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12 mars 2014.

Eau et énergie vont de pair

Eau & Énergie. C’est le thème inscrit cette année par l’ONU à (...)

Eau & Énergie. C’est le thème inscrit cette année par l’ONU à l’enseigne de la Journée mondiale de l’eau du 22 mars. En pays alpin, on pense presque spontanément à l’électricité produite grâce aux innombrables barrages construits dans les hautes vallées. Au point d’oublier parfois que l’eau joue un rôle-clef dans d’autres formes de production d’énergie. Et que toutes deux sont étroitement interdépendantes, voire indissociables, puisqu’on a besoin d’eau pour produire de l’énergie et besoin d’énergie pour pomper l’eau, la traiter et la distribuer, la chauffer ou la refroidir, l’épurer et la recycler.

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Roue de moulin à l’Isle-sur-la-Sorgue (Vaucluse)

L’énergie hydraulique a déjà une très longue histoire dans laquelle le moulin à eau tient lieu d’archétype. Depuis l’Antiquité et pendant des siècles et jusqu’à l’apparition des turbines et des générateurs électriques, des dizaines de milliers de roues à aubes installées au fil des rivières et des chutes d’eau ont progressivement fait tourner toutes sortes de moulins agricoles et de machines artisanales synonymes de développement économique. Ces installations ont aussi contribué de manière significative à réduire certaines formes d’esclavage et d’exploitation de la main-d’œuvre.

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Locomotive à vapeur
Vallée de Joux (VD)

De la machine à vapeur
à l’hydroélectricité

L’invention de la machine à vapeur au 18e siècle marque un premier tournant dans l’histoire à la fois de l’énergie hydraulique et du progrès industriel. Il ne s’agit plus d’exploiter l’énergie cinétique de l’eau mais son potentiel thermique : l’eau est chauffée et transformée en vapeur. Celle-ci, sous pression, met en mouvement des pistons reliés par des bielles à un système rotatif. Le principal progrès, par rapport aux moulins, est qu’il n’y a plus nécessité d’installer la machine à proximité immédiate d’un cours d’eau. La locomotive à vapeur illustre à quel point l’énergie mécanique a de ce fait gagné en autonomie.

Un siècle plus tard, un nouveau maillon s’ajoute à la chaîne énergétique : avec l’invention de l’alternateur couplé à une turbine, il devient possible de convertir une énergie mécanique en énergie électrique. En réponse à une croissance rapide de la demande industrielle d’électricité, le 20e siècle verra se construire de nombreux barrages et centrales hydroélectriques, au fil de l’eau (en France par exemple, la Compagnie nationale du Rhône exploite actuellement pas moins de 19 grandes centrales sur le fleuve) et en altitude (en Suisse, la majorité des quelque 200 grands bassins d’accumulation destinés à la production d’électricité a été aménagée dans des vallées alpines).

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Barrage de Verbois
sur le Rhône (GE)

Plus d’hydraulique ?

L’énergie hydraulique revient ces temps-ci sur le devant de la scène, Du moins en Suisse. Car la volonté des autorités fédérales de sortir progressivement le pays de l’énergie nucléaire a ouvert la porte à de nouveaux scénarios énergétiques où l’hydroélectricité occupe une place de choix. Faut-il rappeler qu’elle représente la principale source d’énergie renouvelable ? 56 % de l’électricité produite actuellement en Suisse sont d’origine hydraulique, contre 90 % avant la mise en service des premières centrales nucléaires au début des années 1970.

Accroître le potentiel de production hydroélectrique ne va pas de soi car les sites propices à la construction de nouveaux barrages sont rares. Ne restent alors que deux options : pratiquer le pompage-turbinage entre deux retenues de niveaux différents pour réutiliser l’eau déjà turbinée, ou rehausser les barrages pour accroître leur capacité d’accumulation. Ce qui, ici et là, peut poser des problèmes de préservation de l’environnement, sans parler de ceux engendrés par les variations violentes et irrégulières de débits d’eau en aval des barrages. Par ailleurs, le réchauffement climatique accélère l’érosion des bassins versants et le remplissage des lacs-réservoirs : les sédiments qui s’y déversent réduisent d’autant leur volume et leur potentiel de production.

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Centrale nucléaire de
Temelin (R.tchèque)
© petrarottova - Fotolia

Du côté des autres énergies

Tous les types de production d’électricité consomment de l’eau, soit (on vient de le voir) pour produire l’électricité, soit pour l’extraction ou le traitement des matières premières qui serviront ensuite de carburant, soit dans les processus de production d’énergie, soit encore lors de la construction des installations ou la fabrication des équipements de production.

