Barrages et Environnement

L’énergie hydraulique est, par nature, une énergie verte et renouvelable puisqu’elle utilise l’énergie potentielle que l’eau acquiert après évaporation, précipitation et ruissellement lors du cycle naturel de l’eau dans les échanges entre la terre et l’atmosphère.

Cette énergie a été utilisée très tôt par l’homme lors des différentes phases d’industrialisation du monde moderne (lire par ailleurs sur le site « l’histoire des barrages »).

Une phase essentielle de cette évolution est, à la fin du XIXème siècle, l’invention et le développement de l’électricité. A partir de cette date, les aménagements hydrauliques, en devenant destinés à la production électrique prennent alors une autre dimension. Les barrages, destinés à régulariser les cours d’eau et à assurer le stockage d’eau deviennent plus importants. En France, avec l’objectif d’indépendance énergétique, le développement de l’hydroélectricité va contribuer à la mise en valeur des ressources hydrauliques du pays. (voir par ailleurs dans « Le rôle des barrages » le volet « Hydroélectricité ».

Aujourd’hui, partout dans le monde, le développement des énergies renouvelables est privilégié afin de satisfaire une croissance de la demande en énergie. Dans le même temps l’utilisation des énergies fossiles, non renouvelables, est de plus en plus largement discutée, en raison des conséquences sur les émissions de gaz à effet de serre et de leur potentiel effet sur les changements climatiques. Le développement de l’hydroélectricité offre encore d’assez larges possibilités de construction de barrages dans de nombreuses régions du monde où le potentiel existe.

Par ailleurs, la ressource éolienne (le vent) ou solaire (l’ensoleillement) est par nature variable, et ne peut être contrôlée. Les variations de ces conditions météorologiques sont directement répercutées au niveau de la production électrique d’installations éoliennes et solaires. Ainsi, dès que la proportion d’énergie électrique « fatale » (éolienne ou solaire) injectée sur un réseau dépasse 10%, le gestionnaire de réseau est confronté à des besoins et des exigences nouveaux, du fait de ces variations de production.

En France, et plus particulièrement, dans les DOM et en Corse, un arrêté du 23 avril 2008 fixe à 30% de pénétration des énergies fatales le taux instantané maximum au-dessus duquel le gestionnaire de réseau peut effectuer des effacements des producteurs d’énergie raccordés au réseau. En effet les réseaux peu ou pas interconnectés, sont sensibles à une variation brusque de la production éolienne ou solaire.

L’ensemble de ces nouvelles installations de production d’énergie renouvelable doit permettre de s’affranchir des énergies fossiles et ainsi de réduire les factures écologique et économique qui lui sont liées, tout en satisfaisant la forte croissance de la consommation énergétique.

Pour atteindre les objectifs ambitieux fixés dans les plans de développement des énergies renouvelables, plans qui se révèlent nécessaires pour lutter contre les émissions de gaz à effet de serre des centrales à combustible fossile, il faut s’affranchir de la contrainte du taux de pénétration limite des énergies renouvelables fatales, et pour cela supprimer, ou dans un premier temps atténuer le caractère aléatoire et/ou intermittent de la production d’électricité éolienne ou solaire.
Plusieurs moyens existent pour palier ce problème d’intermittence de la production des énergies renouvelables. Un d’entre eux existe déjà et est opérationnel : c’est le stockage d’énergie qui peut remplir plusieurs rôles : lissage de la production d’énergies intermittentes, mais aussi déplacement de la pointe, et réserve d’énergie utilisable en cas de baisse de fréquence sur le réseau, donc contribution à la stabilité du réseau électrique de transport et de distribution.

Ce stockage d’énergie peut être réalisé grâce aux barrages, avec le turbinage dans un cours d’eau, et l’installation de centrales STEP (Station de Transfert d’Energie par Pompage) fonctionnant en circuit fermé ou semi-fermé sur deux réservoirs. Ces installations permettent au réseau de passer les pointes de consommation sans solliciter des moyens de production fossiles, potentiellement émetteurs de gaz à effet de serre, ou d’éviter d’investir dans des moyens d’hyper pointe extrêmement coûteux.

Le stockage hydraulique gravitaire utilise l’énergie potentielle de l’eau en transit entre deux réservoirs d’altitudes différentes comme moyen de stockage. Les STEP mettent en œuvre la même technique, mais en utilisant deux bassins de stockage, et peuvent fonctionner en circuit fermé. La quantité d’énergie stockée est proportionnelle au volume d’eau en réserve et au dénivelé entre les deux bassins. La conversion de l’énergie hydraulique (eau en chute libre du bassin haut vers le bassin bas) en énergie mécanique se fait par l’intermédiaire d’une turbine, dont l’association à une génératrice permet de convertir cette énergie mécanique en électricité. Pour le stockage, le schéma inverse est appliqué : on utilise l’électricité pour alimenter les pompes qui permettent de transférer l’eau du bassin aval vers le bassin amont. Lorsque le bassin amont est plein, la station est prête à fournir de l’énergie.

