L'HYDROELECTRICITE EN SUISSE ROMANDE

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Sommaire

Au fil des visites des différents barrages et les infrastructures qui y sont liées, La Torpille a pu s’apercevoir que l’aventure de l’hydroélectricité est passionnante. Cette page essaie d’en donner un résumé.  La Torpille n’ayant pas la science infuse, les informations présentées ici sont celles trouvées sur Internet et dont les sources sont indiquées en bas de page mais aussi des informations glanées au cours des visites. Si vous avez des précisions à apporter à cet article, des anecdotes ou toutes autres remarques, n’hésitez pas à nous contacter.

AVANT-PROPOS


Le but

Le but de cet article est de présenter les différents aspects de l’hydroélectricité, c’est-à-dire la production d’électricité avec la force de l’eau, dans le cadre régionale de la Suisse Romande sans oublier des focus internationaux.

L’électricité

L’électricité,  vecteur d’énergie, a révolutionné le mode de fonctionnement des machines depuis le début des années 1900, il fait maintenant complètement partie de notre quotidien et il n’est plus pensable de s’en passer. L’électricité peut être produite par de nombreuses sources d’énergie comme par exemple le solaire, l’éolien, l’hydraulique ou le nucléaire. Actuellement, la grande majorité de l’électricité  en Suisse est produite par le nucléaire (38%) et l’hydraulique (57%), tandis qu’au niveau mondiale, Il s’agit nettement des énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon). Le solaire (1.2% en Suisse) et l’éolien (0.1% en Suisse) sont prometteurs mais restent pour le moment loin derrière en terme de production d’électricité.

La plus grande ferme éolienne du monde à Gansu en Chine. Sa puissance totale devrait atteindre 20 GW en 2020 (Grande Dixence 2 GW). Photo Flickr Tim Zachernuk.
Une ferme solaire en Ukraine. Photo Flickr « Activ Solar ».
La plus grande ferme éolienne du monde à Gansu en Chine - Hydroelectricité en Suisse Romande Une ferme solaire en Ukraine - Hydroelectricité en Suisse Romande

Les barrages

Dans le cas des barrages, nous avons bien entendu affaire à l’hydroélectricité où l’électricité est produite grâce à la force de l’eau qui actionne une turbine (voir plus bas les types de turbines). C’est une des techniques les plus anciennes pour produire de l’électricité à grande échelle.  Plus le débit et la vitesse de l’eau sont élevés, plus la force ou la quantité d’eau sur la turbine seront grandes et donc meilleur sera la production d’électricité. Pour augmenter la vitesse, il faut la plus grande différence de hauteur entre une retenue et la turbine, c’est là qu’intervient le barrage qui retient le maximum d’eau le plus haut possible en altitude. Le débit maximale est obtenu en turbinant l’eau d’un fleuve (au fil de l’eau), dans ce cas la vitesse sera faible mais on profitera du haut débit.

En Suisse, les centrales hydrauliques sont, soit au fil de d’eau, soit à accumulation (barrages), soit de pompage-turbinage. Les centrales au fil de l’eau et à accumulation produisent la même quantité d’électricité annuellement en Suisse (chacune 17’000 GWh) mais les centrales à accumulation ont une puissance largement supérieur à celles au fil de l’eau, 8000 MW contre 3500 MW. En effet les centrales à accumulation fonctionnent de manière moins constantes et plutôt au moment des pics de consommation. Les centrales à pompage-turbinage (voir plus bas) produisent 1300 GWh/an pour une puissance de 1500 MW sont amenées à se développer. Les chiffres précités sont fournis par l’Office Fédéral de l’énergie Suisse (OFEN) qui est en charge de la surveillance des barrages en Suisse et concernent les centrales de plus de 0.3 MW. Il est à noter que les plus petites installations peuvent avoir leur utilité comme en turbinant « gratuitement » le surplus de pression d’une installation d’approvisionnement d’eau potable.

Les sites suivants sont intéressants pour obtenir plus d’informations:

Quel sont les avantages de l’hydroélectricité?

L’hydroélectricité est souvent considérée comme de l’énergie « verte », c’est-à-dire que sa source d’énergie, l’eau, est recyclable et n’émet pas de rejets nocifs comme du CO2 (charbon) ou des déchets radioactifs (nucléaire). Le solaire et l’éolien sont aussi considéré comme « vert » mais présentent le désavantage d’être liés aux conditions météorologiques. Il serait toutefois faux de dire que l’hydroélectricité n’émet pas de gaz à effet de serre car les retenues des barrages contiennent des micro-organismes qui décomposent les substances organiques et produisent du C02 et du méthane. Un paragraphe traite de cet aspect plus bas.

Un autre avantage peu connu de l’électricité produite avec l’eau d’un barrage est la possibilité de fortement moduler son injection dans le réseau en fonction des besoins et en particulier au moment des pics de consommation, ce qui est particulièrement utile car l’électricité n’est toujours pas stockable en grande quantité de nos jours. La fameuse centrale du Bieudron près de Sion en Valais permet de mobiliser sa puissance de 1200 MW de l’arrêt à la pleine puissance en moins de 3 minutes pour produire l’énergie de pointe. Une centrale nucléaire ou une centrale au fil de l’eau auront vocation, elles, à produire l’électricité de manière constante assurant le « bruit de fond » de la consommation ou énergie en ruban.

Quel sont les inconvénients de l’hydroélectricité?

Les inconvénients de l’hydroélectricité sont principalement ses répercussions sur l’environnement. Un barrage, en particulier au niveau d’une rivière ou d’un fleuve, appauvrira la biodiversité par exemple en coupant la circulation d’eau pour les poissons. Les barrages en haute montagne assèchent les ruisseaux perturbant l’écosystème. La construction d’un barrage peut affecter la population en la forçant à se déplacer et provoquer des glissement de terrains sur les zones nouvellement inondées.

Heureusement, en Suisse, les barrages sont majoritairement construits hors des zones d’habitation et affectent raisonnablement l’environnement même si les barrages sur la Sarine à Schieffenen et Rossens perturbent sensiblement l’écosystème. En effet, Schieffenen et Rossens, en plus d’avoir engloutis des terres agricoles et forcés des personnes à quitter leur village, coupent la circulation des poissons ce qui n’est pas le cas de Mauvoisin et la Grande Dixence.

Pour l’anecdote, des saumons de l’atlantique remontaient le Rhin, l’Aar puis la Sarine pour se reproduire en Gruyère jusqu’à la fin du 19e siècle. Ceci n’est plus le cas pour plusieurs raisons:

  • Les barrages et obstacles au fil de l’eau bloquent la circulation.
  • les lacs artificiels empêchant l’orientation des poissons car il n’y a plus de courant d’eau.
  • la destruction de l’habitat et la dégradation de la qualité de l’eau

Toutefois en 2013, grâce aux efforts en Allemagne, des saumons ont été repérés à Rheinfelden dans le Rhin près de Bâle montrant leur réapparition en Suisse depuis 1950 de ce poisson indicateur de la bonne santé d’une rivière. Malgré tout, le retour du saumon en Gruyère est problématique et car il suppose le franchissement de deux barrages (Schieffenen et Rossens) de près de 80 mètres de hauteur.

Considérations écologiques

Dans d’autres pays, les considérations écologiques ne sont encore que peu pris en compte comme pour le barrage de tous les superlatifs, le barrage des Trois-Gorges en Chine, qui a forcé un million et demi de personnes à se déplacer et englouti une quantité considérable de terres arables. Des espèces ont même disparu comme une espèce de dauphin de rivière. Une augmentation sensible du nombre de petits tremblements de terre a été observé depuis la mise en eau du barrage et pire encore certains pensent que le tremblement de terre du 12 mai 2008 causant 87’000 victimes a été provoqué par la masse du barrage appuyant sur une faille sismique. D’ailleurs, cette masse est telle, environ 50 milliards de tonnes, qu’elle a modifié la répartition de la masse de la Terre par rapport à son axe de rotation et a allongé la durée de rotation de 0.06 microsecondes.

La circulation des bateaux

Les barrages sur les fleuves ont également l’inconvénient de gêner la circulation des bateaux. Pour pallier au problème, des écluses sont mises en place pour permettre de franchir l’obstacle. Au niveau du barrage des Trois-Gorges (encore lui!), la différence de hauteur est tellement grande (plus de 100 m) que des « monstrueux » ascenseurs à bateaux sont en service plutôt que des écluses. Ils soulèvent les bateaux ainsi que l’eau qui leur permettent de flotter.

