L'électricité peut être produite en brûlant du gaz, du pétrole ou des sources renouvelables comme le vent, le soleil, etc. Mais il existe aussi une autre source d'énergie, propre et naturelle, à partir de laquelle l'électricité est produite : l'eau. Les marées, les vagues et les courants marins peuvent répondre aux besoins énergétiques de l'homme de diverses manières. Les systèmes qui utilisent actuellement l'eau pour produire de l'électricité sont l'hydroélectricité, la géothermie et le plus avancé, le système houlomoteur.
Comment produire de l'électricité avec de l'eau : système hydroélectrique
L'hydroélectricité est un mode de production d'électricité lié à la ressource en eau et est utilisée dans le monde entier par la construction de barrages. Pour produire de l'électricité dans une centrale hydroélectrique, l'eau doit être acheminée vers le bassin de chargement situé au niveau supérieur, d'où elle est acheminée par des conduites forcées vers la turbine située en bas. L'énergie de l'eau passe par la turbine et fait tourner la roue de la turbine, qui est reliée à l'alternateur, produisant ainsi de l'électricité. L'énergie électrique produite par une centrale hydroélectrique dépend de la quantité d'eau transportée par la turbine, de la hauteur de la chute et du rendement électrique du générateur.
Comment produire de l'électricité avec de l'eau : système géothermique
L'énergie géothermique consiste à utiliser en surface la chaleur produite dans le sous-sol. La température augmente d'environ 3 °C tous les 100 mètres de profondeur : c'est ce qu'on appelle le gradient géothermique. Si la température du sous-sol est élevée, supérieure à 150° C, l'eau en surface peut être utilisée sous forme de vapeur pour actionner des turbines et produire de l'électricité. L'énergie mécanique de la turbine est finalement convertie en électricité grâce à un système d'alternateur. De l'eau froide est souvent injectée dans les profondeurs de l'eau pour alimenter la production de vapeur, afin de maintenir un débit de vapeur constant. Cela permet aux turbines de fonctionner à pleine capacité et de produire de la chaleur en continu. Afin d'extraire et d'utiliser la chaleur piégée dans la terre, il est nécessaire d'identifier les zones où elle est concentrée : le réservoir ou gisement géothermique.
Les avantages des centrales hydroélectriques
Pourquoi les centrales hydroélectriques sont-elles si importantes dans le bouquet énergétique d'un pays ? Car, en plus d'être neutres en termes de CO2, ils sont incroyablement efficaces et très flexibles. Une turbine hydraulique a un rendement supérieur à 90 %, souvent plus de 95 %. Cela signifie que la quasi-totalité de l'énergie potentielle contenue dans l'eau se transforme en énergie électrique. Ce chiffre est très élevé, si l'on considère que les meilleures centrales thermoélectriques (turbines à gaz à cycle combiné) atteignent un rendement de 60 %, et que les 40 % restants de l'énergie contenue dans le combustible fossile sont perdus en chaleur inutilisée.
La production d'électricité grâce à l'eau est une méthode éprouvée et durable. Elle repose sur différents systèmes comme l'hydroélectricité, la géothermie et l'énergie houlomotrice. Comprendre ces procédés est essentiel pour saisir les enjeux énergétiques actuels et futurs en France.
Les principes de production d’électricité hydraulique
La production d'électricité hydraulique repose sur l'exploitation de l'énergie cinétique et potentielle de l'eau en mouvement. Ce procédé, largement utilisé en France, représente une source d'énergie renouvelable majeure dans le mix électrique national. Examinons en détail les principes fondamentaux qui régissent cette technologie.
Fonctionnement général des centrales hydroélectriques
Les centrales hydroélectriques transforment l'énergie mécanique de l'eau en énergie électrique. Le principe de base consiste à utiliser la force de l'eau pour faire tourner des turbines, qui entraînent à leur tour des alternateurs produisant de l'électricité. La puissance générée dépend principalement de deux facteurs : la hauteur de chute de l'eau et son débit.
