Pauvre hydroélectricité : elle n’est pas souvent à l’honneur dans les médias quand il s’agit d’électricité d’origine renouvelable, alors qu’en 2012 elle a produit 8 fois plus de TWh dans le monde que l’éolien, et constitue donc, et de très loin, la première source d’électricité d’origine renouvelable dans le monde. Pour autant, il semble peu probable que l’essentiel de notre consommation d’électricité puisse venir un jour des barrages, du moins au niveau actuel de consommation d’une humanité à quelques milliards de bipèdes.
Barrages et barrages
La planète compte actuellement plus de 40.000 barrages de plus de 15 mètres de hauteur sur la planète (source : World Commission on Dams), dont la moitié se trouve en Chine et 5% en Inde. Pourquoi construit-on des barrages ? Question stupide, se dira le lecteur : pour produire de l’électricité. Allons-y pour une première surprise : pour de nombreuses zones de la planète, la première raison à la construction de barrages est… seulement l’irrigation (sans production électrique). Ainsi, en Asie (hors Chine), l’irrigation seule est à l’origine de la construction des 2/3 des 10.000 barrages de la région, qui ne comportent pas la moindre turbine électrique en aval.
Il y a bien sûr des barrages qui sont construits pour répondre à plusieurs besoins, à savoir à la fois la fourniture d’eau pour l’irrigation et de la production électrique. Quand on a besoin de relâcher de l’eau au même moment pour les deux usages c’est parfait, mais si ce n’est pas le cas il peut y avoir concurrence entre les usages. C’est le cas en France, quand on demande à EDF de fournir de l’eau aux agriculteurs en plein été, à un moment où la consommation électrique ne le demande pas.
Avant d’aller plus loin, il y a une deuxième idée couramment répandue qu’il faut mettre à mal : que l’essentiel de la production hydroélectrique vient de lacs de barrage situés en altitude, que nos amis Suisses appellent des « centrales à accumulation » (pour l’excellente raison que l’on y accumule de l’eau servant ensuite à faire fonctionner des turbines situées en aval). De fait, ces lacs de barrage permettent de disposer de l’électricité la plus précieuse qui soit : celle qui est disponible à tout moment et mobilisable en quelques minutes seulement (le temps d’ouvrir les vannes), et qui permet d’ajuster en permanence la production à la demande.
Puissance appelée d’une semaine-type d’hiver en France (courbe rouge), avec les moyens utilisés pour satisfaire la demande (chaque plage de couleur donne la contribution d’un type de moyen de production).
Cette courbe est riche d’enseignements :
- malgré sa réputation de fourniture d’une puissance constante, le nucléaire permet en fait une modulation – assez rapide – entre 50 et 55 GW de puissance délivrée pour l’ensemble du parc,
- le thermique à flamme (charbon, fioul, gaz) sert surtout à la modulation à l’échelle de la semaine ou de la journée, et assez peu de l’heure,
- ce qui permet d’assurer « l’hyper pointe », c’est-à-dire la variation à l’échelle de l’heure ou moins, est l’hydraulique modulable : les barrages, qui peuvent injecter jusqu’à 12 GW presque instantanément.
Source : EDF
Comme un lac de barrage se vide généralement assez vite quand on s’en sert, ces installations ne fonctionnent pas en permanence, mais sont réservées à l’ajustement fin de la production à la demande (et cette électricité fait partie de celles qui traversent les frontières quand les barrages suisses permettent d’ajuster la tension du réseau pour le consommateur Breton !). En cumulé sur l’année (qui compte 8.760 heures, comme chacun(e) sait), un barrage fonctionne de l’ordre de 1000 à 2000 heures.
Mais il y a une deuxième hydroélectricité, moins visible donc moins souvent évoquée, qui s’appelle « au fil de l’eau ». Elle provient d’installation situées dans des grands fleuves, ou l’eau qui coule – éventuellement après avoir été canalisée dans une écluse – actionne une turbine qui tourne en permanence, avec de gros débits mais de faibles hauteurs de chute. Cette électricité là est toujours précieuse parce qu’elle est obtenue sans utiliser de combustible fossile (ou nucléaire pour certains), mais elle ne dispose plus de l’avantage de la flexibilité que possède sa cousine issue des barrages.