Les énergies solaires et éoliennes, réputées renouvelables, n’échappent pas à ce constat : elles ont beau ne dépendre que de la lumière naturelle ou du vent, il faut de l’eau pour fabriquer les cellules et les panneaux photovoltaïques ou construire les installations qui supporteront les turbines éoliennes.

Les centrales nucléaires, elles, ont besoin de beaucoup d’eau, transformée en vapeur, pour actionner les turbines et produire de l’électricité. Cette vapeur passe ensuite par un circuit de condensation où elle redevient liquide. L’eau qui a servi à cette phase de refroidissement s’est elle-même réchauffée et est rejetée dans les tours des centrales, dans la mer ou dans les cours d’eau voisins, ce qui n’est pas sans conséquence sur leur température et sur les habitats piscicoles.

Si les extractions de gaz de schistes font polémique, c’est principalement à cause des méthodes de forage qui recourent à la fracturation hydraulique : celle-ci consiste à injecter des millions de litres d’eau dans les couches rocheuses imperméables et sous de très fortes pressions. Du sable et des produits chimiques corrosifs et toxiques sont souvent mélangés à cette eau et le risque est grand de voir qu’une partie de l’eau qui remonte à la surface avec les déchets de forage contamine ensuite les nappes phréatiques.

La production de biocarburant pèse elle aussi assez lourd sur les ressources en eau. Une étude menée par des chercheurs néerlandais a par exemple montré que s’il faut 1400 litres d’eau pour produire un litre d’éthanol à partir de betteraves à sucre, il en faut dix fois plus avec des cultures à base de colza ou de soja, et jusqu’à 20’000 litres d’eau avec le jatropha, une espèce végétale résistante à la sécheresse et possédant un excellent rendement énergétique. D’où la question de savoir si la culture de biocarburants menace ou non, à plus ou moins long terme, la production d’eau potable et la préservation des écosystèmes aquatiques.

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Au Salon aqua pro gaz
Bulle (FR)

L’eau a également
besoin d’énergie

L’usager l’oublie un peu trop souvent : il faut aussi de l’électricité pour pouvoir consommer de l’eau à son robinet. Son pompage en surface ou en profondeur, son traitement dans les usines de potabilisation, son transport vers les réservoirs et dans les réseaux de distribution sont autant d’opérations qui réclament de l’énergie. Ceci est vrai également pour le retraitement des eaux usées et l’élimination des micropolluants par ozonation dans les stations d’épuration.

En Suisse, le coût énergétique de ce cycle de l’eau potable et des eaux usées est estimé à une bonne centaine de kWh par année et par personne, soit environ 1,5 % de la production totale d’électricité. Mais c’est sans comparaison avec la quantité d’énergie (10 à 15 fois plus importante) nécessaire à la production d’eau chaude sanitaire. Il est, de par le monde, de multiples utilisations de l’eau, outre celles de la vie domestique, qui consomment d’importantes quantités d’énergie. On pense surtout aux grands systèmes d’irrigation qui en ont besoin pour le pompage de l’eau et son transport vers les terres cultivables.

Les usines de dessalement d’eau de mer sont elles aussi particulièrement énergivores. Par comparaison, les installations de pompage-turbinage - qui récupèrent l’eau turbinée et la remontent vers un réservoir supérieur lorsque la demande est faible (particulièrement la nuit) pour pouvoir la turbiner à nouveau aux heures de pointe – consomment évidemment beaucoup d’énergie mais, au final, le bilan semble plus que satisfaisant, du moins à ce qu’en disent les hydroélectriciens.

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© puckillustrations
Fotolia

Une interdépendance évidente

"Le monde ne peut pas continuer à ignorer ou à esquiver le lien étroit qui unit l’eau et l’énergie", lit-on dans l’argumentaire proposé par l’ONU pour la Journée mondiale de l’eau 2014. "Ce ne sont pas des variables indépendantes dans l’équation planétaire entre l’économie et les écosystèmes." C’est sur ces deux pôles qu’il faudrait œuvrer pour tirer le meilleur profit possible de leur interdépendance, c’est-à-dire améliorer l’efficacité énergétique des technologies faisant appel à l’eau - plus de kWh par goutte d’eau - et réduire les impacts de la production énergétique sur les ressources aquatiques.

Vaste programme qui fait appel autant à la volonté politique des pouvoirs publics qu’à l’initiative personnelle des individus et à la responsabilité des entreprises. On n’en dressera pas, loin de là, une liste exhaustive. Une fiche d’information publiée en 2011 par l’Institut suisse de recherches sur l’eau (eawag) énumérait déjà quelques possibilités d’action, du turbinage de l’eau potable à la récupération de chaleur des eaux usées dans les stations d’épuration en passant par le recours au goutte-à-goutte dans les pratiques d’irrigation ou une meilleure isolation thermique des chauffe-eau et des canalisations d’eau chaude.

