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Énergie & écologie

Comment fonctionne une centrale hydroélectrique ?

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Dans un précédent article, nous avons fait le point sur le secteur hydroélectrique français. Pour bien démêler le vocabulaire, avant toute chose, précisons qu’une centrale hydraulique et une centrale hydroélectrique sont en fait… la même chose ! Le deux grands types de centrales hydrauliques sont les barrages (qui retiennent des lacs artificiels) et les centrales au fil de l’eau (construites au bord des fleuves et des rivières).

Nous avons vu que les barrages et les centrales au fil de l’eau, en France, fournissaient environ 11% de l’électricité totale, ce qui positionne notre pays à la 9e place des producteurs mondiaux (en valeur absolue). Même en valeur relative, la France s’affirme comme une puissance intermédiaire, loin derrière la Norvège ou le Brésil par exemple, où l’énergie hydraulique occupe une place essentielle. Si l’hydroélectricité continue de se développer chez nous, le potentiel maximal devrait bientôt être atteint, car nos rivières sont désormais protégées (impossible d’y construire tous azimuts), tandis que la construction de nouveaux barrages se heurte à une acceptation sociale toujours plus difficile.

Dommage ! Car l’énergie hydraulique a beaucoup de qualités : c’est en effet une énergie verte, renouvelable, et globalement très rentable. Mais au fait, comment cette énergie est-elle obtenue ? Comment transforme-t-on un lac, ou un fleuve, en électricité qui finit dans nos ampoules, nos téléviseurs et nos machines à café ? Aujourd’hui, voyons en détail comment fonctionnent les centrales hydroélectriques !

Les principes généraux d’une centrale hydroélectrique

Il est important de noter qu’une centrale, en fait, ne “génère” jamais de l’énergie. Rien ne se perd, rien ne se crée : ce principe est universellement valable – pour autant que l’on sache… Une centrale hydroélectrique va donc se contenter de transformer une énergie déjà présente dans la nature… Le principe général ? Exploiter la gravité pour transformer l’énergie mécanique (le courant de l’eau) en énergie électrique.

La centrale hydroélectrique exploite la force de l’eau

La plupart des centrales hydroélectriques sont construites sur les bords des fleuves ou des rivières. Ces centrales sont relativement peu puissantes, car elles exploitent le courant naturel, exactement comme nos vieux moulins à eau… Ce courant, donc, actionne une turbine (une grosse hélice), elle-même reliée à un alternateur qui, enfin, produit un courant alternatif.

Les plus curieux se demandent peut-être comment un alternateur transforme la force mécanique en électricité ?  En fait, l’alternateur se compose d’une bobine de cuivre enroulée autour d’un aimant. La force mécanique fait tourner la bobine de cuivre. Par interaction avec l’aimant, la force électromagnétique va automatiquement générer du courant électrique !

Le barrage hydraulique : un catalyseur de performances

Le barrage hydraulique fonctionne un peu sur le même principe : il exploite la force de l’eau qui chute d’un point élevé (le lac artificiel) au point le plus bas. Le barrage est donc toujours construit dans une zone montagneuse, pour exploiter un dénivelé naturel important. Mais le barrage peut aussi accentuer ce dénivelé de manière artificielle, puisqu’en stockant l’eau derrière ses murs, il en fait monter le niveau.

Par rapport aux petites centrales au fil de l’eau, le barrage a plusieurs avantages. D’abord, sa puissance. Car plus le dénivelé est important, plus le courant est fort, et donc, plus on peut produire de l’électricité.

De plus, le barrage peut stocker l’énergie potentielle (sous la forme du lac artificiel), et la libérer quand il en a besoin, dans les proportions désirées. Au contraire, les centrales au fil de l’eau sont dépendantes des conditions météorologiques. Heureusement, elles sont plus actives l’hiver (quand la pluviométrie est importante) que l’été (quand les cours d’eau sont très bas) – et les français consomment justement plus d’électricité pendant l’hiver. 

Les différents types de centrales hydrauliques

Nous connaissons désormais le principe de base d’une centrale hydroélectrique. Il est temps à présent d’entrer dans les détails, et de considérer les différents types de centrales hydrauliques…

Des différences de taille…

L’énergie hydraulique désigne en fait une grande diversité d’installations. Toutes fonctionnent sur le même principe, mais chacune utilise une turbine spécifique adaptée à sa puissance : 

  • Les centrales de haute chute (+ de 300 mètres). Celles-ci sont surtout présentes en montagne et sont toujours associées à un barrage, plus haut, qui s’oppose à l’écoulement naturel de l’eau. Ces centrales utilisent des turbines de type Pelton – une grande roue équipée d’augets qui doivent optimiser la trajectoire et la puissance de l’eau.
  • Les centrales de moyenne chute (+ de 30 mètres). Ces centrales sont également couplées à des barrages, mais plus petits. Par conséquent, elles utilisent des turbines Françis, qui ressemblent à de gros cylindres creusés par une spirale dans laquelle va s’écouler l’eau.
  • Les centrales au fil de l’eau (dénivelé faible). Celles-ci utilisent des turbines de type Kaplan, qui ressemblent à des turbines de bateaux.
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Une turbine de type Kaplan

Et les centrales marémotrices ?

Nous n’avons pas encore parlé de ces centrales, qui exploitent le mouvement de l’océan ! Et pour cause : elles sont encore très rares. En France, la seule centrale active pour le moment se trouve à Rance, en Bretagne, et fut inaugurée en 1966. 

En pleine urgence climatique, ces centrales expérimentales suscitent de nouveau l’intérêt… Serait-il possible de les optimiser ? En tout cas, la France vient d’investir pour pérenniser cette installation originale – les travaux de rénovation doivent durer dix ans ! Il faut dire que le jeu en vaut la chandelle, car non seulement la centrale marémotrice est écologique, mais en plus, elle produit de l’électricité en permanence (été comme hiver, marée montante comme descendante). 

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Une turbine de type Pelton

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