5. Chapitre 4. Centrale hydroélectrique

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Chapitre 4. Centrale hydroélectrique
4.1. Introduction
4.1.1. Histoire de l’hydroélectricité
L’utilisation de l’énergie potentielle et cinétique de l’eau en vue de réaliser du travail
date de l’antiquité avec les grecques. Ceux-ci utilisaient la roue hydraulique pour
pomper l’eau ou pour moudre le blé. Cependant, l’emploi des esclaves et des animaux
pour certains travaux retarda son application généralisée jusqu’au 12
e
siècle.
En effet, jusqu'à la Révolution Industrielle, le bois et la force animale fournissaient
l'essentiel de l'énergie utilisée par l'homme. Mais, utilisée depuis longtemps pour
entraîner des machines, l'énergie hydraulique fournissait la plus grande partie de
l'énergie mécanique.
Le principe de l’hydroélectricité est d’utiliser la force de l’eau grâce à une hauteur de
chute (barrage artificiel ou chute d’eau naturelle) pour qu’elle entraîne une turbine reliée
à un générateur d’électricité. Certains barrages hydroélectriques sont équipés d’une
centrale de pompage –turbinage. Celle-ci dispose obligatoirement d’un bassin inférieur.
Ce type de centrale peut, au choix, turbiner l’eau en cas de forte demande d’électricité,
ou profiter, pendant les heures de faible demande, des excédents d’électricité
disponibles pour pomper l’eau depuis le bassin inférieur et la remonter derrière le
barrage. L’énergie potentielle de l’eau est soit stockée (pompage), soit utilisée
(turbinage).
L'énergie hydraulique est une énergie peu concentrée : pour produire 1 kWh électrique
dans une usine ayant un rendement de 85 %, il faut faire chuter 10 tonnes d'eau d'une
hauteur de 40 m. Il en résulte que, pour produire des quantités importantes d'électricité,
il faut soit disposer de gros débits (se comptant en milliers de m
3
par seconde), soit
disposer d'une grande hauteur de chute (se comptant en centaines de mètres), soit les
deux. Il faut en outre que l'eau soit disponible en quantités suffisantes, ce qui dépend du
bassin versant et de la pluviométrie. Même si dans les pays industrialisés on peut dire
que l’exploitation hydroélectrique est saturée, dans les pays en voie de développement
par contre le potentiel exploitable demeure encore très important et son exploitation à
grande échelle peut contribuer abondamment à l’augmentation de la consommation de
l’hydroélectricité dans le monde.
4.1.2. Situation de l’hydroélectricité dans le monde
Aujourd'hui, l'énergie hydraulique représente 6 à 7 % de l'énergie consommée
mondialement, mais environ 16 % de l'électricité. Les industries textile et du cuir ainsi
que les ateliers de construction des machines contribuèrent pour beaucoup au début du
19
e
siècle à son expansion. L’énergie hydraulique aida à la croissance des nouvelles
cités industrielles qui se développèrent en Europe et en Amérique au milieu du 19
e
siècle.
Aujourd’hui, la production hydraulique représente plus de 50 % de l'électricité générée
dans 61 pays, plus de 80 % dans 31 pays et près de 100 % dans 13 pays. En RDC, plus
de 98 % d’électricité consommée dans le pays est d’origine hydraulique.

