Centrales Hydrauliques : quels sont les différents types ? Comment fonctionnent-elles ?

L’énergie hydraulique existe depuis des siècles, depuis l’Antiquité même. La roue hydraulique est l’ancêtre des centrales hydrauliques : celle-ci tournait sous la pression de l’eau et faisait fonctionner un moulin pour moudre le grain par exemple. Alors, avec la centrale hydraulique, on a fait du copier-coller ? Disons que les ingénieurs s’en sont fortement inspirés. Toutefois, le fonctionnement d’une centrale hydraulique, c’est un peu plus complexe que ça ! Centrale hydraulique, turbine, alternateur, vous n’avez pas les bases ? C’est parti pour une plongée unique au cœur d’une centrale hydraulique ! Emportez votre maillot de bain et vos lunettes. Prenez votre respiration, on plonge !

Une centrale hydraulique produit de l’hydroélectricité. Elle utilise l’eau comme élément principal pour en produire, on dit alors que l’électricité est verte. Pourquoi verte ? Parce que l’hydroélectricité est produite à partir d’une source d’énergie renouvelable, c’est-à-dire qu’elle est inépuisable à échelle du temps humain. Et on aime beaucoup ça, les électricités produites à partir d’énergies renouvelables ! Tout ça, c’est grâce à la force de l’eau : l’énergie hydraulique.

Revenons au commencement : on ne pourrait produire de l’hydroélectricité dans une centrale hydraulique sans la présence d’un barrage, qu’il soit grand ou petit. En fait, le barrage hydraulique est construit à travers un cours d’eau. Par sa chute depuis le barrage, l’eau est transformée en énergie hydraulique qui est elle-même transformée en électricité dans une centrale hydraulique. L’électricité est ensuite conduite dans les lignes à hautes, voire à très haute tension, et arrive chez vous. Indispensable pour faire cuire le poulet dans le four ou allumer une petite lampe dès que le soleil se couche ! Et hop, un bon point pour l’hydroélectricité qui nous fournit une belle énergie verte et propre.

D’ailleurs, à quoi ça ressemble une centrale hydraulique ?

C’est bien beau de dire que l’électricité est fabriquée dans une centrale hydraulique. Peut-on en savoir un peu plus ? Il faut savoir qu’une grande diversité d’installations hydroélectriques existe en France. Elles ont un peu toutes le même fonctionnement : une turbine tourne grâce à l’eau et produit de l’électricité. Oh, si c’était aussi rapide, ça se saurait. Allez, on vous embarque au cœur d’une centrale hydraulique !

L’eau est conduite à la centrale hydraulique

L’eau est accumulée à l’aide d’un barrage hydraulique. Cette ressource énergétique va être amenée soit par des canaux, on parle alors d’écoulement libre, soit par des conduites forcées. Grâce à la force motrice de l’eau, qui dépend de la hauteur de la chute d’eau et du débit du cours d’eau…

… la turbine de la centrale hydraulique s’actionne

Un flux est créé quand l’eau est amenée (cela peut être en continu si l’eau s’écoule librement). Ce même flux va permettre d’actionner la turbine. Plus la chute d’eau et le débit de la rivière sont importants, plus la force motrice de l’eau et donc la puissance de l’installation sont importantes. La turbine, qu’est-ce que c’est ? Une turbine est située dans la partie technique de la centrale. En fait, c’est la machine qui tourne grâce à la puissance de l’eau. Et en tournant, elle produit une énergie dite mécanique. Cette énergie mécanique crée un autre mouvement qui va permettre…

…la mise en route de l’alternateur

Un alternateur est fait de deux parties : une partie mobile, appelée rotor et une partie fixe, appelée stator. Facile de retenir leur nom, ça fait un peu « Terminator » ! Le rotor a une paroi externe très spécifique : elle est composée d’électroaimants. Alors que la partie interne du stator est faite de barres de cuivres enroulées les unes aux autres. Joyeux bazar ! Avec la mise en rotation du rotor, les électrons présents dans le cuivre se mettent en action. Et « PAF » ça fait de l’électricité ! Si ce n’est pas magique tout ça ! On a l’impression d’assister à un effet domino où tout s’enchaîne. Où va l’électricité ensuite, directement dans notre maison ?

Le rôle du transformateur dans une centrale hydraulique

Non, l’électricité produite ne va pas sortir sans passer par un transformateur. Le trans-for-ma-quoi ? Le transformateur permet d’augmenter la tension électrique, autrement dit le voltage du courant alternatif, produit par… l’alternateur, bien vu ! Un transformateur est constitué de deux bobines : la première bobine, appelée bobine primaire, accueille le courant alternatif à basse tension, tandis que la deuxième bobine ou bobine secondaire, pour les intimes, va produire du courant à haute tension ensuite conduit vers les lignes à haute tension. Un dispositif inverse permet finalement d’abaisser sa tension à l’entrée du circuit de distribution vers les consommateurs. Et là le poulet peut cuire, les frites peuvent frire et l’eau peut bouillir !