Rôle des barrages
Dans les centrales hydroélectriques de grande envergure, les barrages jouent un rôle crucial. Ils permettent de créer une retenue d'eau, augmentant ainsi la hauteur de chute et régulant le débit. Cette accumulation d'eau représente une forme de stockage d'énergie potentielle, mobilisable selon les besoins du réseau électrique. En France, on compte environ 600 barrages hydroélectriques, dont 400 sont exploités par EDF.
Fonctionnement des turbines
Les turbines constituent le cœur du système de production. Elles existent en différents types, adaptés aux conditions spécifiques de chaque site :
- Turbines Pelton : utilisées pour les hautes chutes (plus de 300 mètres)
- Turbines Francis : adaptées aux moyennes chutes (entre 30 et 300 mètres)
- Turbines Kaplan : conçues pour les basses chutes (moins de 30 mètres)
Rôle de l'alternateur
L'alternateur, couplé à la turbine, transforme l'énergie mécanique en énergie électrique. Il fonctionne sur le principe de l'induction électromagnétique : le rotor, mis en mouvement par la turbine, crée un champ magnétique variable dans le stator, induisant ainsi un courant électrique alternatif.
Types de centrales hydroélectriques
On distingue plusieurs catégories de centrales hydroélectriques, chacune adaptée à des conditions géographiques et hydrologiques spécifiques :
Centrales de lac
Ces installations utilisent un barrage pour créer un réservoir artificiel. Elles permettent de stocker de grandes quantités d'eau et de produire de l'électricité à la demande. En France, la centrale de Grand'Maison dans l'Isère, avec une puissance installée de 1800 MW, est un exemple emblématique de ce type d'aménagement.
Centrales au fil de l'eau
Ces centrales exploitent le débit naturel des cours d'eau, sans capacité de stockage significative. Elles produisent de l'électricité en continu, avec des variations saisonnières. La centrale de Kembs sur le Rhin, d'une puissance de 160 MW, illustre ce type d'installation.
Stations de transfert d'énergie par pompage (STEP)
Les STEP utilisent deux réservoirs à des altitudes différentes. En période de faible demande, l'eau est pompée du bassin inférieur vers le bassin supérieur. Lors des pics de consommation, l'eau est turbinée dans l'autre sens pour produire de l'électricité. La STEP de Grand'Maison, avec une capacité de pompage de 1200 MW, est la plus puissante de France.
La production d'électricité hydraulique en France représente environ 12% de la production électrique totale, avec une puissance installée de plus de 25 GW. Cette technologie mature et flexible joue un rôle essentiel dans l'équilibrage du réseau électrique et la transition vers un mix énergétique plus durable.
Les différents systèmes de production d’électricité par l’eau
La production d'électricité à partir de l'eau repose sur différents systèmes exploitant les propriétés de cette ressource naturelle. Bien que l'hydroélectricité soit la plus connue, d'autres technologies comme la géothermie et les systèmes houlomoteurs contribuent également à la génération d'énergie électrique. Examinons en détail ces différentes méthodes, leur fonctionnement et leur importance dans le mix énergétique français.
L'hydroélectricité : pilier de la production électrique renouvelable
L'hydroélectricité représente la principale source d'électricité renouvelable en France. Elle repose sur l'exploitation de l'énergie potentielle et cinétique de l'eau pour actionner des turbines couplées à des alternateurs. On distingue plusieurs types d'installations :
- Les centrales de lac, utilisant des barrages pour créer des réservoirs
- Les centrales au fil de l'eau, exploitant le courant naturel des rivières
- Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), permettant le stockage d'énergie
La puissance installée totale en France s'élève à environ 25,7 GW, dont 18,2 GW pour les centrales de lac et au fil de l'eau, et 7,5 GW pour les STEP. La production annuelle moyenne atteint 60 TWh, soit environ 12% de la production électrique nationale.
La géothermie : l'énergie des profondeurs
La géothermie exploite la chaleur du sous-sol pour produire de l'électricité. En France, son utilisation reste limitée en raison des conditions géologiques. On distingue :
La géothermie haute température (>150°C)
Utilisée pour la production d'électricité, elle n'est exploitée qu'en Guadeloupe, avec une centrale d'une puissance de 15 MW produisant environ 90 GWh par an.
