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CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS
PARIS
MEMOIRE
présenté en vue d'obtenir
le DIPLOME D'INGENIEUR CNAM
SPECIALITE : Energétique
OPTION : Thermique du bâtiment
par
Stéphane LERAY
___________________
Contexte et enjeux de l’hydroélectricité
Diagnostic énergétique d’une ancienne installation hydroélectrique de basse
chute (Pont-Rolland, Côtes d’Armor) par simulation numérique
Soutenu le 29 Avril 2019
_________________
JURY
PRESIDENT : Christophe MARVILLET Professeur du Cnam
MEMBRES : Florine GIRAUD Maître de conférences
Issa JAFFAL Maître de conférences
Jacques GUILPART Directeur MF Conseil
Serge BRESIN Directeur Conditionair
A propos de ce mémoire
En Septembre 2016, j’ai présenté un premier travail d’étude sur le stockage d’électricité par
STEP, pour l’Unité d’Enseignement ENG229 « Information et communication pour
l’ingénieur en énergétique » du CNAM. J’ai sélectionné des articles scientifiques que j’ai
résumés dans un rapport d’études, avec soutenance orale. Avant de choisir les STEPs, je
m’étais intéressé à la remise en exploitation des moulins pour l’hydroélectricité mais j’avais
trouvé trop peu d’articles scientifiques sur la petite hydro. J’ai ensuite repris ces thèmes et
découvert encore beaucoup de choses passionnantes et complexes pour aboutir aujourd’hui
à ce mémoire, même s’il reste encore beaucoup à ajouter sur l’hydroélectricité !
Remerciements
Je remercie le CNAM et ses professeurs pour les connaissances variées acquises au cours de
cette formation d’ingénieur. L’ensemble des modules constitue un équilibre intéressant entre
les matières techniques (théoriques ou plus pratiques) et la connaissance des entreprises en
général. J’ai apprécié cette forme moderne d’enseignement à distance (par internet) qui
permet d’être en permanence alimenté en cours, TD et vidéos, d’échanger si nécessaire avec
les professeurs et d’organiser son temps à son propre rythme, loin de Paris.
Je remercie Mr Christophe Marvillet pour avoir encadré ce travail de fin d’études et pour
avoir été jury, déjà, lors de mon oral pour l’UE ENG229. J’ai apprécié la grande liberté dont
j’ai bénéficié pour traiter ces sujets, ainsi que les conseils avisés (par exemple celui de
contacter Mr Vidil).
Je remercie Mr Roland Vidil (Hydro 21) et Mr Dominique Raison (ENERCOOP Bretagne)
qui se sont intéressés à ce travail et m’ont mis en contact avec Mr Reiller et Mr Laffont.
Je remercie Mr Patrick Laffont pour sa lecture et ses remarques intéressantes ; j’ai pu
bénéficier de ses connaissances du barrage de Pont-Rolland au cours d’une longue et riche
discussion.
Je remercie enfin Mr Jean-Philippe Reiller (Alpes Hydro) pour sa lecture, sa liste de
remarques précises et pertinentes et les nombreux compléments d’informations qu’il m’a
apportés.
Coordonnées
Stéphane Leray, email : [email protected] , téléphone : 06.51.14.65.82
mailto:[email protected]
3
Glossaire et abréviations
(les mots et les sigles suivis du symbole ˟ -à leur première utilisation- sont définis ici)
Sigle, terme Nom complet et/ou définition.
ADEME Agence de l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie www.ademe.fr
AFB Agence Française de Biodiversité www.afbiodiversite.fr
Agence de l’eau Etablissement public de gestion d’un bassin (ressource, milieu, …).
www.lesagencesdeleau.fr
Amphibiotique Les organismes amphibiotiques (ou amphihalins) changent de milieu, entre eau
salée et eau douce (poissons : saumon, truite de mer, alose, anguille, …)
Anthropique Un élément anthropique est d’origine d’humaine
Banque Hydro Banque de données sur l’hydrologie des cours d’eau français
http://www.hydro.eaufrance.fr
Bassin Versant Territoire qui alimente un cours d’eau, délimité par les lignes de partage des eaux
Batardeau Ouvrage provisoire pour détourner ou contenir les eaux pendant des travaux
fluviaux
BE Bureau d’études
Bief Un barrage sépare un cours d’eau en 2 plans d’eau appelés biefs (bief amont, bief
aval)
BNPE Banque de données sur les prélèvements en eau en France
http://www.bnpe.eaufrance.fr
BRGM Bureau de Recherche Géologique et Minière
CA Chiffre d’affaires
Canal Structure artificielle qui permet la navigation ou le transport de l’eau
CARMEN CARtographie du Min. de l’ENvironnement (données environnementales, accès
aux cartes des SDAGE, des DREAL, …) http://carmen.naturefrance.fr/
CBFR Comité Français des Grands Barrages http://www.barrages-cfbr.eu
CE Code de l’Environnement. www.legifrance.gouv.fr/
CEnergie Code de l’Energie www.legifrance.gouv.fr/
CEMAGREF Centre national du machinisme agricole, du génie rural, des eaux et des forêts (nom
obsolète, l’organisme est devenu l’IRSTEA en 2011)
CETMEF Centre d’Etudes Techniques Maritimes et Fluviales
Charge d’une
turbine Rapport entre le débit (actuel) et le débit d’équipement
CNPN Conseil National pour la Protection de la Nature www.conservation-nature.fr
Consignes
d’exploitation
Consignes de gestion pour réguler le niveau d’eau et les réserves d’eau, gérées
manuellement et/ou automatiquement, pour les situations normales et critiques
(crues, étiages) [VNF]
CRE Commission de Régulation de l’Energie www.cre.fr
Crue Augmentation de débit ou de hauteur d’eau pouvant provoquer un débordement et
une inondation [VNF]
DCE
Directive-Cadre sur l’Eau (EU, 2000) fixant notamment des objectifs de qualité de
l’eau des rivières à atteindre. English : WFD -Water Framework Directive. Texte EU : http://eur-lex.europa.eu/legal-content/FR/TXT/?uri=celex:32000L0060
Transposition en droit FR : http://www.eaufrance.fr/comprendre/la-politique-
publique-de-l-eau/la-directive-cadre-sur-l-eau
DD Développement Durable
DDT(M) Direction Départementale des Territoires (et de la Mer)
Débit réservé Débit réglementaire qu’un ouvrage hydraulique doit laisser passer à son aval
immédiat
Dévalaison Déplacement des poissons vers l’aval
http://www.ademe.fr/http://www.afbiodiversite.fr/http://www.lesagencesdeleau.fr/http://www.hydro.eaufrance.fr/http://www.bnpe.eaufrance.fr/http://carmen.naturefrance.fr/http://www.barrages-cfbr.eu/http://www.legifrance.gouv.fr/http://www.legifrance.gouv.fr/http://www.conservation-nature.fr/http://www.cre.fr/http://eur-lex.europa.eu/legal-content/FR/TXT/?uri=celex:32000L0060http://www.eaufrance.fr/comprendre/la-politique-publique-de-l-eau/la-directive-cadre-sur-l-eauhttp://www.eaufrance.fr/comprendre/la-politique-publique-de-l-eau/la-directive-cadre-sur-l-eau
4
Digue Ouvrage artificiel qui retient l’eau (rivière, canal) au-dessus du terrain naturel et/ou
limite l’expansion des crues
DPF Domaine Public Fluvial
DREAL Direction Régionale de l’Environnement, de l’Aménagement et du Logement
Eclusée Une installation hydroélectrique est ‘à l’éclusée’ lorsqu’elle dispose d’une retenue
amont qui peut stocker de l’eau pour quelques heures/jours de production.
