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L'hydroélectricité repose sur l'exploitation de la force de l'eau pour produire de l'électricité. Avec environ 16 % de la production électrique mondiale (plus de 4 000 TWh/an), elle constitue une des principales sources d'énergie renouvelable aujourd'hui. Son potentiel technique est estimé à 15 000 TWh/an, mais son développement est limité par des contraintes géographiques, environnementales et socio-économiques.
Capacité de l’hydroélectricité par pays, 1898 - 2023. Source: visualizingEnergy
L'hydroélectricité repose sur la conversion de l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique puis en électricité via des turbines et des alternateurs. Le processus comprend plusieurs étapes clés :
1. Captation de l'eau : un barrage est construit sur un cours d'eau pour créer un réservoir, accumulant de l'énergie potentielle.
2. Contrôle du débit : l'eau est libérée de manière contrôlée vers des turbines.
3. Conversion d'énergie : l'eau en mouvement fait tourner des turbines, transformant l'énergie cinétique en énergie mécanique.
4. Production d'électricité : les turbines sont connectées à des générateurs qui convertissent l'énergie mécanique en électricité.
Il existe plusieurs types d'installations :
- Les centrales au fil de l'eau exploitent le débit naturel des rivières sans stockage d'eau. Il existe deux manières d’exploiter la puissance potentielle de l’eau dans ce cas, via la différence de niveau entre la prise d’eau et son point de restitution (centrale “de haute chute”), adapté aux forts dénivelés, soit via le débit d’eau (“centrale de basse chute”), adapté aux débits importants mais faibles dénivelés.
- Les centrales à écluses disposent d'une petite capacité de stockage qui permet une modulation journalière ou hebdomadaire.
- Les centrales de lac, équipées de grandes retenues, offrent une flexibilité importante.
- Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) stockent de l'énergie en pompant de l'eau vers un réservoir supérieur durant les périodes de faible demande et la relâchent pour produire de l'électricité lors des pics de consommation.
Les technologies de turbines hydroélectriques évoluent pour s'adapter à diverses applications. Les turbines Francis et Kaplan sont largement utilisées dans les grandes centrales et les turbines Pelton efficaces pour les fortes chutes d'eau. Des micro-turbines et des systèmes hydrocinétiques permettent de produire de l'énergie sans barrage, exploitant directement le débit des cours d'eau. Les turbines à vis d'Archimède, conçues pour les faibles hauteurs de chute, sont particulièrement respectueuses de la faune aquatique.
L'hydroélectricité est une énergie renouvelable et décarbonée qui n'émet presque pas de gaz à effet de serre une fois l'infrastructure mise en place. Elle offre une production stable et flexible, et peut fournir de l'électricité en continu tout en s'adaptant aux variations de la demande. De plus, elle constitue un stockage d'énergie efficace, notamment grâce aux STEP.
Néanmoins, l'hydroélectricité présente plusieurs inconvénients. Son impact écologique est non négligeable, car la construction de barrages modifie les écosystèmes aquatiques, affecte la biodiversité et peut entraîner le déplacement de populations. Elle est également vulnérable au changement climatique, puisque les variations de précipitations et les sécheresses influencent la disponibilité de l'eau et la production d'électricité. De plus, le coût initial des infrastructures est élevé, leur construction nécessitant des investissements importants et de longues périodes d'amortissement.
Les infrastructures hydroélectriques sont conçues pour durer plusieurs décennies, mais elles sont soumises à divers facteurs de fragilisation. L'érosion et l'envasement, par exemple, réduisent la capacité de stockage des réservoirs et altèrent l'efficacité des turbines. Le vieillissement des matériaux constitue un autre défi : l'usure des structures en béton et des composants mécaniques peut nécessiter des rénovations coûteuses. Les variations hydrologiques, engendrées par le changement climatique, peuvent entraîner des périodes prolongées de sécheresse ou des crues exceptionnelles, mettant sous pression les barrages. Enfin, certains barrages situés dans des régions à risques géologiques peuvent accentuer la probabilité de séismes ou d'éboulements. L'entretien régulier, la modernisation des infrastructures et la mise en place de mesures d'atténuation des risques sont donc essentiels.
Malgré ces défis, l'hydroélectricité est clé pour la transition énergétique. L'optimisation des infrastructures existantes, le développement de solutions moins impactantes pour l'environnement et l’intégration des STEP dans les stratégies de stockage d'énergie seront déterminants pour son avenir. De nouvelles technologies émergent, comme l'énergie osmotique, et des projets sont en développement pour répondre à la demande croissante. Par ailleurs, l'intégration de l'hydroélectricité avec l'éolien et le solaire permet d'assurer la stabilité des réseaux électriques. Aussi, des financements et des réglementations adaptées sont mis en place pour réduire l'impact écologique et améliorer la rentabilité des projets. L'essor des autres renouvelables pourrait modifier le rôle de l’hydroélectricité, mais son potentiel en fait une pierre angulaire du mix énergétique mondial.