De gauche à droite, en haut puis en bas : le barrage-voûte du Gordon en Australie, la centrale au fil de l'eau de Rheinfelden en Suisse, la salle des turbines de la centrale hydroélectrique de Walchensee en Allemagne et une turbine Pelton.

L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique renouvelable qui est issue de la conversion de l'énergie hydraulique en électricité. L'énergie cinétique du courant d'eau, naturel ou généré par la différence de niveau, est transformée en énergie mécanique par une turbine hydraulique, puis en énergie électrique par une génératrice électrique synchrone.

En 2022, la puissance installée des centrales hydroélectriques atteint 1 397 GW, produisant environ 4 408 TWh, soit 51 % de la production mondiale d'électricité renouvelable et 14,9 % de la production mondiale d’électricité.

Les atouts de l'hydroélectricité sont son caractère renouvelable, son faible coût d'exploitation et ses faibles émissions de gaz à effet de serre ; la capacité de stockage de ses réservoirs contribue à la compensation des variations de la demande ainsi que de celles des sources d'énergies intermittentes (énergie éolienne, énergie solaire). Elle a toutefois des impacts sociaux et environnementaux, particulièrement dans le cas des barrages implantés dans les régions non montagneuses : déplacements de population, éventuellement inondations de terres arables, fragmentation et modifications des écosystèmes aquatique et terrestre, blocage des alluvions, etc..

Les principaux producteurs d'hydroélectricité en 2022 sont la Chine (30,7 %), le Brésil (9,6 %), le Canada (8,9 %) et les États-Unis (5,9 %), dont les centrales figurent parmi les plus puissantes. La part de l'hydroélectricité dans la production d'électricité atteint, en 2019, 93,4 % en Norvège, 63,5 % au Brésil et 58,8 % au Canada.

Techniques

Vue en coupe d'une turbine hydraulique couplée à un générateur électrique.
A : Générateur avec 1 : Stator et 2 : Rotors réglables
B : Turbine : avec 3 : Vannes 4 : Pales turbine, 5 : Flux d'eau et 6 : Axe de rotation.

L'énergie électrique est produite par la transformation de l'énergie cinétique de l'eau en énergie électrique par l'intermédiaire d'une turbine hydraulique couplée à un générateur électrique. Pour les barrages par accumulation la quantité d'énergie disponible, sur une période donnée, dans la réserve d'eau d'un barrage dépend de son volume, des apports et pertes naturels sur la période et de la hauteur de chute. Pour les barrages au fil de l'eau la quantité d'énergie produite est directement liée au débit (m³/s, m³/h, m³/j, m³/an).

Il existe quatre grands types de turbines. Le choix du type de turbine le plus adapté est fait par le calcul de la vitesse spécifique notée « ns ».

• La turbine Pelton, adaptée aux hautes chutes, avec une roue à augets, inventée par Lester Allan Pelton en 1879. Elle est conçue pour les hauteurs de chute de plus de 200 mètres ;
• La turbine Francis, plutôt montée pour des chutes moyennes, voire hautes, avec une roue à aubes simple ou double. Conçue par James B. Francis en 1868 ;
• La turbine Kaplan, inventée en 1912, parfaitement adaptée aux basses chutes et forts débits, avec une roue de type hélice, comme celle d'un bateau. Viktor Kaplan a mis au point une roue à hélice dont les pales peuvent s'orienter en fonction des débits utilisables ;
• La turbine Wells, assez peu connue, utilise le mouvement de l'air provoqué par le mouvement des vagues à travers un tube vertical. Principe développé par Alan Wells.

Histoire

Entrée monumentale de l'exposition de 1925.

Les êtres humains se servent de moulins à eau actionnés par des roues à aubes pour moudre le blé depuis plus de deux mille ans. Les industries horlogère et papetière des Alpes y ont beaucoup eu recours du fait de l'abondance des torrents descendant jusque dans les vallées. Au XIX^e siècle, les roues à aubes sont utilisées pour produire de l'électricité puis, sont remplacées par les turbines.

