HISTORIQUE
L'utilisation de ce que l’on appelait, autrefois, la force hydraulique remonte assez loin dans le temps.
Dès l'Antiquité, l'énergie hydraulique a été captée et transformée en énergie mécanique dans des moulins à eau; cette énergie servait à moudre des céréales ou à élever et refouler l'eau. Une usine de meunerie, découverte près de la ville d'ARLES, reste un vestige de telles installations; construites vers 260 après J.C., cette usine comprend un aqueduc de 10 km de longueur réalisant une hauteur de chute totale de 18 m, utilisée en sept ou huit chutes successives.
Pendant le Moyen-Age et jusqu'au XIXème siècle, se développent en Europe de très nombreuses installations équipées de roues à aubes entraînant des forges, des moulins à céréales, des scieries. Leurs hauteurs de chute ne dépassaient guère le diamètre d'une roue à aube et leurs puissances unitaires n'excédaient pas une dizaine de kilowatts. Parmi les aménagements anciens remarquables, les plus connus en France sont les suivants:
- à TOULOUSE, le "moulin de Bazacle", construit vers 1190 sur la Garonne, comprenait 25 roues à aubes hélicoïdales. Le barrage subsiste en partie de nos jours et sert à l'alimentation d'une usine hydroélectrique.
- sur la Seine, en aval de PARIS, la machine de Marly, dont les roues à aubes actionnaient des pompes refoulant les eaux de la Seine au Château de VERSAILLES.
Au XIXème siècle, la turbine fait son apparition. En 1827, un ingénieur français, Fourneyron, fabrique une roue à pression universelle et continue complètement immergée, où l'eau entre sans choc et sort sans vitesse. Installée sur une chute de 1,4 m à PONT S/L'OGNON en Haute-Saône, elle produit 4,5 kilowatts avec un rendement de 83%, plus du triple de celui des anciennes roues à aubes.
Cette technique est perfectionée par Fourneyron, Jonval, Fonfaine et Girard en France, par Thomson en Angleterre, par Pelton et Francis aux Etats-Unis.
En 1837, Fourneyron aménage à SAINT-BLAISE, en Forêt-Noire, une chute de 108 m équipée de turbines alimentées par des conduites forcées.
En 1869, Aristide Berges aménage à LANCEY, près de GRENOBLE, une chute de 200 m. La puissance installée de 700 KW est utilisée pour entraîner les machines d'une papeterie. En 1882, la hauteur de chute de cet aménagement est portée à 500 m et sa puissance à 1.800 KW. Berges est alors considéré comme le père de la "houille blanche". Cette appellation fut répandue dans le grand public français à l'occasion de l'exposition de 1889 à PARIS.
Par la suite, les installations se multiplient dans le monde et notamment en France, dans les Alpes et les Pyrénées. En effet, la technique d'aménagements de puissances unitaires peu importantes, en basses chutes de rivières et donc avec de gros débits, ne s'est développée que plus tardivement.
En 1883, Marcel Desprez réalise le transport d'une puissance électrique de 5KW en moyenne tension
( 11.000 volts) sur 14 km, entre VIZILLE et GRENOBLE, avec un rendement de 62%. Cette réalisation rend possible le développement des aménagements hydro-électriques en assurant les débouchés à l'énergie qu'ils produisent.
En 1884, le premier réseau de distribution alimenté par l'énergie hydroélectrique est mis en service. L'aménagement d'une chute sur la Valserine permet d'éclairer à l'électricité la ville de BELLEGARDE (Ain).
En 1893, c'est-à-dire neuf ans après la construction du premier réseau de distribution, la ville d’ERSTEIN eut son propre réseau de distribution d'électricité (après COLMAR et avant STRASBOURG). Ainsi, dès la fin du XIXème siècle, l'eau des cours d'eau ne fournit plus seulement de l'énergie mécanique, mais aussi de l'énergie électrique : c'est le début de l'hydro-électricité. En définitive, pour le territoire français tout au moins, on peut distinguer trois époques dans l'évolution de l'hydro-électricité :
- l'époque des pionniers, correspondant à ce que l'on a appelé "La Belle Epoque". Elle commence avec les deux ou trois dernières décades du XIXème siècle, pour se terminer à la guerre 1914/1918. Au prix de nombreuses difficultés, ces pionniers ont réussi des hautes chutes, dont l'importance relative est digne d'admiration.
