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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

2. Eau et énergie

Ghislain de Marsily et Jacques Miquel

Texte intégral

1L’eau et l’énergie anthropiques sont indispensables l’une à l’autre… L’eau, matière première utilisée par l’Homme, qu’elle soit domestique, industrielle, agricole, ou même plus récemment récréative, ne peut se passer d’énergie ! Pour la pomper, pour la traiter (avant et après utilisation), pour la transporter dans des conduites ou des canaux, pour la chauffer aussi (eau chaude sanitaire) au point que l’on installe aujourd’hui des échangeurs de chaleur en aval des rejets des immeubles pour tenter de récupérer cette énergie !

2L’énergie produite ou transformée a, quant à elle, besoin d’eau, de beaucoup d’eau ! C’est évident pour l’hydroélectricité qui utilise directement la force motrice de l’eau gravitaire : elle est la première « emprunteuse » d’eau. Mais l’eau est également nécessaire pour tous les autres moyens de production d’énergie : d’abord le refroidissement des centrales thermiques, auxquelles il faut adjoindre une source froide, qui est souvent l’eau d’une rivière ou de la mer. Cette eau est pour l’essentiel rejetée au milieu naturel, une petite fraction restant néanmoins consommée par évaporation ou légèrement polluée. Par ailleurs, lors de la production de la bioénergie, il faut beaucoup d’eau pour faire pousser les organismes qui vont, par photosynthèse*, produire de la biomasse. L’extraction lors de la production des carburants conventionnels (hydrocarbures ou charbon) consomme aussi de grandes quantités d’eau : on estime par exemple actuellement que les puits de pétrole prélèvent autant d’eau que d’hydrocarbures. Quant au traitement des sables bitumineux, il réclame également beaucoup d’eau, et en pollue aussi beaucoup. Enfin, les mines d’uranium prélèvent et consomment aussi de l’eau. Mais, si on y réfléchit un peu, toute installation industrielle quelle qu’elle soit demande de l’eau pour être fabriquée ; c’est le cas des cellules photovoltaïques, des turbines, des éoliennes, des lignes électriques pour transporter le courant, comme de la construction des centrales nucléaires.

* Les autres usages comprennent par exemple l’eau de refroidissement des turbines, le lavage des équipements, le traitement des effluents*, les toilettes… ** Tous les circuits fermés concernent ici les tours de refroidissement, pas les bassins. *** Les refroidissements à l’air sec pour le solaire à concentration utilisent très peu d’eau.
Fig. 1 – Besoin en eau des unités de production d’électricité pour différentes sources d’énergie, en m3/MWh. US Department of Energy, 2006

3Pour évaluer la quantité d’eau nécessaire à l’utilisation d’une énergie donnée, c’est donc tout le « cycle de vie » de l’installation construite, comme des matériaux ou carburants utilisés, qui doit être passé en revue en s’appuyant sur le concept « d’empreinte eau ». Eau et énergie sont donc intimement liées, et ce n’est pas pour rien que l’une des trois recommandations des Académies des Sciences en mai 2012 au sommet du G8 était précisément que les projets de développement en eau et énergie devaient impérativement être examinés de façon conjointe.

4Nous donnerons ici quelques ordres de grandeur sur les besoins d’énergie pour l’eau utilisée par l’Homme, sur ce que l’on sait, bien partiellement, de « l’empreinte eau » des principaux moyens de production d’énergie, et nous ferons enfin un zoom particulier sur l’hydroélectricité, acteur majeur de ce binôme eau-énergie.

Énergie pour l’eau

5Les chiffres suivants (données Suez Environnement) indiquent la quantité d’électricité nécessaire pour la fourniture et le traitement des eaux, en France, par an et équivalent-habitant. Pompage : 6 kWh ; traitement de l’eau : 30 kWh ; séchage thermique des boues des stations d’épuration des eaux : 50 kWh ; total : 90 kWh/an par équivalent-habitant. Pour environ 60 millions d’habitants, la consommation électrique totale du secteur eau en France est de 5,4 TWh. Avec une consommation moyenne d’eau de 150 L/jour par habitant, ceci donne 1,6 kWh/m3.