En 1869, l'ingénieur Aristide Bergès l'utilise sur une chute de deux cents mètres à Lancey pour faire tourner ses défibreurs, râpant le bois afin d'en faire de la pâte à papier. Il parle de « houille blanche » en 1878 à Grenoble, puis à la foire de Lyon en 1887 et lors de l'Exposition universelle de 1889.

Dès les années 1900, les progrès technologiques de l'hydroélectricité suisse sont à l'origine d'intenses spéculations boursières sur les sociétés hydroélectriques, qui profitent aux implantations industrielles dans les Alpes.

Dans les années 1920, une rapide expansion de l'électricité voit le jour en France, avec une multiplication par huit de la production d'électricité hydraulique grâce aux premiers barrages.

En 1925, Grenoble organise l'Exposition internationale de la houille blanche.

Centrales hydroélectriques

Schéma en coupe d'un barrage hydroélectrique.
A : réservoir,
B : centrale électrique,
C : turbine,
D : générateur,
E : vanne,
F : conduite forcée,
G : lignes haute tension,
H : rivière

Salle des machines de la centrale hydroélectrique de Fessenheim. Les générateurs sont peints en bleu.

Il existe trois formes principales de production d'énergie hydroélectrique :

• les centrales dites gravitaires, ainsi nommées car les apports d'eau dans leur réservoir ou leur prise d'eau sont essentiellement issus de cours d'eau par gravitation, telles que les centrales au fil de l'eau ou les centrales hydroélectriques de lac ;
• les stations de transfert d'énergie par pompage (S-T-E-P), aussi connues sous l'appellation « centrales hydrauliques à réserve pompée » ou « centrale de pompage-turbinage », dans lesquelles des turbines réversibles pompent l'eau d'un bassin inférieur vers un bassin supérieur. Elles comprennent aussi fréquemment une partie gravitaire. Le transfert est un transfert temporel (pompage durant le creux de la demande à partir d'électricité produite par des équipements de base et production d'électricité par turbinage durant la pointe, en substitution ou en complément à celle, plus coûteuse, des équipements de pointe) ;
• les usines marémotrices, qui utilisent l'énergie du mouvement des mers, qu'il s'agisse du flux alterné des marées (marémotrice au sens strict), des courants marins permanents (hydroliennes au sens strict) ou du mouvement des vagues.

Stations de transfert d'énergie par pompage

Mesurant 285 mètres de haut, la Grande Dixence est le plus haut barrage poids du monde (Valais, Suisse).

Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), en plus de leur production d'énergie à partir de l'écoulement naturel, comportent un mode pompage permettant de stocker l'énergie produite par d'autres types de centrales lorsque la consommation est inférieure à la production, par exemple la nuit, pour la redistribuer, en mode turbinage, lors des pics de consommation.

Ces centrales possèdent deux bassins, un bassin supérieur et un bassin inférieur entre lesquels est placée une machine hydroélectrique réversible : la partie hydraulique peut fonctionner aussi bien en pompe, qu'en turbine et la partie électrique aussi bien en moteur qu'en alternateur (machine synchrone). En mode accumulation la machine utilise la puissance disponible sur le réseau pour remonter l'eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur et en mode production la machine convertit l'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau en électricité.

Le rendement (rapport entre électricité consommée et électricité produite) est de l'ordre de 82 %.

Ce type de centrale présente un intérêt économique lorsque les coûts marginaux de production varient significativement sur une période de temps donnée (le jour, la semaine, la saison, l'année, etc.). Elles permettent en effet de stocker de l'énergie gravitaire, dans les périodes où ces coûts sont bas, pour en disposer dans les périodes où ils sont élevés.

C'est par exemple le cas s'il existe des variations récurrentes importantes de la demande (entre été et hiver, jour ou nuit, etc.), des productions « fatales » en quantité importante, qui seraient sinon perdues (énergie éolienne) ou des productions d'énergie en base faiblement modulables (charbon, hydraulique de fil de l'eau).