Etape 1 : stockage
Remplissage du bassin haut par pompage de l’eau (un ou plusieurs cycles par jour). Les phases de pompage utilisent l’énergie produites par d’autres moyens de production quand cette énergie est disponible et non nécessaire à la consommation.

Etape 2 : production d’électricité
Remplissage du bassin bas et restitution par turbinage pendant quelques heures de l’énergie stockée (un ou plusieurs cycles par jour). Les phases de turbinage permettent de produire de l’électricité au moment où on en a le plus besoin, notamment au moment des pointes de consommation.

En France, la mise en place des premières STEP remonte à plus d’un demi-siècle. (Lac Blanc-Lac Noir dans le massif des Vosges).

Pour l’instant, les STEP françaises n’ont été développées que sur le réseau métropolitain, et sont donc majoritairement de grande puissance (plusieurs centaines de MW à plus de 1000 MW).

Elles contribuent à la stabilité du réseau en injectant rapidement de la puissance en cas de déficit de production, et permettent de limiter le recours aux turbines à combustion (TAC). A l’inverse, en base ou cas de surproduction sur l’ensemble du réseau, elles pompent de l’eau dans le réservoir amont et augmentent ainsi la puissance consommée sur le réseau. Ce type de STEP de grande envergure nécessite de très hauts dénivelés, des retenues de très grande envergure et des réseaux dont la puissance totale installée dépasse très largement les puissances mises en jeu sur des réseaux insulaires.

La puissance des STEP installées en France est de 4900 MW, dont 1800 MW pour celle de Grand’Maison en Isère. Le réseau français a une pointe en puissance de 108 GW, et les STEP ne représentent donc que 3.7% de cette pointe. Ces STEP ont un temps de réaction inférieur à 5 minutes, et contribuent rapidement à la stabilisation du réseau. Elles sont régulièrement utilisées dans cette optique, tout comme l’importation d’électricité en provenance des pays voisins.

Il existe des projets en milieux insulaires :

• Projet EL HIERRO (Iles Canaries – Espagne) : Ile de 10.000 habitants dont la production est actuellement assurée à 95% par des moyens diesels et à 5% par de l’énergie éolienne (Puissance totale installée 10MW). L’objectif du programme est de satisfaire l’intégralité des besoins en électricité par des sources d’énergies renouvelables, grâce à la combinaison d’une centrale STEP de 9.9 MW (3 x 3.3 MW Pelton) avec 2 x 200.000 m3 de stockage et 700m de hauteur de chute (assurant théoriquement sept jours d’autonomie totale de l’île sans vent), et d’une centrale éolienne de 9.35 MW. L’énergie solaire photovoltaïque n’est pas considérée de façon majeure dans le programme (50kWc au total). Le programme a été lancé en 1997, mais ne semble pas encore avoir débouché sur une réalisation concrète à l’heure actuelle (http://www.insula-elhierro.com)
• Projet Energy Island (KEMA – Pays-bas) : Projet développant le concept de lagon artificiel implanté au large des côtes néerlandaises, en eaux peu profondes, et permettant le stockage/déstockage entre l’intérieur du lagon (bassin aval) et l’océan (bassin amont) avec une hauteur totale de 40m environ entre les deux réservoirs. La production serait assurée par des groupes turbines/pompes réversibles et l’installation d’éoliennes sur les berges du lagon artificiel. Le concept prévoit une puissance turbinée maximale de 1500 MW, une énergie stockée de 20 000 MWh, avec une surface de lagon de 40km2. L’horizon visé pour le projet est 2020. L’envergure du projet le destine à des applications exclusivement interconnectées à des réseaux d’envergure. (http://www.kema.com)

Des projets commencent à voir le jour en France où la problématique des réseaux isolés existe principalement en Corse et dans les départements d’outre-mer. Au niveau du CFBR, on peut citer les exposés de François Lempérière (Symposium CFBR 2009) « L’avenir des barrages est-il en mer ? » ainsi que la communication de Michel Ayoub et Claude Bessière au Symposium de 2012 « Projet de STEP marine en Guadeloupe ».

Le rapport général de la question Q88 du Congrès de Brasilia « Barrages et hydroélectricité » en 2009 permet également de trouver les informations essentielles sur l’énergie hydroélectrique qui constitue 90% de la production des énergies renouvelables.