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 2020, la puissance installée des centrales hydroélectriques atteint 1 330 GW, produisant environ 4 370 TWh, soit 70 % de la production mondiale d’énergie renouvelable et 15,6 % de la production mondiale d’électricité en 2019. 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 énergies intermittentes (éolien, 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 2020 sont la Chine (31,0 %), le Brésil (9,4 %), le Canada (8,8 %) et les États-Unis (6,7 %), dont les centrales figurent parmi les plus puissantes.

es 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 XIXe 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 Paris 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.

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.

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.

Les centrales au fil de l’eau, principalement installées dans des zones de plaines, présentent pour ces raisons des retenues de faible hauteur. Elles utilisent le débit du fleuve tel qu’il se présente, sans capacité significative de modulation par stockage. Elles fournissent une énergie en base très peu coûteuse. Elles sont typiques des aménagements réalisés sur les fleuves importants tel que le Rhône et le Rhin.

Les centrales « éclusées » présentent des lacs plus importants, leur permettant une modulation dans la journée voire la semaine. Leur gestion permet de suivre la variation de la consommation sur ces horizons de temps (pics de consommation du matin et du soir, différence entre jours ouvrés et weekend, etc.). Elles sont typiques des aménagements réalisés en moyenne montagne.

Les « centrales-lacs » correspondent aux ouvrages présentant les réservoirs les plus importants. Ceux-ci permettent un stockage saisonnier de l’eau, et une modulation de la production pour passer les pics de charge de consommation électrique : l’été pour les pays où la pointe de consommation est déterminée par la climatisation, l’hiver pour ceux où elle est déterminée par le chauffage. Ces centrales sont typiques des aménagements réalisés en moyenne et haute montagne.

Les deux derniers types de lacs permettent par rétention de l’eau un certain stockage d’énergie (énergie potentielle de chute), permettant de lisser, au moins partiellement, la production d’électricité.

Voir aussi cette vidéo :

Sources : Wikipédia, YouTube.