Effaçable Un barrage mobile est effaçable s’il peut être ouvert en cas de crue pour ne plus
opposer d’obstacle à l’écoulement de l’eau
EnR Energies renouvelables
ENTSO-E European Network of Transmission System Operators for Electricity (association
de gestionnaires des réseaux de 34 pays)
Etiage En hydrologie, c’est la période de l’année (statistiques sur plusieurs années) où le
niveau d’eau est le plus bas (basses eaux) [eaufrance.fr]
Evacuateur de
crue
Organe hydraulique d’un barrage-réservoir destiné à assurer le transit des crues
[CBFR]
Facteur de
charge
Rapport entre l’énergie produite et l’énergie qu’aurait pu produire une installation
si cette dernière fonctionnait à sa capacité maximale [RTE]
Fréquence La fréquence au dépassement d’un évènement est la probabilité que cet évènement
soit atteint ou dépassé chaque année [eaufrance.fr]
GES Gaz à effet de Serre
GIEC Groupe Intergouvernemental d’experts sur l’évolution du climat (IPCC en anglais)
www.ipcc.ch
Harmoniques La marée peut être représentée par un ensemble de fonctions harmoniques
(sinusoïdes) caractérisées par une amplitude et un déphasage
Hauteur de
chute brute Différence de niveau d’eau entre l’amont et l’aval d’un ouvrage
Hauteur de
chute nette
Différence de niveau entre l’amont et l’aval, diminuée des pertes de charges de
l’installation (exprimées en m)
hc, hp, hpointe Période en heures creuses (hc), heures pleines (hp) ou heures de pointe (hpointe)
Holobiotique Les poissons holobiotiques restent dans le même milieu au cours de leur vie (truite,
ombre, brochet, gardon, …)
IHO International Hydrographic Organisation. www.iho.int
Intervalle de
confiance
Paramètre qui indique que la valeur d’une grandeur a statistiquement x % de
chance de se situer entre une borne supérieure et une borne inférieure
INPN Inventaire National du patrimoine Naturel (géré par le Muséum d’Histoire
Naturelle). https://inpn.mnhn.fr
IOTA Installations, Ouvrages, Travaux et Activités
IRENA Agence internationale de l’énergie renouvelable www.irena.org
IRSTEA
Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour l’Environnement et
l’Agriculture www.irstea.fr
Base de données des stations hydro et des bassins versants :
https://webgr.irstea.fr/activites/base-de-donnees/
LCOE Coût de l’énergie (Levelized Cost of Energy)
LCOS Coût du stockage (Levelized Cost of Storage)
LEMA Loi sur l’Eau et les Milieux Aquatiques (Fr, 2006)
Loi TECV Loi relative à la Transition Energétique pour la Croissance Verte (17 Aout 2015)
avec notamment 2 objectifs pour 2030 : -30% de GES, 32% EnR.
Module Le module, ou débit moyen interannuel, est la moyenne des débits annuels sur une
période suffisamment longue pour être représentative [eaufrance]
Marnage
Fluctuation du niveau de l’eau, notamment employée pour les marées (différence
de niveau entre la marée haute et la marée basse) et pour les retenues d’eau
d’usines hydroélectriques (différence entre les niveaux extrêmes d’exploitation)
M€ Million d’euros
http://www.ipcc.ch/http://www.iho.int/https://inpn.mnhn.fr/http://www.irena.org/http://www.irstea.fr/https://webgr.irstea.fr/activites/base-de-donnees/
5
Md€ Milliard d’euros
Mm³ Million de m³
Montaison Déplacement des poissons vers l’amont
NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration (USA) www.noaa.gov
ONEMA Office National de l’Eau et des Milieux Aquatiques (intégré dans l’AFB)
PCH Petite Centrale Hydroélectrique
Période de
retour
La période de retour est l’inverse de la fréquence, c’est la récurrence de
l’évènement [eaufrance.fr]
PLAGEPOMI Plan de gestion des poissons migrateurs (à l’échelle régionale)
PPE
Programmation Pluriannuelle de l’Energie, pour piloter les actions publiques
énergétiques https://www.ecologique-solidaire.gouv.fr/programmations-
pluriannuelles-lenergie-ppe
PPI Programmation Pluriannuelle des Investissements de production électrique, à
caractère informatif
Productible Le productible est la production électrique
Récolement Contrôle après construction d’un ouvrage autorisé par décision administrative
Règlement
d’eau
Arrêté préfectoral qui décrit l’installation et instaure des objectifs et des modes
d’exploitation (débit réservé, …) [eaufrance.fr].
RES Renewable Energy Source (directive européenne sur les EnR)
RN (Retenue
Normale)
Il s’agit du niveau réglementaire qu’un ouvrage doit assurer en exploitation
normale, ou de la cote maximale en exploitation normale hors crue [VNF].
ROE Référentiel des Obstacles à l’Ecoulement (base de données)
http://carmen.carmencarto.fr/66/ka_roe_current_metropole.map
SAGE
Schéma d’Aménagement et de Gestion des Eaux (document d’orientation pour la
politique locale de l’eau, qui s’impose à toute décision administrative).
http://www.gesteau.fr/sage
SANDRE Service d’Administration National des Données et Référentiels sur l’Eau
SDAGE Schéma Directeur d’Aménagement et de Gestion des Eaux (planification de la
gestion de l’eau par bassin) http://www.gesteau.fr/consulter-les-sdage
SHOM Service Hydrographique et Océanographique Maritime www.shom.fr
SOeS Service de l’Observation et des statistiques (Ministère de l’Environnement)
Soutien d’étiage Action d’augmenter le débit d’un cours d’eau en période d’étiage˟ à partir d’un
ouvrage hydraulique [eaufrance.fr]
SPE Service de Police de l’Eau
SRCAE Schéma Régional Air Climat Energie (loi Juillet 2010), contenant notamment des
engagements d’EnR pour 2020
SRCE Schéma Régional de Cohérence Ecologique
STEP Station de Transfert d’Eau par Pompage
Surcote Désigne ici l’augmentation de la marée due aux conditions météorologiques
TCC Tronçon Court-Circuité : partie de la rivière entre la prise d’eau d’un barrage
hydroélectrique et la restitution
UICN Union Internationale pour la conservation de la Nature www.iucn.org
US DOE US Department of Energy
US EIA US Energy Information Administration
Volume utile
C’est le volume instantané utilisable pour la finalité de la retenue d’eau [CBFR].
Le volume utile maximal est défini par la différence entre le niveau maximal et le
niveau minimal d’exploitation.
Znieff Zone Naturelle d’Intérêt Ecologique, Faunistique et Floristique
https://inpn.mnhn.fr/zone/znieff/listeZnieff
http://www.noaa.gov/https://www.ecologique-solidaire.gouv.fr/programmations-pluriannuelles-lenergie-ppehttps://www.ecologique-solidaire.gouv.fr/programmations-pluriannuelles-lenergie-ppehttp://carmen.carmencarto.fr/66/ka_roe_current_metropole.maphttp://www.gesteau.fr/sagehttp://www.gesteau.fr/consulter-les-sdagehttp://www.shom.fr/http://www.iucn.org/https://inpn.mnhn.fr/zone/znieff/listeZnieff
6
Table des matières
Glossaire et abréviations ........................................................................................................ 3
Table des matières ................................................................................................................. 6
Introduction ......................................................................................................................... 11
I LES INTERVENANTS, LES ACTEURS .................................................................................................. 13
I.1 L’UNION EUROPEENNE ................................................................................................................. 13
I.2 LES ACTEURS PUBLICS EN FRANCE ................................................................................................ 13
I.3 EDF, RTE ET ENEDIS ................................................................................................................. 17
I.4 LES ACTEURS PRIVES ET ASSOCIATIFS ........................................................................................... 18
I.5 LA BANQUE MONDIALE ................................................................................................................ 19
II L’EAU, LA RESSOURCE EN EAU ......................................................................................................... 20
II.1 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 20
II.2 LA COMPOSITION DE L’EAU ...................................................................................................... 20
II.3 LE CYCLE DE L’EAU .................................................................................................................. 20
II.3.1 L’eau liquide ....................................................................................................................... 21
II.3.2 L’eau dans l’atmosphère ..................................................................................................... 21
II.3.3 L’eau solide ........................................................................................................................ 21
II.3.4 L’infiltration ....................................................................................................................... 22
II.3.5 L’évaporation ...................................................................................................................... 22
II.3.6 La fonte des glaces .............................................................................................................. 22
II.4 LES USAGES DE L’EAU .............................................................................................................. 22
II.4.1 L’usage total pour l’homme ................................................................................................ 23
II.4.2 L’usage domestique ............................................................................................................ 24
II.4.3 L’industrie ........................................................................................................................... 24
II.4.4 L’agriculture ....................................................................................................................... 25
II.4.5 L’hydroélectricité................................................................................................................ 25
III L’EAU, LE COURS D’EAU, LES MILIEUX AQUATIQUES ...................................................................... 26
III.1 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 26
III.2 L’ETUDE HYDROLOGIQUE D’UN COURS D’EAU ......................................................................... 26
III.2.1 Les stations hydrométriques ........................................................................................... 28
III.2.2 Les crues ........................................................................................................................ 30
III.2.3 Les étiages et la sécheresse ............................................................................................ 33
III.3 ELEMENTS DE MORPHOLOGIE D’UN COURS D’EAU .................................................................... 34
III.4 LES USAGERS DU COURS D’EAU ................................................................................................ 35
III.4.1 Les loisirs, la pêche ........................................................................................................ 35
III.4.2 Le transport fluvial ......................................................................................................... 35
III.5 ELEMENTS D’ENVIRONNEMENT ................................................................................................ 35
III.5.1 Histoire (accélérée) de la protection de l’environnement ............................................... 35
III.5.2 Quelques problèmes ....................................................................................................... 37
III.5.3 Quelques principes ......................................................................................................... 38
III.5.4 La santé .......................................................................................................................... 39
III.5.5 L’eau .............................................................................................................................. 39
III.5.6 Le milieu aquatique ........................................................................................................ 40
III.5.7 Les milieux humides ...................................................................................................... 41
III.5.8 La biodiversité................................................................................................................ 41
III.5.9 Les aires de protection ................................................................................................... 44
7
III.6 LA GESTION DE L’EAU ET DES COURS D’EAU ............................................................................ 46
III.7 LA GESTION DES PROJETS IMPACTANT L’EAU ET UN COURS D’EAU ........................................... 49
IV LE CHANGEMENT CLIMATIQUE ....................................................................................................... 51
