Le petit hydroélectrique: « au fil de l’eau »

L’hydroélectricité au fil de l’eau est une méthode de production d’énergie renouvelable hydraulique qui utilise le flux naturel d’un cours d’eau pour générer de l’électricité, sans avoir besoin de construire un grand barrage et de créer un réservoir.

Le fonctionnement des centrales au fil de l’eau

Le fonctionnement des centrales hydroélectriques au fil de l’eau est basé sur l’utilisation de la force cinétique de l’eau qui s’écoule naturellement le long d’une rivière. Voici les principales étapes du processus de production d’électricité dans une centrale au fil de l’eau :

  1. Captage de l’eau : Une partie du débit de la rivière est captée et dirigée vers un canal d’amenée ou une conduite forcée qui achemine l’eau vers la centrale hydroélectrique. Le reste de l’eau continue à s’écouler dans la rivière, maintenant ainsi son débit naturel.
  2. Turbines : L’eau captée est acheminée vers des turbines, généralement des turbines Kaplan ou Francis, spécialement conçues pour fonctionner avec des débits et des hauteurs de chute d’eau faibles à modérés. La force de l’eau en mouvement fait tourner les turbines, transformant ainsi l’énergie cinétique de l’eau en énergie mécanique.
  3. Générateur : La rotation des turbines entraîne un générateur électrique couplé à celles-ci. Le générateur convertit l’énergie mécanique en énergie électrique grâce à l’induction électromagnétique. L’électricité ainsi produite est ensuite acheminée vers le réseau électrique.
  4. Retour de l’eau à la rivière : Après avoir traversé les turbines, l’eau est restituée à la rivière par le biais d’un canal de fuite. Ce retour de l’eau permet de minimiser l’impact sur l’écosystème local et de maintenir le débit naturel de la rivière.

Les centrales hydroélectriques au fil de l’eau ont un fonctionnement relativement simple, avec moins de composants et d’infrastructures que les grands barrages. De plus, elles sont généralement plus faciles à construire et à entretenir et ont un impact environnemental moindre. Néanmoins, la production d’énergie dépend du débit de la rivière et peut donc varier en fonction des conditions climatiques et saisonnières.

Comment calculer le potentiel de production

Pour calculer le potentiel de production d’une centrale hydroélectrique au fil de l’eau, il faut prendre en compte plusieurs paramètres, notamment le débit d’eau et la hauteur de chute (différence de hauteur entre l’entrée et la sortie de l’eau dans la centrale). La puissance disponible (en watts) peut être estimée en utilisant la formule suivante: Puissance = η × ρ × g × Q × H où :

  • η est le rendement de l’installation (généralement compris entre 0,8 et 0,9)
  • ρ est la densité de l’eau (environ 1000 kg/m³)
  • g est l’accélération due à la gravité (9,81 m/s²)
  • Q est le débit d’eau (en m³/s)
  • H est la hauteur de chute (en mètres)

Exemple concret : la centrale de Coo-Trois-Ponts en Belgique

Prenons l’exemple de la centrale hydroélectrique au fil de l’eau de Coo-Trois-Ponts en Belgique. Cette centrale utilise l’eau de l’Amblève, un cours d’eau situé dans la région de la Wallonie.

La centrale de Coo-Trois-Ponts a une capacité installée de 1 164 MW. Pour calculer le potentiel de production, on a besoin de connaître le débit du cours d’eau et la hauteur de chute. L’Amblève a un débit moyen d’environ 30 m³/s. La hauteur de chute effective de la centrale est d’environ 250 mètres. Cependant, pour préserver la faune aquatique, un certain débit réservé doit être maintenu. Supposons que les autorités locales exigent un débit réservé équivalent à 20 % du débit moyen, soit environ 6 m³/s. Le débit utilisable pour la production d’électricité serait donc de 30 m³/s – 6 m³/s = 24 m³/s.

Pour estimer la production d’énergie, on peut utiliser la formule suivante : Puissance (kW) = Débit utilisable (m³/s) × Hauteur de chute (m) × Rendement × Accélération de la pesanteur (9,81 m/s²).

En supposant un rendement de 90 % pour la centrale, on obtient : Puissance (kW) = 24 m³/s × 250 m × 0,9 × 9,81 m/s² ≈ 53 154 kW, soit environ 53,15 MW. Pour calculer la production totale, il suffit de multiplier cela par le nombre d’heures de fonctionnement.

Avantages et inconvénients des centrales au fil de l’eau

Avantages

  1. Énergie renouvelable (ENR) bas carbone : L’hydroélectricité au fil de l’eau utilise la force du courant d’eau pour produire de l’électricité, ce qui en fait une source d’énergie renouvelable et durable.
  2. Faibles émissions de gaz à effet de serre : Ces centrales ont un impact environnemental relativement faible en termes d’émissions de gaz à effet de serre, car elles ne produisent pas directement de CO2 lors de la production d’électricité.
  3. Flexibilité de production : Les centrales au fil de l’eau sont généralement plus flexibles que les grandes centrales hydroélectriques avec barrage, car elles peuvent s’adapter rapidement aux variations de la demande d’électricité et aux fluctuations du débit du cours d’eau.
  4. Impact environnemental réduit : Comparées aux barrages hydroélectriques, les centrales au fil de l’eau ont généralement un impact environnemental moindre, car elles ne nécessitent pas la construction de grands barrages et la création de vastes réservoirs, qui peuvent perturber les écosystèmes locaux.