Centrales maritimes

Marémotrices

Usine marémotrice de la Rance en Bretagne (France).

Une usine marémotrice est une centrale hydroélectrique qui utilise l'énergie des marées pour produire de l'électricité. L'usine marémotrice de la Rance mise en service en 1966, pour pallier la faible production d'électricité en Bretagne, en est un exemple.

Énergie des vagues

Le Japon s’est intéressé le premier aux ressources de la houle à partir de 1945, suivi par la Norvège et le Royaume-Uni.

Au début du mois d’août 1995, l’Ocean Swell Powered Renewable Energy (OSPREY), la première centrale électrique utilisant l’énergie des vagues, est installée au nord de l’Écosse. Le principe est le suivant : les vagues pénètrent dans une sorte de caisson immergé, ouvert à la base, poussent de l’air dans les turbines qui actionnent les alternateurs générant l'électricité. Cette dernière est ensuite transmise par câble sous-marin à la côte, distante d’environ 300 mètres. La centrale avait une puissance de 2 MW, malheureusement, cet ouvrage, endommagé par les vagues, a été anéanti par la queue de l'ouragan Felix en 2007. Ses créateurs ne se découragent pas, et une nouvelle machine, moins chère et plus performante, est actuellement mise au point. Elle doit permettre de fournir de l'électricité aux petites îles qui en manquent et, d'alimenter une usine de dessalement de l'eau de mer.

Hydroliennes

Un projet de la société britannique Marine Current Turbines (en) a prévu de mettre en œuvre des hydroliennes qui utilisent les courants marins de manière similaire à une hélice de bateau pour produire de l'électricité.

Utilisation dans le monde

Le barrage des Trois-Gorges, dans la province du Hubei en Chine, est le plus grand barrage ainsi que la plus puissante centrale électrique au monde^[4].

Barrage Nâgârjuna Sâgar et son usine hydroélectrique de 810 MW sur le fleuve Krishna.

L'eau qui est la source de l’énergie hydroélectrique est stockable : la production d’électricité peut donc être stockée pendant les heures creuses pour être utilisée en pointe, c’est-à-dire quand la demande est la plus forte sur le réseau public de distribution électrique ; elle peut aussi être stockée pendant les week-ends pour être turbinée en semaine, ou encore stockée au printemps pendant la fonte des neiges pour être turbinée en hiver. La production d'hydroélectricité est limitée par le débit et les réserves d'eau disponibles ; ces réserves dépendent du climat, des pompages réalisés en amont des retenues (par exemple pour l'irrigation) et de la taille des retenues d’eau (barrages).

La part de l'hydroélectricité dans la production électrique mondiale en 2022 est estimée par l'Energy Institute à 14,9 % et sa part dans la production d'électricité renouvelable à 51 %. Sa production a augmenté de 0,7 % en 2022, et de 13,2 % depuis 2012^[5].

La puissance hydroélectrique installée dans le monde atteignait 1 397 GW fin 2022, en progression de 2,7 %, et la production hydroélectrique était estimée à 4 408 TWh, en hausse de 3,7 % par rapport à 2021. Les ajouts de nouvelles capacités ont atteint 34 GW en 2022, contre 26 GW en 2021^{[o 3]}. 2022 est la première année depuis 2016 où les additions dépassent 34 GW. 70 % de ces ajouts ont été réalisés en Chine : 24 GW ; les autres pays ayant installé de nouvelles capacités sont le Laos (plus d'1 GW), le Pakistan (720 MW), l'Inde (180 MW)^{[o 4]}, le Canada (plus d'1 GW), la Colombie (618 MW), le Chili (477 MW), l'Afrique (près de 2 GW), l'Europe (près de 3 GW)^{[o 5]}. La Chine domine largement le classement des pays par puissance installée avec 415 GW, soit 29,7 % du total mondial, suivie par le Brésil (110 GW, 7,9 %), les États-Unis (102 GW, 7,3 %) et le Canada (83 GW, 5,9 %)^{[o 6]}. Les centrales de pompage-turbinage totalisent 175 GW de puissance installée, en progression de 6 %, et les nouvelles installations en 2022 ont atteint 10,5 GW (4,7 GW en 2021)^{[o 3]}, dont 8 GW en Chine^{[o 4]}.

