L'énergie hydraulique : De la roue à eau antique au barrage moderne

L'hydroélectricité — la conversion de l'énergie cinétique et potentielle de l'eau en mouvement et en chute en travail mécanique et en électricité — est la plus ancienne source d'énergie mécanique utilisée de façon continue dans la civilisation humaine et la plus grande source mondiale d'électricité renouvelable aujourd'hui. L'énergie de l'eau en mouvement, entraînée par l'évaporation des océans par le soleil et par la gravité qui ramène les précipitations vers les bassins versants et les rivières, a été exploitée pour moudre le grain, faire fonctionner les manufactures textiles, alimenter les fonderies de fer et éclairer les villes depuis plus de deux mille ans. Au vingt et unième siècle, l'hydroélectricité génère environ seize pour cent de l'électricité mondiale — plus que toutes les autres sources renouvelables réunies pendant la majeure partie de la période depuis la création des réseaux électriques — et fournit la plus grande part d'électricité dans des dizaines de pays.

L'histoire de l'hydroélectricité est aussi celle de certains des projets d'ingénierie les plus ambitieux jamais entrepris : le barrage Hoover sur le fleuve Colorado, le barrage des Trois Gorges sur le Yangtsé, le barrage d'Itaipu à la frontière du Brésil et du Paraguay, le haut barrage d'Assouan sur le Nil. Ces ouvrages, parmi les plus grands objets jamais construits de main d'homme, ont transformé des fleuves, créé de vastes réservoirs, produit de l'électricité pour des dizaines de millions de personnes, permis l'irrigation de vastes régions agricoles et protégé des villes contre des inondations dévastatrices — tout en déplaçant des millions de personnes, en détruisant des pêcheries et en transformant des écosystèmes d'une manière qui a suscité de vives controverses.

La roue hydraulique antique et les moulins médiévaux

La roue hydraulique — une roue dotée de palettes, de godets ou de pales qui tournent au passage de l'eau — compte parmi les inventions mécaniques les plus importantes de l'histoire humaine. En convertissant le flux continu de l'eau en mouvement de rotation, la roue hydraulique a permis l'automatisation de tâches répétitives qui nécessitaient auparavant de la main-d'œuvre humaine ou animale, libérant ainsi l'effort humain pour d'autres activités.

Les premières roues hydrauliques documentées apparaissent en Méditerranée orientale et au Moyen-Orient vers le premier siècle avant notre ère. Le géographe grec Strabon décrit un moulin à eau à Cabire dans le Pont (Turquie actuelle) vers 65 avant notre ère, associé au palais du roi pontique Mithridate VI. Le poète romain Antipater de Thessalonique, écrivant à la même époque, célèbre le moulin à eau avec un enthousiasme frôlant le religieux : « Cessez de moudre, vous les femmes qui peinez au moulin ; dormez tard, même si les coqs qui chantent annoncent l'aurore. Car Déméter a ordonné aux Nymphes d'accomplir le travail de vos mains. » Le soulagement des femmes de l'épuisant travail de broyage à la main était un bénéfice immédiat et célébré du moulin à eau.

Deux types principaux de roues hydrauliques furent mis au point par les ingénieurs de l'Antiquité. La roue hydraulique horizontale, dans laquelle des palettes horizontales sont frappées par un courant d'eau dérivé, faisant tourner un arbre vertical relié directement à la meule, est plus simple de conception et était largement utilisée dans les régions montagneuses où les torrents rapides fournissaient de fortes impulsions hydrauliques. Ce type — parfois appelé moulin nordique ou moulin grec selon la région — ne nécessitait pas d'engrenages et pouvait être facilement construit par des artisans locaux, se répandant largement dans les régions de haute altitude en Europe, au Moyen-Orient et en Asie centrale.

La roue hydraulique verticale, dans laquelle l'eau agit sur des palettes ou des godets situés à la périphérie d'une roue tournant sur un axe horizontal, était plus sophistiquée et plus puissante. Trois grands types émergèrent : la roue à aubes inférieures, dans laquelle l'eau s'écoule sous la roue en frappant les palettes ; la roue à aubes médianes, dans laquelle l'eau est introduite au niveau ou près de l'axe de la roue ; et la roue à aubes supérieures, dans laquelle l'eau est acheminée dans une rigole au-dessus de la roue et tombe dans des godets situés sur le bord de celle-ci. La roue à aubes supérieures est la plus efficace des trois, car elle capte à la fois l'élan et le poids de l'eau dans les godets, et dans des conditions favorables pouvait approcher soixante pour cent de rendement — remarquable pour un dispositif mécanique préindustriel.