IV.1 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 51
IV.2 LA CAUSE : LES GES ................................................................................................................ 52
IV.3 LES EFFETS ............................................................................................................................... 53
IV.3.1 L’augmentation de température ..................................................................................... 53
IV.3.2 Les effets sur la glace, la neige et le niveau des mers .................................................... 56
IV.3.3 L’impact sur l’évaporation ............................................................................................. 57
IV.3.4 L’impact sur les précipitations ....................................................................................... 57
IV.3.5 L’impact sur le ruissellement ......................................................................................... 58
IV.3.6 L’impact sur les débits ................................................................................................... 58
IV.3.7 L’impact sur les sols ...................................................................................................... 61
IV.3.8 L’impact sur les végétaux .............................................................................................. 62
IV.3.9 L’impact sur les animaux ............................................................................................... 62
IV.3.10 L’impact sur les hommes ............................................................................................... 62
IV.4 LA LUTTE CONTRE LE CHANGEMENT CLIMATIQUE .................................................................... 64
IV.4.1 L’atténuation des changements climatiques ................................................................... 64
IV.4.2 L’adaptation aux changements climatiques ................................................................... 65
IV.4.3 Equilibre entre atténuation et adaptation aux changements climatiques ........................ 65
V L’HISTOIRE DE L’ENERGIE HYDRAULIQUE ...................................................................................... 67
V.1 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 67
V.2 LA VIS D’ARCHIMEDE .............................................................................................................. 67
V.3 LE MOULIN A EAU ..................................................................................................................... 67
V.4 LA VALORISATION DE L’ENERGIE HYDRAULIQUE ..................................................................... 69
V.4.1 La roue hydraulique verticale ............................................................................................. 69
V.4.2 La roue hydraulique horizontale ......................................................................................... 71
V.4.3 Les turbines hydrauliques ................................................................................................... 73
V.5 LES PREMIERES INSTALLATIONS HYDROELECTRIQUES ............................................................. 77
VI L’ELECTRICITE ................................................................................................................................ 78
VI.1 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 78
VI.2 LA CONSOMMATION ELECTRIQUE ............................................................................................. 79
VI.2.1 La consommation électrique en France .......................................................................... 79
VI.2.2 La consommation électrique en Europe ......................................................................... 82
VI.2.3 La consommation électrique dans le monde .................................................................. 82
VI.3 LES FILIERES DE PRODUCTION ELECTRIQUE .............................................................................. 83
VI.4 LA CAPACITE ELECTRIQUE ........................................................................................................ 85
VI.4.1 La capacité électrique en France .................................................................................... 85
VI.4.2 La capacité électrique dans le monde ............................................................................. 89
VI.5 LA PRODUCTION ELECTRIQUE ................................................................................................... 91
VI.5.1 La production électrique en France ................................................................................ 91
VI.5.2 La production électrique en Europe ............................................................................... 92
VI.5.3 La production électrique dans le monde ........................................................................ 93
VI.6 L’EQUILIBRE ENTRE PRODUCTION ET CONSOMMATION ............................................................ 94
VI.6.1 L’infrastructure de transport électrique .......................................................................... 94
VI.6.2 Le stockage .................................................................................................................... 96
VI.6.3 L’ajustement de l’offre ................................................................................................... 97
VI.6.4 Le prix de l’électricité .................................................................................................... 99
8
VII LES INSTALLATIONS HYDROELECTRIQUES ............................................................................... 103
VII.1 CLASSIFICATIONS ................................................................................................................... 103
VII.1.1 Classification selon le temps de remplissage ............................................................... 103
VII.1.2 Autres classifications techniques ................................................................................. 103
VII.1.3 Les classifications administratives ............................................................................... 106
VII.1.4 Les types de contrat de revente de l’électricité ............................................................ 108
VII.2 ELEMENTS ENVIRONNEMENTAUX ........................................................................................... 110
VII.2.1 Le classement du cours d’eau ...................................................................................... 110
VII.2.2 Les passes à poissons ................................................................................................... 110
VII.2.3 Les turbines bridables .................................................................................................. 111
VII.2.4 Le démantèlement des barrages ................................................................................... 111
VII.3 ELEMENTS TECHNIQUES (DEBITS, CHUTE, POTENTIEL, PUISSANCE, PRODUCTIBLE) ................. 118
VII.3.1 Le débit du cours d’eau et ses variations ...................................................................... 118
VII.3.2 La hauteur de chute et ses variations ............................................................................ 118
VII.3.3 La courbe de tarage ...................................................................................................... 119
VII.3.4 Le débit d’équipement.................................................................................................. 119
VII.3.5 Le débit d’armement .................................................................................................... 120
VII.3.6 Le volume exploité ....................................................................................................... 120
VII.3.7 Le potentiel hydro ........................................................................................................ 121
VII.3.8 La puissance ................................................................................................................. 121
VII.3.9 La production annuelle ................................................................................................. 122
VII.3.10 La durée annuelle de fonctionnement .......................................................................... 123
VII.4 DESCRIPTION DU SITE ET DE L’INSTALLATION ........................................................................ 123
VII.4.1 Le site ........................................................................................................................... 123
VII.4.2 Le barrage .................................................................................................................... 123
VII.4.3 La retenue d’eau ........................................................................................................... 127
VII.4.4 La prise d’eau ............................................................................................................... 127
VII.4.5 Les canaux, la conduite forcée ..................................................................................... 127
VII.4.6 Quelques organes ......................................................................................................... 128
VII.5 ELEMENTS SUR LES MOTEURS HYDRAULIQUES ....................................................................... 129
VII.5.1 Les turbines classiques ................................................................................................. 129
VII.5.2 La vis hydrodynamique ................................................................................................ 132
VII.5.3 Les autres types de moteurs hydrauliques .................................................................... 134
VII.5.4 Le choix de la turbine ................................................................................................... 136
VII.5.5 Les fabricants de turbines............................................................................................. 136
VII.6 ELEMENTS ECONOMIQUES ...................................................................................................... 136
VII.6.1 Le coût ......................................................................................................................... 136
VII.6.2 La recette brute............................................................................................................. 138
VII.6.3 La recette nette ............................................................................................................. 138
VII.6.4 Le temps de retour brut ................................................................................................ 139
VII.6.5 Les impôts .................................................................................................................... 139
VII.6.6 Les flux financiers ........................................................................................................ 139
VII.6.7 La rentabilité financière ............................................................................................... 140
VII.6.8 Le modèle économique des STEP ................................................................................ 140
VII.7 MONTAGES JURIDIQUES ET FINANCIERS ................................................................................. 141
VII.8 LES AVANTAGES ET LES INCONVENIENTS DE L’HYDROELECTRICITE ....................................... 143
VIII LA CAPACITE, LA PRODUCTION ET LE POTENTIEL HYDROELECTRIQUE ................................. 145
VIII.1 EN FRANCE ............................................................................................................................ 145
9
VIII.1.1 La capacité ................................................................................................................... 145
VIII.1.2 La production ............................................................................................................... 146
VIII.1.3 La valeur économique et sociale .................................................................................. 147
VIII.1.4 Le potentiel à développer ............................................................................................. 147
VIII.1.5 Les objectifs de développement de la capacité ............................................................ 150
VIII.2 EN EUROPE ............................................................................................................................. 151
VIII.2.1 La capacité et la production ......................................................................................... 151
VIII.2.2 La valeur économique et sociale .................................................................................. 152
