L’énergie hydraulique (aussi appelée hydroélectricité) est l’une des sources d’énergies renouvelables les plus prometteuses en France. Avec 12 % de la production d’électricité totale en 2021, c’est la deuxième source de production d’électricité dans le pays, après le nucléaire. Elle est produite à partir des mouvements de l’eau, dus à une différence de hauteur dans le chemin qu’elle parcourt. Ensuite, cette force de l’eau est exploitée pour produire de l’énergie. Mais comment cette énergie est-elle transformée en électricité ? Nous vous expliquons quels sont les différents types de centrales hydrauliques et comment celles-ci fonctionnent.
Il existe quatre grands types de centrales hydrauliques en France qui se distinguent par la durée de remplissage de leurs réservoirs :
Toutes fonctionnent sur le même principe : profiter de l’énergie générée par le déplacement d’un grand volume d’eau. Mais chacune d’entre elles présente des modalités de fonctionnement différentes qui sont déterminées par les contraintes de leur lieu d’implantation.
Centrale de lac ou de haute chute
Les centrales de lac, aussi appelées « centrales de haute chute », sont des installations conçues pour profiter des dénivelés importants que l’on peut observer le long des rivières de haute montagne. Ces dénivelés sont essentiels car ils vont permettre d’accentuer la vitesse de déplacement de l’eau et donc sa force, qui est ensuite exploitée pour créer de l’énergie. Ce type de centrale présente en général un dénivelé d’une hauteur minimum de 300 mètres afin d’atteindre la puissance nécessaire pour la production d’électricité.
Ces centrales reposent sur la construction d’un barrage hydraulique en hauteur, qui permet de récupérer et de stocker l’eau des pluies et de la fonte des neiges. Grâce à ce barrage, les ingénieurs peuvent réguler le débit du cours d’eau considéré, et ainsi créer un lac artificiel appelé « lac de retenue ».
Ce lac de retenue constitue donc un stock d’eau que l’on peut ouvrir ou fermer à tout moment, au moyen de vannes situées dans le barrage, pour accélérer ou ralentir la production d’électricité. Lorsque ces vannes sont ouvertes, l’eau est acheminée jusqu’à la centrale, présente plus bas, grâce à des pipelines (c’est-à-dire, de gros tuyaux).
Barrage hydraulique
Les centrales hydrauliques d’éclusée sont aussi appelées « centrales de moyenne-chute ». Comme ce nom l’indique, elles permettent de tirer parti des dénivelés compris entre 30 et 300 mètres, grâce à une turbine dont la puissance varie selon le débit de l’eau. Cette turbine va ensuite actionner un alternateur qui va produire de l’électricité. Enfin, celle-ci sera acheminée vers le réseau électrique grâce à un transformateur.
La faiblesse relative du dénivelé leur permet de réguler plus facilement le débit d’eau. Elles peuvent ainsi autoriser des débits plus rapides sans risquer de perdre le contrôle… car il est plus facile d’arrêter quelques tonnes d’eau que quelques dizaines de tonnes ! En général, elles produisent plus d’électricité comparé aux centrales de haute chute, qui présentent une hauteur supérieure mais un débit d’eau inférieur.
En revanche, leur capacité de stockage est moindre. En effet, les lacs artificiels liés aux centrales de moyennes chutes peuvent être vidés en seulement 24 heures, contre jusqu’à 200 jours pour les lacs de haute chute. La production des centrales de moyennes chutes peut donc être régulée à la journée ou à la semaine alors que celle des centrales de haute chute peut l’être à la saison, ce qui permet de faire face à de gros pics de consommation.
Les centrales au fil de l’eau sont utilisées dans les zones où le dénivelé est inférieur à 30 mètres, mais où le débit d’eau est élevé, tels que dans de grands fleuves ou rivières. Elles reposent sur la construction d’un barrage de déviation : celui-ci n’a pas pour fonction de stocker de l’eau, mais de l’acheminer jusqu’à une centrale hydraulique.
Dans la centrale, une turbine est actionnée grâce au débit de l’eau. Lorsque celle-ci se met à tourner, elle déclenche l’alternateur qui va produire de l’électricité. Ensuite, l’électricité sera acheminée jusqu’au réseau électrique grâce au transformateur. L’électricité est produite en temps réel plutôt que via des opérations de retenue/libération de l’eau.
Les petites centrales hydrauliques (ou PCH) sont des installations de taille réduite qui produisent une puissance électrique relativement faible. Leur fonctionnement est similaire à celui d’une centrale au fil de l’eau, sauf qu’elles sont composées d’un barrage qui n’a ni vocation à dévier l’eau, ni à la stocker, mais plutôt à créer un dénivelé de façon artificielle. La turbine s’actionne ensuite en fonction du débit de l’eau obtenu grâce à ce dénivelé.
Les stations de transfert d’énergie par pompage (ou STEP) sont des installations qui s’apparentent aux centrales hydrauliques, mais qui présentent la particularité d’être réversibles.
En effet, elles peuvent non seulement produire de l’électricité au même titre que d’autres centrales (en profitant du débit d’un cours d’eau régulé par un barrage et en étant en mesure de le transformer en électricité grâce à une turbine-alternateur), mais elles peuvent aussi récupérer l’eau située dans un bassin inférieur pour la ramener en amont du barrage grâce à une pompe. Ce pompage permet donc de remplir le bassin supérieur et ainsi d’optimiser le stockage de l’eau qui peut être à nouveau utilisée pour produire de l’énergie.
L’activation des pompes consomme de l’énergie, ce qui réduit la production nette d’électricité des stations de transfert d’énergie par pompage (STEP). Elles sont activées lorsque le prix de l’électricité est faible, ou bien lorsque l’offre dépasse la demande : les STEP agissent donc comme des dispositifs de régulation de l’offre en évitant une perte de l’électricité produite.
Fonctionnement d’une station STEP
Barrage hydraulique
La France compte pas moins de 2300 installations hydroélectriques : un total impressionnant qui la classe parmi les meilleurs élèves européens en la matière ! Suivie de près par l’Italie, l’Espagne, ou encore la Suisse..
Ces installations sont majoritairement situées dans les régions de hautes montagnes : 79 % d’entre elles sont présentes dans les régions Auvergne-Rhône-Alpes, Occitanie et Sud Provence-Alpes-Côte d'Azur.
Si la plupart de ces centrales délivrent une puissance relativement modérée, la France compte aussi quelques installations très productrices. C’est particulièrement le cas de celle du lac de Grand’Maison, avec une puissance installée qui équivaut à 9 % de la puissance totale du parc hydroélectrique Français.
