La petite hydroélectricité en France

Dans le débat sur la transition énergétique, les sources d’énergie renouvelables occupent le devant de la scène. Toutes ne sont cependant pas traitées également. À preuve, l’écart entre ce qui est dit de la petite hydraulique et la place qu’elle occupe dans le mix électrique d’un pays comme la France.


En France, l’énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, représente, derrière le nucléaire, la deuxième source d’électricité et compte pour 10 à 13% de la production électrique. Elle produit en moyenne 60 TWh d’électricité avec une variation possible de +/- 15 % en fonction de la pluviométrie, soit la consommation annuelle de 13,4 millions de personnes. L’hydroélectricité est aujourd’hui en France la première source d’électricité renouvelable et la deuxième énergie renouvelable, après le bois (Lire : Biomasse et énergie).

Fig. 1 : Evolution de la production hydraulique mensuelle - Source : France Hydroélectricité, http://www.france-hydro-electricite.fr/lenergie-hydraulique/chiffres-cles

On distingue généralement trois catégories d’ouvrages hydroélectriques : les ouvrages de lac ou d’éclusée, les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) et les ouvrages au fil de l’eau (Lire : Les ouvrages hydrauliques). La contribution de chacune à la production hydroélectrique totale varie selon les saisons (Figure 1).

La petite hydroélectricité rassemble les installations hydrauliques d’une puissance inférieure à 12 MW, pour la plupart au fil de l’eau. Il existe en France 2 500 petites centrales hydroélectriques, essentiellement détenues par des petits producteurs indépendants (80 %). Elles représentent environ 2 000 MW de puissance installée et produisent annuellement 7 TWh, soit 12 % de la production totale d’origine hydraulique. Les centrales au fil de l’eau ne disposent pas de capacités de stockage et produisent de l’électricité en continu, au gré du débit des cours d’eau.

1. Fonctionnement des aménagements hydroélectriques

Une centrale hydroélectrique utilise l’énergie cinétique (liée à la vitesse) du courant d’eau, la transforme en énergie mécanique au moyen d’une turbine, puis en énergie électrique au moyen d’un alternateur. La puissance de la centrale est à la fois proportionnelle au débit prélevé dans le cours d’eau et à la hauteur de la chute d’eau. Plus la hauteur de chute est importante, plus la pression de l’eau dans la centrale sera grande et plus la puissance produite sera importante (Lire : Hydroélectricité : les conduites forcées de l’entreprise Bouchayer-Viallet à Grenoble). En fonction de la hauteur de dénivellation, l’eau prélevée dans le cours d’eau est acheminée jusqu’à la turbine via une petite digue (basse chute) ou des conduites qui dévalent la montagne (haute chute).

Les ouvrages hydroélectriques sont classés différemment selon la hauteur de chute du cours d’eau :

  • haute chute, d’une hauteur de chute supérieure à 100 m ;
  • moyenne chute, d’une hauteur de 15 à 100 m ;
  • basse chute, d’une hauteur inférieure à 15 m.

2. Une déjà très longue histoire

L’hydroélectricité est l’une des plus anciennes formes de production électrique et bénéficie, de ce fait, d’une grande maturité technologique.

Fig. 2 : Très ancien moulin à eau - Source : Gabor Eszes (UED77) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons

Apparus au Moyen Âge, les moulins à eau connaissent une première phase de développement à partir du 12ème siècle (Figure 2). Aménagés au fil de l’eau, ils fonctionnent de pair avec des barrages modestes et peu élaborés. L’énergie de l’eau est captée par des roues à aube qui entrainent des machines inventées pour moudre le grain, scier la pierre, forger les métaux… bref, pour faciliter les travaux pénibles. Ils fournissent une énergie significative pour l’époque (Lire : La consommation mondiale d’énergie avant l’ère industrielle).

Il faut attendre le 19ème siècle pour que les moulins connaissent un véritable essor. En 1850, la France compte environ 100 000 moulins au fil de l’eau, soit un ouvrage hydraulique tous les 5 km environ. À partir de 1830, l’invention de la turbine permet d’exploiter les hauteurs de chute et de développer de meilleurs rendements. L’exploitation de l’énergie hydraulique permet d’actionner les machines des ateliers et de développer les activités artisanales et industrielles.

À la fin du 19ème siècle, l’hydraulique prend une nouvelle dimension avec le développement du réseau électrique. Une multitude de petites centrales hydrauliques se créent pour fournir l’électricité nécessaire aux villes. À partir du début du 20ème siècle, le transport d’électricité se généralise progressivement. Les centrales hydroélectriques fournissent une énergie qui n’est plus uniquement consommée localement. Pour couvrir les besoins grandissant du pays en électricité, les grands complexes hydrauliques voient le jour et, parallèlement, les grands réservoirs. Au milieu du 20ème siècle, plus de la moitié de la production électrique française est d’origine hydraulique (Lire : Gaz Électricité de Grenoble (GEG), un acteur local porteur d’innovation énergétique).