À ce propos, une brochure tous ménages récemment distribuée dans les boîtes aux lettres rappelait qu’en Suisse, "une personne consomme en moyenne 50 litres d’eau chaude par jour, ce qui représente près de 15% de la consommation d’énergie d’un ménage". Comme disent les spécialistes, le meilleur moyen d’économiser l’énergie nécessaire au pompage et à la potabilisation de l’eau, c’est de faire un usage raisonnable de l’eau potable et en particulier de l’eau chaude. Ce 22 mars 2014 est là aussi pour qu’on se souvienne de cette évidence.

Bernard Weissbrodt


P.S. Un nouveau rapport de l’ONU met l’accent sur l’interdépendance entre la gestion des ressources en eau et en énergie.

Le 21 avril 2014, à la veille de la Journée mondiale de l’eau, l’UNESCO a rendu public le 5e Rapport mondial des Nations Unies sur la mise en valeur des ressources en eau (WWDR 2014). Intitulée Eau et Energie, cette nouvelle édition du rapport met l’accent sur le manque de coopération et de planification entre ces deux secteurs et appelle à une meilleure gestion afin d’éviter des pénuries à venir d’eau et d’électricité.

"Ce rapport mondial jette une lumière nouvelle sur l’interdépendance entre la gestion des ressources en eau et en énergie, a notamment déclaré Irina Bokova, directrice générale de l’UNESCO. Cette interdépendance appelle de la part de tous les acteurs une coopération beaucoup plus étroite, car il est clair qu’il n’y aura de développement durable tant qu’il n’y aura pas de meilleur accès à l’eau et à l’énergie pour tous."


- Les deux volumes de ce 5e rapport mondial sont disponibles, en anglais, sur le site du Programme d’évaluation des ressources en eau de l’UNESCO
- Eau et énergie : résumé en français
- Eau et énergie : faits et chiffres


- Voir aussi l’article aqueduc.info L’eau et l’énergie : des liens trop souvent négligés (9 mars 2006)




Infos complémentaires

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La Journée mondiale de l’eau 2014, dédiée à la thématique de l’eau et de l’énergie, est coordonnée par l’Université des Nations Unies (UNU) et l’Organisation des Nations Unies pour le développement industriel (ONUDI).

- Site de la Journée
mondiale de l’eau


:: Des énergies
hydrauliques
multiformes


Schématiquement dit, l’énergie hydraulique est celle, dite cinétique, que fournit une eau en mouvement (cours d’eau de surface, chute d’eau, courant marin, vagues ou marée) et dont l’intensité dépend de la masse d’eau en déplacement et de sa vitesse. C’est aussi l’énergie, dite potentielle, d’une eau mise en réserve à un niveau supérieur (dans un barrage d’accumulation par exemple) et qui, au moment de son utilisation, met en jeu sa hauteur de stockage et sa vitesse d’accélération par gravité. Les applications de cette énergie, renouvelable puisqu’elle s’inscrit dans le cycle de l’eau, sont très diverses.


La roue hydraulique
La roue du moulin à eau, installée sur une rivière ou un bief, illustre parfaitement le principe qui consiste à transformer la force cinétique d’un liquide en mouvement en énergie mécanique par le biais d’un dispositif rotatif. La roue hydraulique peut être horizontale, fixée sur un axe vertical qui, par exemple, entraîne directement une meule. Sa version verticale, beaucoup plus fréquente, est plus complexe car son axe horizontal a besoin d’un système d’engrenages pour actionner meule à grains, scie à bois, maillets de fouloir à tissu, soufflerie de forge et autres installations d’ateliers mécaniques. Hormis la force humaine ou animale, la célèbre roue à aubes a constitué la principale énergie motrice pendant une vingtaine de siècles.

La turbine électrique
Grâce à l’invention de la turbine au 18e siècle, puis au siècle suivant du générateur électrique qui lui est couplé, il devient possible de convertir une énergie mécanique en énergie électrique. Les centrales hydroélectriques, construites durant le 20e siècle au fil des fleuves ou en aval de barrages-réservoirs de montagne, vont alors connaître leur âge d’or jusqu’à l’apparition de l’énergie nucléaire. Leur principal avantage, c’est que – compte tenu de la capacité de stockage des bassins d’accumulation – elles peuvent moduler immédiatement leur production de courant et l’adapter aux fortes variations quotidiennes des besoins de consommation. Actuellement, la part de l’hydraulique dans la production électrique mondiale est d’environ 16% (56% en Suisse).