Exemple de barrage au fil de l’eau.
Les turbines sont dans l’ouvrage lui-même.
Exemple de barrage de lac.
L’eau est acheminée par une conduite forcée vers la turbine située en aval du barrage (le plus bas possible) qui produira l’électricité.
Pour cette raison de fourniture en permanence elle est parfois qualifiée de « fatale » (un produit « fatal », dans un processus quelconque, n’est pas un produit qui tue tout le monde ! Il s’agit juste d’un produit que l’on obtient de toute façon, même si on ne le désire pas) : cette électricité est injectée dans le réseau en permanence, comme une large partie de celle des réacteurs nucléaires, et contribue alors à la fourniture d’électricité dite « de base ».
Enfin il y a une troisième catégorie dans les barrages : les stations de pompage. Il s’agit de « barrages réversibles », c’est à dire de barrages où l’eau, après avoir été turbinée, est récupérée et stockée dans une retenue aval, et elle est ensuite remontée dans la retenue amont quand il y a de l’électricité sur le réseau accessible pour pas cher (la nuit, quand les centrales qui tournent en continu produisent sans consommateurs en face, ou… quand il y a trop de vent s’il y a beaucoup d’éolien installé). Une variante est qu’il y ait un gros fleuve à l’aval dans lequel il est possible de pomper, et qui joue alors le rôle de retenue aval.
Schéma de principe d’une station de pompage.
Le système comporte deux retenues d’eau, une au-dessus de la pompe/turbine et une en dessous. Quand il y a de l’électricité disponible pour pas cher (heure creuse) et que le bassin du dessus est vide, une pompe (qui consomme de l’électricité) remonte l’eau de la retenue aval à la retenue amont.
A l’inverse, quand il y a une forte demande d’électricité, alors on laisse chuter l’eau de l’amont vers l’aval, en actionnant au passage une turbine (classique) pour produire de l’électricité. Si le lac aval est plus petit que le lac amont, le système sert à la fois de barrage classique (pour l’eau qui ne fait que descendre) et de station de pompage (STEP en abrégé).
Une partie de la STEP de Grand Maison, en France.
La retenue amont est le lac de la photo, et la retenue aval un autre lac – la retenue du Verney – qui se trouve 900 m plus bas (en dénivelée) sur le cours d’eau, et n’est pas sur la photo.
Source : EDF / Photographe : Patrick de Goumoëns
Quand on parle de production hydroélectrique d’un pays, il s’agit bien de la somme de l’électricité issue des lacs de barrage (ayant ou non une station de pompage) et de celle issue du « fil de l’eau », alors que seule la première permet de satisfaire la demande d’électricité de pointe. En France, par exemple, les deux contributions (barrages et fil de l’eau) sont à peu près équivalentes en ordre de grandeur.
Production d’une semaine-type d’hiver en France, heure par heure, en discriminant les moyens appelés, et en particulier les divers types d’hydraulique.
Ces types d’hydrauliques sont :
- le fil de l’eau, tout en bas, produit en continu
- les divers type d’hydraulique de lac sont fortement modulables et contribuent à la pointe, en haut (lacs = barrages de haute chute, éclusées = barrages de moyenne chute, et turbinages = stations de pompage).
- entre les deux, on trouve le nucléaire et le thermique dit classique, c’st-à-dire à gaz et à charbon.
Sous ces deux formes, l’hydroélectricité a fourni environ 6% de l’énergie – en équivalent primaire – consommée par le monde en 2012, ou encore 16% de l’électricité mondiale cette année-là. La proportion de l’électricité qui est produite avec des installations hydroélectriques est évidemment très variable d’un pays à l’autre, puisque cela peut aller de zéro (pour des pays très plats en général) à presque 100% pour certains pays richement dotés en montagnes, et à faible densité de population (ce qui donne donc beaucoup de montagnes par habitant) (Norvège, Islande, Brésil…).
Proportion d’hydroélectricité dans la production électrique totale de divers pays, en 2014.