Les barrages de Schieffenen et de Moiry.
Le barrage de Schiffenen - Hydroélectricité en Suisse Romande barrage de Moiry - hydroélectricité en suisse romande

Le barrage d’Itaipu

En ce qui concerne le barrage d’Itaipu à la frontière entre le Brésil et le Paraguay, sa mise en eau a fait disparaître une merveille de la nature, la Cascade des Sept Chutes. Elle est jusqu’en 1982, date de sa disparition, la plus importante chute d’eau du monde en terme de débit d’eau à plus de 10’000 m3/s. A titre de comparaison, les chutes du Rhin ont un début moyen d’environ 350 m3/s. La Cascade des Sept Chutes est même irrémédiablement détruite par le régime militaire brésilien autrefois au pouvoir par le dynamitage de ses parties qui restaient en dessus de l’eau pour faciliter la navigation sur la retenue créé par le barrage.  L’infrastructure électrique liée à ce barrage est la deuxième la plus puissante de monde nettement derrière celle des Trois-Gorges mais le courant annuel produit est équivalent entre les 2 infrastructures à environ 100 TWh.

 Le barrage d’Itaipu. Photo Flickr Myben.be et Wikimedia.org.
 Le barrage d'itaipu - Hydroélectricité en Suisse Romande Le barrage d'itaipu - Hydroélectricité en Suisse Romande

Le barrage d’Assouan

Le cas du monstrueux barrage d’Assouan sur le Nil est intéressant. Cet immense barrage de type poids est construit pour produire de l’énergie mais aussi pour prévenir les inondations et atténuer les sécheresses. Ses dimensions sont impressionnantes avec un volume de 42 millions de m3 de terre et d’enrochements, une longueur de couronnement de 3800 m, une largeur en base de barrage de près d’un kilomètre et une retenue d’eau de 169 milliards de m3. Tous ces chiffres sont largement supérieurs à ceux du barrages des Trois-Gorges mais en même temps le barrage d’Assouan produit très nettement moins d’électricité, sa puissance (2 GW) et sa production électrique annuelle (8 TWh) sont 10x inférieurs à celles des Trois-Gorges.

Malheureusement les conséquences négatives sur l’environnement de ce barrage construit en pleine Guerre Froide avec l’aide de l’Union Soviétique sont nombreuses. En plus de l’engloutissement de monuments historiques ou du reflux plus important d’eau salée sur le Nil, le cas le plus intéressant est la rétention par le barrage du limon fertilisant permettant la croissance des cultures de la plaine du Nil depuis des millénaires.  Ceci a pour conséquence l’emploi d’engrais par les agriculteurs. Autre phénomène causé par le barrage, la modification des courants au niveau du canal de Suez augmentant l’intrusion de la faune de la mer Rouge, souvent intrusive, dans celle de la Méditerranée. Certains experts remettent en cause l’utilité de ce barrage (et même celle des grands barrages de manière générale) estimant que les inconvénients sont supérieurs aux avantages qu’il apporte.

Le côté aval du barrage D’Assouan en plein désert. Photo Flickr J. Griffin Stewart.
Le barrage d'Assouan - Hydroélectricité en Suisse Romande

Le dégagement de méthane

Enfin un dernier inconvénient peu connu est le dégagement de gaz méthane, un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant que le CO2, par les lacs de retenue. Le matériel organique dans l’eau est décomposé dans les couches pauvres en oxygène par des bactéries qui le transforme en méthane et CO2. Le dégagement de méthane dépend de plusieurs facteurs comme la quantité de matière organique, la température de l’eau ou la profondeur de la retenue. Les chiffres des émissions réelles de méthane provenant des barrages sont encore peu clairs et sujettes à discussions mais il semblerait que les barrages alpins ne soient que peu concernés par ces émissions contrairement à ceux situés au niveau des tropiques ou de l’équateur à basse altitude. Certains chiffres indiquent que les barrages dans ces dernières régions émettraient jusqu’à près de 20% du méthane lié aux activités humaines, ce qui voudrait dire que les barrages ne sont pas aussi « propres » que souvent décris tandis que d’autres études tendent vers des valeurs opposées avec des chiffres plus symbolique par rapport au dégagement de méthane.

LES TYPES D’ÉNERGIE


L’énergie dans le barrage est stockée sous forme d’énergie potentielle.  Lorsqu’elle s’écoule du barrage sous forme d’eau dans la conduite forcée, elle prend de la vitesse et se transforme en énergie cinétique. Une turbine converti l’énergie cinétique en énergie mécanique puis cette dernière est à son tour transformée en énergie électrique par un alternateur qui fonctionne en sens inverse de la turbine. L’électricité part dans les lignes à haute tension à l’aide d’un transformateur.

Le problème de l’électricité est qu’elle ne peut pas être directement stockée en grande quantité malgré des dizaines d’années de recherche. C’est là où vient l’avantage du barrage qui stock cette électricité indirectement avec l’accumulation de l’eau sous forme d’énergie potentielle. Une station de pompage-turbinage, comme celle du Nant de Drance au barrage d’Emosson, permet de turbiner l’eau en période de haute consommation et donc produire de l’électricité et au contraire, en période de basse consommation, de la stocker en la pompant entre deux retenues d’eau d’altitude différentes.  Dans le cas du Nant de Drance, l’eau est remontée du barrage d’Emosson au barrage du Vieux-Emosson 300 mètres plus haut. Le pompage-turbinage permet donc de transformer l’électricité en énergie potentiel, le rendement est de l’ordre de 80%, ce qui veux dire que pour 100 unités d’énergie utilisée pour remonter l’eau, 80 seront produites. A noter que le prix de l’énergie utilisé pour remonter l’eau est souvent bien moindre que celui que l’on pourra vendre avec la turbine car on veillera à produire l’électricité lorsque la demande est forte.

Nikola Tesla (1856-1943). Né en Croatie faisant partie à l’époque de l’Empire d’Autriche, il émigre aux Etats-Unis et met au point les premiers alternateurs permettant la production d’électricité à courant alternatif.
Nikola Tesla (1856-1943). Né en Croatie faisant partie à l'époque de l'Empire d'Autriche, il émigre aux Etats-Unis et met au point les premiers alternateurs permettant la production d'électricité à courant alternatif.

En résumé

Barrage = Énergie Potentielle → Conduite Forcée = Énergie cinétique → Turbine = Énergie mécanique → Alternateur = Électricité

LES BARRAGES


La Suisse reine des barrages

La Suisse possède un grand nombre de barrages principalement localisés dans les Alpes et surtout le canton du Valais. Le roi des barrages est celui de la Grande-Dixence en raison de sa hauteur (285 m) et la quantité phénoménale de béton qui le compose. Il est resté longtemps le plus haut du monde avant d’être surpassé par 3 autres barrages. En 2018, un barrage Chinois, le barrage de Jinping I avec ses 305 m est le plus haut du monde. Le barrage produisant le plus d’électricité est celui des Trois-Gorges comme indiqué précédemment.

Le barrage de la Grande Dixence.
Barrage de la grande Dixence

L’usage du béton

L’usage du béton permet aux barrages de s’élever dès la fin du 19e siècle avec, en 1872, le premier barrage en béton d’Europe à Pérolles dans le canton de Fribourg. Le barrage Hover (Hover Dam), le long du fleuve Colorado aux États-Unis, est construit dans les années 1930 lors de la Grande Dépression et est le premier grand barrage jamais érigé avec 220 m de hauteur. Il est remarquablement construit en seulement 4 années dans des conditions technologiques et humaines bien plus difficiles de celles que l’on pourrait avoir de nos jours. Il est actuellement toujours en fonction et en même temps une attraction touristique avec 1 million de visiteurs par année.

Le barrage Hover. Photo Flickr Graham McLellan
Le barrage Hover - Hydroélectricité en Suisse Romande

Est-on sûr de la solidité d’un barrage?

De nos jours, la rupture d’un barrage en Suisse est une éventualité quasi nulle en raison des technologies de surveillance et de vérification en vigueur, on pourrait même vider le barrage dès l’apparition de signaux inquiétants comme ce fut le cas pour le barrage de Tseuzier en 1978 qui fut endommagé par des sondages souterrains.

Par le passé, quelques catastrophes ont marqué les esprits. Une catastrophe aux Etats-Unis à la fin du 19e siècle. deux en Europe de l’ouest au début des années 1960 et une en Chine en 1975.

  • Johnston USA 1889
  • Malpasset France 1959
  • Vajont Italie 1963
  • Banqiao Chine 1975

Aux Etats-Unis en 1889, de très fortes pluies font déborder puis détruire complètement le barrage de South Fork en Pennsylvanie sur la côte Est. Ce barrage fait en terre et enrochement avait une hauteur de 22 mètres pour un volume de 18 million s de m3. Cette catastrophe, connue sous le nom de « Johnstown Flood » coûte la vie à 2200 personnes.

