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 : st.leray@laposte.net , téléphone : 06.51.14.65.82

mailto:st.leray@laposte.net

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.

21

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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