On note, sans grande surprise, que les pays plats ou sans beaucoup de relief (Danemark, Pays-Bas, Grande-Bretagne, Belgique…) ou peu arrosés (Moyen Orient) n’apparaissent pas dans ce classement (ils sont tous à moins de 0,5%, sauf la Grande Bretagne qui est à 2%).
A l’opposé, cette part est maximale dans les pays bien arrosés et possédant du relief (outre les pays figurant sur la partie gauche de ce graphique, on trouve aussi le Laos, le Bhoutan, le Népal…). La moyenne européenne est à 10%.
Source : BP Statistical Review, 2015
La part de l’électricité dans la consommation finale n’étant pas le même selon les pays, il peut aussi être intéressant de regarder ce que « pèse » l’hydroélectricité dans l’approvisionnement total en énergie primaire des pays. Le classement est proche mais il y a des différences notables.
Proportion d’hydroélectricité dans la consommation d’énergie primaire de divers pays, en 2014.
Les seuls « pays riches » (donc consommant beaucoup d’énergie !) qui ont beaucoup d’hydroélectricité dans leur mix énergétique sont des pays de montagne ou avec une hydrologie très importante (Norvège, Nouvelle Zélande, Suisse, Suède, Canada, Autriche…)
Source : BP Statistical Review, 2015
Une fois que nous avons vu tout cela, et qui donne la situation actuelle, il y a bien évidemment la question qui tue : pourrait-on faire beaucoup plus avec de l’hydroélectricité ? Car sur le papier nous avons là une espèce de martingale, du moins pour la partie « barrages » :
- l’électricité ne se stocke pas, mais l’eau dans un lac de barrage si,
- cette production est appelable à volonté, donc idéale pour venir en face d’une demande qui fluctue en permanence,
- c’est de l’électricité sans CO2, ce qui n’est pas le cas de 66% de l’électricité mondiale (40% vient du charbon, 20% du gaz, et 6% du pétrole),
- l’électricité est l’énergie finale dont l’emploi est le plus polyvalent : avec de l’électricité, on peut faire tourner un moteur avec un excellent rendement, s’éclairer, obtenir du froid ou du chaud, rayonner, créer un champ magnétique ou des ondes qui transmettront de l’information, bref faire ce que l’on veut.
Dès lors, pourquoi ne pas produire la totalité de notre électricité par ce moyen ? En fait, non seulement nous n’en produisons pas plus, mais la construction de nouveaux barrages est plutôt en baisse dans le monde actuellement.
Nouveaux barrages construits par décennie en Europe, de 1900 à 2000.
On note un maximum de constructions pendant les années 1960.
Source : World Commission on Dams, 2000
Nouveaux barrages construits par décennie en Asie, de 1900 à 2000
(attention ! Ce n’est pas la même échelle que le graphique précédant !).
Ce sont les années 1970 qui voient le maximum des constructions par décennie, et la baisse s’enclenche ensuite.
Source : World Commission on Dams, 2000
C’est que les limites du monde vont se mêler de l’affaire. Il y a en effet un plafond à la production hydroélectrique qu’il est impossible de dépasser : c’est, en schématisant un peu, l’énergie que l’ensemble de l’eau précipitée sur une zone de montagne peut restituer en descendant du lac de barrage ou elle est collectée jusqu’au fond de la vallée.
Supposons par exemple qu’un lac de barrage collecte les précipitations annuelles tombant sur 10 km² de sol, dans une région où il pleut 1000 mm (soit un mètre) par an. Nous avons là un volume de précipitations annuelles de 10 km² x 1 mètre = 10.000.000 m³ d’eau, pesant 10 milliards de kg. Si cette eau est collectée dans un lac de barrage, d’où elle peut « chuter » de 1000 mètres (avec une conduite forcée partant du barrage et amenant l’eau à une turbine située 1000 mètres en aval), elle va libérer une énergie (E = mgh) de 100.000 milliards de joules, soit environ 27 GWh.