La géothermie basse et moyenne température (<150°C)
Principalement utilisée pour le chauffage urbain, elle peut aussi produire de l'électricité via des cycles binaires. La centrale de Soultz-sous-Forêts en Alsace, d'une puissance de 1,7 MW, est un exemple de cette technologie.
Les systèmes houlomoteurs : l'énergie des vagues
Les technologies houlomotrices, encore au stade expérimental en France, visent à exploiter l'énergie des vagues pour produire de l'électricité. Plusieurs concepts sont à l'étude :
- Les systèmes à colonne d'eau oscillante
- Les bouées houlomotrices
- Les systèmes à déferlement
Bien que prometteurs, ces systèmes n'ont pas encore atteint le stade de déploiement commercial en France. Des projets pilotes sont en cours, notamment au large de la Bretagne, avec des puissances installées de l'ordre de quelques centaines de kilowatts.
Comparaison des différents systèmes
Système |
Puissance installée en France |
Production annuelle moyenne |
Maturité technologique |
Hydroélectricité |
25,7 GW |
60 TWh |
Mature |
Géothermie |
16,7 MW |
90 GWh |
Mature (haute température) / En développement (moyenne température) |
Houlomoteur |
<1 MW |
Négligeable |
Expérimental |
L'hydroélectricité demeure la technologie dominante pour la production d'électricité à partir de l'eau en France, tant en termes de puissance installée que de production annuelle. La géothermie, bien que mature, reste limitée par les conditions géologiques. Les systèmes houlomoteurs, encore au stade expérimental, présentent un potentiel intéressant pour l'avenir, notamment pour les régions côtières.
Les chiffres de l’hydroélectricité en France
L'hydroélectricité occupe une place prépondérante dans le paysage énergétique français, représentant la deuxième source de production électrique du pays après le nucléaire. Son importance stratégique ne cesse de croître dans le contexte de la transition énergétique et des objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre.
La capacité installée et la production annuelle
Au 25 septembre 2024, la France dispose d'une capacité installée de 25,7 GW d'hydroélectricité, ce qui la positionne comme le deuxième parc hydroélectrique européen, derrière la Norvège. Cette puissance représente 18,5% de la capacité totale de production électrique du pays. En termes de production annuelle, l'hydroélectricité génère en moyenne 60 TWh par an, soit environ 12% de la production électrique française totale.
Répartition de la production hydroélectrique
La production hydroélectrique se répartit comme suit :
- Centrales de lac : 50% de la production
- Centrales au fil de l'eau : 40% de la production
- Stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) : 10% de la production
L'hydroélectricité dans le mix énergétique renouvelable
L'énergie hydraulique constitue la première source d'électricité renouvelable en France. Elle représente 72% de l'énergie renouvelable produite dans l'Hexagone, loin devant l'éolien et le solaire. Cette prédominance s'explique par la maturité de la technologie et l'importante infrastructure existante, avec plus de 2 300 centrales hydroélectriques réparties sur environ 250 000 km de rivières.
Le rôle d'EDF dans la production hydroélectrique
EDF, le fournisseur historique d'électricité, demeure le premier producteur hydraulique en France. L'entreprise exploite environ 400 des 600 barrages français, ce qui représente une part de marché d'environ 80% de la production hydroélectrique nationale. Cette position dominante confère à EDF un rôle central dans la gestion et le développement de cette filière énergétique.
Perspectives et objectifs pour 2050
Dans le cadre de la Programmation Pluriannuelle de l'Énergie (PPE), la France s'est fixé des objectifs ambitieux pour développer l'hydroélectricité. D'ici 2050, le pays vise à augmenter sa capacité installée de 1,5 GW, principalement par l'optimisation et la modernisation des installations existantes. Cette augmentation permettrait d'atteindre une production annuelle supplémentaire de 3 à 4 TWh, contribuant ainsi à l'objectif global de 40% d'électricité d'origine renouvelable dans le mix énergétique français à l'horizon 2030.