Tout ça grâce à l’eau, plutôt efficace l’hydroélectricité ! Ça donne envie de développer l’électricité verte, non ? D’ailleurs, en France, il y en a beaucoup des centrales hydrauliques ?

Saviez-vous que grâce aux centrales électriques, l’hydroélectricité est la première source d’énergie renouvelable ? Oui oui, c’est le ministre de la Transition écologique qui le dit ! En 2020, la couverture de la consommation était assurée à 14% par l’hydroélectricité. Elle joue de plus un rôle essentiel lors des pointes de consommation du fait de la flexibilité d’une grande partie des installations. C’est donc un élément clé du système électrique français.

Youpi !! Le bémol à toute cette histoire ? C’est que l’hydroélectricité est quand même bien dépendante de son élément clé : l’eau. Il y a des années où la pluviométrie bat des records pour le plus grand bonheur des grenouilles, tandis que d’autres années, c’est la sécheresse complète. Alors, où faut-il aller pour construire une centrale hydraulique qui turbine ? S’il y avait un lieu idéal, on le saurait : tout dépend du cours d’eau qui alimente la centrale hydraulique, de la hauteur de la chute et de la nature du barrage hydraulique. Il en existe dis donc, des critères pour installer une centrale hydraulique. Est-ce que cela signifie qu’il existe différents types de centrales hydrauliques ? Vous avez tout compris ! En avant !

Les centrales au fil de l’eau ou de basse chute

« Au fil de l’eau », comme un air de poésie. On entendrait presque le « ploc ploc » des gouttes de la centrale hydraulique qui s’égouttent… Dans un vocabulaire plus technique, « au fil de l’eau » signifie que l’eau est amenée au fur et à mesure de son écoulement du barrage hydraulique à la centrale hydraulique, avec un fort débit. Située sur des cours d’eau, comme sur un fleuve ou rivière, son dénivelé est très faible. La chute de l’eau n’excède pas 30 mètres, c’est pourquoi ce type de centrale est également appelée centrale hydraulique à basse chute.

Ici, le barrage sert de dérivateur pour l’eau de la rivière, afin qu’elle soit amenée vers la chute, puis la centrale.  L’eau n’est pas stockée, elle s’écoule directement dans la turbine : l’électricité est produite au fur et à mesure. Ici, on ne gère pas la production d’électricité selon les besoins des consommateurs : c’est du direct ! Et il y en a beaucoup des centrales hydrauliques au fil de l’eau en France ? Énormément ! Le parc hydraulique français compte plus de 2 500 installations, dont plus de 90 % sont des centrales au fil de l’eau (selon France hydro électricité), pour une puissance installée totale de 8500 MW.

Il en existe bien sûr de très grandes et très puissantes, principalement une vingtaine sur le Rhône et le Rhin représentant 6500 MW. Pourtant on compte aussi des petites centrales hydrauliques. Qui sont-elles ? Leur puissance ne dépasse pas les 10 MW. Cela ne les empêche pas d’avoir le même fonctionnement que les centrales au fil de l’eau : un petit barrage, qui ne stocke pas l’eau leur permet de créer un dénivelé et assurer une chute. Au total, environ 10% de l’énergie hydraulique française est fournie par 2 200 petites centrales hydrauliques, pour un total de 2000 MW installés en France.  L’avantage, c’est qu’on a l’assurance de produire une énergie verte et 100% locale ! Les PCH sont souvent la propriété de petits exploitants.

Impressionnant, non ? Et alors, qu’en est-il pour les autres ?

Les centrales hydrauliques d’éclusée ou de moyenne-chute

Ces centrales, leurs dadas, ceux sont les moyennes montagnes. « Là-haut sur la montagne », comme chantait Joseph Bovet. Qui dit centrale d’éclusée, dit chute moyenne et débit fort. Elles sont dotées d’un réservoir, contrairement aux centrales au fil de l’eau. Leur réservoir n’est pas très grand, elles ont une petite capacité de stockage : jusqu’à 400 heures de production. C’est-à-dire qu’elles peuvent moduler leur production à la journée ou à la semaine. On en dénombre environ 140 en France, avec une puissance installée totale de 4 200 MW. « Basse chute », « moyenne chute »… Et les centrales de haute chute, ça existe ?