- L'époque de "l'entre deux guerres", où la technique se perfectionne, surtout en matière de transport d'énergie et où la loi sur les concessions hydro-énergétiques du 16 octobre 1919 (toujours en vigueur actuellement) fait bénéficier les concessionnaires de diverses facilités administratives, dont surtout celles découlant de la déclaration d'utilité publique.
- L'époque suivant la guerre de 1935/1945, caractérisée par de nouvelles évolutions techniques et par la loi de nationalisation de 1946, qui a donné les facilités administratives favorables à la réalisation de grands ensembles d'équipement rationnel concernant des vallées entières. Le transport d'énergie à longue distance fait alors de nouveaux progrès avec un renforcement de l'interconnexion générale du réseau français et un accroissement des échanges avec l'étranger.
LES CENTRALES HYDROELECTRIQUES
Ces usines utilisent l'eau fournie par une chute ou un barrage pour alimenter des turbines accouplées à des alternateurs. L'énergie de la colonne d'eau qui tombe d'une certaine hauteur est ainsi transformée en énergie électrique facilement transportable à de grandes distances. Ces usines peuvent être classées en trois groupes :
- les usines de haute chute
- les usines de moyenne chute
- les usines de basse chute
Les usines de haute chute produisent des puissances considérables, avec des débits relativement faibles compensés par la grande hauteur de chute: 300 à 2.000 m. L'alimentation en eau de ces centrales provient de lacs naturels ou artificiels situés à des altitudes élevées. L'eau des lacs est amenée aux turbines par des conduites forcées en béton armé précontraint ou en acier semi-dur soudées bout à bout. En France, la plus grande hauteur de chute aménagée est celle du Portillon, dans les Pyrénées. La hauteur de chute totale d'utilisation est de 1.420 m.
Les usines de chute moyenne utilisent l'eau d'un barrage placé sur un cours d'eau à débit irrégulier et à pente modérée de 3 à 5%. La hauteur de chute utile est comprise entre 30 et 120 m, avec un débit moyen annuel de l'ordre de 100 à 500 mVseconde. En France, une usine de moyenne chute est aménagée à BORT-LES-ORGUES sur la Dordogne, avec une hauteur de chute moyenne de 98,80 m.
Dans le groupe "moyenne chute", on peut également classer les usines par accumulation de pompage qui, à la différence des aménagements hydroélectriques gravitaires, n'exploitent pas une ressource naturelle. Elles n'apportent pas d'énergie, mais en assurent un simple transfert dans le temps au prix d'une certaine perte.
Le principe d'utilisation des centrales de pompage consiste à échanger une même eau entre deux bassins de même contenance situés à des altitudes différentes. L'eau du bassin inférieur est pompée dans le bassin supérieur pendant les heures creuses de la consommation, la nuit en particulier, et elle est déstockée du bassin supérieur dans le bassin inférieur pendant les heures de pointe de consommation. En 1936, la France met en service, dans les Vosges, la station de pompage du lac Blanc-Lac Noir, pour absorber de nuit le courant excédentaire de l'usine de Kembs, sur le Rhin.
Les usines de basse chute, ou encore appelées usines au fil de l’eau, se placent sur des rivières importantes et comportent un barrage de 10 à 25 m de hauteur, qui créé une différence de niveau d'eau du même ordre, réalisant ainsi une chute artificielle à grand débit. L'eau retenue peut être dirigée directement sur les turbines disposées au pied du barrage ou être dérivée dans un canal de plusieurs kilomètres avant d'aboutir à des turbines. Les centrales hydroélectriques aménagées sur le Rhin, ou celle des Usines Municipales d'Erstein, située sur l'Ill, sont dites "usines au fil de l'eau".
La centrale hydroélectrique de GERSTHEIM, aménagée sur un canal de 4 km dérivé du Rhin, a une hauteur de chute maximale brute de 11,75 m. Elle peut débiter 1.400 m² seconde avec une puissance installée de 145.000 KW. La centrale hydro-électrique des Usines Municipales d'Erstein, alimentée par l'Ill, débite un maximum de 24 m² seconde sous une chute de 2,40 m, avec une puissance installée de 500 KVA. Une catégorie particulière d'aménagements de basse chute constituent les usines marémotrices,dont la hauteur de chute est de l'ordre de grandeur de l'amplitude de la marée, c'est-à-dire au maximum 15 m dans les sites les plus favorables. Une telle usine fonctionne en France depuis 1966 dans l'estuaire de la Rance qui débouche dans la Manche, entre SAINT-MALO et DINARD, avec une chute maximale de 11,40 m (la chute nominale étant de 5,80 m).