Les projets en cours sont estimés à 598 GW, dont 131 GW en construction, 163 GW déjà approuvés par les autorités de régulation, 197 GW en attente d'autorisation et 107 GW annoncés^{[o 7]}. La région Asie de l'est-Pacifique est largement en tête avec 200 GW de projets, dont 68 GW de pompage-turbinage en Chine ; cette région qui a le plus de projets en construction, dont la grande majorité en Chine. L'Afrique a 120 GW de projets, dont 84 GW sont déjà approuvés, mais peu sont en construction. L'Europe a peu de projets, et plus de 90 % sont du pompage-turbinage^{[o 8]}. L'Amérique du nord et centrale a la plus forte proportion de projets en attente d'autorisation et plus de 90 % sont des projets de pompage-turbinage. L'Asie du sud et centrale est au deuxième rang avec un grand nombre de projets, surtout en Inde, au Pakistan, au Népal et au Bhoutan^{[o 9]}. Le potentiel restant à équiper est évalué à 1 923 GW, dont 636 GW en Asie de l'est et Pacifique, 593 GW en Afrique, 443 GW en Asie du sud et centrale, 436 GW en Amérique du nord et centrale, 321 GW en Amérique du sud et 148 GW en Europe^{[o 10]}.

En 2019, les ajouts de nouvelles capacités ont atteint 15,6 GW, contre 21,8 GW en 2018. Les pays ayant installé les plus importantes capacités sont le Brésil : 4,92 GW, la Chine : 4,17 GW et le Laos : 1,89 GW^[6].

Selon The World Factbook, l'hydraulique représentait 18,7 % de la puissance électrique mondiale en 2012^[7] et 10,7 % en Europe en 2011^[8].

La part de l'énergie hydroélectrique dans la production est moindre que sa part dans la puissance installée : 15,7 % de la production électrique mondiale en 2019 (contre 20,9 % en 1973)^[9], mais elle joue un rôle particulièrement important pour assurer l’équilibre instantané entre la production et la consommation d’électricité ; en effet, l'énergie hydroélectrique est, grâce à sa souplesse (mobilisable en quelques minutes), une variable d'ajustement indispensable car l'énergie électrique se stocke très difficilement en quantité importante.

Puissance installée et production d'hydroélectricité en 2022

Région	Puissance totale fin 2022 (GW)	dont pompage-turbinage GW	Ajouts 2022[o 11],[o 12] GW	Production 2022 (TWh)	Part Monde 2022	Part élec.pays 2022[10]
Afrique	40,34	3,38	1,86	150	3,4 %	17,6 %
Asie méridionale et centrale	164,25	7,71	1,94	539	12,2 %
Asie orientale et Pacifique	548,38	84,32	24,94	1 714	38,9 %	13,1 %[n 2]
Europe	258,32	56,47	2,71	569	12,9 %	14,5 %
Amérique du Nord et centrale	206,17	22,18	1,14	723	16,4 %	12,5 %[n 3]
Amérique du Sud	179,93	0,99	1,52	712	16,2 %	52,9 %[n 4]
Monde	1 397,41	175,06	34	4 408	100 %	14,9 %
Principaux pays producteurs
Chine	414,81	44,74	23,81	1 354	30,7 %	14,7 %
Brésil	109,78	0,02	0,33	423	9,6 %	63,1 %
Canada	83,31	0,18	1,01	392	8,9 %	60,4 %
États-Unis	102,01	22,01	0,10	262	5,9 %	5,7 %
Russie	55,82	1,38	0,14	219	5,0 %	16,9 %
Inde	51,79	4,75	0,43	175	4,0 %	9,4 %
Norvège	33,81	1,44	0,16	129	2,9 %	87,9 %
Japon	49,64	27,47	-	99	2,2 %	7,2 %
Suède	16,39	0,09	-	70	1,6 %	40,5 %
Venezuela	16,83	-	-	68	1,5 %	82 %
Turquie	32,13	-	0,56	66	1,5 %	20,6 %
Colombie	12,56	-	0,62	64	1,5 %	71,5 %
Viêt Nam	17,37	-	0,03	53	1,2 %	36,9 %
France	25,67	5,05	-	50	1,1 %	9,5 %
Paraguay	8,81	-	-	41	0,9 %	nd
Laos	9,21	-	1,10	38	0,9 %	71,3 %[n 5]
Autriche	14,84	5,60	0,09	36	0,8 %	52,6 %
Pakistan	10,65	-	0,72	36	0,8 %	24,7 %
Mexique	12,61	-	-	35	0,8 %	10,5 %
Suisse	17,76	4,42	0,90	34	0,8 %	52,8 %
Italie	22,63	7,89	0,004	30	0,7 %	9,8 %
Pérou	5,51	-	-	30	0,7 %	50,3 %
Espagne	20,42	6,16	-	19	0,4 %	6,2 %
Source des données : International Hydropower Association[o 13].