En 2018 encore, l’hydroélectricité occupe une place fondamentale dans la production d’électricité en France. La composition du parc hydroélectrique permet non seulement de bénéficier d’une production électrique stable et continue grâce aux centrales au fil de l’eau, mais également de sécuriser le réseau électrique en période de fortes demandes grâce aux centrales de lac ou d’éclusée.

3. Les atouts de la petite hydroélectricité

La petite hydroélectricité est la plus compétitive des énergies renouvelables :

  • elle permet une production d’électricité souple et proche des lieux de consommation, évitant des pertes sur le réseau de distribution ;
  • elle contribue au bilan bas-carbone de la France et aux objectifs fixés par l’Europe  (- 20 % d’émission de CO2 en 2020 et – 40 % en 2030) en n’émettant pas de gaz à effet de serre ;
  • elle produit une électricité renouvelable non intermittente (4 000 heures à pleine charge annuellement) ;
  • elle respecte l’état écologique des rivières grâce à toutes les mesures environnementales qui permettent la libre circulation des poissons et des sédiments : passes à poissons, manœuvre de vannes, rivières de contournement, turbines fish-friendly ;
  • elle contribue à l’activité et au développement économique des territoires en apportant un revenu régulier, souvent majeur, à de petites communes et en soutenant l’activité industrielle et artisanale locale.

4. Composition des centrales hydroélectriques

Fig. 3 : Schéma type d'une installation

Les centrales hydroélectriques se composent de différents ouvrages qui permettent leur bon fonctionnement.

  • Les ouvrages de prise d’eau : il peut s’agir d’une digue ou d’un barrage plus ou moins important qui dévie une partie du courant vers l’ouvrage d’amenée. Le contrôle du débit s’effectue soit par un barrage mobile dans la rivière soit par une vanne dans le canal d’amenée. L’eau qui n’est pas dérivée vers la centrale et continue de s’écouler dans la rivière s’appelle débit réservé (Lire : Les ouvrages hydrauliques).

Fig. 4 : Principe de fonctionnement d'une centrale hydraulique

  • Les ouvrages d’amenée et de mise en charge (ou conduite forcée) : le plus souvent, le canal d’amenée est en écoulement libre à ciel ouvert et relie la prise d’eau à l’entrée de la centrale. Une grille protège la turbine contre les éléments charriés par la rivière (arbres ou feuilles mortes) et un dégrilleur, sorte de grand râteau, assure le nettoyage de la grille afin d’éviter leur colmatage, spécifiquement lorsque les feuilles tombent en nombre. En fonction de la nature de l’installation et de la réglementation en vigueur, la largeur des grilles peut varier de 2 à 20 cm environ. Pour les ouvrages de haute chute, la conduite forcée relie quant à elle l’extrémité du canal d’amenée à la turbine.

  • Un ouvrage de production d’hydroélectricité : au niveau de la centrale, l’eau actionne une turbine qui transforme l’énergie de l’eau en énergie mécanique. La turbine est reliée à un alternateur qui transforme l’énergie mécanique en électricité. Il existe quatre principaux modèles de turbines à privilégier en fonction des caractéristiques de la centrale : Pelton, Francis, Kaplan et Bulbe.

  • Les ouvrages de restitution : une fois l’eau turbinée, elle est restituée à la rivière via le canal de restitution sans avoir subi de modification. (Figures 3 et 4).

5. Le contexte réglementaire

En France, les installations hydroélectriques sont soumises à la loi du 16 octobre 1919 relative à l’utilisation de l’énergie hydraulique, codifiée dans le Code de l’énergie (Partie L, livre V). L’article 1 stipule que « nul ne peut disposer de l’énergie des marées, des lacs et des cours d’eau, quel que soit leur classement, sans une concession ou une autorisation de l’État ». Cette loi définit deux régimes d’exploitation des centrales hydroélectriques.

5.1. Le régime de l’autorisation : pour les installations < 4,5 MW

Sous ce régime, les installations appartiennent, en général, au permissionnaire qui les exploite (particuliers, entreprises ou collectivités) pour revendre l’électricité produite dans le respect de prescriptions de police de l’eau fixées par arrêté préfectoral. Elles nécessitent l’obtention d’une autorisation, délivrée par le préfet pour une durée limitée, et dont les règles d’exploitation sont fonction des enjeux environnementaux. Ce régime concerne particulièrement la petite hydroélectricité.