En Europe, la première catastrophe (1959 – 423 morts) est la rupture du barrage de Malpasset en France libérant 50 millions de m3 d’eau en raison de fortes crues et de multiple défaillance de conception comme un défaut d’ancrage dans la roche. La deuxième (1963 – 1900 morts), au barrage de Vajont en Italie près de Venise, n’est pas dû à la rupture du barrage mais à un énorme glissement de terrain dans la retenue du barrage qui provoqua le débordement de 25 millions de m3 d’eau. Heureusement, le barrage reste intact après la catastrophe mais il est désaffecté par la suite. Le danger en cas de débordement d’un lac de retenue est l’érosion des fondations du barrage par la force de l’eau qui peut rapidement provoquer la rupture du barrage.

Les restes du barrage de Malpasset et le barrage de Vajont haut de 261 m, le plus haut d’Italie. Photos Flickr Philpp Clifford (Malpasset) et BestKevin (Vajont).
Le barrage de Malpasset - Hydroélectricité en Suisse Romande Le barrage de Vajont en Italie - Hydroélectricité en Suisse Romande

La rupture d’un barrage ayant coûté le plus de vies survient en 1975 en Chine avec l’éclatement du barrage de Banqiao causant la mort d’environ 25’ooo personnes directement et certainement plus de 100’000 suite aux épidémies et famines qui suivirent et qui touchèrent plus de 10 millions d’habitants. Cette catastrophe fut longtemps cachée par le pouvoir chinois.

Au niveau du Valais, la menace pourrait venir d’un séisme qui provoquerait la rupture d’un barrage. Des estimations ont fait état que la rupture de la Grande Dixence provoquerait une vague de 37 mètres de hauteur à Sion, 2.5 mètres à Martigny et encore 2 m à Villeneuve 6 heures après.

Quand faut-il visiter un barrage?

Les barrages valaisans doivent être visités en été ou au début de l’automne car ils sont, pour la plupart, inaccessibles en hiver en raison de l’absence de déneigement de la route d’accès ou le risque d’avalanche. Ceci est particulièrement le cas pour les trois plus hauts barrages valaisans que sont les barrages de la Grande-Dixence, Mauvoisin et Tseuzier. Le mois de septembre est en moyenne le mois où les retenues sont remplies au maximum tandis que cela est le contraire le mois d’avril où la retenue peut être remplie qu’à 10% de sa capacité. Encore au printemps l’accès n’est pas forcément idéal en raison de la neige toujours présente et de la retenue d’eau pratiquement vide. Les barrages en plaine comme ceux de Rossens ou Schieffenen ont un volume de remplissage qui varie beaucoup moins et sont bien entendu accessible toute l’année. Les barrages produisent principalement de l’électricité en hiver et au début du printemps tandis qu’ils se remplissent en eau le reste de l’année.

Le barrage de Tseuzier quasiment vide début avril et celui de Mauvoisin rempli mi-septembre.
Le barrage de Tseuzier ou Zeuzier - Hydroélectricité en Suisse Romande Le barrage de Mauvoisin - Hydroélectricité en Suisse Romande

Pression exercée par l’eau

Dans le cadre d’un complexe hydroélectrique, la pression exercée par al’eau doit être évaluée avec précision.  Nous allons ici calculer la pression qui s’exerce au fond d’un barrage et expliquer le mode opératoire du coup du bélier.

Quelle est la pression exercée au fond du Lac des Dix, le barrage de la Grande-Dixence?

La formule simplifiée est la suivante: p=\rho gh qui est la pression exercée sur un point du barrage. \rho  (prononcé rho) est la masse volumique, 1000 kg/m3 pour l’eau. g est la pesanteur, 9.81 m/s2 et h la hauteur de l’eau en dessus du point de pression choisit. Prenons une hauteur d’eau de 227 m si le barrage est complètement rempli et nous avons donc un pression de  1000 x 9.81 x 227 = 2’268’700 kg/s2*m. Cette unité est égale au Pascal ou N/m2. En résumé, la force exercée sur le barrage augmente avec la hauteur d’eau, ceci explique pourquoi l’épaisseur d’un barrage est plus important à sa base qu’à son couronnement. Ceci est particulièrement frappant sur un barrage poids comme celui de la Grande Dixence où l’épaisseur varie de 200 m (!) à la base pour une quinzaine de mètres au sommet. A noter que la force exercée sur le barrage ne dépend pas de la quantité d’eau de la retenue.

Le coup du bélier

Le coup du bélier est un phénomène d’augmentation de la pression qui se produit suite à l’arrêt brutal de la vitesse d’un liquide qui se produit lors de la fermeture brusque d’un robinet ou d’une vanne.  Dans le cas d’un barrage, ce phénomène peut provoquer la rupture de la conduite forcée ou des infrastructures de la centrale électrique en aval. Pour pallier à ce problème, on crée une chambre d’équilibre qui est un puits vertical connecté à la conduite et qui pour a but d’absorber le surplus de pression généré par le coup du bélier. La chambre d’équilibre est généralement positionnée entre la galerie d’amenée qui part du barrage en pente douce et le puits blindé qui se dirige vers la centrale en forte pente.

Est-ce qu’un barrage en béton est éternel?

Non aucune structure n’est éternelle. Dans ce cas, il n’y a pas assez de recul pour donner un temps de vie puisque les premiers barrages en béton d’importance ont été construit dès la fin des années 50. Même s’ils résistent remarquablement bien,  un problème de gonflement du béton appelé « réaction alcali-granulat » inconnu à l’époque touche les barrages à des degrés divers. Pour expliquer simplement cette réaction, On peut dire que le béton est constitué d’un mélange de sable, petits cailloux, ciment et de l’eau dans des proportions bien précises qui durcit un certain temps après ce mélange. Dans l’agglomérat ainsi constitué, de petits espaces sont constitués d’eau et d’air au pH élevé qui vont interagir avec la silice constituant le sable et les petit cailloux du béton en augmentant la pression provoquant un gonflement puis un fissurement de la structure. Ceci provoque une altération des propriétés mécanique du béton.
La barrage de Salanfe dans le Valais a été particulièrement affecté par ce problème si bien que des travaux ont du être effectué en 2013. Ceux-ci servent uniquement à retarder la propagation des gonflements irréversible du béton qui a été incisé verticalement sur 1 centimètre de largeur à la scie. Les incisions se referment petit à petit.
A gauche, travaux sur le barrage de Salanfe afin de lutter contre le gonflement du béton. Image Flickr Alpiq. A droite, les marques blanches laissées par les travaux.
Le barrage de Salanfe - Hydroélectricité en Suisse Romande Le barrage de Salanfe - Hydroélectricité en Suisse Romande

Le Viaduc de la Sixième Avenue (Sixth Street Viaduc) à Los Angeles construit en 1932 est démoli en 2016 en raison de réactions alcali-granulat particulièrement importantes fragilisant sa structure dans une région sismique sensible.

Une structure du viaduc de la 6e Avenue dégradée par le phénomène de la réaction alcali-granulat. Image Flikr
Viaduc de la 6e avenue à Los Angeles dégradé par le cancer du béton - Hydroélectricité en Suisse Romande

Quelques particularités d’autres barrages en Suisse et dans le monde

En Europe

Le barrage de Vajont (261 m) est le plus haut d’Italie, celui de Tigne (160 m), le plus haut de France et celui du Lac Oroville (231 m) est le plus haut des Etats-Unis. Ce dernier subit un grave problème en février 2017. Suite à de fortes pluies, les déversoirs sont utilisés pour éviter un débordement ce qui provoque leurs endommagements par érosion. Le barrage n’est pas menacé mais l’eau risque de provoquer la rupture d’un des déversoirs endommagés provoquant une vague de près de 10 m. La situation revient à la normale quelques jours après.

En Suisse

Le dernier barrage construit en Suisse est le barrage de Linthal. Il est construit en 2014 dans le canton de Glaris et est le plus long de Suisse avec un couronnement d’un kilomètre de long et le plus haut en altitude en Suisse mais aussi en Europe à 2500 m. Il fait partie de la centrale de pompage-turbinage de Linthal qui remonte l’eau du lac de Limmern 630 m plus bas.