VIII.2.3 Exemples de quelques pays .......................................................................................... 152
VIII.2.4 Le potentiel, les objectifs ............................................................................................. 154
VIII.3 DANS LE MONDE ..................................................................................................................... 155
VIII.3.1 La capacité ................................................................................................................... 155
VIII.3.2 La production actuelle .................................................................................................. 156
VIII.3.3 La valeur économique et sociale .................................................................................. 157
VIII.3.4 Exemples de quelques pays .......................................................................................... 157
VIII.3.5 Le potentiel hydroélectrique mondial .......................................................................... 159
IX LES IMPACTS DES INSTALLATIONS HYDROELECTRIQUES ............................................................. 161
IX.1 INTRODUCTION ....................................................................................................................... 161
IX.2 PRENDRE DU RECUL POUR L’EVALUATION DES IMPACTS ........................................................ 161
IX.3 LES IMPACTS SUR L’EAU ......................................................................................................... 162
IX.4 LES IMPACTS SUR L’AIR .......................................................................................................... 164
IX.5 LES IMPACTS SUR LES SEDIMENTS .......................................................................................... 165
IX.6 LES IMPACTS SUR LES SOLS .................................................................................................... 165
IX.7 LES IMPACTS SUR LA VIE AQUATIQUE ..................................................................................... 166
IX.8 LES IMPACTS SUR LES ZONES HUMIDES ................................................................................... 167
IX.9 LES IMPACTS SUR LES HOMMES .............................................................................................. 167
IX.10 CONCLUSION .......................................................................................................................... 170
X UN PROJET HYDROELECTRIQUE .................................................................................................... 171
X.1.1 Le Type de projet .............................................................................................................. 171
X.1.2 L’emplacement ................................................................................................................. 173
X.1.3 L’élaboration du projet d’une petite centrale hydroélectrique .......................................... 173
X.1.4 Les études techniques ....................................................................................................... 175
X.1.5 L’étude d’impact ............................................................................................................... 177
X.1.6 L’évaluation socio-économique et environnementale....................................................... 178
X.1.7 La Demande d’autorisation unique et son instruction ....................................................... 178
XI CREATION D’UN OUTIL NUMERIQUE DE CALCUL DE LA PRODUCTION HYDROELECTRIQUE ........ 180
XI.1 INTRODUCTION ....................................................................................................................... 180
XI.2 UN NOUVEL OUTIL NUMERIQUE .............................................................................................. 181
XI.2.1 Le principe et les caractéristiques de l’outil ................................................................. 181
XI.2.2 Les objectifs ................................................................................................................. 182
XI.2.3 Les avantages et inconvénients de l’outil ..................................................................... 182
XI.2.4 Les utilisateurs-cibles de l’outil ................................................................................... 183
XI.3 LES ENTREES DU LOGICIEL ..................................................................................................... 184
XI.3.1 Les constantes .............................................................................................................. 184
XI.3.2 Les lois d’évolution ...................................................................................................... 185
XI.3.3 Les fichiers de débit Q(t).............................................................................................. 185
XI.3.4 La hauteur de chute ...................................................................................................... 187
XI.3.5 La hauteur de la marée ................................................................................................. 188
10
XI.3.6 Les paramètres d’exploitation ...................................................................................... 189
XI.4 LES SORTIES DU LOGICIEL ...................................................................................................... 190
XI.4.1 Rapport d’exécution (fichier F8) .................................................................................. 190
XI.4.2 Fichier F1 d’évolution des variables (H,Q,V…) .......................................................... 192
XI.4.3 Fichier F12 de production électrique ........................................................................... 192
XI.4.4 Fichier F2 de ‘log’ de traitement (fichier technique) ................................................... 192
XI.5 QUELQUES DETAILS SUR LE PROGRAMME ............................................................................... 192
XI.6 LES LIMITES DE L’OUTIL, LES FUTURS DEVELOPPEMENTS ....................................................... 193
XII LES INSTALLATIONS DE PONT-ROLLAND ................................................................................. 196
XII.1 LE SITE ................................................................................................................................... 196
XII.2 L’HYDROLOGIE ...................................................................................................................... 199
XII.2.1 Le Gouessant à Andel .................................................................................................. 200
XII.2.2 L’Evron à Coëtmieux ................................................................................................... 204
XII.2.3 Le Gouessant au barrage de Pont-Rolland ................................................................... 205
XII.3 LES USAGES DE L’EAU ............................................................................................................ 211
XII.4 LA CONSOMMATION ELECTRIQUE REGIONALE ........................................................................ 214
XII.5 LA PRODUCTION ELECTRIQUE REGIONALE ET LOCALE ............................................................ 214
XII.6 L’INSTALLATION DE PONT-ROLLAND..................................................................................... 216
XII.7 LA SECURITE DU BARRAGE ..................................................................................................... 222
XII.8 L’ENVIRONNEMENT ................................................................................................................ 224
XII.9 QUELQUES ELEMENTS D’EXPLOITATION ................................................................................. 228
XII.10 LES MODES D’EXPLOITATION ............................................................................................. 233
XII.11 LES CYCLES D’EXPLOITATION ............................................................................................ 235
XII.12 LES PERFORMANCES TECHNIQUES ..................................................................................... 241
XII.13 LES ELEMENTS FINANCIERS ............................................................................................... 251
XIII UNE NOUVELLE INSTALLATION A PONT-ROLLAND ? ............................................................... 253
XIII.1 CONTEXTE .............................................................................................................................. 253
XIII.2 LES CHANGEMENTS IMPOSES .................................................................................................. 254
XIII.3 LES CHANGEMENTS NECESSAIRES .......................................................................................... 255
XIII.4 QUELQUES SIMULATIONS ENERGETIQUES ............................................................................... 256
Conclusion ......................................................................................................................... 263
Bibliographie ..................................................................................................................... 265
Table des annexes .............................................................................................................. 271
Annexe 1 Exemple de compte-rendu d’exécution de l’outil ............................................. 272
Annexe 2 Le Rhône et ses aménagements......................................................................... 277
Annexe 3 La Durance et ses aménagements ..................................................................... 279
Annexe 4 Le barrage de Petit-Saut (Guyane) .................................................................... 282
Annexe 5 Le Colorado et ses aménagements .................................................................... 288
Annexe 6 Le Mékong et ses aménagements ...................................................................... 292
Annexe 7 La STEP de Grand-Maison ............................................................................... 293
Liste des figures ................................................................................................................. 295
Liste des tableaux .............................................................................................................. 298
11
Introduction
L’énergie hydraulique a été la première énergie mécanique massivement utilisée et elle
a permis l’essor économique, social, artisanal puis industriel du Moyen-Age au XIXe siècle.
Cette énergie a ensuite servi à produire de l’électricité, d’abord de façon décentralisée par des
milliers de petites turbines, puis de façon de plus en plus centralisée par de grands barrages et
des installations puissantes. Dans les années 1960, les ouvrages hydrauliques produisaient plus
de la moitié de l’électricité en France mais la part de l’hydraulique a baissé régulièrement pour
atteindre, ces dernières années, entre 10 et 15 % de la production électrique en France (selon
les précipitations annuelles), et environ 16 % dans le monde.
Malgré ses performances et son haut niveau de maturité, pourquoi l’hydroélectricité ne
progresse-t-elle plus en France ? Pourquoi la filière hydraulique ne bénéficie-t-elle pas du fort
développement actuel des énergies renouvelables ? Pourquoi les projets hydrauliques sont-ils
si nombreux dans le monde, notamment dans les pays en voie de développement, et si peu
nombreux en France et en Europe ?
La première partie (chapitres I à VI) de ce mémoire présente le contexte et les enjeux
de l’hydroélectricité : le chapitre I présente les acteurs en France, les chapitres II et IV donnent
des éléments sur la ressource en eau et les effets du changement climatique sur cette ressource,
le chapitre III traite de l’aspect environnemental de l’eau et de la rivière, le chapitre V apporte
des éléments historiques sur l’énergie hydraulique et le chapitre VI fait un panorama du secteur
et du marché de l’électricité en France.
La seconde partie (chapitres VII à X) décrit l’hydroélectricité, son intérêt et ses défauts,
son utilisation et ses développements. Le chapitre VII présente les installations
hydroélectriques, le chapitre VIII indique les capacités, la production et le potentiel
hydroélectriques en France, en Europe et dans le monde ; le chapitre IX liste les impacts des
installations hydroélectriques et le chapitre X donne des informations pour le lancement d’un
projet hydroélectrique. Les annexes 2 à 6 décrivent des exemples en France et dans le monde
d’équipements hydroélectriques pour illustrer les impacts positifs et négatifs des barrages
hydroélectriques.