5.2. Le régime de la concession : > 4,5 MW

Sous ce régime, les installations (barrage, canaux d’amenée et de fuite, conduites forcées, terrains ennoyés, entre autres) appartiennent à l’État qui en délègue la construction et l’exploitation à un concessionnaire sur la base d’un cahier des charges. Pour les installations entre 4,5 MW et 100 MW, la concession est délivrée par le préfet. Au-delà de 100 MW, la concession est approuvée par décret en Conseil d’État, c’est-à-dire relevant de la compétence du Premier ministre, sur proposition et rapport du ministre en charge de l’énergie, lui-même compétent pour signer le contrat conclu entre l’État et le concessionnaire retenu. Les premières concessions ont été accordées dans les années 1920, pour des durées de 75 ans, ce qui permettait d’amortir l’investissement de construction. Le renouvellement des concessions donne lieu à des contrats d’une durée moindre, de l’ordre de 20 à 45 ans. Ce régime concerne peu les petits producteurs, la puissance de leur centrale étant en général inférieure à 4,5 MW.

6. Perspectives de développement de la petite hydroélectricité

La loi sur la transition énergétique pour la croissance verte (TECV) adoptée en août 2015 (Lire : La transition énergétique), ambitionne de porter la production d’énergies renouvelables à 32 % de la consommation finale en 2030, en amenant notamment la production d’électricité renouvelable à 40 % de la production totale d’électricité. La Convention pour le développement d’une hydroélectricité durable. signée en 2010 par l’ensemble des parties prenantes, s’inscrit dans cette démarche en fixant un objectif de développement de l’ensemble de l’hydroélectricité de + 3 TWh pour 2020. Pour exploiter au mieux le potentiel de nos cours d’eau, la petite hydroélectricité peut s’appuyer à la fois sur la création de nouveaux ouvrages, l’optimisation du parc hydroélectrique et l’équipement de seuils existants.

Dans le cadre de la Convention pour le développement d’une hydroélectricité durable, un travail de croisement des différentes études de potentiel hydroélectrique existantes (menées par les Directions Régionales de l’Environnement, de l’Aménagement et du Logement et  l’Union Française de l’Électricité) a été conduit début 2013. Ce rapport établit le potentiel hydroélectrique encore accessible à 11,7 TWh, dont 5,5 TWh uniquement pour la petite hydroélectricité. Ce potentiel brut technique, identifié par rivière, regroupe les possibilités offertes par la création de nouveaux ouvrages (+10,3 TWh/an) et celles pouvant résulter de l’équipement de seuils d’ores et déjà existants (+1,7 TWh/an).

La loi sur l’eau et les milieux aquatiques (LEMA) du 30 décembre 2006 et sa traduction dans l’article L 214-17 du code de l’environnement a initié une réforme du classement des cours d’eau en l’adaptant aux exigences de la directive-cadre sur l’eau (DCE) et en remplacement des deux anciens classements. Cette révision classifie les cours d’eau français en deux catégories :

  • Cours d’eau classés liste 1 ou parties de cours d’eau en très bon état écologique ou identifiés comme jouant le rôle de réservoir biologique. Sur ces cours d’eau, aucune autorisation ou concession ne peut être accordée pour la construction de nouveaux ouvrages s’ils constituent un obstacle à la continuité écologique.
  • Cours d’eau classés liste 2 ou parties de cours d’eau parmi lesquels il est nécessaire d’assurer le transport suffisant des sédiments et la circulation des poissons migrateurs. Tout ouvrage doit y être géré, entretenu et équipé selon des règles définies par l’autorité administrative, en concertation avec le propriétaire ou, à défaut, l’exploitant. Les ouvrages existants doivent être mis en conformité dans un délai de cinq ans après la publication de l’arrêté de classement.

Résultat de ce classement, 73 % du potentiel de développement hydroélectrique se trouve bloqué par le classement en liste 1 et environ 1 000 à 1 200 ouvrages ont été recensés sur les cours d’eau classés liste 2 pour une mise en conformité dans les cinq ans.


Bibliographie complémentaire

http://www.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/REC_hydroelectricite_maj_Octobre_2012.pdf

http://www.developpement-durable.gouv.fr/Signature-d-une-convention-d.html

http://www.developpement-durable.gouv.fr/Potentiel-hydroelectrique-francais.html

http://www.eaufrance.fr/comprendre/la-politique-publique-de-l-eau/la-loi-sur-l-eau-et-les-milieux


L’Encyclopédie de l’Énergie est publiée par l’Association des Encyclopédies de l’Environnement et de l’Énergie (www.a3e.fr), contractuellement liée à l’université Grenoble Alpes et à Grenoble INP, et parrainée par l’Académie des sciences.

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