Comparaisons régionales
La production hydroélectrique en France n'est pas uniformément répartie sur le territoire. Les régions montagneuses, notamment les Alpes et les Pyrénées, concentrent la majorité de la capacité installée :
Région |
Capacité installée (MW) |
Part de la production nationale |
Auvergne-Rhône-Alpes |
10 700 |
42% |
Occitanie |
5 300 |
21% |
Provence-Alpes-Côte d'Azur |
3 200 |
12% |
Autres régions |
6 500 |
25% |
Ces chiffres soulignent l'importance de l'hydroélectricité dans le mix énergétique français et son potentiel de développement futur, tout en mettant en lumière les défis liés à la répartition géographique des ressources hydrauliques.
Les enjeux futurs de l’énergie hydraulique
L'énergie hydraulique, première source d'électricité renouvelable en France, fait face à de nombreux défis et opportunités dans un contexte de transition énergétique et de changements climatiques. Son développement futur nécessite une analyse approfondie des enjeux environnementaux, économiques et technologiques.
Impact des changements climatiques sur la ressource en eau
Les modifications du régime des précipitations et l'augmentation des périodes de sécheresse liées au réchauffement climatique affectent directement la disponibilité de la ressource hydraulique. Selon les projections de Météo-France, les débits moyens annuels des cours d'eau pourraient diminuer de 10 à 40% d'ici 2050 sur une grande partie du territoire. Cette baisse de la ressource impactera la production hydroélectrique, avec des variations saisonnières plus marquées.
Pour s'adapter, les gestionnaires de barrages devront optimiser la gestion des stocks d'eau et moderniser les installations pour améliorer leurs rendements. L'équipement de seuils existants et le développement de la petite hydroélectricité permettront également de compenser partiellement ces baisses de production.
Investissements nécessaires et rentabilité
Le développement de l'hydroélectricité nécessite des investissements conséquents, notamment pour la construction de nouveaux ouvrages et la rénovation des installations existantes. D'après les estimations de la Programmation Pluriannuelle de l'Énergie, les investissements dans la filière hydraulique devraient atteindre 2 à 3 milliards d'euros par an jusqu'en 2028.
La rentabilité de ces projets dépend fortement des mécanismes de soutien mis en place par les pouvoirs publics. Le complément de rémunération pour les installations de moins de 1 MW et les appels d'offres pour les plus grandes permettent de sécuriser les revenus sur le long terme. Cependant, l'évolution des prix de marché de l'électricité et la concurrence des autres énergies renouvelables constituent des facteurs d'incertitude.
Rôle dans la transition énergétique
L'hydroélectricité joue un rôle majeur dans l'équilibrage du réseau électrique et l'intégration des énergies renouvelables intermittentes. Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) offrent des capacités de stockage indispensables à la flexibilité du système. La Programmation Pluriannuelle de l'Énergie prévoit ainsi le développement de 1,5 GW de capacités de STEP supplémentaires d'ici 2028.
Par ailleurs, la modernisation du parc existant et l'équipement de nouveaux sites permettront d'augmenter la production annuelle de 3 à 4 TWh à l'horizon 2028. Cette production supplémentaire contribuera à l'atteinte des objectifs de 40% d'électricité renouvelable en 2030.
Limitations environnementales et acceptabilité sociale
Le développement de nouveaux projets hydroélectriques se heurte à des contraintes environnementales croissantes, notamment la préservation de la continuité écologique des cours d'eau. La mise en conformité des ouvrages existants avec les exigences de la directive cadre sur l'eau représente un coût important pour les exploitants.
L'acceptabilité sociale constitue également un frein majeur, en particulier pour les grands projets de barrages. Les conflits d'usage de l'eau et l'impact paysager des ouvrages suscitent souvent une opposition locale. Le développement de la petite hydroélectricité et la réhabilitation de sites existants apparaissent comme des solutions de compromis.
Innovations technologiques
Les avancées technologiques ouvrent de nouvelles perspectives pour surmonter certaines limitations. Les turbines ichtyocompatibles permettent de réduire l'impact sur la faune aquatique. Les systèmes de monitoring en temps réel et l'intelligence artificielle optimisent la gestion des ouvrages. Le développement de l'hydroélectricité marine (hydrolienne, énergie houlomotrice) offre également un potentiel important à long terme.
Ces innovations nécessitent cependant des efforts de recherche et développement soutenus. Le programme d'investissements d'avenir prévoit ainsi 50 millions d'euros de financement public pour la filière hydraulique sur la période 2021-2025.