La dernière partie (chapitres XI à XIII) constitue le projet personnel. Le Chapitre XI
présente un nouvel outil numérique de simulation de la production hydroélectrique d’un
barrage à l’éclusée à partir de séries temporelles de débit Q(t) et des caractéristiques du site, de
la configuration technique et de l’exploitation. Un exemple de rapport de simulation est
12
disponible en Annexe 1. Dans le chapitre XII, l’installation de Pont-Rolland dans les Côtes
d’Armor, exploitée à partir de 1936 et mise en vente par l’Etat en 2018, est décrite en détail et
sa production électrique passée est comparée à la production simulée par l’outil numérique.
Les calculs sont faits pour plusieurs volumes utiles et trois modes d’exploitation: démarrage et
arrêt des turbines en fonction de la hauteur amont (hauteur d’eau dans la retenue), ou en
fonction de la tarification (heures pleines, heures creuses) ou encore en fonction de la hauteur
aval (affectée par les marées de la Manche). Le chapitre XIII propose enfin quelques scénarios
pour une poursuite de l’exploitation hydroélectrique à Pont-Rolland et chiffre la production
électrique attendue pour ces scénarios.
13
PARTIE 1 : le contexte de l’hydroélectricité
I Les intervenants, les acteurs
La présentation des acteurs est simplifiée à leurs principaux liens avec l’hydroélectricité.
I.1 L’Union Européenne
L’énergie et l’environnement sont des compétences partagées de l’UE, définies dans les traités.
Les priorités énergétiques de l’UE sont la sécurité de l’approvisionnement, la compétitivité et
la durabilité. La directive SER (Source d’énergies Renouvelables, RES, 2001) encourage la
production d’électricité renouvelable (objectif : 20% du marché en 2020, 27% en 2030) et l’UE
finance des projets.
Les priorités environnementales de l’UE sont la protection de la nature, la croissance verte, la
santé et les ressources naturelles. Les directives « oiseaux » (1979) et « habitat, faune, flore »
(1992) engagent au maintien et/ou à la restauration des espèces sauvages d’intérêt
communautaire, notamment les plus menacées.
La DCE˟ (Directive Cadre sur l’Eau, 2000) définit la gestion et la protection des eaux par
bassin (non-dégradation des ressources et des milieux, réduction des pollutions) et fixe un
objectif de résultat : atteindre un bon état des masses d’eau. Toutes les eaux sont concernées :
cours d’eau, plans d’eau, nappes souterraines, estuaires et eaux côtières. La DCE fonctionne
par cycle de 5 ans, pour 12 zones en France (7 bassins en Métropole et 5 outre-mer), avec un
état des lieux initial, des actions à mettre en place (SDAGE˟), des consultations publiques, une
mesure des actions, puis un nouveau cycle. Le cycle actuel fixe l’objectif de 37% de cours
d’eau de bonne qualité en 2021. La directive demande aussi d’ouvrir le cercle de décision aux
acteurs de l’eau et au public pour améliorer la transparence.
Avec le programme Life-Eau, l’UE aide les régions à investir dans la qualité des eaux.
I.2 Les acteurs publics en France
Les compétences des services de l’état sont réparties entre de nombreux services et
interlocuteurs, rendant parfois difficile la gestion des dossiers hydroélectriques. Certains
services suivent le découpage administratif classique (national, régional et départemental),
alors que d’autres sont organisés par bassin hydrographique, ou répartis entre les différents
niveaux.
L’état
Les textes de loi concernant l’énergie sont regroupés dans le Code de l’Energie. L’état élabore
la PPE˟ (Programmation Pluriannuelle de l’Energie) qui fixe les objectifs et les priorités
d’actions : favoriser les EnR˟, le stockage, les sources locales, l’autoproduction, la sécurité de
l’approvisionnement, … Le PPE a un volet économique, social et environnemental. L’état peut
lancer des appels d’offres pour atteindre les objectifs d’EnR. Le rapport « panorama énergie-
climat » présente les enjeux de la transition énergétique. La DGEC (Direction Générale
Energie et Climat) élabore et met en œuvre la politique de l’énergie (production, priorités, suivi
du marché, …) et gère les aspects énergétiques de la filière hydroélectrique (délivrance des
autorisations d’exploiter, …). La loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte
https://europa.eu/european-union/topics/energy_frhttps://europa.eu/european-union/topics/environment_frhttp://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/ALL/?uri=CELEX%3A32009L0028http://eur-lex.europa.eu/legal-content/FR/TXT/?uri=celex:32000L0060https://www.ecologique-solidaire.gouv.fr/direction-generale-lenergie-et-du-climat-dgec#e3https://www.ecologique-solidaire.gouv.fr/direction-generale-lenergie-et-du-climat-dgec#e3
14
(TECV˟, 2015) fixe des objectifs de réduction des GES˟ et de production d’EnR et modifie la
gestion des concessions.
Le Code de l’environnement contient une partie sur l’eau et les milieux aquatiques avec
description des usages, des autorisations nécessaires, des limitations, des sanctions… Les
aspects environnementaux de l’hydroélectricité sont gérés par la DEB (Direction de l’Eau et
de la Biodiversité, au Ministère de l’Environnement). L’état fixe les règles de protection des
lieux (parcs naturels, réserves, monuments, classement des sites, milieux…) et des espèces
menacées (avec les Plans Nationaux d’Actions, documents non opposables qui définissent les
actions nécessaires à la conservation et la restauration des espèces les plus menacées).
En règle générale, l’usage de l’eau pour toute fin est interdit sans autorisation. La politique de
l’eau est articulée autour de 4 lois et encadrée par la DCE :
- 1964 : découpage du territoire en bassins versants, création des agences de l’eau
- 1992 : organisation de la gestion et la planification de l’eau, création des SDAGE
(Schéma Directeur d’Aménagement et de Gestion des Eaux), obligation de faire une
demande d’autorisation (ou de déclaration) pour les projets impactant l’eau
- 2004 : transposition de la DCE en droit français, avec objectifs de qualité des eaux à
reporter dans le SDAGE avec les mesures appropriées
- 2006 (loi LEMA˟) : modification de la tarification de l’eau, création de l’ONEMA˟,
début de la prise en compte du changement climatique sur l’eau
L’état est propriétaire des voies navigables, des canaux de navigation, des ouvrages et du
Domaine Public Fluvial (DPF) qui borde ces voies, mais il en délègue la gestion, l’exploitation
et l’entretien. L’état peut aussi transférer la propriété, la gestion et l’exploitation des cours
d’eau, du DPF, des lacs et des canaux aux régions, départements ou communes.
L’agence de l’eau˟ / le comité de bassin
Les agences de l’eau sont des établissements publics créés en 1964, placés sous la tutelle des
ministères de l’environnement, de l’industrie et des finances. Elles regroupent 50 % d’élus
(état, région, départements, collectivités), 40% d’usagers de l’eau (agriculture, industrie,
hydroélectricité, batellerie, pêche, associations de sauvegarde de l’environnement, tourisme),
et des experts et des fonctionnaires de l’état (13 ministères différents concernés) et de la
préfecture. Elles exécutent les décisions du comité de bassin, perçoivent les taxes de
prélèvement d’eau, protègent la ressource et les milieux aquatiques (restauration de la
continuité écologique), suivent, équilibrent et planifient l’utilisation de l’eau. Le territoire
métropolitain est découpé en 6 agences selon la géographie des principaux bassins de France ;
l’agence Loire-Bretagne, par exemple, gère une surface de 155.000 km² impliquant 10 régions,
36 départements et 7400 communes, avec un budget de 300 M€.
Le comité de bassin fixe les orientations de gestion des ressources en eau, avec concertation et
consultation régulière du public. Il élabore et adopte le SDAGE à partir des avis des
commissions territoriales, avec l’aide des DREAL˟, de l’AFB˟ et du BRGM˟.
Les agences publient des études de potentiel hydroélectrique (voir par exemple les études
Adour-Garonne et Seine-Normandie, disponibles sur internet). Elles peuvent aussi, sous
conditions, financer 50% de la construction de passes à poissons.
15
Le Conseil régional
L’eau n’est pas une compétence régionale mais certaines régions mènent des politiques
volontaristes sur la gestion de la ressource, la restauration et l’aménagement des cours d’eau
(participation aux SAGE -Schéma d’Aménagement et Gestion des Eaux-), la prévention des
inondations,… Le développement économique, la valorisation de l’énergie et l’environnement
sont des compétences régionales et les régions organisent le suivi local des politiques
européennes sur la transition énergétique (FESI, Fonds Européens Structurels et
d’Investissement, qui soutiennent la transition énergétique, le climat ou l’environnement).