Si maintenant le relief ne permet pas de disposer de 1000 mètres de hauteur de chute, mais de 500 mètres seulement, c’est 14 GWh que l’eau nous fournira, déduction faite du rendement de la turbine. Si le relief permet une hauteur de 2000 mètres entre le lac de barrage et la turbine dans la vallée (cas très favorable dans les Alpes), nous tirerons par contre 54 GWh dans l’année, déduction aussi du rendement de la turbine.
Faisons maintenant un petit calcul d’ordre de grandeur. Quelle contribution maximale l’hydroélectricité pourrait-elle apporter en Europe ? Le tableau ci-dessous donne les résultats d’une approximation grossière, consistant à calculer combien d’énergie est récupérable si toute l’eau précipitée sur une surface donnée peut être collectée pour être ensuite utilisée, sur une hauteur de chute moyenne figurant ci-dessous, pour produire de l’électricité avec un rendement de 80%.
| Massif | Superficie (km2) | Précipitations annuelles (mm) | Hauteur moyenne de chute (m) | Energie potentielle max (TWh) | Energie electrique max (TWh) |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhone Alpes | 44 000 | 1 000 | 1 500 | 180 | 144 |
| Reste Massif Central | 20 000 | 1 200 | 1 000 | 65 | 52 |
| Suisse | 41 000 | 800 | 2 000 | 179 | 143 |
| Pyrénées | 50 000 | 1 000 | 1 000 | 136 | 109 |
| Autriche | 84 000 | 1 000 | 1 500 | 343 | 275 |
| Norvège | 100 000 | 500 | 1 000 | 136 | 109 |
| Suède | 100 000 | 500 | 1 000 | 136 | 109 |
| Italie | 80 000 | 600 | 1 000 | 131 | 105 |
| Reste de l'Europe | 100 000 | 800 | 1 000 | 218 | 174 |
| Total | 1525 | 1220 |
Approximation (grossière) de l’énergie récupérable par collecte des eaux de précipitations en Europe.
Ce calcul permet de définir ce que les électriciens appellent un « potentiel théorique », qui pour l’Europe est donc de l’ordre du millier de TWh. Mais récupérer la moindre de goutte de pluie qui tombe sur un relief est bien évidemment impossible. L’hydroélectricité ne concerne que l’eau qui tombe sur le bassin versant d’une vallée « suspendue », au bout de laquelle on pourra installer un barrage qui créera un lac.
En effet, s’il n’y a pas de réservoir en altitude, il est impossible d’obtenir des productions importantes (une fois que l’eau est à fond de vallée on ne peut plus la faire « chuter », juste la turbiner « au fil de l’eau » et la production est bien plus faible à débit identique). A partir d’une observation du terrain, les électriciens définissent alors ce qui s’appelle un potentiel « techniquement installable », qui exclut toute l’eau qui tombe en des lieux où la récupérer n’a pas de sens.
De ce fait, une fois que des barrages sont installés partout où c’est « techniquement faisable », c’est-à-dire avec les conditions de relief requises, on ne peut plus faire grand chose de plus. C’est ce qui explique la croissance puis la décroissance de la courbe de construction des barrages ci-dessus : il est habituel de considérer que, en Europe, à peu près tout ce qui était installable a été installé. Et de fait la production hydroélectrique européenne a été de l’ordre de 500 TWh par an depuis plus de 20 ans désormais, ce qui représente une fraction significative du potentiel théorique calculé de manière grossière ci-dessus.
Production hydroélectrique en « Europe géographique » (Union Européenne+Suisse+Norvège) depuis 1965.
Source : BP statistical Review 2015
Sur notre vieux continent, donc, passer la proportion d’électricité d’origine hydraulique de 10% (valeur actuelle) à 80% semble tout bonnement impossible, et même une multiplication par 2 est probablement hors de portée. Comme le reste des sources renouvelables pour produire de l’électricité sont pour le moment dans l’épaisseur du trait, et condamnées à y rester pour certaines d’entre elles (voir par exemple la page sur l’éolien), produire beaucoup d’électricité – en Europe – sans faire beaucoup de CO2 porte nécessairement un très vilain nom : le nucléaire ! (enfin tout dépend des points de vue…)
Contribution des sources renouvelables, hors bois, à l’approvisionnement énergétique mondial en 2014, en millions de tonnes équivalent pétrole.