Combustible

m3/MWh

Combustible

m3/MWh

Gaz naturel

0,038

Hydrogène

1,85 – 3,1

Gazéification du charbon

0,144 – 0,340

Gaz naturel liquéfié

1,875

Sables bitumineux

0,190 – 0,490

Pétrole pour centrale

15,5 – 31,2

Schistes bitumineux

0,260 – 0,640

Éthanol Biodiésel

32,4 – 376 181 – 969

Procédé Fischer-Tropsch de gazéification

0,530 – 0,775

HydroélectricitéÉvaporation dans les retenues

0 – 26 ou même 254

Charbon

0,530 – 2,1

Hydroélectricité, chute de 100 m (rendement de 80 %)

4 600*

* Volume intégralement restitué au milieu.
Fig. 2 – Eau nécessaire pour produire des combustibles, refroidissement exclu. Jones, 2008

6Le transfert de l’eau à grande distance, en terrain plat, demande environ 0,5 kWh par 100 km. Pour l’osmose inverse pour le dessalement de l’eau de mer, la demande en énergie est de l’ordre de 2,5 kWh/m3 pour les installations les plus efficaces, mais moins pour les eaux saumâtres. L’énergie contenue dans les eaux usées par an et équivalenthabitant est estimée à 63 kWh en chaleur, 1,5 kWh en énergie hydraulique, 70 kWh en biomasse, soit un total de 135 kWh/an par équivalenthabitant, plus que l’énergie nécessaire à la production de l’eau.

Eau pour l’énergie

7Les besoins en eau pour produire l’énergie électrique sont donnés dans la figure 1 pour le refroidissement des centrales, et dans la figure 2 pour la production des énergies primaires – mais les chiffres disponibles ne sont pas complets.

8Il faut noter l’absence dans ces tableaux de chiffres pour le combustible nucléaire, de l’extraction au traitement et à l’enrichissement* isotopique ; certains auteurs donnent 0,2 à 0,7 m3/MWh, sans préciser ce qui est pris en compte. Aucun chiffre n’est disponible pour l’eau nécessaire pour construire des cellules photovoltaïques ou des éoliennes. L’analyse du cycle de vie et de l’empreinte eau de la totalité des différentes formes d’énergie reste entièrement à faire.

Hydroélectricité

9Les ouvrages hydroélectriques peuvent être de trois types. Tout d’abord les usines « au fil de l’eau » pour lesquelles le débit passant dans une rivière est immédiatement turbiné en l’absence de toute retenue importante. Ensuite, les usines de lac où le turbinage (à la demande) de l’eau stockée dans une retenue artificielle permet d’exploiter une chute plus ou moins importante. Et enfin, les usines de « pompage-turbinage » (ou stations de transfert d’énergie par pompage, STEP – cf. VI.7) entre deux retenues situées à des cotes différentes, qui intègrent un système de pompage permettant de relever un volume d’eau en utilisant l’électricité surabondante en période de basse consommation, et un turbinage du même volume en période de pointe (rendement hydraulique de 75 %, mais rendement économique très supérieur à 1). Ces deux derniers types constituent une façon opérationnelle de stocker de l’énergie, et sont précieux du fait de leur disponibilité et leur souplesse : ils peuvent être mobilisés rapidement (en quelques dizaines de minutes) pour pallier un besoin urgent d’énergie (pic de consommation, panne réseau, manque de souplesse ou intermittence d’autres moyens de production, etc.).

Fig. 3 – Potentiel technique hydroélectrique mondial, avec la production annuelle, la capacité installée, et le % du potentiel exploité, pour 2009. D’après IPCC SRREN 2012

10Le coût de production hydroélectrique est très variable d’une installation à l’autre selon les configurations locales, mais il est encadré par les moyens de production concurrents. Les statistiques au niveau mondial le situent de l’ordre de 15 à 60 €/MWh pour les grandes installations, et de 30 à 80 €/MWh pour les petites, ce qui en fait l’énergie la meilleur marché des énergies renouvelables. D’un autre point de vue, les ouvrages hydroélectriques sont souvent synonymes de développement économique, et le partage de l’usage de l’eau autour d’une retenue est en constant développement, notamment en France.