Inconvénients

  1. Dépendance au débit du cours d’eau : La production d’électricité des centrales au fil de l’eau dépend fortement du débit du cours d’eau, qui peut varier en fonction des conditions météorologiques et des saisons. Cela rend leur production d’énergie moins prévisible et moins constante que celle des centrales avec barrage.
  2. Coût initial élevé : La construction d’une centrale hydroélectrique au fil de l’eau peut nécessiter un investissement initial important, même si les coûts d’exploitation et de maintenance sont généralement faibles.
  3. Impact sur la faune aquatique : Même si les centrales au fil de l’eau ont un impact environnemental moindre que les barrages, elles peuvent néanmoins affecter la faune aquatique en modifiant le débit d’eau et en créant des obstacles à la migration des poissons. Des dispositifs de passage pour les poissons doivent souvent être mis en place pour atténuer ces impacts.
  4. Production d’énergie limitée : Les centrales hydroélectriques au fil de l’eau ont généralement une capacité de production d’énergie inférieure à celle des centrales avec barrage, car elles dépendent du débit naturel du cours d’eau et ne peuvent pas stocker d’eau pour produire de l’électricité à la demande.

Quelle proportion du débit d’un cours d’eau peut-on ainsi utiliser sans effets sur la faune ?

Il n’y a pas de réponse unique à cette question, car la proportion du débit d’un cours d’eau qui peut être utilisée sans nuire à la faune dépend de nombreux facteurs, notamment le type et la sensibilité des espèces présentes, la géographie et les caractéristiques du cours d’eau, les variations saisonnières du débit et les exigences réglementaires.

Cependant, une règle générale souvent adoptée pour garantir la protection de la faune aquatique est de maintenir un débit réservé, appelé également débit écologique ou débit minimal. Ce débit réservé est la partie du débit naturel du cours d’eau qui doit être laissée libre de tout prélèvement pour assurer la préservation des écosystèmes aquatiques.

Les débits réservés sont généralement définis par la législation ou les régulations locales et peuvent varier en fonction des spécificités du cours d’eau et de la région concernée. Par exemple, dans certaines régions, on peut exiger que 10 % à 30 % du débit naturel soit maintenu pour préserver la faune et la flore. Dans d’autres cas, les débits réservés peuvent être déterminés en fonction de seuils spécifiques pour les différentes périodes de l’année, en tenant compte des cycles de vie des espèces et des variations saisonnières du débit.

Il est important de noter que l’impact d’une centrale hydroélectrique au fil de l’eau sur la faune dépend également de la conception de l’installation et des mesures de gestion environnementale mises en place, telles que des dispositifs de franchissement pour les poissons (échelles à poissons, passes à poissons) ou la restauration des habitats.

Les centrales au fil de l’eau dans le monde

Voici un aperçu de la production d’hydroélectricité au fil de l’eau par pays et de certaines installations notables :

  1. Les États-Unis sont un grand producteur d’hydroélectricité au fil de l’eau. On y trouve plusieurs centrales de ce type, notamment sur la rivière Columbia. La centrale hydroélectrique de The Dalles, située en Oregon, est l’une des plus grandes installations de ce type aux États-Unis, avec une capacité de 1 878 MW.
  2. Le Canada possède une vaste ressource en hydroélectricité et exploite de nombreuses centrales au fil de l’eau. Une des plus importantes est la centrale de La Romaine-1, située au Québec, avec une capacité de 270 MW.
  3. L’Allemagne est un autre pays européen qui tire parti de l’hydroélectricité au fil de l’eau. La centrale de Rheinfelden, située sur le Rhin, a une capacité de 100 MW.
  4. La France possède de nombreuses centrales au fil de l’eau, en particulier dans les régions montagneuses. La centrale de Bort-les-Orgues, située sur la Dordogne, a une capacité de 235 MW.
  5. La Norvège, avec ses nombreux cours d’eau et fjords, est un grand producteur d’hydroélectricité au fil de l’eau. La centrale de Tonstad, située dans le sud de la Norvège, a une capacité de 960 MW.
  6. Le Brésil est un autre pays qui exploite l’hydroélectricité au fil de l’eau, principalement dans le bassin de l’Amazone. La centrale de Santo Antônio, située sur le fleuve Madeira, a une capacité de 3 568 MW.
  7. La Chine possède également des centrales hydroélectriques au fil de l’eau. La centrale de Longyangxia, située sur le fleuve Jaune, a une capacité de 1 280 MW.