En Bourgogne Franche-Comté, la région accompagne les porteurs de projets EnR pour les
phases d’études et de travaux. La région Midi-Pyrénées a fait en 2016 un appel à projet pour
soutenir des coopératives de production d’EnR (financement de 1 € de la région par euro investi
par les citoyens) et favorise le rapprochement entre entreprises privées et établissements
d’enseignement ou de recherche sur des projets innovants d’énergie. La région Rhône-Alpes a
créé avec l’ADEME un observatoire Energie et environnement (OREGES) qui liste notamment
les productions d’énergie par commune et par département.
Les régions (ou les départements, parfois) mettent en place les SRCAE (Schéma Régional du
Climat, de l’Air et de l’Energie) qui présentent la situation et les objectifs des territoires, avec
des horizons à 2020 et 2050, après concertation avec les acteurs locaux et consultation
publique. En termes d’hydroélectricité, le SRCAE fait une synthèse du potentiel (avec carte
des rivières et sites), des enjeux, des problèmes qui limitent son développement, …
La région entretient et exploite les cours d’eau domaniaux non navigables, les plans d’eau et
le DPF dont elle a obtenu le transfert. La région Bretagne, par exemple, a obtenu cette
compétence et elle en a confié la gestion à des départements ou à des syndicats dédiés. La
région peut aménager et exploiter des installations d’EnR.
La DREAL
La Direction Régionale de l’Environnement, de l’Aménagement et du Logement gère la
politique nationale du développement durable, notamment l’énergie, l’écologie,
l’aménagement et les risques. L’organisme pour l’Ile de France est la DRIEE (D.R. et
Interdépartementale de l’Environnement et de l’Energie).
La DREAL gère des stations hydrométriques sur son territoire et les données sont publiées sur
le site national www.eaufrance.fr, elle met aussi à disposition des données cartographiques
(eau, zones naturelles protégées, …), gère les concessions hydroélectriques et contrôle les
ouvrages hydrauliques (digues et barrages). Elle met aussi en place avec RTE les schémas de
raccordement aux réseaux des EnR (S3REnR).
Le département
Le conseil départemental a un rôle sur l’aménagement durable du territoire, dont la gestion de
la ressource en eau, la biodiversité... Il assiste les collectivités notamment pour développer des
unités de production d’EnR ou prévenir les inondations ; il entretient et exploite les cours d’eau
domaniaux non navigables, les plans d’eau et le DPF dont il a obtenu le transfert et il peut
aménager et exploiter des installations d’EnR.
Le CODERST (Conseil Départemental de l’Environnement et des Risques Sanitaires et
Technique, composé de représentants de l’état, d’élus locaux, de professionnels techniques –
http://www.eaufrance.fr/
16
hydrogéologue, …- et d’usagers de l’eau et de la nature) est consulté par le préfet pour les
décisions liées à l’environnement et aux risques, après l’enquête publique.
La DDT
La DDT(M) (Direction Départementale des Territoires –et de la Mer pour les départements des
façades maritimes) met notamment en œuvre les politiques liées au développement durable. La
DDT dispose de larges compétences environnementales : ressource en eau, police de l’eau et
des milieux aquatiques, biodiversité, zones Natura 2000˟, gestion des nuisances, … Elle
règlemente la petite hydro (autorisation, renouvellement, contrôle) et gère la mise en
conformité des aménagements (débit réservé˟, continuité écologique˟).
Le SPE (Service de la Police de l’Eau) s’exerce au niveau départemental, au sein de la DDT,
sous l’autorité de la DREAL, et coordonne tous les domaines liés à l’eau : les captages d’eau
de surface et d’eau souterraine, les aménagements sur les cours d’eau (dont 2.300 installations
hydroélectriques), les risques d’inondations, … La police administrative (sous l’autorité du
préfet) fait des contrôles et vérifie le respect du régime administratif tandis que la police
judiciaire (sous l’autorité du procureur de la République) s’occupe des infractions à la loi
pénale (accidents, signalements, contrôles inopinés). En 2014, ces 2 services ont effectué
79.000 contrôles (2/3 d’administratifs et 1/3 de judiciaires) –peu concernent les ouvrages
hydroélectriques-. En 2010, les contrôles administratifs étaient à 38 % non conformes et ce
taux a baissé en 2014 pour atteindre 19% de non-conformité [E06]. Les contrôles judiciaires
ont un taux de non-conformité assez stable de 35% environ depuis quelques années. En 2017,
la transaction pénale a été mise en place pour accélérer les procédures, notamment pour non-
respect du débit réservé [DDT Isère].
Les communes, les intercommunales
Les EPCI (Etablissement Public de Coopération Intercommunal) doivent disposer d’un
PCAET (Plan Climat Air Energie Territorial) qui fait un diagnostic et fixe une stratégie
(notamment sur l’atténuation et l’adaptation au changement climatique), un plan d’actions
(notamment sur l’augmentation de la production d’EnR) et un plan de suivi des actions. Les
petits EPCI (moins de 20.000 habitants) ont jusqu’à fin 2018 pour produire ce document.
Les communes peuvent aménager et exploiter des installations d’EnR. Il y a un siècle, les
centrales hydroélectriques étaient souvent détenues par des villes pour l’éclairage public. Un
certain nombre de communes françaises détiennent encore des droits d’eau datant d’avant
1919, non révocables, qu’elles utilisent encore parfois.
La CLE (Commission Locale de l’Eau)
Cette commission créée par le préfet rassemble des collectivités locales, des établissements
publics locaux, des représentants de l’état, des usagers (agriculteurs, industriels, …) et des
propriétaires. Elle élabore le SAGE (définition des étapes, validation, arbitrage), veille à
l’application des préconisations/prescriptions et suit la mise en œuvre des actions [Gest’eau].
C’est le lieu du débat autour des enjeux locaux de l’eau et sa représentation est donc cruciale :
pour la Vire (Normandie) par exemple, la filière hydroélectrique locale a attendu 2011 pour
intégrer la CLE et peser aux décisions [D64].
L’AFB
17
L’Agence Française de la Biodiversité reprend les activités de l’ONEMA (Office National de
l’Eau et des Milieux Aquatiques) créé par la loi LEMA de 2006 avec pour missions de
surveiller et de prévenir la dégradation des milieux aquatiques, de contrôler les usages et
d’appuyer les services de l’état aux niveaux départemental, régional et national. Un projet
hydroélectrique est suivi par l’AFB (débit réservé, passe à poissons, …).
L’ADEME
L’ADEME est un EPIC (Etablissement Public à Caractère Industriel et Commercial) sous la
tutelle croisée des ministères de l’environnement, de l’énergie, de l’éducation nationale, de
l’enseignement supérieur et de la recherche. Cet établissement met en œuvre les politiques
publiques de DD concernant l’énergie, les déchets et la pollution de l’air ; il informe le public,
propose un accompagnement technique aux élus et aux collectivités territoriales et finance des
projets. L’ADEME prend en charge 50 à 70% du coût des études hydroélectriques, publie des
guides sur les EnR ([A10]-[A13]) ou l’hydroélectricité ([D01], [D04]). L’antenne régionale
Bourgogne Franche-Comté aide à mener des projets hydroélectriques ([D07], [D08]).
La CRE
La Commission de Régulation de l’Energie a été créée à l’ouverture des marchés de l’énergie
à la concurrence (2000). C’est une autorité administrative indépendante qui surveille et régule
le marché français ; elle intervient dans des dispositifs de soutien à certaines filières et pour les
appels d’offre aux producteurs d’électricité.
Voies Navigables de France
VNF est un établissement public administratif (Ministère des Transports) qui gère, exploite et
développe une grande partie du réseau fluvial navigable français (6.700 km de voies d’eau,
80.000 ha de Domaine Public Fluvial, 500 barrages de navigation) pour le compte de l’état.
VNF facilite la navigation fluviale, délivre des Conventions d’Occupation Temporaire pour les
constructions installées sur le DPF et perçoit des taxes sur l’utilisation de cet espace public.
Ce réseau a un potentiel hydroélectrique certain. Le siège de VNF développe depuis 2016 des
partenariats avec des entreprises privées (recrutées par une procédure d’AMI – Appel à
Manifestation d’Intérêt) pour construire et exploiter des turbines sur des barrages ou dans
d’anciennes écluses. Les établissements régionaux permettent à des tiers d’exploiter une
cinquantaine d’usines hydroélectriques sur des barrages VNF.
I.3 EDF, RTE et ENEDIS
EDF, hydroélectricien
EDF est le 1er producteur européen d’EnR : 42 TWh hydrauliques en 2016, 433 centrales
hydrauliques et 622 barrages. EDF gère le Rhin français (seuils, écluses, trafic fluvial, stations
hydrométriques) et 75% des réserves en eau de surface de France.
