L'énergie des cours d'eau

En se sédentarisant, l’homme a cherché à apprivoiser les cours d’eau, tant pour s’en protéger que pour les exploiter. L’aménagement des rivières remonte à l’âge du bronze. Avec l’accroissement des besoins énergétiques, les techniques d’aménagement se sont développées et l’hydroélectricité est devenue une des sources d’énergie les plus importantes à l’échelle mondiale.

Des centrales sur les fleuves peuvent aussi produire de l'électricité

Il n'y a pas que les grands barrages pour produire de l'électricité grâce à la force de l'eau. Les centrales au fil de l’eau peuvent aussi le faire, comme ici sur le Rhin. (Image: swisshippo/CanStockPhoto)

Les barrages et L’Homme: de l’âge du bronze à la révolution industrielle

Des vestiges de barrages préhistoriques datant du IIIe millénaire av. J.-C., ont été retrouvés en Mésopotamie dans les bassins du Tigre et de l’Euphrate et en Egypte dans le bassin du Nil. A l’origine, les barrages constituaient des réserves d’eau destinées à l’irrigation de terres agricoles.

Au Moyen Age (Xe siècle), la construction de barrages s’est accélérée en Europe. Ces édifices de hauteur modeste, servaient à l’alimentation des moulins à eau. A cette époque, l’énergie des moulins à eau était utilisée pour moudre le grain et pour actionner des petites machines (scies, maillets et foulons pour le textile ou le tannage des peaux).

La Renaissance (1300-1600) marque le début du développement économique en Europe et l’accroissement général des besoins énergétiques. Les moulins à eau sont alors destinés à un usage industriel, en sidérurgie et en métallurgie notamment.

Les premiers grands barrages hydroélectriques (c.à.d. de plus de 15 mètres de hauteur) ont été érigés au XIXe siècle pendant la révolution industrielle. Au cours du XXe siècle, la demande croissante en électricité est à l’origine de la construction de très grands barrages.

Les installations hydroélectriques

Les installations hydroélectriques permettent de créer de l’électricité à partir de l’eau. Elles sont généralement construites sur des lacs, des fleuves ou des rivières et sont constituées de trois éléments principaux:

  • Le barrage, ou la prise d’eau pour le cas d’une centrale au fil de l’eau. L’eau va être dirigée vers une chute et la centrale.
  • Le canal de dérivation, qui permet de réguler le flux d’eau et évacuer le surplus si nécessaire.
  • La centrale, en contrebas du barrage, qui comporte une turbine actionnée par l’eau provenant du barrage.

Les centrales hydroélectriques utilisent le principe de la transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique (voir le schéma dans l’article sur les hydroliennes). L’eau en mouvement entraîne la rotation d’une turbine. Cette même turbine en rotation actionne un alternateur qui va générer de l’énergie électrique. L’alternateur est une machine avec une partie rotative qui tourne par rapport à une partie fixe. Sur l’une des parties sont fixées des bobines et sur l’autre de gros aimants. La rotation provoque une variation du champ magnétique au travers des bobines et génère ainsi un courant électrique selon le principe de l’induction magnétique. Le courant électrique est toujours généré selon le même principe. C’est le type d’alternateurs employés qui diffère. Ils sont adaptés aux différents débits et pression de l’eau.

Les barrages d’accumulation permettent de stocker une grande quantité d’eau dans des lacs artificiels. Construits en montagne, ces barrages peuvent bénéficier d’une grande énergie potentielle. Chutant d’une hauteur élevée, l’eau aura une forte pression en arrivant dans la turbine. Les centrales au fil de l’eau quant à elles profitent de la vitesse du courant et du débit de l’eau des rivières ou des fleuves. Il existe aussi des ouvrages plus légers qui sont posés sur les cours d’eau, les hydroliennes.

L’hydraulique, principale source d’énergie renouvelable

Ce barrage suisse est un des plus grands barrage du monde.

Le barrage de la Grande Dixence en Valais est le quatrième plus haut barrage du monde. (Image: ValaisWallis Promotion, Alban Mathieu)

L’exploitation de l’énergie hydraulique offre des avantages importants sur les énergies fossiles et nucléaires. L’énergie hydraulique est une énergie renouvelable et la matière première (l’eau) est gratuite quand elle est disponible. Elle est considérée comme inépuisable par rapport aux énergies fossiles comme le charbon, le pétrole ou le gaz naturel et n’engendre que très peu d’émissions polluantes.

De plus, grâce aux barrages, la capacité maximale des centrales hydroélectriques peut être atteinte en quelques minutes; ce qui permet de répondre aux pics de consommation d’électricité. Les barrages à accumulation permettent de stocker de l’énergie en pompant l’eau lors de pic d’énergie disponible et turbinant l’eau quand on en a besoin. C’est le principe du pompage-turbinage.

Conséquences environnementales

Les grands barrages produisent beaucoup d’électricité mais sont coûteux à construire et ont des impacts importants sur le plan environnemental et humain. La construction du barrage des Trois Gorges en Chine, le plus grand barrage hydroélectrique au monde, a nécessité le déplacement de près de deux millions d’habitants.

Ils ont aussi des impacts sur les écosystèmes. En amont, ils sont à l’origine de la disparition de terres agricoles et de forêts par inondation. Dans les régions submergées, la stagnation forcée de l’eau, l’apport excessif en substances nutritives et la sous oxygénation de l’eau entraînent une perte de biodiversité. En outre, les barrages ont un effet perturbateur sur la dynamique fluviale, notamment sur les flux de sédiments. Les cours d’eau en aval ne sont plus correctement alimentés en sédiments et leurs lits subissent une érosion importante. La retenue des sédiments diminue également l’apport en substances nutritives et accélère la disparition de la flore et de la faune en aval.

Finalement, les barrages constituent des obstacles pour la migration des poissons et entravent le cycle reproductif de plusieurs espèces.

Dans le cas des centrales au fil de l’eau, des canaux de dérivation sont construits et une partie du cours d’eau n’est pas entravée, ce qui limite les effets mentionnés plus haut. Les hydroliennes n’ont que peu d’effet sur l’environnement.

Le cas de la Suisse

Grâce à ses deux grands massifs montagneux (le Jura et les Alpes) et à son vaste réseau hydrographique, la Suisse est un territoire idéal pour l’exploitation de centrales hydrauliques qui fournissent 55.4% de la production totale annuelle d’électricité. D’après l’Office fédéral de l’énergie, il y a 604 centrales hydrauliques d'une puissance égale ou supérieure à 300 kW, qui produisent annuellement une moyenne de 36'031 gigawattheures (GWh/an) d'électricité. Environ 47,6% sont générés par des centrales au fil de l'eau, 48 % par des centrales à accumulation, et 4,4% par des centrales à pompage-turbinage. Le barrage de la Grande Dixence en Valais qui mesure 286 mètres de haut est le quatrième plus haut barrage au monde. Les eaux du barrage de la Grande Dixence sont acheminées vers trois centrales hydrauliques qui ensemble produisent plus de 2 milliards de kilowatts-heures (kWh) par an soit 5% de la production hydroélectrique suisse totale.

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