Énergie hydroélectrique - Définition et Explications

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Introduction

Centrale hydroélectrique de Ybbs-Persenbeug en Autriche

L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique obtenue par conversion de l'énergie hydraulique (L'énergie hydraulique est l'énergie mise en jeu lors du déplacement ou de l'accumulation d'un fluide incompressible telle que l'huile, l'eau douce ou l'eau de mer.) des différents flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines suivants :) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) (fleuves, rivières, chutes d'eau, courants marins ...). L'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail nécessaire pour...) du courant d'eau est transformée en énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et...) par une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au...), puis en énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité...) par un alternateur.

L'énergie hydroélectrique (L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique obtenue par conversion de l'énergie hydraulique des différents flux...) est une énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle de temps humaine. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers ou...). Elle est aussi considérée comme une énergie propre (Une énergie propre ou énergie verte est une source d'énergie dont l'exploitation ne produit que des quantités négligeables de polluants par rapport à d'autres sources plus...), bien qu'elle fasse parfois l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) de contestations environnementales, soit en raison de son emprise foncière, soit plus récemment sur son .

Principes

Vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) en coupe d'une turbine hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :) couplée à un générateur électrique (Les générateurs électriques sont des dispositifs permettant de produire de l'énergie électrique à partir d'une autre forme d'énergie. Par opposition,...).
A Générateur
B Turbine
1 Stator
2 Rotor
3 Vannes réglables
4 Pales de la turbine
5 Flux d'eau
6 Axe de rotation

L'énergie électrique est produite par la transformation de l'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) de l'eau en énergie électrique par l'intermédiaire d'un rotor d'alternateur relié à un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de...) situé autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de la roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) motrice, la turbine. La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) d'énergie extraite de l'eau retenue derrière un barrage (Un barrage est un ouvrage d'art construit en travers d'un cours d'eau et destiné à réguler l'écoulement naturel de l'eau pour permettre l'écoulement recherché.) dépend du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'eau et de la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de chute.

Il existe quatre types de turbines. Le choix du type de turbine le plus adapté est fait par le calcul de la vitesse (On distingue :) spécifique notée ns.

  • La turbine Pelton, adaptée aux hautes chutes, avec une roue à augets, inventée par Lester Allan Pelton.
  • La turbine Francis, plutôt montée pour des chutes moyennes, voire hautes, avec une roue à aubes (La roue à aubes est une roue de construction particulière, munie de pales, permettant de créer ou de restituer un mouvement rotatif d'axe au départ d'un mouvement...) simple ou double. Conçue par James B. Francis.
  • La turbine Kaplan, parfaitement adaptée aux basses chutes et forts débits, avec une roue de type hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.), comme celle d'un bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer, dirigé ou non par ses occupants. Il répond aux besoins du transport maritime ou fluvial,...). Viktor Kaplan a mis au point (Graphie) une roue à hélice dont les pales peuvent s'orienter en fonction des débits utilisables.
  • La turbine Wells, assez peu connue, utilise le mouvement de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les...) provoqué par le mouvement des vagues à travers un tube vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.). Principe développé par Alan Wells.

Centrales hydroélectriques

Schéma en coupe d'un barrage hydroélectrique. A - réservoir, B - centrale électrique (Une centrale (de production d'énergie) électrique est un site industriel destiné à la production d'électricité. Les centrales électriques transforment...), C - turbine, D - générateur, E - vanne, F - conduite forcée, G - lignes haute tension (La tension est une force d'extension.), H - rivière (En hydrographie, une rivière est un cours d'eau qui s'écoule sous l'effet de la gravité et qui se jette dans une autre rivière ou dans un fleuve, contrairement au...)
Salle des machines de la centrale hydroélectrique de Fessenheim. On reconnait les générateurs peints en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une...).

Il existe trois formes principales de production d'énergie hydroélectrique :

  • les centrales dites gravitaires pour lesquelles les apports d'eau dans la réserve sont uniquement gravitaires
  • les stations de transfert d'énergie par pompage (S-T-E-P) aussi connues sous l'appellation centrales hydrauliques à réserve pompée, pour lesquelles un dispositif artificiel permet de pomper l'eau d'un bassin inférieur vers un bassin supérieur. Celles-ci comprennent d'ailleurs fréquemment une partie gravitaire.
  • les usines marémotrices au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par...) large qui utilisent l'énergie du mouvement des mers, qu'il s'agisse du flux alterné des marées (marémotrice au sens strict), des courants marins permanents (hydroliennes au sens strict) ou du mouvement des vagues.

Les centrales gravitaires

Les centrales gravitaires sont celles mettant à profit l'écoulement de l'eau au long d'une dénivellation du sol. On peut les classer selon trois types de fonctionnement, déterminant un service différent pour le système électrique. Ce classement se fait en fonction de la constante de vidage, qui correspond au temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) théorique qui serait nécessaire pour vider la réserve en turbinant à la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) maximale.

Classement par type de fonctionnement

On distingue ainsi :

  • les centrales dites "au fil de l'eau", dont la constante de vidage est généralement inférieure à 2 heures ;
  • les centrales "éclusées", dont la constante de vidage est comprise entre 2 et 200 heures ;
  • les "lacs" (ou réservoirs), dont la constante de vidage est supérieure à 200 heures (L'heure est une unité de mesure  :).