Dans le monde

Le barrage des Trois-Gorges possède l’infrastructure hydroélectrique la plus puissante au monde mais n’est pas le plus gros barrage du monde, il s’agit dans ce cas du barrage de Tarbella au Pakistan. Ce dernier est constitué principalement de terre et d’enrochement contrairement au béton des Trois-Gorges. Le barrage de Kariba sur le Zambèse en Afrique, possède lui, le plus grand volume d’eau avec 180 milliards de m3 soit 4x plus que les Trois-Gorges.

Les barrages des Trois-Gorges, Kariba et Tarbella. Photos Wikimedia.org.
Le barrage des trois gorges en Chine - Hydroélectricité en Suisse Romande Le barrage de Kariba - Hydroélectricité en Suisse Romande Le barrage de Tarbella - Hydroélectricité en Suisse Romande

Le projet Atlantropa

Le projet Atlantropa est l’un des projets de construction les plus colossaux jamais imaginé. Il s’agit d’un barrage gigantesque d’une longueur de 35 kilomètres dessiné par l’ingénieur allemand Herman Sörgel en 1928 au niveau du détroit de Gibraltar qui sépare l’océan atlantique et la mer Méditerranée. Le barrage aurait réduit l’apport d’eau dans la Méditerranée et ainsi créé une différence de niveau permettant à des usines souterraines de produire d’immense quantité d’électricité. Il était prévu que le niveau d’eau diminue de près d’un mètre par année jusqu’à 100 mètres pour la partie de mer entre la Sicile et Gibraltar et 200 mètres entre la Sicile et la partie orientale. Les 2 parties de mer étant séparé par un barrage entre la Sicile et l’Afrique. Un autre barrage devait être construit au niveau des Dardanelles pour séparer la mer Noire de la mer Méditerranée. De nouvelles terres seraient sorties de l’eau permettant, selon Sörgel, de disposer de zones cultivables et habitables supplémentaires. Par exemple, la mer Adriatique aurait presque disparue.

Le projet n’est malheureusement pas tenable au niveau écologique qui ne faisait pas partie des considérations au début du 20e siècle. Par exemple, la baisse du niveau de la mer Méditerranée aurait bien découvert de nouvelles terres mais elles auraient été difficilement cultivable en raison de la salinité du sol. La concentration en sel de l’eau aurait augmenté causant des perturbations sur la faune et la flore aquatiques. D’autres problèmes seraient survenus comme l’accès aux villes côtières qui n’auraient plus disposés d’un port. Plus globalement, la baisse du niveau d’eau aurait eu des répercussions sur le climat autour de la Méditerranée.

Une exposition itinérante présentait le projet Atlantropa à la population dans les années 1930 principalement en Allemagne. Sörgel est invité notamment aux expositions universelles de Barcelone en 1929 et New-York en 1939. Il continue même d’en assurer la promotion après la 2e guerre mondiale et meurt renversé par une voiture en allant à l’une de ses propres réunions.

Le barrage au niveau du détroit de Gibraltar. Sa longueur est de 35 km soit bien plus que les 14.4 km de largeur du détroit pour contourner au maximum certaines grandes profondeurs.
Le projet Atlantropa - Hydroélectricité en Suisse Romande

LES TYPES DE BARRAGES


Les types de barrage en Suisse sont les suivants:

  • Voûte
  • Poids
  • Poids à Contrefort
  • Remblais

Voûte

Exemple: Barrages de Mauvoisin, Emosson, Tseuzier, Hongrin, Moiry, Toules, Rossens, Schiffenen et Montsalvens. Plus haut de Suisse: Mauvoisin, 250 m.
Ce type de barrage élégant permet de faire reposer une partie de la pression de l’eau sur les parois rocheuses. Il est moins consommateur en béton et nécessite une distance relativement faible entre les parois.
Certains barrages comme celui du Hongrin ont une double voûte, les 2 voûtes sont séparées par une ancrage rocheux. Ce barrage est visible depuis les Rochers de Naye au niveau du Jardin Alpin La Rambertia.

Les barrages de Montsalvens et Moiry.
Le barrage de Montsalvens en Suisse vue d'avion - Hydroélectricité en Suisse Romande Le barrage de Moiry en Suisse vue d'avion - Hydroélectricité en Suisse Romande

La  magnifique double voûte du barrage du Hongrin. C’est une des seules structures de ce type au monde.
Le barrage de l'hongrin avec sa double voute - Hydroélectricité en Suisse Romande

Poids

Exemple: Barrages de la Grande-Dixence et Salanfe. Plus haut de Suisse, Grande-Dixence, 285 m.
Le barrage supporte seul le poids du barrage, de forme triangulaire en coupe perpendiculaire à la couronne du barrage. Il nécessite une grande quantité de béton.

Vue d’avion du barrage de Salanfe.
Le barrage de Salanfe de type poids vue d'avion - Hydroélectricité en Suisse Romande

Poids à Contreforts

Peu utilisé en Suisse, barrage permettant de grandes largeurs en économisant du béton car les contreforts du barrage sont en forme de voûte. Le seul barrage à Contrefort en Suisse est celui de Lucendro dans le Canton du Tessin avec 73 m de hauteur. Le barrage de Cleuson a la particularité d’être de type contreforts malgré son apparence qui fait penser au type poids. Ceci est du au fait que les espaces entre les contreforts sont remplis de béton pour renforcer sa solidité en 1950, non pas pour lutter contre la pression de l’eau, mais pour améliorer sa résistance en cas de bombardement. La fin de la construction a lieu quelques années après la fin de la deuxième guerre mondiale et les images de la destruction de certains barrages pendant la guerre notamment en Allemagne sont encore bien présentes à cette époque.

Le barrage Cruachan en Ecosse avec les arches côté aval. Photo Flickr « Tom Parnell ». Le barrage de Lucendro avec les arches côté amont. Photo Wikimedia.org. Le barrage de Cleuson.
 Le barrage de Cruachan - Hydroélectricité en Suisse Romande Le barrage de Lucendro au Tessin - Hydroélectricité en Suisse Romande Le barrage de Cleuson - Hydroélectricité en Suisse Romande
Le barrage de Möhne près de Dortmund bombardé par la Royal Air Force en 1943 lors de l’opération Chastise. La photo est prise depuis un avion anglais. De nouvelles bombes dites « bombes rebondissantes » doivent être inventées pour détruire les barrages et passer par dessus les filets de protection anti-torpilles. Source Wikimedia Commons
Le barrage de Möhne bombardé en 1943 par la RAF pendant la seconde guerre mondiale - Hydroélectricité en Suisse Romande

Digue ou Remblais

Exemple: Mattmark. Plus haut de Suisse, Göscheneralp, 155 m.
Barrage constitué d’enrochement ou de terre avec un noyau étanche en béton ou argile. Beaucoup plus large et limité en hauteur que les barrages en béton.

Le barrage de Mattmark. Photo Flickr « J Donohoe ».
Le barrage de Mattmark - Hydroélectricité en Suisse Romande

TABLEAU COMPARATIF DES BARRAGES


Parmi tout les barrages de Suisse Romande, les 12 plus hauts ont été visités par La Torpille. Dans le tableau, le barrage des Trois-Gorges en Chine est rajouté à titre comparatif, c’est l’installation qui produit le plus d’énergie au monde toutes énergies confondues.

Voir le positionnement géographique des barrages visités.

BarragesGrande-Dixence petit drapeau du canton du valaisMauvoisin petit drapeau du canton du valaisEmosson petit drapeau du canton du valaisTseuzier petit drapeau du canton du valaisMoiry petit drapeau du canton du valaisHongrin petit drapeau du canton de vaudCleuson petit drapeau du canton du valais
Toules petit drapeau du canton du valaisRossens petit drapeau du canton de fribourgMontsalvens petit drapeau du canton de fribourgSalanfe petit drapeau du canton du valaisSchiffenen petit drapeau du canton de fribourgAubonne petit drapeau du canton de vaudTrois-Gorges (Chine)
Lien vers activitésLienLienLienLienLienLienLienLienLienLienLienLienLien
Photos des barragesbarrage de la grande dixence - hydroélectricité en suisse romandebarrage de mauvoisin - hydroélectricité en suisse romandebarrage d'emosson - hydroélectricité en suisse romandebarrage de Tseuzier - hydroélectricité en suisse romandebarrage de Moiry - hydroélectricité en suisse romandebarrage de l'Hongrin - hydroélectricité en suisse romandebarrage de Cleuson - hydroélectricité en suisse romandebarrage des Toules - hydroélectricité en suisse romandebarrage de Rossens - hydroélectricité en suisse romandebarrage de Montsalvens - hydroélectricité en suisse romandebarrage de Salanfe - hydroélectricité en suisse romandebarrage de Schiffenen - hydroélectricité en suisse romandebarrage d'aubonne - hydroélectricité en suisse romandebarrage des trois gorges - hydroélectricité en suisse romande
Construction [année]1953-19611951-19581967-19731953-19571954-19581966-19711947-19501955-19641944-19481919-19201947-19531961-19641954-19561994-2012
PositionLienLienLienLienLienLienLienLienLienLienLienLien
Type
PoidsVouteVouteVouteVouteDouble VouteContrefortsVouteVouteVoutePoidsVoutePoidsPoids
Date mise en service [année]19611958197519571958197119511964194819201950196419562006-2009
Hauteur
Rang suisse
Rang mondial
285
1er
4e
250
2e
10e
180
5e
73e
156
6e
135e
148
10e
-
123 (Nord) 95 (Sud)
17e
-
87