L’entreprise a investi 1 Md€˟ en R&D pour l’hydroélectricité entre 2008 et 2018. Les études
portent sur 3 sujets principaux : l’environnement, la sûreté et l’optimisation de la production.
Pour l’environnement, EDF souhaite améliorer la dévalaison˟, détourner les poissons des prises
d’eau et mieux gérer les sédiments (évolution des aménagements pour restaurer le transport
naturel des sédiments). En termes de sûreté, des dispositifs d’alerte (notamment la génération
d’une vague d’alerte) sont mis en place avant des lâchers d’eau, des évacuateurs de crue sont
reconstruits et des dissipateurs d’énergie sont installés pour mieux réguler les variations de
18
débit. EDF augmente la production en remplaçant ses turbines par des modèles plus puissants,
plus efficaces et à vitesse variable (pour les STEP˟) [D42]. Plusieurs STEP marines sont en
projet à la Réunion, à la Guadeloupe et en Martinique.
EDF-OA
EDF-OA (OA pour Obligation d’Achat) gère une mission de service public : racheter, dans des
conditions fixées par l’état, l’électricité produite par les petits producteurs des filières solaire,
éolienne, hydroélectrique, mais aussi cogénération, biogaz, biomasse et incinération. EDF-OA
établit des contrats d’obligations d’achat avec ces producteurs, voir www.edf-oa.fr.
RTE
RTE transporte l’électricité depuis la production jusqu’à la distribution. L’entreprise a pour
clients une cinquantaine de producteurs, des négociants en électricité, des entreprises clientes
(industrie, transport ferroviaire), et des distributeurs comme ENEDIS. Une grosse installation
hydroélectrique raccordée à un réseau de plus de 50 KV fixe avec RTE une convention ou un
contrat d’accès au réseau (CART).
ENEDIS
ENEDIS (anciennement ERDF) a une mission de service public : la distribution d’électricité à
chaque usager (particuliers, entreprises …). ENEDIS définit un contrat CARDi (Contrat
d’Accès au Réseau de Distribution en injection) avec les petits producteurs qui délivrent leur
électricité directement sur cette partie du réseau.
I.4 Les acteurs privés et associatifs
Les associations/fédérations d’exploitants hydroélectriques
SHF Société Hydrotechnique de
France
Produit chaque année un guide & un annuaire,
publie la revue ‘La Houille Blanche’
UFE Union Française de l’électricité
SER Syndicat des EnR
FHE France Hydro Electricité
www.france-hydro-
electricite.fr
Syndicat national représentant la petite hydro.
Carte des 570 sites hydro des adhérents (puissance
cumulée de 4.350 MW)
EAF Electricité Autonome Française
www.federation-eaf.org
Représentation nationale des producteurs indé-
pendants et des porteurs de projet hydroélectriques,
mais aussi des BE et des fabricants de matériel.
Mhylab Label européen des machines
hydrauliques
CFBR Comité Français des Barrages
et Réservoirs
FDMF Fédérations des Moulins de
France
Fédération de 90 associations, des entreprises et
10.000 adhérents, qui promeut la remise en service
des moulins dans leur activité initiale (farine,
huiles, …) mais aussi la valorisation en électricité.
FFAM Fédé. F. des Associations de
sauvegarde des Moulins
Fédération de 110 associations et 10.000 adhérents.
www.moulinsdefrance.org
Les bureaux d’études, les entreprises de génie civil, les fabricants de turbines
De nombreux BE conçoivent des installations hydroélectriques (voir leurs coordonnées sur le
site de FHE). D’autre BE spécialisées en études environnementales et des consultants (environ
http://www.edf-oa.fr/http://www.shf-hydro.org/http://ufe-electricite.fr/http://www.france-hydro-electricite.fr/http://www.france-hydro-electricite.fr/http://www.federation-eaf.org/http://www.mhylab.com/home.phphttp://www.barrages-cfbr.eu/http://www.fdmf.net/http://www.moulinsdefrance.org/
19
600, dont quelques dizaines connaissent bien les impacts des PCH˟ [D01]) interviennent sur la
rédaction des études d’impact. Les entreprises de génie civil qui travaillent sur des projets
hydroélectriques et les fabricants de turbines hydrauliques (voir VIII.9) sont aussi référencées
sur les sites de SHF ou FHE.
Les exploitants d’usines hydroélectriques
Voici les deux plus gros producteurs d’électricité hydraulique en France après EDF :
SHEM Société
hydroélectrique du
Midi (1929)
Filiale d’ENGIE, exploite 12 grands barrages et beaucoup de
petites installations dans le Sud-Ouest (786 MW, 1,8 TWh).
CNR Compagnie Nationale
du Rhône (1933)
Deuxième producteur d’électricité en France (15 TWh),
créée pour l’aménagement hydroélectrique du Rhône,
aujourd’hui filiale d’ENGIE. L’activité s’est diversifiée vers
l’éolien (38 parcs), le solaire et la construction et la gestion
de plateformes multimodales autour du transport fluvial.
Les vendeurs d’électricité
De nouveaux acteurs sont apparus sur le marché de la vente d’électricité récemment (Total,
Casino, ...).
Enercoop, par exemple, rachète de l’électricité d’origine renouvelable (90% d’hydraulique en
2016) à un tarif plus élevé qu’EDF, sur des contrats de 30 ans, pour la revendre à ses clients.
En 2017, la faible production hydraulique a obligé la coopérative à racheter 4% de son
électricité sur le marché de gros. Depuis 2017, Enercoop veut donc diversifier et renforcer ses
approvisionnements et annonce qu’elle veut acheter 33% d’électricité verte non hydraulique
en 2019 [Alternatives Economiques, Nov. 2018].
I.5 La Banque Mondiale
Créée en 1944 pour la reconstruction après la guerre, la Banque Mondiale encourage le
développement économique durable et lutte contre la grande pauvreté. Elle finance de grands
projets dans les domaines de l’énergie, de l’irrigation, de l’éducation en général, des ressources
en eau et en alimentation, des transports, …Parmi les 12.000 projets soutenus, la banque a aidé
au financement de grandes usines hydroélectriques pour un montant global de 75 Md$ [C07].
Pour lutter contre le réchauffement climatique, l’institution investit dans de nouvelles capacités
de production d’EnR (30 GW supplémentaires d’ici 2020).
Jusqu’au début des années 90, beaucoup de projets de la Banque Mondiale ont accumulé les
critiques. L’institution a pris conscience des problèmes et a interrompu les crédits entre 1993
et 2003 pour refonder ses principes d’investissement et définir un cahier des charges plus
contraignant en termes d’environnement et de délocalisation des populations.
La Banque Mondiale présente un certain nombre d’études sur l’hydroélectricité, et notamment
sur l’impact du changement climatique sur les installations hydroélectriques des pays en
développement. Voir https://openknowledge.worldbank.org/.
http://www.shem.fr/fr/http://www.cnr.tm.fr/https://openknowledge.worldbank.org/
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II L’eau, la ressource en eau
II.1 Introduction
L’eau est à la fois une ressource et un milieu ; le milieu aquatique est le milieu primordial qui
a permis l’apparition des premiers organismes sur Terre. L’eau est présente à toutes les échelles
(de la cellule à l’atmosphère terrestre), changeant sans cesse de phase, se déplaçant en
permanence.
A l’échelle d’un être vivant, l’eau est un constituant essentiel : un corps adulte humain en
contient par exemple 55%. L’eau circule dans tout l’organisme, traverse les parois des cellules,
véhicule les minéraux et les substances organiques, élimine les déchets, catalyse des réactions
chimiques. L’eau n’est pas stockée dans l’organisme, elle est éliminée et doit donc être
renouvelée sans cesse. Pour les animaux à sang chaud, l’eau transporte la chaleur et régule les
excès de chaleur par la transpiration.
A l’échelle des espaces naturels, l’eau est un solvant qui ronge et érode les matériaux les plus
durs, dissout les sels, s’écoule en surface (entrainant avec elle des matériaux légers ou lourds)
et en profondeur (à travers le sol). L’eau des pluies, des rivières et des océans façonne les
paysages et engendre des milieux variés, riches en espèces animales et végétales.
A l’échelle de la planète, sous forme liquide ou gazeuse, l’eau capte, stocke et transporte de la
chaleur solaire dans de grands mouvements océaniques et atmosphériques. La vapeur d’eau
participe à l’effet de serre naturel et rend la surface de la terre plus propice à la vie.
Grâce à ses propriétés et sa disponibilité, l’eau est une ressource très utilisée pour des activités
humaines domestiques ou professionnelles. Ce chapitre décrit rapidement l’eau, le cycle de
l’eau, la ressource et les principaux usages.