La puissance installée des centrales de pompage-turbinage atteint 175,06 GW, dont 44,74 GW en Chine (25,6 %), 27,47 GW au Japon (15,7 %) et 22,01 GW aux États-Unis (12,6 %) ; ces trois pays rassemblent 53,9 % du total mondial. La part de l'Europe (56,47 GW) est de 32,3 %^{[o 13]}.

Les plus gros producteurs d'hydroélectricité étaient en 2019 la Chine (30,1 %), le Brésil (9,2 %), le Canada (8,8 %) et les États-Unis (7,2 %). Mais la place de cette énergie renouvelable dans la production nationale d'électricité est très variable et cinq pays se démarquent avec des parts de 93,4 % en Norvège, 63,5 % au Brésil, 58,8 % au Canada, 29,2 % en Turquie et 27,8 % au Vietnam^[9].

Coût de l'hydroélectricité

Malgré des coûts de mise en œuvre généralement élevés, les coûts de maintenance sont raisonnables, les installations sont prévues pour durer longtemps, il n'y a pas de coût de combustible et l'énergie de l'eau est renouvelable si elle est bien gérée. Le coût du kWh varie dans des proportions considérables selon les caractéristiques de l'aménagement réalisé ; celui des barrages géants sur les grands fleuves peut être extrêmement bas, attirant les industries électro-intensives telles que l'aluminium ; mais des centrales à coûts élevés peuvent être très rentables du fait de leur souplesse de fonctionnement et de leur capacité de régularisation de la production globale.

Environnement

L'hydroélectricité est considérée comme une énergie renouvelable, à la différence du pétrole ou du gaz naturel.

Certaines recherches émettent des doutes sur le bilan en gaz à effet de serre des systèmes hydroélectriques. L'activité bactériologique dans l'eau des barrages, surtout en régions tropicales, relâcherait d'importantes quantités de méthane (gaz ayant un effet de serre 20 fois plus puissant que le CO₂). Dans les projets de barrages, la production d'hydroélectricité est fréquemment complémentaire, d'autres finalités telles que la maîtrise des crues et de leurs conséquences, l'amélioration de la navigabilité d'un cours d'eau, l'alimentation en eau de canaux, la constitution de stocks d'eau pour l'irrigation, le tourisme…

Depuis la création du barrage des Trois Gorges sur le fleuve Yangzi en Chine en 2014, ce pays est leader en matière de production d'hydroélectricité, en Asie, mais aussi en Afrique^[11] et en Amérique du Sud^[12]. Les enjeux économiques de telles constructions, ainsi que la lutte contre le réchauffement climatique, se trouvent l’emporter sur les autres enjeux écologiques.

Notes et références

Annexes