8683
33e
-
55
50e
-
5247
56e
-
9
-
-
185
N/A
66e
Longueur [m]748520555256610325 (Nord)
272 (Sud)
420460320115616417802335
Epaisseur base [m]19553.245263422?8020.528224014?115
Epaisseur couronne [m]15128773?3.5 à 54.553?57?40
Altitude Couronne [m]236419711931177722501255218718116708021925534561229
Courronnement ouvert aux voituresNonNonNonNonNonNonnonNonOuiOuiNonOuiNonNon
Evacuateur de crue [m3/s]Aucun10760366210014535543012.21000180
Volume réservoir [Mm3]400211227507752202022012.64058.60.063545'300
Superficie réservoir [km2]4.042.083.270.851.31.60.50.609.60.741.854.25?1544
Longueur réservoir [km]5551.32.42.71.41.513.51.71.812.5?600
Volume Béton [1000*m3]6'0002'0001'100300814228 (Nord)
116 (Sud)
40523525026230185627'000
Déformation max [cm]1179762.47.53.2?
Galeries dans barrage [km]32
Bassin versant total [km2]420 (46 bassin versant direct)167 (198 avec bassin après barrage)175 (34 bassin versant direct)18.7MOTTEC
29 barrage moiry
36 barrage Tourtemagne
VISSOIE
87: Navisence à Mottec
19: Torrent du Moulin
NAVISENZE
66: Navisence à Vissoie
TOTAL: 244
90
45 Adductions Est et Ouest
45 Hongrin et Petit-Hongrin
23 (16 bassin versant direct et 7 collecteur eaux du Tortin)78 (110 usine Orsière)95417331
(Salanfe 18, Saufla: 13)
1400841'000'000
Collecteurs [km]100env 13 (7.5 + 5.5)4720.825?00400
Nom du LacLac des DixLac de MauvoisinLac d'EmossonLac de TseuzierLac de MoiryLac du HongrinLac de CleusonLac des ToulesLac de la GruyèreLac de MontsalvensLac de SalanfeLac de Schiffenen?Lac des Trois-Gorges
Distance/Temps Tour du LacPas possible côté est
12km / 7h?
4.7km / 1h10m7.5km / 2h2022.5km / 5h304km / 1h1512.5km / 4h3050km/14h3510km / 2h45m7km / 1h45m?
RivièreDixenceDranse de BagnesBarberineLienneGougraHongrinPrintseDranse d'EntremontSarineJogneSalanfeSarineAubonneYangtze
Rivière résiduel en avalNonNonNonNonNonOuiNonNonOuiOuiNonOuiOuiOui
Nom SociétéGrande Dixence SA ou
Cleuson Dixence
Forces Motrices
de Mauvoisin SA
Electricité Emosson SA / CFFElectricité de la Lienne SAForces Motrices de la Gougra SAForces Motrices Hongrin-Léman SAEnergie de l'Ouest Suisse (EOS)Forces Motrices du Grand-St-BernardGroupe EGroupe ESalanfe SAGroupe ESEFAChina Yangtze Power
VisitableOui 15 francsSur rendez-vous GratuitSur Rendez-Vous 300 FrancsSur réservation
9 francs
NonSur Rendez-VousSur demande, Gratuit?Sur rendez-vous GratuitSur rendez-Vous GratuitSur rendez-vous GratuitN/A
Centrale 1 [MW]CHANDOLINE - 150
Extérieur
FIONNAY - 138
Souterraine
LA BATIAZ
Extérieur - 160
CHAMARIN - 0.9
Extérieur
MOTTEC - 69
Extérieur
VEYTAUX I - 240
Intérieur
PALLAZUIT - 36
Extérieur
PIED DE BARRAGE 2 - 1.7
Extérieur
ELECTROBROC - 25
Extérieur
MIEVILLE - 70 ExtérieurPIED DE BARRAGE 1 - 70
Exterieur
PIED DE BARRAGE - ExtérieurRIVE GAUCHE - 9800
Extérieur
Photousine de chandoline - hydroélectricité en suisse romandeUsine de hydroélectrique de FionnayUsine de hydroélectrique de La BatiazUsine de hydroélectrique de MottecUsine de hydroélectrique de Veytaux IUsine de hydroélectrique de PallazuitUsine de hydroélectrique de Miéville
Turbinex? Pelton3 Francis2 Pelton verticales à 5 injecteurs de 80MW1 Pelton6 Pelton ( 3 alternateurs)4 Pelton (2 alternateurs)1 Pelton ?1 Francis 1.7 MW5x Francis2 Pelton verticales 35MW2x Kaplan14x Francis 700MW
Débit [m3/s]Arrêtée en 20133x 11.529m3/s0.453x 44x 8102267.21350.3
Longueur conduite [km]Galerie d'amenée: 4.7
Puit blindé: 0.6 ?
Galerie d'amenée: 9.8 + 0.27
Puit blindé: 0.92
environ 3.5Galerie d'amenée: 3.4
Puit Blindé: 1
Galerie d'amenée: 7.98
Puit Blindé: 1.22
Galerie d'amenée: 5.5
Puit blindé: 0.6
02.1400
Hauteur de chute [m]180040062638868588348067100 variable1472 variable4590
Prise d'eauBarrageBarrageBassin de compensation de ChâtelardBarrageBarrage de Moiry et TourtemagneBarrageBarrageBarrageBarrageBarrageBarrageBarragebarrage
Altitude493149245213891564376133061068745248460
EcoulementRhôneBassin compensation Fionnay IRhôneBisse d'AyentBassin d'accumulation de MottecLac LémanBassin d'accumulationSarineSarineRhôneSarineAubonneYangtze
Année de mise en service1934 (Dixence)
1958 (Grande Dixence)
1974195919711958200519501964
Centrale 2 [MW]FIONNAY - 290
Souterraine
RIDDES/ECONE - 225
Extérieur
VALLORCINE - 242
Extérieur
CROIX - 66
Extérieur
VISSOIE - 45
Extérieur
VEYTAUX II - 240
Intérieur
ORSIERE- 24HAUTERIVE - 70
Extérieur
PIED DE BARRAGE - 0.18
Extérieur
PIED DE BARRAGE 2 - 2.5 ExtérieurPLAN-DESSOUS - 12 ExtérieurRIVE DROITE - 8400
Extérieur
PhotosUsine de hydroélectrique de FionnayUsine de hydroélectrique de Riddes/EconeUsine de hydroélectrique de VallorcineUsine de hydroélectrique de VissoieUsine de hydroélectrique de Veytaux IIUsine de hydroélectrique d'orsière
Longueur conduite [km]9Galerie d'amenée: 15
Puit blindé: 2.45
Galerie d'amenée: 1 + 0.5
Puit blindé: 1.1
[Puit blindé: 0.5/1.89]
Galerie d'amenée: 3.2
Puit blindé: 1.4
Galerie d'amenée: 6.9
Puit blindé: 0.9
Galerie d'amenée: 7.98
Puit Blindé: 1.22
Galerie d'amenée: 5.6
Puit blindé: 0.7
6003.1
Turbine12 Pelton type horizontal (6 alternateurs)10 Pelton (5 alternateurs) ?3 Pelton vertical à 5 injecteurs de 64MW
[1 Francis 50MW]
2 Pelton type horizontal de 33MW6 Pelton (3 alternateurs)2 Pelton4 Pelton type verticale à 2 injecteurs ?4x Francis1x Diagonale1x Francis3x Francis12x Francis 700MW
Débit [m3/s]4510x 2.829
[22/15]
93x 42x 168750.5510
Hauteur de chute [m]8001000750
[382/860]
85534288338775 à 11045489790
Prise d'eauBarrageFionnayBarrage
[Les Esserts/Belle-Place]
BarrageBassin d'accumulation de Mottec et rivière navisenceBarrageBassin d'accumulation de PalauitBarrageBarrageBarrageBarragebarrage
Altitude14864781130922122237691757275548446160
EcoulementBassin compensation Fionnay II (166'000 m3)RhôneBassin de compensation de Châtelard-Frontière
90'000m3
Bassin de compensation de CroixBassin d'accumulation de VissoieLac LémanDranse d'EntremontSarineJogneSarineBassin centrale Plan-DessousYangtze
Année de mise en service1958197319582017?1948 (1902)201319642000 (1895)
Centrale 3 [MW]NENDAZ - 430
Souterraine
CHANRION - 28
Souterraine
CFF CHATELARD I et II - 110MW - ExtérieurSAINT-LEONARD - 34
Extérieur
NAVIZENCE - 70
Extérieur
SEMBRANCHERPIED DE BARRAGE 1 - 0.6 ExtérieurLA VAUX - 3.5 ExtérieurCENTRALE 3 - 4300
Extérieur
Prise d'eauBassin compensation Fionnay IIChambre de compensation de Breney (En amont barrage)BarrageBassin de compensation de CroixBassin d'accumulation de Vissoie et rivière navisenceBarrageBassin centrale Plan-DessousBarrage
PhotoUsine de hydroélectrique de NendazUsine de hydroélectrique CFF du châtelardUsine de hydroélectrique de Navizence
Turbine12 Pelton type horizontal (6 alternateurs)1 pelton à 2 injecteur?3 Pelton horizontal à 1 injecteurs 11MW (I)
2 Pelton horizontal à 2 injecteurs 40MW (II)
2 Francis 17 MW6 Pelton (3 alternateurs)1 Francis1 Kaplan6x Francis 700W
2x Francis 50W
Débit [m3/s]452x 51610.53x 4110
Longueur conduite [km]16Galerie d'amenée: 4.1
Puit blindé: 0.9
Galerie d'amenée: 8.5
Puit blindé: 1.1
02.1
Hauteur de chute [m]1000350804420695674390
Altitude4791966112349852761041660
EcoulementRhôneBarrage MauvoisinBassin de compensation ChâtelardRhôneRhôneSarineAubonneYangtze
Année de mise en service19581925 (I) /1972 (II)1908 (2014)19762008
Centrale 4 [MW]BIEUDRON/RIDDES - 1200
Souterraine
CHAMPSEC - 5
Extérieur
CFF VERNAYAZ - 107 ExtérieurMARTIGNY-BOURG
PhotoUsine de hydroélectrique du BieudronUsine de hydroélectrique de ChampsecUsine de hydroélectrique CFF de Vernayaz
Turbine3x Turbine Pelton type vertical à 5 injecteurs2 Turbines Pelton3 Pelton à 2 injecteurs
27/40/40 MW
Débit [m3/s]751.217
Longueur conduite [m]Galerie d'amenée: 15.8
Puit blindé: 4.3
Hauteur de chute [m]1900550645
Prise d'eauBarrageChambre de compensation Les CreuxBassin de compensation de Châtelard
Altitude481903452
EcoulementRhôneDranse de BagnesRhône
Année de mise en service19981928
Station de pompageZmutt - 470m-86MW-17m3/sUsine Vallorcine
2x 9m3/s, 800m, 120 GWh/an
vers barrage Emosson
Mottec: pompe d'accumlation: 23MWVeytaux I
4 pompes, 32 m3/s
4 pompes de 1MW et 0.5 m3/sClusanfe
2m3/s, 0.88MW
Stafel - 212m-26MW-9m3/sUsine Châtelard II
31 MW, 4 m3/s, 800m
vers barrage Emosson
Veytaux II
32 m3/s
Gietroz du Fond
0.6m3/s, 1MW
Ferpecle - 212m (via Arolla) -21MW-8m3/s
Arolla - 312m-48MW-12m3/s
Barrage de Cleuson - 165m
Pompage turbinage [MW]En construction 2018
Nant de Drance 900
6 Francis 150 MW
2500Gwh ?
Production Total [GWh/an]2800 (2015)7001100
(800 ESA + 300 CFF)
240650Environ 1000230
(Palazuit 100 + 130 Orsière)
280701201353898'000
Puissance Total [MW]2700 (2015)400637
(410 ESA + 217 CFF)
100165480
(dont 60 de réserve)
60
(36 + 24)
70307072.515.522'500
Energie accumulée [GWh]660100
Drames/problème [année]19991818 (avant barrage)1978
DétailRupture CanalisationGlacier du GietrozGrâves fissures dans le barrage"Cancer" du béton
RecordsPlus haut barrage poids du monde
Plus puissante turbine pelton du monde
Plus haute chute d'eau
Plus haut barrage voute d'EuropePlus ancien barrage voute horizontale et verticale d'EuropePlus puissant barrage du monde