L’hydrolienne
L’hydrolienne reprend le principe du couple turbine / générateur électrique. Elle est immergée dans un flux d’eau naturel, posée par exemple sur le fond d’une rivière ou ancrée dans un courant marin. Cette technologie en est encore à ses débuts et fait l’objet de recherches techniques, en Bretagne notamment. Malgré un potentiel jugé intéressant, l’hydrolienne marine pose toutefois des problèmes de maintenance (érosion des pièces mobiles par le sable, invasion de faune et de flore, etc.) et d’écologie (formation de turbulences nuisibles au milieu vivant immédiat, risques encourus par les poissons et mammifères aquatiques, etc.).

L’usine marémotrice
L’idée d’utiliser le potentiel énergétique des marées n’est pas récente. Au Moyen Âge, dans certains estuaires, un système de vannes aménagées sur des digues laissait passer l’eau de la marée montante et, à marée descendante, actionnait la roue d’un moulin. L’usine marémotrice reprend cette idée de tirer profit des variations du niveau de la mer. La plus connue est celle installée depuis 1966 sur la Rance, non loin de la Baie du Mont-Saint-Michel connue pour ses fortes marées. Une centrale du même type est en service depuis 2011 à Sihwa, en Corée du Sud. L’exemple français montre cependant que ce type d’installation pose d’énormes problèmes écologiques car l’ouverture des vannes du barrage ne dépend plus du flux naturel des marées mais de la demande en électricité. D’où, entre autres, l’envasement de l’estuaire et les impacts nuisibles des rythmes artificiels de l’usine sur la faune et la flore.

L’énergie des vagues
Une autre forme de récupération d’énergie cinétique hydraulique consiste à exploiter la force des vagues de houle. On parle alors d’énergie houlomotrice. Il s’agit là aussi d’une technologie encore au stade expérimental, notamment au Portugal (Parque de Ondas da Aguçadoura). Une firme écossaise y développe une "ferme" offshore comprenant une douzaine de longs et grands tubes flottants, réagissant de manière très flexible aux vagues et transformant leurs oscillations en électricité grâce à des systèmes hydrauliques couplés à des générateurs.

La géothermie
L’eau peut être aussi vecteur d’énergie géothermique, ce que démontre l’usage de plus en plus fréquent de pompes à chaleur : grâce à un forage à plus ou moins grande profondeur et l’installation d’un circuit hydraulique fermé, il est possible de récupérer la chaleur du sous-sol pour chauffer un immeuble. À très grande profondeur, là où la température dépasse 100° C, le mélange d’eau liquide et de vapeur sous pression qui jaillit du forage est exploité par turbinage pour la production d’électricité. Toutefois ce type de géothermie profonde n’exclut pas tout risque sismique.

L’océanothermie
La récupération de l’énergie thermique des mers fait appel à une pompe à chaleur utilisant dans son circuit fermé non plus de l’eau mais un fluide (ammoniaque par exemple) ayant un point d’ébullition très bas. La grande différence de température entre les eaux océaniques de surface et celles des profondeurs est alors exploitée pour le faire passer de l’état liquide à celui de vapeur pour actionner une turbine et un générateur électrique. L’écart de température devant être d’au moins 20°C, cette technologie, encore expérimentale elle aussi, ne peut être mise en œuvre que dans des zones tropicales.

Mots-clés

Mot d’eau

  • Contempler l’eau

    “Je ne connais pas d’occupation plus totale de soi que de contempler l’eau, surtout l’eau mi-morte. À la fois plaisir et souffrance, divertissement de chaque minute et ennui compact des heures, plénitude et vide ; on vit avec une profonde et sourde intensité en même temps qu’on se détache et s’oublie, on se pétrit et on se délite dans une contradiction dont on ne cherche pas la clé, et il y en a certainement une, mais inutile. À quoi bon comprendre ?” (Alexandre Arnoux, “Rhône, mon fleuve”, 1967)

Glossaire

  • Porosité, perméabilité

    Les deux mots ne doivent pas être confondus car une roche poreuse (un grès par exemple) peut être perméable ou imperméable. On parle de la porosité d’un milieu, d’un sol ou d’une roche lorsqu’ils comportent des pores, c’est-à-dire des vides et des interstices de petite taille parfois microscopique. Le calcul de la porosité permet d’évaluer la capacité de stockage d’un milieu. On parle de perméabilité d’un milieu lorsqu’il est apte non seulement à se laisser pénétrer par un fluide, mais également à être complètement traversé par lui.


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