II.2 La composition de l’eau
L’eau de surface contient des molécules H₂O, des gaz dissous (oxygène, dioxyde de carbone,
azote, méthane, …), des substances minérales dissoutes (dont des ions calcium, magnésium,
sodium, potassium), des substances minérales en suspension (limon, argile, sable…), des
substances organiques (ammoniac, nitrates, sulfates, chlorures, carbonates, …) provenant de la
dégradation de la matière organique et de l’activité humaine, …La composition de l’eau varie
beaucoup selon le bassin mais aussi au cours du temps, elle est déterminante pour le milieu
aquatique.
II.3 Le cycle de l’eau
L’eau sur la planète représente environ 1,4 milliard de km³ d’eau, dont 33 millions de km³
(2,5%) sur les continents, 0,2 million de km³ dans les lacs et rivières et 13.000 km³ dans
l’atmosphère [C15]. Elle parcourt un cycle animé par l’énergie du rayonnement solaire, avec
des mouvements dans toutes les directions de l’espace, dans tous les milieux (air, rivière, océan,
sols), avec des changements de phase… Ce cycle est complexe (étude nécessaire des flux, des
stocks, des phénomènes généraux et locaux, des boucles quotidiennes, saisonnières ou
interannuelles, …) et n’est pas figé (voir chapitre IV).
L’eau est semi-renouvelable, son cycle complet s’effectue sur une échelle de temps géologique,
et la gestion de l’eau doit donc, elle-aussi, se placer sur le long terme.
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II.3.1 L’eau liquide
L’eau douce ‘flux’
L’eau flux, c’est l’eau des précipitations et des rivières. Dans le cycle de l’eau, la pluie (par
condensation de la vapeur d’eau) et l’écoulement de la rivière sont des étapes très courtes (l’eau
de rivière atteint la mer en une semaine, en moyenne). L’utilisation de cette eau-flux ne pose
pas de problème de soutenabilité lorsque les différents usages sont respectés. La distribution
d’eau-flux n’est pas homogène, elle dépend des précipitations, de l’évaporation, du relief, de
la végétation, des vents…L’eau de pluie entraine des substances de l’air (polluants, pollen, …)
vers le sol, elle lessive et s’enrichit de ce qu’elle rencontre, ce qui lui donne une qualité
incertaine et variable.
L’eau douce ‘stock’
L’eau-stock est contenue dans plusieurs types de nappes : les nappes phréatiques, les plus
superficielles (quelques mètres sous la surface du sol), se rechargent en quelques semaines ou
années tandis que les nappes les plus profondes se rechargent sur des millénaires. L’usage de
l’eau souterraine se banalise : en France, 2/3 de l’eau potable est produite à partir d’eau
souterraine ; en Chine, certains prélèvements s’effectuent à plus de 1000 m de profondeur.
La qualité de l’eau est plus stable et généralement meilleure qu’en surface (filtrée par les sols,
minéralisée) et un forage coûte en général moins cher, pose moins de contraintes
administratives et moins de problèmes techniques qu’une prise d’eau en rivière.
L’utilisation de l’eau souterraine pose des problèmes de soutenabilité et des experts estiment
que l’eau souterraine devrait être uniquement exploitée comme stock de secours. La
surexploitation des nappes entraine parfois un affaissement du sol (de 10 à 20 cm par an dans
certains endroits de Californie) et la salinisation progressive de l’eau souterraine (des arrivées
d’eau de mer se mélangent à l’eau douce). De plus, les nappes souterraines peu profondes
jouent un rôle important dans le soutien d’étiage˟ des rivières. L’idée même d’eau vue comme
un stock est parfois dénoncée, en rappelant le caractère cyclique de l’eau [D07].
L’eau salée
Le volume d’eau de mer est d’environ 1,36 milliard de km³ [C15]. Cette phase du cycle de
l’eau est particulièrement longue (environ 4.000 ans).
II.3.2 L’eau dans l’atmosphère
L’atmosphère contiendrait 13.000 km³ d’eau (98% sous forme de vapeur et 2% sous forme
condensée, dans les nuages) à une concentration moyenne de 3 ‰. Environ 80% de la pluie
retombe sur les continents (40.000 km³/an). La phase atmosphérique de l’eau est courte (de 1
à 2 semaines dans l’atmosphère avant de se condenser et de retomber en pluie), et les 2/3 de
l’eau de pluie en France s’évaporent rapidement (voir tableau 1).
II.3.3 L’eau solide
L’eau douce solide représente environ 2% de l’eau, stockée sous forme de glaces aux pôles et
dans les glaciers. L’eau stockée dans les glaces peut être très ancienne, parfois des milliers
d’années, avant de changer d’état et de repartir dans le cycle de l’eau.
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II.3.4 L’infiltration
L’infiltration dépend notamment de la géologie (le sous-sol granitique de la Bretagne limite
l’infiltration) et de la qualité de la terre (une terre dure et sèche limite l’infiltration et augmente
le ruissellement).
II.3.5 L’évaporation
L’évapotranspiration désigne à la fois l’évaporation de l’eau à la surface du sol et la
transpiration des plantes. Comme indiqué ci-dessous, l’évapotranspiration est très importante
en France : 2/3 de l’eau de pluie (320 km³/an) repart dans l’atmosphère et seulement 1/3 de
l’eau de pluie (186 km³/an) part vers les rivières et les nappes souterraines.
En milliards
de m³ par an
(ou km³/an)
Précipitations
(A)
Evapo-
transpiration
(B)
Flux entrant
(eau de
surface)
(C)
Ressources
en eau
(D)=(A)-(B)
+(C)
Flux sortant
(E)
France 501 321 11 186 168
Roy.-Uni 288 127 6,5 173 171
Espagne 346 235 0 111 111
Allemagne 307 190 75 188 182
Suède 342 170 13,6 186 186
Portugal 82 43,6 35 74 34
Norvège 471 112 12,3 393 393
Suisse 61 21 13 52 53
Danemark 38 22 0 16 2 Tableau 1 : Les ressources en eau de plusieurs pays européens [Eurostat].
Evaporation et précipitations sont liées : lorsque l’évaporation augmente, les précipitations
augmentent aussi ; à l’opposé, l’évapotranspiration et les précipitations diminuent ensemble
dans une zone récemment déboisée. L’évaporation mondiale est estimée à 470.000 km³/an. La
majeure partie de cette évaporation provient des océans (où l’évaporation l’emporte sur les
précipitations), complétée par 70.000 km³/an des continents [E01].
II.3.6 La fonte des glaces
Les glaciers continentaux régulent le débit des cours d’eau : les précipitations hivernales en
altitude sont en grande partie stockées sous forme solide tandis que les températures douces du
printemps et de l’été permettent la fonte naturelle lente d’une partie du stock de glace (soutien
d’étiage).
II.4 Les usages de l’eau
Les usages de l’eau sont nombreux et variés : certains usagers prélèvent et rejettent l’eau dans
la rivière après emploi (industrie, eau potable), d’autres usagers pompent l’eau sans la rendre
à la rivière (irrigation). Certains usagers prélèvent de façon variable, d’autres de façon
continue. Certains usages modifient la composition chimique (eau de nettoyage) ou la
température de l’eau (eau de refroidissement d’équipements industriels).
Deux façons de considérer l’eau
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L’eau vue comme une ressource est un bien privé qui peut faire l’objet d’un marché
concurrentiel (offre/demande), qui peut être facturée. Elle est un bien de consommation pour
le particulier et elle est un facteur de production pour l’agriculteur ou l’industriel ; le principe
de rivalité s’applique (un seul des acteurs la consomme) et les exclusions d’usage peuvent
s’appliquer (on peut exclure un acteur par un contrat passé avec un autre acteur, …) [E01].
L’eau vue comme un milieu naturel est un bien commun géré par une autorité publique,
impossible à vendre sur le marché. Il est difficile de donner une valeur à cette eau, d’estimer
tous les services qu’elle rend, d’évaluer la dépense à faire pour la préserver et de calculer le
coût à supporter si elle disparait [E01].
Le pillage de l’eau
La perception de la valeur de l’eau a changé depuis l’économiste J.B. Say (années 60) qui
prétendait que l’eau, illimitée, n’avait aucune valeur économique [E03]. L’usage de l’eau est
affecté par deux effets économiques:
1- la « tragédie des communs », où chaque usager a tendance à s’approprier cette
ressource d’accès libre et considère que son prélèvement est négligeable. La
compétition entre acteurs mène à la surexploitation d’abord, puis à la disparition de la
ressource (pour Garrett Hardin qui a décrit cet effet, il faut résoudre ce problème par la
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