LES CENTRALES ÉLECTRIQUES


La puissance de l’hydroélectricité

Étonnamment, les installations qui produisent le plus d’électricité dans le monde sont de loin les complexes hydroélectriques. L’installation du barrage des Trois-Gorges avec une puissance de 22’500 MW et d’une production annuelle de  100’000 GWh arrive de loin en tête. La centrale nucléaire la plus puissante est située au Canada avec une puissance de 6300 MW pour une production annuelle de 45’000 GWh. La centrale nucléaire de Kashiwazaki-Kariwa au Japon a une puissance de 8’300 MW mais est arrêtée depuis le séisme de 2011 par mesure de précaution et n’a toujours pas redémarré en 2017. De nombreuses centrales produisent de l’électricité avec d’autres moyens mais sont moins puissantes que l’hydraulique ou le nucléaire.

La centrale nucléaire de Kashiwazaki-Kariwa au bord de la mer du Japon avant sa destruction partielle. Photo Flickr de « IAEA Imagebank ».
La centrale de Kashiwazaki-Kariwa au bord de la mer du Japon avant sa destruction partielle - hydroélectricité en Suisse Romande

Les centrales nucléaires en Suisse

En ce qui concerne la Suisse, la centrale  de Leibstadt construite en 1984 est la plus puissante des 5 centrales nucléaires construites en Suisse. Sa puissance est de 1200 MW pour une production de 10’000 GWh par an. La centrale nucléaire de Beznau I, quant à elle, est la plus ancienne centrale en activité au monde. Concernant une votation sur l’évolution énergétique en Suisse, le peuple décide le 21 mai 2017 l’interdiction de la construction de nouvelles centrales nucléaires.

La centrale nucléaire de Mühleberg dans le canton de Berne construite en 1972. Elle est la moins puissante des 5 centrales Suisse et une des plus anciennes du monde en activité.

La centrale nucléaire de Mühleberg dans le canton de Berne construite en 1972 - hydroélectricité en Suisse Romande

La répartition de la production électrique

L’installation hydraulique de la Grande-Dixence, la plus puissante dans son secteur et composée de 3 centrales, est bien plus puissante que Leibstadt avec ses 2000 MW (1200 MW pour le Bieudron) mais produit nettement moins d’électricité avec 2’000 GWh (Bieudron 1700 GWh) annuel que la centrale de Leibstadt. En effet la centrale nucléaire fonctionne en permanence et presque à plein régime ce qui n’est pas le cas pour la Grande-Dixence. En Suisse, l’immense majorité de l’électricité est produite par l’hydraulique (58%) et le nucléaire (38%). A noter que juste avant le construction de la première centrale nucléaire Suisse en 1969 , l’hydraulique représentait 90% de la production d’électricité en Suisse.  La centrale électrique turbinant l’eau, non pas par accumulation comme au Bieudron, mais au fil de l’eau la plus puissante est celle de Verbois dans le canton de Genève le long du Rhône avec 98 MW et une production annuelle de 466 GWh. Une superbe carte répertorie les usines hydrauliques en Suisse sur le site de l’Office Fédéral de l’Énergie (OFEN). Les centrales à accumulation (barrages) et celles au fil de l’eau représentent chacune 48% de la production hydroélectrique Suisse, le reste provient du pompage-turbinage.

LES TYPES DE TURBINES


Introduction

Trois types de turbines sont majoritairement utilisées dans le production hydroélectrique. Les turbines Kaplan, Francis et Pelton du nom de leur inventeur respectif à la fin du 19e siècle et au début du 20e. Aucune autre turbine hydraulique efficace n’a été produit depuis ces dates. Chaque turbine est adaptée a des environnements différents principalement en fonction de la hauteur de la chute d’eau et du débit d’eau. Les turbines Kaplan et Francis sont dites à « réaction », c’est-à-dire que la pression d’entrée dans la roue est supérieur à celle de sortie tandis que la turbine Pelton est dite à « action », c’est-à-dire que la pression à l’entrée et à la sortie de la roue est la même. Nous ajoutons ici la turbine Deriaz très minoritaire mais observée dans le cadre de la visite du barrage de Montsalvens.