11L’empreinte eau de l’hydroélectricité est plutôt favorable : presque nulle s’agissant d’installations fonctionnant « au fil de l’eau », elle est essentiellement due aux évaporations en retenue, et d’ailleurs souvent à partager avec d’autres usages. L’empreinte carbone, et plus généralement gaz à effet de serre, quant à elle, est aussi très faible, hormis les périodes transitoires de construction et de mise en eau.

12Tous ces avantages ne doivent cependant pas faire oublier que l’aménagement des rivières pour y faire de l’hydroélectricité peut avoir des effets négatifs, parfois délétères, pour le milieu et les écosystèmes aquatiques.

13Sur l’ensemble de la rivière : la création de retenues et la modification du régime hydrologique perturbent le régime des débits et se traduisent par des modifications locales de pente et de ligne d’eau, une évolution des faciès (grandes retenues, plus de zones d’eau stagnantes), un blocage du transport solide à granulométrie élevée (graviers, blocs) à l’amont des retenues et une réduction de l’effet décolmatant de certaines petites crues. L’Homme peut être lui-même directement concerné par l’ennoyage des retenues (déplacement de populations) ou le changement de l’usage du sol.

14Dans les tronçons de rivière à l’aval des barrages : l’abaissement du débit en période de non-turbinage (« débit réservé ») modifie le transport solide (envasement), la température (réchauffement en été), et plus généralement toutes les conditions physicochimiques de l’écosystème aquatique et de la biodiversité. Il en résulte une modification des populations d’invertébrés et de poissons, avec, pour ces derniers, des obstacles, parfois rédhibitoires, à leur circulation. En période de turbinage, les brusques variations de débits affectent plus particulièrement les zones de frai et les conditions de reproduction dans ces secteurs.

15Dans les retenues : du fait du faible renouvellement des eaux dans les grandes masses d’eau créées, ces dernières peuvent être le siège de phénomènes complexes de stratifications thermiques, de développements algaux progressifs (eutrophisation*), mais parfois aussi brutaux et toxiques que temporaires (blooms), accompagnés de diminution de l’oxygène dissous.

16Tous ces effets ne se produisent pas simultanément et avec la même ampleur : chaque aménagement est un cas d’étude particulier, et les projeteurs ont appris à faire des études d’impact approfondies, et ensuite à ajuster des solutions techniques spécifiques à chaque configuration, grâce aux progrès de la recherche. À titre indicatif, en France, les impacts qui ont principalement occupé les chercheurs et les ingénieurs sont la recherche du « bon » débit réservé, la conception des passes à poissons, la limitation des effets des éclusées et la qualité de l’eau dans les retenues (eutrophisation et oxygénation) et à l’aval (cf. VIII.5).

Perspectives

17En 2010, dans le monde, l’hydroélectricité représentait 16,3 % de la production mondiale d’électricité, contre 67,2 % pour les énergies fossiles (charbon, gaz, pétrole), 13 % pour le nucléaire, 1,2 % pour la biomasse, 1,6 % pour l’éolien et 0,7 % pour les autres énergies.

18La capacité de production mondiale installée était de 926 GW en 2009, avec près de 8 200 grands barrages, et une production annuelle de 3 250 TWh. La capacité mondiale maximale théorique en hydroélectricité (en turbinant toutes les eaux de ruissellement du globe) est estimée à près de 40 000 TWh/an. La capacité dite « techniquement faisable » serait de l’ordre de 15 000 TWh/an, avec une capacité installée potentielle de 3 700 GW. La figure 3 donne la répartition de cette capacité actuelle et potentielle pour toute la planète.

