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Nos expertises

L’énergie hydroélectrique

Couvrant près de 14% de la consommation électrique nationale en 2020, l’hydroélectricité est la première source d’électricité renouvelable en France. Évolution industrielle des moulins à eau, cette technologie qui remonte à la fin du 19ème siècle permet de produire de l’énergie en exploitant la masse des lacs et cours d’eau via la mise en place d’un barrage séparant deux niveaux de hauteur différente.

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L’hydroélectricité en France, en Europe et dans le monde

L’hydroélectricité constitue 16% production électrique mondiale, en troisième position derrière le charbon (40%) et le gaz (19%). Les plus gros producteurs sont la Chine, le Brésil, le Canada et les États-Unis. La Chine a continué à dominer le marché avec 8,5 GW de nouvelles installations, portant sa puissance installée à 352 GW.

En France elle représente 14% de la production électrique, c’est la première source d’énergie renouvelable avec 59 TWh produits en 2021 contre 37 TWh pour l’éolien.

En Europe, la Norvège et la France représentent à elles seules 22 % de la puissance installée avec des puissances raccordées respectives de 32,3 GW et 25,5 GW.

L’avenir de l’hydroélectrique

La production hydroélectrique devrait augmenter en France, la programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) 2019-2028 donne comme objectif d’augmenter le parc de 200 MW en 2023 et 1200 MW en 2028, dont 60 % par l’optimisation des aménagements existants, avec 40 % constitués de nouveaux projets.

Les différents types de centrales hydroélectriques

Principe de fonctionnement global

La retenue d’eau créée est dirigée dans de longs tuyaux métalliques appelés conduites forcées, lesquels acheminent l’eau à très haut débit vers une turbine située en contrebas. La vitesse et la force de l’eau en sortie font tourner une turbine qui entraîne elle-même un alternateur produisant l’électricité.

Il existe plusieurs types d’aménagement et de turbines permettant d’adapter chaque centrale hydroélectrique aux spécificités de la retenue ou du cours d’eau sur lesquels elle est implantée.

La puissance d’une centrale hydroélectrique dépend de la hauteur de la chute et du débit de l’eau. Plus ils sont importants, plus la capacité de production électrique de la centrale sera élevée.

Présentation des principaux types de centrales hydroélectriques

Il existe différents 3 principaux types de barrages hydroélectriques. Le choix du type d’installation dépend de plusieurs critères tels que leur lieu d’implantation, du type de cours d’eau, de la hauteur de la chute potentielle amont/aval.

Au fil de l’eau

Les barrages dits “au fil de l’eau” ou de basse chute sont implantés sur le cours de fleuves ou de grandes rivières. Sans retenue d’eau, l’électricité est produite en temps réel grâce à un très fort débit. Il en existe plus de 2 000 en France. Au sein de cette catégorie, on peut également noter les usines marémotrices qui produisent de l’électricité grâce aux marées.

Éclusée

Les barrages dits “d’éclusées” sont caractérisés par un débit moyen et un dénivelé assez fort, avec une chute comprise en 30 et 300 m. On retrouve ces barrages principalement dans les montagnes et dans des régions de bas-relief. Ces installations disposent d’une petite capacité de stockage comprise entre 2 heures et 400 heures de production. Les volumes d’eau sont accumulés dans les retenues en période de faible consommation, puis relâchés vers les turbines pendant les pics de consommation. Ce système permet une modulation journalière, voire hebdomadaire, de la production électrique.

Accumulation

Les barrages dits « de lac » ou à « accumulation » se caractérisent par un débit faible mais une chute d’eau conséquente. Un dénivelé très important sépare une retenu d’eau située en amont, des turbines situées en aval. Il en résulte la création d’une chute dont la hauteur dépasse les 300 mètres. Ces barrages sont principalement construits dans des sites de haute montagne et leurs retenues sont en majeure partie alimentées par l’eau des torrents, la fonte des neiges et des glaciers.

Répartition des installations en France

Au fil de l’eau  Par éclusées Centrales de lacs STEP
Puissance installée 7,7 GW 3,9 GW 9,6 GW 4,2 GW
Pourcentage 26% 16% 40% 18%

ESCOFI exploite deux sites hydroélectriques : la centrale du Hainaut, un barrage au fil de l’eau, et la centrale à accumulation Energias, au Portugal. Ces installations utilisent des turbines de technologies différentes, adaptées aux caractéristiques des cours d’eau dont elles produisent de l’énergie.

25,4 GW

de puissance hydroélectrique installée en France

Les différents types de turbines

Chaque type de centrale utilise une turbine spécifique répondant aux caractéristiques et à la topographie du site.

Turbine Francis

Développée au début du 19ème siècle, la turbine Francis est la plus ancienne des technologies de turbines hydrauliques. Elle se compose d’un rotor central autour duquel s’enroule une tuyauterie directement raccordée à la conduite forcée acheminant l’eau.