Vidéo comparative des principales turbines

Turbine Pelton

La turbine Pelton doit son nom à son inventeur Lester Allan Pelton (1829-1908), un américain charpentier de profession. Elle est la version moderne de la roue à aube utilisée pour faire tourner l’eau d’un moulin au moyen âge et jusqu’au début du 20e siècle. A l’époque l’eau d’une rivière était canalisée et amenée sur une roue prenant l’eau grâce à des tablettes en bois appelés aubes. La turbine Pelton fonctionne sur le même principe. Elle est constitué de mélange de métaux ultra résistant et reçoit l’eau à très haute pression d’un ou plusieurs injecteurs sur l’arrête centrale d’augets ressemblant à deux coquilles de noix ou godets permettant à l’eau de s’échapper sur les côtés. C’est ce principe qui fut breveté par Pelton au 19e siècle. L’injection est tangentielle par rapport à la roue de la turbine et peut-être horizontale ou verticale à l’aide de 1 à 6 injecteurs. Les turbines à axe horizontale possèdent jusqu’à 2 injecteurs et jusqu’à 6 pour celles à axe vertical. L’énergie cinétique de l’eau est transformée en énergie mécanique après turbinage et pour que le rendement soit maximale, la vitesse de l’eau après injection doit être la plus faible possible, idéalement nulle.

Allan Pelton en 1880 inventeur de la turbine qui porte son nom.
Photo d'Allan Pelton inventeur des turbines Pelton - hydroélectricité en Suisse Romande
Les grandes turbines Pelton fonctionnent dans la grande majorité des cas en relation avec un barrage et une forte chute d’eau pour produire du courant dans les périodes de pics de consommation. La centrale de Bramois au bas des gorges de la Borgne est une exception puisque ses grandes turbines Pelton produisent de l’électricité au « fil de l’eau » en fonction du débit d’eau à disposition, Il n’y a pas d’accumulation d’eau avant la centrale.

Augets d’une turbine Pelton exposée à l’usine de Riddes/Econe en Valais.
Turbine Pelton exposée devant l'usine de Riddes/Ecône - hydroélectricité en Suisse Romande

A noter que les turbines Pelton ont un rendement légèrement moindre que les turbines Kaplan et Francis en raison de leur faible surface de contact avec l’eau.

La turbine Pelton la plus puissante du monde est celle du Bieudron, près de Sion en Suisse. D’un diamètre avoisinant 5m, Elle a une puissance de 423 MW et une chute d’eau record de 1883 mètres avec le barrage de la Grande-Dixence. Le Valais en Suisse est particulièrement adapté à l’usage des turbines Pelton qui sont efficaces à des débits relativement faibles de moins de 20 m3/s et des chutes d’eau de plus de 400 mètres. En effet le fond des vallées latérales à la vallée du Rhône est souvent encaissé et à plus de 1500 mètres d’altitude permettant la construction de barrages. De plus les vallées latérales sont proches et particulièrement hautes par rapport à la vallée du Rhône, elle-même, à moins de 500 mètres d’altitude. Les centrales construites dans la vallée du Rhône bénéficient donc d’une chute d’eau importante avec des conduites forcées relativement courtes.
La vitesse de l’eau ne dépend que de la hauteur de chute avec la formule v = \sqrt{2gh}. g étant la gravité terrestre et varie légèrement selon les endroits sur terre et h la différence de hauteur. Quelle est la vitesse de l’eau arrivant depuis le barrage de la Grande-Dixence sur la turbine du Bieudron? La hauteur est de 1883 m, g est égale à 9.81 m/s. Donc la racine carrée de 2 x 1883 x 9.81 est égale à 192 m/s, ce qui correspond à la vitesse phénoménale de 691 Km/h. La turbine se doit donc d’être très résistante et c’est pourquoi elle est usinée par un robot dans une seule pièce de métal. La vitesse de la turbine est égale sans perte à la moitié de la vitesse d’injection, c’est-à-dire à 345 Km/h pour le Bieudron. Pour la petite histoire, la gravité varie selon l’endroit où on se trouve sur Terre et est la plus faible au niveau de l’équateur en raison de la force contraire centrifuge dû à la rotation de la Terre.

Quelle est la fréquence de rotation de la roue en tour/minute au Bieudron?  la formule de est de: 60 x vitesse (m/s)  /   diamètre roue (m) x Pi, ce qui fait donc 60 x 96 m/s / 4.6m x 3.14 = 398 tours / minute.

Un remarquable document avec photos retrace l’histoire de la turbine Pelton et son fonctionnement avec notamment un dessin de la conduite forcée amenant l’eau sur la turbine avec les injecteurs.

Roues à aube au Musée du Fer et du Chemin de Fer à Vallorbe, aux Vieux Moulins de la Tine et aux Moulins de St-Luc en Valais..
Musée du Fer et du Chemin de Fer - hydroélectricité en Suisse Romande Vieux Moulins de la Tine - hydroélectricité en Suisse Romande Moulins de St-Luc - hydroélectricité en Suisse Romande

Photos

Les anciennes turbines Pelton sont souvent utilisées comme objet de décoration près des centrales ou ailleurs. Ci-dessous un aperçu de différentes turbines observées par La Torpille.

Vidéos YouTube sur la turbine Pelton

Turbine Francis

C’est le modèle de turbine le plus puissant. Cette turbine peut produire une puissance de 700 MW comme au barrage d’Itaipu au Brésil et à celui des Trois-Gorges en Chine qui en compte plus de 10 à 50 millions de dollars pièce. Elle convient parfaitement à un débit d’eau conséquent ainsi qu’à une chute d’eau de plusieurs centaines de mètres. Par exemple, l’eau du barrage de Mauvoisin est turbinée par l’usine de Fionnay 400m plus bas à l’aide de 3 turbines Francis. Le nom de cette turbine vient de son inventeur James Bicheno Francis. Elle est une amélioration de la turbine conçue par Benoit Fourneyron, elle-même dérivée de l’invention de Jean-Victor Poncelet au début du 19e siècle. La turbine Francis fut mise en service pour la première fois en 1848. C’est une turbine immergée à « réaction » car la pression à l’entrée est plus grande que celle à sa sortie et son diamètre peut atteindre les 10 mètres pour les plus grands modèles.

James Biceno Francis en 1887. Source Wikimedia.
Photo de James Francis inventeur des turbines Francis - hydroélectricité en Suisse Romande

Le principe de fonctionnement est le suivant: l’eau entre tout autour de la turbine grâce à une conduite en colimaçon appelée bâche en spirale puis guidée radialement vers la roue et sa dizaine de pâles ou aubes. Les aubes directrices modulent la puissance de la turbine en permettent de réguler le flux d’eau vers les aubes mobiles de la roue et ainsi de la faire tourner plus ou moins vite. L’énergie cinétique de l’eau et l’énergie provenant de la différence de pression sont transmises à l’alternateur pour la production d’électricité. Après passage dans la roue de la turbine, l’eau est ensuite évacuée axialement par l’aspirateur. Comme les turbines Pelton, les turbines Francis peuvent fonctionner horizontalement ou verticalement.

Turbine Francis en position oblique à l’usine de Fionnay. Elle a turbiné les eaux provenant du barrage de Mauvoisin pendant 40 ans.
Turbine Francis devant l'usine de Fionnay - hydroélectricité en Suisse Romande

Turbine Francis à l’usine de Mottec dans le Val d’Anniviers et à l’usine d’Electrobroc avec l’usure des aubes visibles à cause de la cavitation.
Turbine Francis exposée devant l'usine de Mottec dans le val d'Anniviers - hydroélectricité en Suisse Romande Turbine Francis exposée à ElectroBroc - hydroélectricité en Suisse Romande

Vidéos YouTube d’une turbine Francis

Turbine Kaplan

Inventée par Viktor Kaplan et mise en service en 1912, la turbine Kaplan est particulièrement adaptée aux forts débit d’eau et à une très faible chute. Comme la turbine Francis, c’est une turbine immergée dite à « réaction » où la pression à l’entrée de la roue est plus levée qu’à sa sortie. Cette turbine ressemble à une hélice dont les pâles sont orientables même en marche en fonction du débit d’eau ce qui la rend intéressante au niveau d’une rivière à débit variable. La turbine Kaplan peut avoir 10 m de diamètres et peser plusieurs dizaines de tonnes, c’est la turbine qui tourne le plus rapidement, jusqu’à 1000 tours à la minute. Les eaux du lac de Schieffenen sont les seules parmi les grands barrages de Suisse Romande à être turbinées en pied de barrage par 2 turbines Kaplan d’une puissance cumulée de 70 MW.