Les centrales-lacs ou de haute chute

Les centrales-lacs, elles, voient les choses en grand : haute montage, chute très haute et une grande capacité de stockage. La chute est supérieure à 30 mètres, une véritable attraction de fête foraine. En contrepartie, le débit est assez limité. On ne peut pas tout avoir en même temps !

Concrètement, un barrage hydraulique est installé afin de retenir l’eau : ici, on parle de lac de retenue, alimenté par des sources externes, comme les fleuves, la fonte des neiges et des glaciers. Mmmh, on retrouve un peu le même fonctionnement qu’une centrale à moyenne chute ? La différence, et non des moindres, concerne la capacité de stockage de l’eau : dans la centrale-lac, le stockage est saisonnier et non journalier ou hebdomadaire (> 400h). Nous sommes dans d’autres dimensions. Le réservoir permet donc de réguler la production d’électricité à la saison. Et c’est plutôt pas mal, non ? Grâce à ce type de centrales hydrauliques, votre fournisseur d’électricité peut faire face aux pics de consommation d’électricité en cas de grand froid par exemple. On compte un peu moins d’une centaine de centrales-lacs de 9 200 MW environ. Ça dépote non ?

Les STEP : les stations de transfert d’énergie par pompage

Step by step… Non rien à voir avec le mot anglais. Les STEP, pour « stations de transfert d’énergie par pompage », ne sont pas des centrales hydrauliques comme les autres. Pourtant, sur le même principe, elles produisent de l’électricité hydraulique. Leur particularité ? Elles sont réversibles. Comme les centrales hydrauliques décrites précédemment, elles peuvent utiliser la chute de l’eau d’un bassin en hauteur vers un bassin inférieur pour produire de l’électricité. Mais lors des périodes de faible consommation, elles utilisent l’électricité du réseau (produite par exemple par les éoliennes, le nucléaire…) pour mettre en route une pompe pour remonter l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur... ce qui permet de turbiner à nouveau plus tard. Allez, hop, c’est reparti pour un cycle !

Pour que l’opération soit intéressante, encore faut-il que le coût de pompage en heures creuses soit moins élevé que le prix de vente de l’électricité en période de pointe, en tenant compte des pertes de rendement. Vous avez tout compris ! Les STEP permettent de stocker de l’électricité hydraulique et complémentent les centrales hydrauliques « classiques ». C’est un sacré atout car avec la croissance de la demande en électricité verte, les centrales hydrauliques ont un bel avenir. Oui, l’énergie renouvelable a vraiment la cote !

La centrale hydraulique fournit-elle vraiment une énergie propre et verte ? Finalement, quand on creuse un peu, on découvre aussi quelques désagréments… Que nous cache l’installation d’une centrale hydraulique ?

Centrales hydrauliques : des changements qui ne plaisent pas à tous

Avec la construction d’une centrale hydraulique, il arrive que certains habitants soient mécontents. En cause : un changement du paysage habituel. Pour que l’électricité verte puisse être transportée, la construction des réseaux de lignes est indispensable. Alors, le paysage est modifié : de nouvelles routes sont construites, des poteaux électriques poussent dans le paysage, les habitudes sont perturbées. Même les poissons sont chamboulés dans leurs habitudes et doivent sillonner entre les installations. Heureusement, une nouvelle technologie a été pensée, appelée VLH, et en plus c’est français ! Cette technologie permet aux poissons de passer sains et saufs à travers les pales des turbines. Ouf !

Énergie verte et locale

Tout le monde a le droit de choisir d’être éclairé avec de l’électricité verte. Toutefois, encore faut-il choisir un fournisseur d’électricité verte qui vous garantit que l’électricité est bien une électricité verte : pour cela, le système européen des « Garanties d’origine » permet de vous garantir que votre consommation annuelle d’électricité a été injectée dans le réseau sous forme d’électricité verte. L’avantage avec un fournisseur engagé écologiquement, c’est qu’il est même possible de choisir une électricité verte ET locale. En fait, si on parle concrètement, le fournisseur travaille avec des petites installations françaises, comme les Petites Centrales Hydrauliques. Il ne vous reste plus qu’à choisir parmi toutes ces petites centrales de production celle que vous voulez soutenir. 100% locale, 100% verte et 100% fiable, what else ?

Les petites centrales hydrauliques (PCH) qui font partie de la famille des centrales au fil de l’eau représentent 90% des installations hydrauliques en France.

Paré pour la remontée ! Votre plongée au sein des centrales hydrauliques prend fin. Nous espérons que la traversée fut agréable et que vous n’avez pas pris un coup de jus. Les centrales hydrauliques sont un véritable atout pour le système électrique français. D’ailleurs, le vert ne serait-il pas le symbole de l’espérance ? Et vous, vous passez quand à l’électricité verte ? 😉