à la prévention d’une crue comme celle de 1931, qui a fait des millions de victimes.

Quels sont les différents types de centrales hydroélectriques ?

De par leurs fonctionnalités et leur emplacement, on peut aujourd’hui distinguer trois principaux types de centrales hydroélectriques :

• Centrale hydroélectrique au fil de l’eau ou par dérivation : ce modèle est le plus dépendant des conditions météorologiques et du débit du cours d’eau, car il ne dispose pas de capacité de stockage d’eau et utilise le courant pour produire de l’énergie. De ce fait, ces centrales, généralement plus petites et de capacité réduite que les autres, ne peuvent pas s’adapter aux variations de la demande en électricité. Leur principal avantage réside dans le fait qu’elles ne perturbent pas le cours du fleuve, minimisant ainsi leur impact environnemental.
• Centrale hydroélectrique à retenue : C’est le type de centrale auquel on pense généralement. Son fonctionnement repose sur le stockage de différentes quantités d’eau afin de réguler sa production en fonction de la demande en électricité. Véritables réservoirs d’énergie semi-naturels, elles permettent de répondre aux besoins énergétiques de la société, tant que les ressources en eau sont disponibles.
• Centrale hydroélectrique à accumulation par pompage (PHP) : Il s’agit d’installations de retenue construites à différentes altitudes superposées qui pompent l’eau d’un réservoir à l’autre pour générer un circuit continu de ressources en eau afin de produire de l’énergie.

Quel est le rôle de l’énergie hydroélectrique dans le stockage de l’énergie ?

L’une des grandes caractéristiques de l’énergie hydroélectrique est soncapacité à fournir de l’électricité aux moments de la demande de pointeGrâce à la possibilité de convertir les réservoirs en grandes batteries énergétiques, cette technologie, qui s’avérait très avantageuse il y a encore quelques décennies, prend une importance croissante avec l’émergence d’autres technologies renouvelables dont la production diminue en raison des changements climatiques.

Ainsi, le rôle de l’hydroélectricité s’est trouvé renforcé par l’arrivée de stations de pompage qui utilisent le surplus d’énergie des installations photovoltaïques ou éoliennes pour acheminer, en amont, l’eau utilisée lors de la production hydroélectrique. De cette manière, l’énergie éolienne ou photovoltaïque non injectée dans le réseau lors de la production est utilisée dans ces installations hydrauliques pour alimenter les réservoirs supérieurs de l’infrastructure, permettant ainsi une utilisation ultérieure de cette ressource en eau de manière renouvelable, sans gaspillage d’énergie éolienne ou photovoltaïque produite. Bien que le vent ne soit pas toujours favorable et que le soleil ne nous fournisse pas toujours l’énergie nécessaire, l’hydroélectricité constituerait une solution de repli pour la production d’énergie verte. De cette façon, un réservoir devient une gigantesque batterie.

Un exemple éloquent du succès de ce type de technologie et de son fort potentiel de croissance est la centrale hydroélectrique espagnole de Gorona del Viento, située sur l’île d’El Hierro (îles Canaries). Mise en service en 2014, cette centrale couvre 70 % des besoins en électricité de cette petite île canarienne grâce à une énergie 100 % renouvelable, atteignant même des journées entières où la consommation est entièrement assurée par cette source.