⚡ L’Hydro-électricité en Suisse Romande en 2020

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.
La plus grande ferme éolienne du monde à Gansu en Chine

Une ferme solaire en Ukraine. Photo Flickr « Activ Solar ».
Une ferme solaire en Ukraine

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.

Le barrage de Verbois turbinant les eaux du Rhône avec son usine au fil de l’eau. Construit en 1944 après 5 ans de travaux, le barrage est inauguré en présence du général Guisan.
Le barrage de Verbois turbinant les eaux du Rhône avec son usine au fil de l'eau.

Le barrage de Mauvoisin retenant l’eau afin d’y être turbinée par des usines électriques à accumulation.
Le barrage de Mauvoisin retenant l'eau afin d'y être turbinée par des usines électriques à accumulation.
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.

Le barrage de Schieffenen.
le barrage de Schiffenen

Le barrage de Moiry.
le barrage de moiry

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

Le barrage d'Itaipu

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 côté aval du barrage D'Assouan en plein désert

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-Hongrie, il émigre aux États-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 États-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


Découvrez tous les détails sur les barrages en Suisse romande dans l’article très complet de la Torpille.

Le magnifique barrage de la Grande Dixence. Il s’agit de l’un des 12 plus grands barrages de Suisse romande présenté dans l’article de la Torpille.
Le magnifique barrage de la Grande Dixence

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 nucléaire de Kashiwazaki-Kariwa au bord de la mer du Japon avant sa destruction partielle

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 était la moins puissante des 5 centrales Suisse. Elle est définitivement arrêtée le 20 décembre 2019. Plus de 15 ans seront nécessaire pour la démanteler.
La centrale nucléaire de Mühleberg dans le canton de Berne construite en 1972.

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.

Le 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.

Roues à aube au Musée du Fer et du Chemin de Fer à Vallorbe.
Roues à aube au Musée du Fer et du Chemin de Fer à Vallorbe.

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.

Augets d’une turbine Pelton exposée à l’usine de Riddes/Econe en Valais.
Augets d'une turbine Pelton exposée à l'usine de Riddes/Econe en Valais.

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.
Allan Pelton

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.

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.

Le but est d’amener l’eau contre la turbine avec la vitesse la plus grande possible. La vitesse de l’eau ne dépend que de la hauteur de chute avec la formule v = √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.

Vidéos YouTube sur la turbine Pelton

Vidéo sur l’ensemble d’un système hydraulique utilisant une roue Pelton.

Reconstitution d’un petit modèle Pelton.

Fabrication par un robot à partir d’un seul pièce de métal d’une roue 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.
James Biceno Francis en 1887.

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 en position oblique à l'usine de Fionnay

Turbine Francis à l’usine de Mottec dans le Val d’Anniviers.
Turbine Francis à l'usine de Mottec dans le Val d'Anniviers.

Turbine Francis à l’usine d’Electrobroc avec l’usure des aubes visibles à cause de la cavitation.
Turbine Francis à l'usine d'Electrobroc avec l'usure des aubes visibles à cause de la cavitation.

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. Source Wikimedia.org.
Turbine Kaplan

Viktor Kaplan. Source Wikimedia.org.
Viktor Kaplan

Petite turbine Kaplan de démonstration exposée à Electrobroc.
Petite turbine Kaplan de démonstration exposée à Electrobroc.

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. Photo: omos.cz
Turbine Deriaz

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’électricité


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 et lignes à très haute tension entre les postes électriques de La Bâtiaz à Martigny et celui de Châtelard

L’avenir de l’hydroélectricité 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

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’hydroélectricité 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 Bhoutan, du Lesotho, du Népal et du Paraguay.

Statistiques et vidéos sur les barrages et l’hydroélectricité


Reportage sur les barrages

Le barrage d’Itaipu