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Les principaux pays producteurs de l’hydroélectricité dans le monde en 2012 étaient
ceux repris dans le tableau 4.1.
Tableau 4.1. Principaux pays producteurs de l’hydroélectricité en 2012
Pays Production (TWh) Part (%)
Chine 823,3 22,5
Brésil 416,3 11,4
Canada 380,1 10,4
USA 298,1 8,1
Russie 164,8 4,5
Norvège 142,9 3,9
Inde 114,8 3,1
Japon 85,7 2,3
Venezuela 82,4 2,2
Suède 78,6 2,1
Reste monde 1.075,9 29,4
Monde 3.663,4 100,0
4.1.3. Avantages et inconvénients de l’hydroélectricité
Comme la plupart des activités humaines et industrielles, l'exploitation de l'énergie
hydraulique présente des avantages et des inconvénients pour l'environnement, pour la
santé et pour les aspects sociaux.
a) Pour l'environnement
Les grands aménagements hydrauliques modifient les écosystèmes. Souvent les digues
et les ouvrages d'art destinés à favoriser la navigation sont menacés. Les zones de
frayage (où les poissons déposent les œufs ou les fécondent) sont aussi menacées.
Il est également essentiel que l'eau qui est turbinée poursuive sa route vers son exutoire
(canal pour l’écoulement des eaux) normal : les modifications de l'environnement
proviennent plutôt de prélèvements importants effectués pour d'autres usages que la
production d'électricité, notamment l'irrigation ; l'exemple le plus connu est celui des
fleuves qui débouchent dans la mer et y arrivent pratiquement exsangues (dépourvues
de force), ce qui a pour effet de provoquer un assèchement de cette mer. Ceci est
d'autant plus absurde que le mauvais drainage des terres agricoles a conduit à gâcher
l'eau d'irrigation sans bénéfice agricole.
Un des principaux avantages de l'énergie hydraulique, est que, dans la plupart des cas,
elle ne rejette pas de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Si les 16 % d'électricité
d'origine hydraulique étaient produits dans des centrales à charbon, les rejets de CO
2
dans l'atmosphère seraient majorés de 500 à 600 mégatonnes de carbone contenu, alors
qu'ils sont déjà beaucoup trop élevés. Dans certains cas, cet avantage risque d'être
compensé, au moins de façon transitoire, par des rejets de méthane, gaz à effet de serre
plus "efficace" que le CO
2
, mais à durée de vie plus courte. Lorsque la retenue de
l'aménagement hydraulique couvre une importante zone à forte végétation, la
décomposition des matières végétales produit du méthane rejeté dans l'atmosphère et,
consomme l'oxygène contenu dans l'eau qui peut devenir impropre à la vie aquatique.
Ce genre de situation est susceptible de se rencontrer dans les zones tropicales avec des

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retenues de faible profondeur et nécessite des mesures particulières de protection de
l'environnement. Ces problèmes ont en général un caractère transitoire.
b) Pour la santé
L'énergie hydraulique a été dans de nombreux pays, et notamment en Europe, le premier
moyen de produire des quantités importantes d'électricité. C'est dire que l'énergie
hydraulique a très fortement contribué au redressement économique des pays européens
et, par là même, à l'amélioration de la santé.
Dans les pays à climat tempéré, on ne connaît pas d'effet nocif pour la santé de l'énergie
hydraulique. Dans les pays tropicaux par contre, certains aménagements hydrauliques
mal conçus conduisent à la diffusion de maladies hydriques, et notamment du paludisme
et de la bilharziose (ou schistosomiase). Les problèmes rencontrés sont cependant au
moins autant imputables aux réseaux d'irrigation qu'aux retenues des barrages et les
traitements préventifs et curatifs existent même s’ils ne sont pas souvent mis à la
disposition des populations concernées.
c) Pour les aspects sociaux
Un des principaux griefs fait à l'énergie hydraulique est qu'il nécessite souvent des
déplacements de population. De tout temps, en effet, les rivières et les fleuves ont été
des lieux privilégiés d'habitat.
Dans les zones de montagne, il s'agit le plus souvent de hameaux (groupement de
plusieurs maisons rurales) ou de terres à usages agropastoraux. Bien que traumatisant
pour les quelques familles affectées, le changement peut être accompagné et il est
possible de proposer à ces familles un cadre de vie peu différent que celui qu'elles
connaissaient avant, confort en plus ou de les accompagner dans un changement
qu’elles peuvent souhaiter ou accepter.
Dans une plaine, les conséquences peuvent être beaucoup plus importantes, et l'impact
social plus difficile à maîtriser. C’est le déplacement de populations qui constitue le
plus grand impact social comme c’était le cas du barrage des Trois-Gorges, en Chine,
qui avait provoqué le déplacement de près de 2 millions de personnes.
4.2. Les aménagements hydroélectriques.
Compte tenu de l’importance que pourrait jouer la technologie hydroélectrique dans
notre pays, fonction du potentiel impressionnant qu’il dispose, les lignes qui suivent
traitent principalement des petits aménagements hydroélectriques.
4.2.1. Mesure et étude des variations de débit
1. Mesure du débit
Selon l’importance du débit, il existe plusieurs techniques : Jaugeage par capacité,
Jaugeage par mesure de vitesses superficielles, Jaugeage par déversoir et Jaugeage au
moulinet. En montagne, on utilise parfois le jaugeage chimique. Des techniques basées
sur les ultrasons ont fait aujourd'hui leur apparition. En pratique, pour les petits cours