Turbine Kaplan et son inventeur Viktor Kaplan. Source Wikimedia.org
Turbine Kaplan - hydroélectricité en Suisse Romande Photo de Viktor Kaplan inventeur des turbines Kaplan - hydroélectricité en Suisse Romande

Petite turbine Kaplan de démonstration exposée à Electrobroc.
Petite turbine kaplan exposée à ElectroBroc - hydroélectricité en Suisse Romande

Turbine Deriaz ou Diagonale

Cette turbine convient pour la petite hydroélectricité, son domaine de fonctionnement comprend les débit de 0.1 à 10m3/s et une chute nette de 20 à 80 mètres environ. Elle fonctionne au pied du barrage de Montsalvens en turbinant les eaux résiduelles de la Jogne. C’est une turbine très similaire à la turbine Kaplan dans sa conception et son fonctionnement se rapproche de celui de la turbine Francis avec une injection diagonale de l’eau contre la turbine.

Turbine Deriaz. omos.cz
turbine Deriaz - hydroélectricité en Suisse Romande

Résumé


TurbinePeltonFrancisKaplanDiagonale ou Deriaz
TypeTurbine à actionTurbine à réactionTurbine à réactionTurbine à réaction
InventeurLester Allan Pelton (USA)James Bicheno Francis (USA)Viktor Kaplan (AUT)Paul Deriaz (SUI)
Date1879191818481945
Puissance max en service [MW]423
Bieudron (SUI)
715
Itaipu (BRA)
230
?
Diamètre max en service [m]510155
Débit d'eau optimale [m3/s]moins de 25jusqu'à 700jusqu'à 8000.1 à 10 ?
Hauteur d'eau [m]plus de 40030 à 300jusqu'à 3020 à 65
Injection de l'eautangentielleradialeaxialediagonale
Vitesse de la turbine [tour/min]jusqu'à 36jusqu'à 400jusqu'à 1000
ImmergéeNonOuiOui
PoistionnementVertical ou horizontaleVertical ou horizontale?

LE TRANSPORT DE L’ELECTRICITÉ


En Suisse, L’électricité est transportée par SwissGrid, une société de 450 personnes qui gère le réseau et son entretien. Des statistiques intéressantes sont présentes sur le site web de Swissgrid. Cette société gère le réseau de transport de l’électricité dont font partie les lignes à très haute tension de 380 kv d’une longueur de 1780 km et celles de 220 kv d’une longueur de 4920 km. Le total des lignes à très haute tension est de  6700 km pour plus de 10’000 pylônes.

Le réseau de distribution, lui, comprend les lignes à haute (9000 km), moyenne (45000 km) et basse (85000 km) tension. Des transformateurs assurent la conversion entre les différentes intensités. Les lignes à haute et très haute tension sont très majoritairement aériennes tandis qu’il s’agit du contraire pour les lignes à moyenne et basse tensions qui sont pour la grande majorité souterraines. Le coût de l’enfouissement d’une ligne à très haute tension est proche de 10x plus cher que celui d’une ligne aérienne mais apporte une amélioration au niveau du paysage et de la faune ainsi qu’une vulnérabilité aux intempéries moindre.

Il est intéressant à noter que la perte en électricité lors de son acheminant est de l’ordre de 6%. On apprend que la Suisse avec SwissGrid importe du courant  principalement de France mais aussi d’Allemagne et d’Autriche et en exporte vers l’Italie.

Pylône et lignes à très haute tension entre les postes électriques de La Bâtiaz à Martigny et celui de Châtelard pour amener l’électricité produite dans l’infrastructure du barrage d’Emosson.
Pylône électrique près de Martigny - hydroélectricité en Suisse Romande Lignes électriques de très haute tension dans la vallée du trient - hydroélectricité en Suisse Romande

L’AVENIR DE L’HYDRO-ÉLECTRICITÉ EN SUISSE ROMANDE


Le coût de l’électricité

Le coût de l’énergie a particulièrement chuté ces dernières années entraînant l’hydroélectricité en Suisse Romande mais aussi en Suisse et même en Europe de l’Ouest dans une crise sans précédent. Les raisons sont les suivantes:

  • Libéralisation du marché de l’énergie en Europe.
  • Arrivée sur le marché d’électricité produite par des usines à charbon qui bénéficient du faible coût du charbon et de celui de l’émission de CO2.
  • Production solaire et éolienne dans les pays voisins, en particulier l’Allemagne.

Un bulldozer d’une usine en Slovénie poussant du charbon provenant d’Indonésie. Source: Wikimedia Commons
Un bulldozer d'une usine en Slovénie poussant du charbon provenant d'Indonésie. Source: Wikimedia Commons

Le prix du KWh sur le marché européen est de l’ordre de 3-4 centimes à l’achat tandis que celui produit par l’hydraulique le double, c’est-à-dire 6-8 centimes le KWh tandis qu’il est revendu entre 10 centimes et 40 centimes le KWh au client final. Il est donc moins cher d’importer de l’électricité à l’étranger que de la produire en Suisse ce qui menace gravement la rentabilité des infrastructures hydroélectrique Suisse et en premier lieu les barrages. La fermeture des centrales à charbon au niveau européen et une reprise économique forte pourraient changer la donne et provoquer une remontée du prix sur le marché européen mais le prix semble pour le moment rester très bas pour un certain temps. Un grand nombre de projets de nouvelles constructions et surtout de rénovations dans l’hydraulique a été annulé en Suisse tandis que des chantiers pharaoniques récemment terminés comme les usines de pompage-turbinage de Veytaux à Montreux et surtout celle du Nant de Dranse à côté du barrage d’Emosson risquent de se transformer en gouffre financier. Au moment du début de l’élaboration de ces projets les prix de vente de l’électricité étaient largement plus élevés qu’actuellement et pouvaient faire entrevoir un réel bénéfice.

Le réchauffement climatique

Actuellement, le réchauffement climatique provoque une augmentation de la quantité d’eau disponible dans les barrages en accélérant la fonte des glaciers.  On estime que vers 2050, la situation va s’inverser avec une baisse sensible de l’apport en eau des glaciers du fait de leur disparition progressive. Certaines études affirment que les glaciers en Suisse auront presque entièrement disparu vers 2100, l’apport en eau ne sera donc uniquement fournit par les chutes de neiges et la pluie remplissant dont insuffisamment les barrages. Une solution pourrait venir du pompage-turbinage où l’eau est pompée dans le barrage pendant les périodes de basse consommation. Par exemple, on pourrait imaginer le pompage de l’eau du Rhône pour remplir le barrage de la Grande-Dixence.

L’HYDRO-ÉLECTRICITÉ DANS LE MONDE


Les plus gros producteurs d’hydroélectricité

De manière peu étonnante, la Chine est le pays qui produit le plus d’hydroélectricité dans le monde avec plus du quart de la production totale, en 2015 1126 TeraWatt/h. Le Brésil et le Canada produisent chacun au alentour de 10% du total mondial avec environ 350 à 400 TeraWatt/h en 2015. La puissance totale des installations hydroélectriques chinoises est de plus de 300 GW dont plus de 22 pour le barrage des Trois-Gorges. A titre de comparaison, les installations de la Grande Dixence ont une puissance d’environ 2.5 GW. En Suisse le total de la production hydroélectrique est de 40 TeraWatt/h en 2015 pour une puissance de 14 GW générée par plus de 600 centrales.

L’hydraulique comparé aux autres sources d’énergie

La part de l’hydroélectricité dans le monde par rapport au total de l’électricité produite est de 16% en 2010. Le total étant de 24’097 TW/a pour 2’999 TW/a à l’hydroélectricité. Les « grands » pays qui utilisent le plus l’hydroélectricité sont la Norvège presque totalement (96%) ainsi que le Brésil, le Venezuela et le Canada dans un pourcentage compris entre 60% et 70%. La Suisse arrive juste après avec 58%. 5 « petits » pays produisent 100% de leur énergie grâce aux barrages. Il s’agit de l’Albanie, du Bouthan, du Lesotho, du Nepal et du Paraguay.

Statistiques et vidéos sur les barrages et l’hydroélectricité

Pays producteurs mondiaux d’électricité en 2015

  • Total
  • Hydro

Consommation Hydro-électrique par rapport au total

  • % du Total

Energies produisant de l’électricité dans le monde

  • Type d'énergie

Reportage sur les barrages

Reportage sur les barrages

Le barrage d’Itaipu

Les plus beaux barrages de Suisse Romande
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