Comment ça marche l'énergie hydraulique ?

L'hydraulique : la première énergie renouvelable pour la production d'électricité

La place de l'hydraulique

L'hydraulique dans le monde

L'hydroélectricité est la troisième source de production électrique mondiale, derrière le charbon et le gaz (énergies fossiles) qui restent très utilisés notamment dans des pays comme la Chine. Ces ressources non renouvelables émettent des gaz à effet de serre et participent au changement climatique.

Les différentes sources de production d'électricité dans le monde en 2010

 

L’énergie hydraulique est de loin la première source de production d’électricité d’origine renouvelable (83 %). Viennent ensuite l’éolien, la biomasse, la géothermie et dans une moindre mesure le solaire et les énergies marines.

Les différentes sources de production d'électricité d'origine renouvelable dans le monde en 2010

 

Parmi les 10 premiers producteurs d’électricité hydraulique dans le monde, 5 utilisent cette énergie pour produire plus de la moitié de leur électricité (Norvège, Brésil, Venezuela, Canada, Suède).

Producteurs TWh % du total mondial
République populaire de Chine
616
18.5
Brésil
391
11.7
Canada
364
10.9
États-Unis
298
9.0
Russie
176
5.3
Norvège
127
3.8
Inde
107
3.2
Vénézuela
90
2.7
Japon
82
2.5
Suède
66
2.0
Reste du monde
1012
30.4
Monde
3329
100.0
PAYS (top 10 des producteurs) % d'hydroélectricité dans la production d'électricité nationale totale
Norvège
95.7
Brésil
83.8
Vénézuela
72.8
Canada
60.3
Suède
48.3
Russie
17.8
République populaire de Chine
16.7
Inde
11.9
Japon
7.8
États-Unis
7.1
Reste du monde
13.9
Monde
16.5

Source : AIE – Key World Energy Stats 2010

L'hydraulique en France

D'après RTE, en France, en 2011, la production d'électricité par l'hydraulique arrive en troisième position (9,3%) après le nucléaire (77,7%) et les centrales thermiques à flamme (gaz, pétrole et charbon) (9,4%).
Cependant, la production d’électricité hydraulique dépend fortement des précipitations. L’année 2011 ayant été une année sèche, la production hydraulique a diminué (par exemple, pour l’année 2010, elle représentait 12% de la production d’électricité).

Les différentes sources de production d’électricité en France en 2011

Intérêt de l'hydroélectricité : la seule énergie modulable

Les besoins électriques des usagers varient en fonction de plusieurs critères : les saisons (par exemple, les périodes de grand froid sont des grosses périodes de consommation électrique), les périodes de la journée (faible consommation électrique pendant la nuit)… Comme l'électricité ne se stocke pas, il convient en permanence d'ajuster la production à la consommation. Ainsi, une complémentarité entre les différents modes de production va être nécessaire. Et c’est le grand avantage de l’énergie hydraulique. En fonction des installations, cette ressource peut être rapidement mobilisable (c’est le cas pour les centrales de lac et les centrales d’éclusées). Elles peuvent produire à plein régime en 3 minutes alors qu'il faudra 11h à une centrale thermique et 40h pour un réacteur nucléaire pour atteindre le même niveau de production. C’est un avantage considérable pour pouvoir rapidement réponde à la demande.

Prenons l’exemple d’une journée de grand froid en hiver, où les besoins électriques sont les plus importants et où tous les modes de production électrique sont sollicités, notamment les différents types de centrales.

Production électrique schématisée d'une journée d'hiver en France

La production de base est assurée nuit et jour par le nucléaire et l'hydraulique « au fil de l'eau ». Alors que la consommation électrique est au plus bas pendant la nuit, c’est le moment pour reconstituer les stocks d’eau dans les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) en prévision des pics de consommation de la fin de la journée.

Tôt dans la matinée, vers 6h du matin, quand la consommation électrique va commencer à augmenter, l’hydraulique de lac va se mettre en route. Ce sera ensuite le tour des centrales thermiques à flamme quand la majorité des habitants commencent leur journée (7h du matin). Enfin, lors des pics de consommation du midi et du soir (19h – 21h), on fait alors appel aux stations de transfert très rapidement mobilisables et on ajuste au plus près de la demande avec les centrales de lac et éclusées.

Ces pics de consommation interviennent au moment où les besoins électriques sont accrus. Certaines personnes sont encore dans leurs entreprises, d’autres rentrent chez elles et montent le chauffage, allument les lumières, utilisent des appareils électriques (ordinateur, télévision…), autant d'activités qui nécessitent de l'électricité.

Les différentes centrales hydroélectriques

Différentes techniques, sélectionnées en fonction des caractéristiques géographiques des sites, sont utilisées pour exploiter l’énergie cinétique de l’eau.

Il existe 2 250 centrales hydroélectriques en France avec des puissances très diverses. La plus grande se situe à Grand-Maison en Isère (38).

Les différents types de centrales sont les suivants :

  1. Les installations "au fil de l'eau" (durée de remplissage du réservoir inférieure à 2 heures) que l'on trouve en zone de plaine sur des fleuves tels que le Rhône ou le Rhin. Il y a 2 000 unités en France. Elles utilisent les courants et produisent toute l'année une énergie non stockable et non modulable.
  2. Les installations fonctionnant "en éclusées" ont une durée de remplissage du réservoir comprise entre 2 et 400 heures. Elles sont surtout localisées en moyenne montagne. Très sensibles aux variations de débit, leur gestion permet de reconstituer les stocks.
  3. Les centrales de lac sont placées au pied d'un barrage (grands ouvrages très impressionnants que l'on trouve en moyenne et haute montagne comme à Serre-Ponçon dans les Alpes). Le barrage retient un lac artificiel de grande superficie (qui se remplit à la fonte des neiges ou à la saison des pluies avec une durée de remplissage du réservoir supérieure à 400 heures) ce qui permet de contrôler la production d'électricité. C'est là le grand intérêt de ces centrales qui sont capables de fournir très rapidement d'importantes quantités d'énergie et d'absorber ainsi les pics de consommation (comme pour la période de grand froid traversée récemment en février 2012).  Il y a 96 sites.
  4. Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) remontent l’eau dans un réservoir (lac artificiel) lors des heures creuses de consommation pour la turbiner lors des pointes. L’électricité produite par les STEP n’est cependant pas considérée comme renouvelable dans la mesure où la remontée de l’eau préalable au fonctionnement des STEP consomme de l’électricité.
    Les STEP sont en revanche un moyen de pointe non émetteur de CO2 car l’eau est remontée la nuit où la capacité nucléaire est suffisante pour fournir toute l’énergie nécessaire.

Répartition de la production hydroélectrique française

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