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d'eau, on utilise surtout le jaugeage au flotteur et le jaugeage au déversoir rectangulaire
et pour les plus importants, le jaugeage au moulinet.
1.1. Jaugeage au flotteur
On se place dans une portion du cours d'eau où le lit est rectiligne, bien calibré et de
section constante (figure 4.1).
Figure 4.1. Jaugeage par flotteur
On mesure la vitesse superficielle, à l'aide d'un flotteur qui se déplace à la surface de
l'eau. Soit t le temps mis par le flotteur pour aller de la section A à la section B distantes
de L. La vitesse superficielle de l'eau sur la ligne considérée est :
t
L
V= (4.1)
On recommence pour diverses parallèles aux rives, équidistantes entre elles.
Soient V
gs1
, V
s2
et V
s3
les vitesses superficielles mesurées. On calcule la vitesse
superficielle moyenne V
sm
par la relation :
3
321 sss
sm
VVV
V
+
+
= (4.2)
Si S, désigne la valeur de la section droite du cours d'eau, le débit du cours d'eau est
donné par la relation :
sm
VSkQ .. = (4.3.)
Avec k =0,8 pour un écoulement fluvial et k = 0,6 pour un écoulement torrentiel.
La détermination du débit à l'aide de flotteur peut être appliquée aux petits cours d'eau
comme aux grands cours d'eau. L’incertitude sur le résultat est de l'ordre de 15 %.
1.2 Jaugeages au déversoir
Un déversoir peut être constitué par une planche ou par une plaque d'acier biseautée
(figure 4.2).

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a. Déversoir rectangulaire de Bazin
Si le cours d'eau est canalisé avec des berges bétonnées, on peut placer en travers du
canal, perpendiculairement aux rives, le déversoir. La lame d'eau déversante doit être
bien aérée en dessous pour éviter ses battements contre le déversoir et la stabiliser. Dans
ce but, on creuse dans les rives du canal, au droit du déversoir, de petits puits pour
permettre cette aération.
Si on appelle h, la hauteur de l'eau au-dessus de l'arête du déversoir, à une distance à
amont du déversoir de 6 à l0 h, L la largeur du déversoir, le débit est donné par la
formule de Bazin:
ghhLmQ 2..= (4.4)
g étant l'accélération de la pesanteur: g = 9,8 m /s
2
. Le coefficient de débit m est égal à
environ 0,41-0,42 ; ce qui donne tous calculs faits :
2/3
83,1 LhQ = (4.5.)
L et h doivent être exprimées en m et Q en m
3
/s
b. Déversoir rectangulaire échancré
Lorsque les rives du cours d'eau ne sont pas verticales (c'est généralement le cas), on
peut installer sur le cours d'eau, un déversoir rectangulaire échancré.
Si on appelle L, la largeur de l'échancrure, h la hauteur de la lame d'eau au-dessus du
seuil déversant, le débit est donné par la relation :
2/3
)2,0(83,1 hhLQ −= (4.6)
Cette relation constitue la formule de Francis.
Figure 4.2. Les divers modèles de déversoirs