On remarque tout de suite la prépondérance de l’hydroélectricité.
Les énergies électriques sont converties sur la base de 1 tep = 11.600 kWh
Sources diverses.
Et ailleurs ?
Bien entendu, l’Europe n’est pas seule au monde. Dans d’autres pays, les barrages « techniquement faisables » et non encore construits peuvent être nombreux, comme en atteste la comparaison ci-dessous pour l’Asie hors Chine.
Production hydroélectrique dans quelques pays d’Asie en 1999 (en GWh) et « potentiel techniquement faisable ».
Source : World Commission on Dams, 2000
Mais il se peut que le potentiel reste élevé tout simplement parce que la consommation électrique globale de ces pays reste modeste. En France, la production hydroélectrique est d’environ 60 TWh, soit, en ordre de grandeur, 1 000 kWh par habitant.
Sur le graphique ci-dessus, nous voyons que l’Inde pourrait produire 600 TWh à partir d’hydroélectricité : c’est beaucoup ! Sauf que… cela ne représenterait que 500 kWh par Indien et par an. Si les Indiens veulent consommer autant d’électricité que les Français, cela est impossible à partir de la seule hydroélectricité (malgré l’abondance des montagnes). Même l’Indonésie (250 millions d’habitants) ne pourrait tirer que 1 500 kWh par habitant et par an, soit 20% de son électricité si chaque Indonésien voulait consommer comme un Français.
L’hydroélectricité, tout beau tout bon tout propre ?
Enfin il reste à vérifier que l’hydroélectricité, bien que renouvelable, soit à parer de toutes les vertus, et soit notamment plus sympathique pour l’environnement que… le nucléaire. Provocation ? Nous allons voir.
Pour assurer une production annuelle de 30 TWh environ, une centrale nucléaire occupe de l’ordre d’un km². Pour une production de quelques dizaines de TWh par an, les lacs créées par les plus grands barrages du monde (Trois Gorges en Chine, Itaipu au Brésil, Guri au Venezuela, Tucurui au Brésil à nouveau) dépassent tous les 1000 km² de superficie (et cela peut aller jusqu’à 5000 km² pour les plus grands lacs artificiels, soit la superficie d’un département français), en « noyant » tout ce qui se trouvait là avant. Accessoirement la mise en eau du barrage des Trois Gorges a nécessité le déplacement de plus d’un million de personnes, soit 10 fois la population évacuée à Tchernobyl ou Fukushima.
Mais, va-t-on me faire remarquer, le nucléaire fait des accidents monstrueux comme à Tchernobyl, alors que les barrages ne tuent personne. Encore un mythe qui a la peau dure : les barrages, sur Terre, ont tué considérablement plus de monde (et d’animaux) que les centrales nucléaires ! En Europe seule, les accidents de barrage sont responsables de plus de 2.000 décès (les deux plus meurtriers sont Malpasset-Frejus, en 1959 en France, et Vajont-Longarone, en 1963 en Italie).
Ailleurs dans le monde il y a aussi eu un certain nombre de catastrophes, les deux qui auraient fait le plus de morts ayant concerné un complexe de barrages à Banqiao, en Chine, dont la rupture après de très fortes précipitations en 1975 aurait tué plus de 100.000 personnes (25000 immédiatement, et le reste à cause des maladies propagées par l’eau devenue non potable), et le barrage de Machchu II en Inde, qui a fait 2000 victimes ou plus en 1979.
Même les USA ont leur liste, les derniers accidents significatifs datant de 1977 où deux accidents de barrages ont tué deux fois 40 personnes. Rappelons que l’accident de Tchernobyl a causé quelques dizaines de décès immédiats, et que le bilan total se situera quelques part entre plusieurs centaines et plusieurs milliers de décès, ce qui n’est pas plus que pour un accident de barrage un peu sérieux (qui par ailleurs rend inhabitable un nombre d’habitations bien plus important). Et pourtant personne n’a créé « sortir des barrages » !