19En France, la capacité installée est de 25 GW, soit 20 % de la capacité totale de production électrique installée ; la production annuelle moyenne varie entre 56 et 78 TWh selon les années et leur hydraulicité, soit en moyenne 67 TWh, c’est-à-dire 12 % de la production électrique nationale, (35 TWh/an pour le fil de l’eau, 30 TWh/an pour les lacs, et 5 TWh/an pour le pompage-turbinage). Le Grenelle de l’Environnement envisageait une augmentation de la production d’énergie hydraulique en France de 7 TWh/an en 2020 (sur un potentiel théorique à équiper de 30 TWh/an), ramenée à 3 TWh/an par le gouvernement pour concilier d’autres objectifs environnementaux du Grenelle. Il existe probablement en France entre 2 500 et 3 000 centrales hydroélectriques, mais la plupart de celles de moins de 50 kW sont inconnues des recensements de l’Observatoire de l’énergie. Une centaine a une puissance maximale de plus de 50 MW, mais elles représentent les trois quarts de la puissance hydraulique et fournissent les deux tiers des 67 TWh nets productibles annuellement. À l’autre bout du spectre, les 1 600 petites centrales hydrauliques soumises à autorisation recensées par l’Observatoire de l’énergie représentent une puissance installée de 1,2 GW pour une production annuelle moyenne de 5 TWh. À noter que ces chiffres ne comprennent pas les perspectives prometteuses de l’hydroélectricité marine, notamment les hydroliennes* qui font actuellement l’objet de recherches et d’expérimentation (cf. V.3).

20Soulignons enfin que l’augmentation de la capacité de stockage d’énergie électrique grâce à l’hydroélectricité devrait être un objectif essentiel, en particulier pour compenser les déficits des énergies renouvelables intermittentes. La production éolienne du Danemark, par exemple, qui est très développée, fait largement appel à la production hydroélectrique norvégienne, qui par le stockage d’eau dans ses barrages assure la fourniture en absence de vent. En France, où l’essentiel des sites de lacs économiquement viables a été équipé, c’est aussi dans le développement de la capacité de pompage-turbinage que résident les marges de manœuvre.

Bibliographie

Références bibliographiques

• C. DESHAYES, T. THOUVENOT et al.L’Empreinte eau de la France, Rapport du WWF France, www.waterfootprint. org/Reports, 2012.

• R. GINOCCHIO et P.-L. VIOLLET – L’Énergie hydraulique, Lavoisier, 2012.

• G. GUERASSIMOFF et N. MAÏZI – Eau et énergie : destins croisés, Presses de Mines, Paris, 2010.

• US Department of Energy – Energy Demands on Water Ressources - Report to Congress on the Interdependency of Energy and Water, 2006.

• Commission Internationale des grands barrages – Rapport Général Q88, Brésil, 2009.

• IPCC SRREN – Renewable energy and climate change mitigation, Cambridge Univ. Press, 2012.

• W. D. JONES – How Much Water Does It Take to Make Electricity ?, spectrum.ieee.org/energy/environment, 2008.

Table des illustrations

Légende * Les autres usages comprennent par exemple l’eau de refroidissement des turbines, le lavage des équipements, le traitement des effluents*, les toilettes… ** Tous les circuits fermés concernent ici les tours de refroidissement, pas les bassins. *** Les refroidissements à l’air sec pour le solaire à concentration utilisent très peu d’eau.Fig. 1 – Besoin en eau des unités de production d’électricité pour différentes sources d’énergie, en m3/MWh. US Department of Energy, 2006
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11008/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 194k
Légende Fig. 3 – Potentiel technique hydroélectrique mondial, avec la production annuelle, la capacité installée, et le % du potentiel exploité, pour 2009. D’après IPCC SRREN 2012
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11008/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 774k

Auteurs

Géologue, Professeur Émérite, Membre des Académies des Sciences, des Technologies et d’Agriculture, SISYPHE, Paris.
gdemarsily@aol.com

Hydrologue, Professeur à Ponts ParisTech.
jmiquel@neuf.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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