Dès l'antiquité, on se servit de l'énergie hydraulique des rivières et des fleuves, en utilisant des moulins à eaux pour moudre le grain, ou à élever l'eau.
Ce n'est qu'au 19 ème siècle, que l'énergie mécanique des roues à eau ou de leur version plus moderne, les turbines, sera transformée en énergie électrique. C'est le début de l'ère de l'hydroélectricité.
Il faut savoir que l'énergie hydraulique, avec l'énergie bois constitue l'énergie renouvelable la plus répandue de nos jours.
Quant aux grands barrages hydrauliques , réalisés dans les années 50, ils sont venus contribuer à l'effort d'autonomie énergétique de la France, lui permettant d'afficher aujourd'hui 15 % de production d'électricité à partir des énergies renouvelables.
Ordre d'apparition des machines hydrauliques: la roue à palettes, la roue horizontale, la roue verticale avec engrenages (la roue en dessous, la roue de côté et la roue en dessus), les moulins flottants, les moulins à marée, puis, en fin, les turbines.
La roue à palettes :
Cette roue dont le périmètre est garni de palettes et godets servait à élever l'eau, les palettes plongeant dans la rivière permettant le mouvement de la roue.
La roue horizontale :
Cette roue, entièrement immergée dans la rivière, est fixée à un arbre vertical avec, à l'autre extrémité, une meule.
Ces moulins étaient, donc, exclusivement, dédiés à la mouture de grains. Ils apparaissent au premier siècle ACN (dans le Croissant fertile?).
La roue verticale :
Apparaît dans les premières décennies de cette ère.
Moulin de Barbegal (Arles): au quatrième siècle, les Romains y érigent un complexe de huit paires de roues en dessus (2,2 m de diamètre et 0,7 de large).
L'eau était captée dans l'Arcoule par un aqueduc de 2 m de largeur et 5,6 m de profondeur. A Barbegal, l'aqueduc est incliné à 30 degrés.
Chaque roue entraînant une paire de meules, on a estimé la production de 2,8 tonnes de farines par jour, la plus grande partie embarquée dans le port d'Arles et exportée vers Rome.
Invention de l'arbre à cames au Moyen Age: dès lors, les roues hydrauliques pourront actionner d'autres machines que les meules et mécaniser les manufactures. La came va permettre d'écraser mécaniquement le chanvre (matière première du papier et textile), fouler les draps, marteler le fer, scier les grumes, broyer les minéraux, actionner des soufflets,...
1086: le grand cadastre dans le Domesday Book (Livre du Jugement Dernier) recense 5 624 moulins en Angleterre, soit, selon Lewis Mumford, un moulin pour 400 habitants.
1276: premières mentions de moulins à papier mus par l'énergie hydraulique à Fabriano (I). D'autres sont en fonctionnement en 1280 à Xativa (Valencia, E). Vers 1300, ils apparaissent en France. Le moulin Richard-de-Bas date de 1326.
1848: en France, on dénombre 22 500 moulins à eau (dont 17 300 pour le blé) contre 5 200 machines à vapeur.
Début du 20 e siècle: introduction, en Afrique orientale,de moulins par les coolies indiens venus construire le chemin de fer de Mombassa en Ouganda.
Malgré un rendement faible, les roues hydrauliques furent utilisées pendant près de deux millénaires.
Les moulins flottants :
Ils auraient été inventés, en 537, lors du siège de Roma par les Goths.
Ceux-ci ayant coupé l'alimentation en eau par les aqueducs et presque tous les moulins romains étant mus par l'eau des aqueducs, le défenseur de la ville, le général byzantin Bélisaire, imagina d'installer des moulins à roues à aubes sur le Tibre, pour assurer l'alimentation de farine de la ville.
Quelques siècles plus tard, on pouvait voir des moulins flottants à Venizia et à Bagdad.
Au douzième, on en construisit trois sous les arches du Grand Pont de Paris.
Au dix-huitième, on pouvait encore voir à Köln, plusieurs exemplaires de ceux qui avaient été installés au quinzième siècle sur le Rhein.
Les moulins à marée :
On en construisit un, en 1130, près de l'embouchure de l'Adour (F).