LES TURBINES UTILISEES DANS LES USINES HYDRO-ELECTRIQUES
Elles sont de trois types principaux:
- la turbine Pelton
- la turbine Francis
- la turbine Kaplan
La turbine PELTON
Elle comprend principalement :
- une roue munie d'augets sur sa périphérie, recevant l'action d'un jet d'eau,
- un distributeur d'eau appelé injecteur.
Les turbines PELTON sont installées dans les usines de haute chute et sont alimentées par conduites forcées. L'arbre est presque toujours horizontal et, suivant la construction, tourne à une vitesse comprise entre 10 à 60 tours/minute.
La turbine FRANCIS
Elle comprend principalement :
- une roue mobile, composée d'aubes solidaires du moyeu et de la jante,
- un système de réglage du débit, constitué par des aubes mobiles distributrices commandées par un régulateur de vitesse,
- un tube d'aspiration (diffuseur), qui met en communication la sortie de la roue avec le niveau aval.
Les turbines FRANCIS de grande puissance sont toutes à axe vertical. Pour les petites et moyennes puissances, elles peuvent être à axe vertical ou horizontal. Ces turbines s'utilisent de préférence sur les moyennes chutes et tournent à une vitesse comprise entre 80 et 450 tours/minute. Pour des raisons techniques, c'est ce genre de turbines qui équipe la centrale hydroélectrique des Usines Municipales d'Erstein. Elles ont une puissance unitaire de 324 CV pour un débit de 10 m² seconde, sous une chute de 2,40 m et tournent à 86 tours/minute.
La turbine KAPLAN
Elle comprend principalement :
- soit une roue hélice à pales fixes et axe vertical,
- soit une roue KAPLAN à pales orientables et axe vertical,
- un dispositif de régulation.
Ces turbines sont réservées aux usines à faible chute et à grand débit, telles que les usines "au fil de l'eau " sur les grands fleuves. Elles conviennent pour les vitesses élevées comprises entre 500 et 1.200 tours/minute. Les centrales hydroélectriques aménagées par E.D.F. sur le Rhin sont équipées de turbines KAPLAN : à axe vertical pour les premières, à axe horizontal pour les dernières.
L'usine de GERSTHEIM fut la première à être équipée de turbines KAPLAN à axes horizontaux, aussi nommées "groupe bulbe".
L'AVENIR DE L'HYDROELECTRICITE
En tant qu'investissement industriel à but productif direct, l'hydroélectricité a un caractère très accentué de pérennité. En effet, les ouvrages, tout au moins ceux du génie civil qui sont les plus coûteux, sont extrêmement durables; ensuite, l'expérience a montré jusqu'à présent qu'ils sont très peu sujet à tomber en désuétude.
On ne voit en effet presque jamais d'autres activités industrielles productrices dont l'outil de production se soit aussi peu démodé. Par exemple, certaines chutes d'eau datant de 50 à 70 ans ont encore des conditions économiques d'exploitation très acceptables. Leur renouvellement n'a guère concerné que le matériel et très peu le gros du génie civil. Un tel exemple en est la centrale hydroélectrique des Usines Municipales d'Erstein, qui a été construite en 1906, et dont on a remplacé l'équipement hydraulique et électromécanique en 1970, en modifiant légèrement le génie civil pour l'adapter aux nouvelles techniques. Cet investissement a permis de doubler la production électrique.
C'est un cas assez exceptionnel à notre époque de mutations rapides. Il faut également souligner les très faibles charges annuelles autres que celles financières relatives à l'investissement initial, les très faibles disponibilités et l'absence totale de pollution. L'esthétique des ouvrages est peu contestée ; il n'y a guère que la diminution des débits dans les torrents qui puisse être objectée à cet égard; en revanche, des plans d'eau (comme celui de PLOBSHEIM) intéressant le tourisme et les voies de communications ont ainsi été créés et certaines crues éliminées.
En ce qui concerne l'Europe occidentale et plus spécialement la France, l'exploitation des ressources est pratiquement terminé. L'aménagement du Rhin et du Rhône s'est poursuivi parce qu'il était à buts multiples.
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