La forme en spirale du tuyau permet de décélérer l’eau tout en élevant sa pression pour entrainer de manière optimale les pales du rotor central. En sortie, un système s’aspiration se charge d’évacuer qui ressort à faible vitesse, ralentie par l’entrainement de la turbine.

Adaptée aux retenues d’eau de moyennes chutes (de 30 à 300 mètres) avec des débits forts, la turbine Francis présente un rendement important (à partir de 80 %) mais nécessite que le débit d’eau soit régulé.

Turbine Kaplan

Évolution technique de la turbine Francis, la turbine Kaplan est une turbine à hélice inventée au début du 20ème siècle. Elle se distingue des autres turbines de ce type du fait que ses pales soient orientables lorsqu’elle est en activité. Cette caractéristique lui permet de préserver un rendement énergétique optimal (de l’ordre de 90 %) malgré les variations de débit induites par les cours d’eau.

Ce type de turbine est adapté aux chutes de faibles hauteurs (jusqu’à 30 mètres de haut) mais présentant des débits très élevés. Elle est généralement déployée sur les sites ou la turbine Francis s’avère inadaptée.

Turbine Pelton

La turbine Pelton est une turbine à augets inventée à la fin du 19ème siècle. Elle est dotée de pales en forme de cuillères qui couvrent la roue sur toute sa périphérie et permettent son entraînement. Ce type de turbine est adapté aux lacs à accumulation de haute chute (300 mètres et plus) présentant de faibles débits.

Du fait du différentiel de hauteur entre la retenue et la turbine, l’eau arrive à haute pression via les conduites forcées et asperge directement les auges de la roue par le biais d’injecteurs placés tout autour de son axe.

Maintenance d’une centrale hydroélectrique

La maintenance des installations est assurée par des prestataires locaux. En complément, un gardien vit à proximité des centrales et réalise les opérations de maintenance courante tout au long de l’année. Des visites périodiques de contrôle du matériel sont effectuées afin d’anticiper les opérations d’entretien et les réparations qui s’ajoutent aux maintenances courantes.

Suivi quotidien des installations

De la même manière que les parcs éoliens, nos centrales hydroélectriques font l’objet d’un suivi accru : les logiciels de suivi de performances remontent en temps réel les alertes et données des capteurs installés sur chaque site : température et vibrations au niveau des turbines, pannes ou encore baisses de régime. Opérée 7j/7, cette surveillance à distance permet de repérer les anomalies et d’anticiper les travaux à effectuer.

Évolution des normes environnementales

Afin de se conformer à l’évolution des normes environnementales, notamment en matière de continuité écologiques des cours d’eau, ESCOFI réalise actuellement des aménagements sur la centrale hydroélectrique du Hainault. Des passes à poissons sont mises en place afin de garantir leur remontée en amont du cours d’eau (continuité écologique). Ces travaux d’adaptation garantiront aussi un débit “réservé” avec une lame d’eau permanente assurant une bonne oxygénation de l’eau en aval.

Hydroélectricité et environnement

Une énergie peu polluante et économique

L’hydroélectricité est une énergie renouvelable qui émet très peu de CO2 : pour 1 kWh produit, elle n’émet que 4 grammes de CO2 contre 16 grammes pour le nucléaire ou encore 900 grammes pour le charbon. Elle s’avère aussi très économique : si la construction d’un barrage est un investissement important, la production d’énergie qui en découle représente un très faible coût car la ressource première est totalement gratuite et l’exploitation de plus en plus automatisée.

Une énergie fiable et flexible

C’est aussi une énergie fiable et flexible car les installations à retenue d’eau (lacs, éclusées et STEP) constituent une source d’énergie électrique « maîtrisée » : elles permettent de répondre aux pics de consommation, d’équilibrer et compenser l’intermittence d’autres moyens de production.

Néanmoins, l’hydroélectricité n’est pas dénuée d’impacts environnementaux : le cycle migratoire et le comportement biologique des espèces aquatiques peuvent être perturbés du fait de la rupture de la continuité amont – aval. Par ailleurs, l’aménagement de centrales hydroélectriques modifie les processus naturels d’érosion et de transport des alluvions, redessinant ainsi la morphologie des cours d’eau. Enfin, l’eutrophisation, provoquée par la stagnation et un faible renouvellement de l’eau.

La loi sur l’eau et les milieux aquatiques (LEMA) impose des critères de protection des cours d’eau divisés en 2 catégories :

  • La liste 1 désigne les cours d’eau présentant un très bon état écologique ou identifiés comme jouant un rôle de réservoir biologique. Toute construction d’obstacle à la continuité hydrologique de ces cours d’eau est interdite (L.214-17 du code de l’environnement).
  • La liste 2 identifie les cours d’eau dans lesquels il est nécessaire d’assurer un transport suffisant des sédiments et la circulation des poissons migrateurs. En règle générale, la construction doit permettre de maintenir 1/10ème du débit moyen interannuel (L.214-18 du code de l’environnement).

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