Un siècle plus tard, on en vit plusieurs près de Venezia.
Ce n'est qu'au 20 e siècle que l'énergie marémotrice sera utilisée industriellement avec la centrale de l'estuaire de la Rance (Bretagne).
Les turbines hydrauliques :
- La turbine Fourneyron: en France, en 1827, l'ingénieur Benoît Fourneyron remporta le prix de la Société d'Encouragement pour l'Industrie Nationale pour le meilleur dessin d'une roue hydraulique industrielle. Sa machine, appelée turbine (mot inventé par son concurrent Charles Bourdin, du latin turbo ), était faite de deux roues horizontales concentriques: une roue intérieure fixe et munie d'aubes directrices incurvées dirigeant l'eau contre les aubes de la roue extérieure mobile (rotor). On annonçait un rendement d'au moins 80 %! Néanmoins, à certaines vitesses, des turbulences se produisaient lorsque l'eau quittait les aubes directrices.
La première turbine Fourneyron fut installée vers 1835 à Saint-Blaise (Forêt Noire). - La turbine Francis: turbine où la roue intérieure est mobile. Ce système proposé par le Français Jean Poncelet fin des années 1820, fut breveté par le Nord-américain Samuel B. Howd en 1838 et popularisé par James B. Francis. Dans les années 1860, cette turbine commença à supplanter la roue hydraulique.
- La turbine Pelton: conçue par l'ingénieur des mines en Californie, Lester A. Pelton, dans les années 1870. Celui-ci avait observé l'accélération, jusqu'à l'éclatement, d'une roue hydraulique à aubes incurvées frappée, accidentellement, par un jet d'eau. Pelton vint à la conclusion qu'on pouvait mieux exploiter la puissance d'un jet en en inversant la direction avec l'aube. Il redessina l'aube en y créant deux poches accolées formant une arête médiane dans l'auge divisant ainsi le jet en deux et le déviant complètement. Cette turbine convient particulièrement aux hautes chutes à débit modéré ou faible. Sa fabrication industrielle commença dans les années 1880.
- La turbine Kaplan: en 1910, l'Autrichien Victor Kaplan propose une turbine répondant au rendement médiocre de la turbine Francis dans le cas de faibles charges. Cette turbine à axe vertical et à rotor en hélice avait des aubes à pas variable.
La première turbine Kaplan fut installée, en 1919, dans une usine textile de Velm (Autriche). Sa puissance était de 25,8 ch pour une hauteur de chute de 2,3 m. Jusque 1926, le développement des turbines Kaplan fut arrêté par un phénomène de cavitation (en raison de la rotation rapide de l'hélice dans l'eau, une zone de basse pression se crée sous la surface d'aspiration de l'aube, ce qui peut amener l'eau à ébullition, puis la corrosion de la surface des aubes à la condensation des bulles de vapeur). En 1926, une société suédoise résout le problème en créant une servo-direction à commande hydraulique pour la rotation des aubes du rotor. Cette même année fut installée, à Lilla Edet (Sverige), une turbine au rotor de 5,8 m de diamètre et dont la puissance atteignait 10 000 ch pour une hauteur de chute de 6,5 m.
Les turbines Kaplan conviennent particulièrement aux faibles hauteurs de chute et forts débits. - La turbine à bulbe: variante de la turbine Kaplan où le rotor est placé dans une enveloppe fuselée installée horizontalement dans le tunnel de la centrale. La première a été conçue en Allemagne dans les années 1940.
L'usine marémotrice de la Rance (F) compte 24 groupes-bulbes réversibles de 10 MW
L’utilisation de la force de l’eau
L’eau tombe du ciel sous forme de neige ou de précipitations. Une partie de cette eau s’évapore, une autre ruisselle et rejoint les cours d’eau ( fleuves, rivières).Une autre s’infiltre dans les nappes souterraines.L’eau qui tombe en altitude, a une énergie "potentielle", c’est cette énergie dite de chutes, qui peut être captée, beaucoup plus que l’énergie de mouvement faible, de l’eau qui coule.
Le moteur de ce cycle d’eau, est l’énergie solaire, responsable de l’évaporation. L’énergie hydraulique, est donc une "énergie renouvelable", d’origine solaire.