Les centrales au fil de l'eau, principalement installées dans des zones de plaines présentent pour ces raisons des retenues de faible hauteur. Elles utilisent le débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) du fleuve (En hydrographie francophone, un fleuve est un cours d'eau qui se jette dans la mer ou dans l'océan – ou, exceptionnellement, dans un désert, comme pour...) tel qu'il se présente, sans capacité significative de modulation par stockage. Elles fournissent une énergie en base très peu coûteuse. Elles sont typiques des aménagements réalisés sur les fleuves importants comme le Rhône (Le Rhône est un fleuve d'Europe. Long de 812 kilomètres, il prend sa source, dans le glacier du Rhône, à Gletsch, en Suisse, à l'extrémité est du...) et le Rhin (Le Rhin (Rhein en allemand, Rijn en néerlandais, Rhenus en latin, Rein en romanche) est un fleuve d'Europe long de 1 230 kilomètres et drainant un bassin de 185 000 km2.).

Les centrales éclusées présentent des lacs plus importants, leur permettant une modulation dans la journée voire la semaine. Leur gestion permet de suivre la variation de la consommation sur ces horizons (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en...) de temps (pics de consommation du matin et du soir, différence entre jours ouvrés et week end...). Elles sont typiques des aménagements réalisés en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans changer la...) montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la surface d'astres de type tellurique (planète tellurique, satellites comme la Lune), et faisant généralement partie d'une...).

Les centrales-lacs correspondent aux ouvrages présentant les réservoirs les plus importants. Ceux-ci permettent un stockage saisonnier de l'eau, et une modulation de la production pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) les pics de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou...) de consommation électrique : l'été pour les pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la...) où la pointe de consommation est déterminée par la climatisation (La climatisation est la technique qui consiste à modifier, contrôler et réguler les conditions climatiques (température, humidité, niveau de poussières, etc.) d’un...), l'hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) pour ceux où elle est déterminée par le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.). Ces centrales sont typiques des aménagements réalisés en moyenne et haute montagne.

Barrage de la Grande Dixence : le plus haut barrage poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la...) du monde (Le mot monde peut désigner :) - (Alpiq, Suisse)

Classement par type de remplissage

Il est également possible de classer les centrales en fonction des caractéristiques de remplissage de leur réservoir, ce qui induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité...) certaines contraintes dans l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) électrique qui peut en être fait. On distinguera par exemple, les réservoirs dont le remplissage peut statistiquement être obtenu de façon hebdomadaire, saisonnière, voire pluri-saisonnière.

Classement par hauteur de chute

Enfin, on peut également classer les ouvrages en fonction de leur hauteur de chute, c'est-à-dire la différence d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...) entre le miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour...) théorique du réservoir plein et la turbine. Cette hauteur de chute détermine notablement les types de turbines utilisées.

On distingue ainsi :

  • les hautes chutes (> 200 m)
  • les moyennes chutes (entre 50 et 200 m)
  • les basses chutes (< 50 m)

Entre ces trois types de classement, il n'existe pas d'équivalence stricte mais une forte corrélation. Les centrales au fil de l'eau ont en général un remplissage quotidien avec des apports réguliers, et de faible hauteur de chute ; les éclusées ont un remplissage quotidien ou hebdomadaire influencé par la saison (La saison est une période de l'année qui observe une relative constance du climat et de la température. D'une durée d'environ trois mois...) (saison de crues) et des hauteurs de chute moyenne, plus rarement haute ; enfin les lacs ont des remplissages en général saisonniers (fonte des neiges ou saison des pluies) et des hauteurs de chutes importantes.

Les STEP : Station de Transfert d'Énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) par Pompage

Ces centrales, en plus de produire de l'énergie à partir de l'écoulement naturel, comportent un mode pompage permettant de stocker l'énergie produite par d'autres types de centrales lorsque la consommation est basse, par exemple la nuit, pour la redistribuer, en mode turbinage, lors des pics de consommation.

Ces centrales possèdent deux bassins, un bassin supérieur et un bassin inférieur entre lesquels est placée une machine hydroélectrique réversible : la partie hydraulique peut fonctionner aussi bien en pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.), qu'en turbine et la partie électrique aussi bien en moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la...) qu'en alternateur (machine synchrone). En mode accumulation la machine utilise le courant fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni,...) pour remonter l'eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur et en mode production la machine convertit l'énergie potentielle gravitationnelle (L'énergie potentielle gravitationnelle (ou énergie gravitationnelle) est le travail nécessaire pour transporter une masse depuis l'infini jusqu'à sa position finale.) de l'eau en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les...).

Le rendement (rapport entre électricité consommée et électricité produite) est de l'ordre de 82%.

Ce type de centrale présente un intérêt économique lorsque les coûts marginaux de production varient significativement sur une période de temps donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) (le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début...), la semaine, la saison, l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.)...). Elles permettent en effet de stocker de l'énergie gravitaire, dans les périodes où ces coûts sont bas, pour en disposer dans les périodes où ils sont élevés.

C'est par exemple le cas s'il existe des variations récurrentes importantes de la demande (entre été et hiver, jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...) ou nuit...), des productions "fatales" en quantité importante, qui seraient sinon perdues (énergie éolienne) ou des productions d'énergie en base faiblement modulables (nucléaire, hydraulique de fil de l'eau).

La STEP la plus connue en France se trouve dans la vallée (Une vallée est une dépression géographique généralement de forme allongée et façonnée dans le relief par un cours d'eau (vallée fluviale) ou un glacier (vallée...) de l'Eau d'Olle (dans les Alpes), et relie le lac (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il suffit que la profondeur, la superficie, ou le volume soit suffisant pour provoquer...) du Verney (retenue aval) au barrage de Grand'Maison (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à l'habitation d'une famille, voire de plusieurs, sans être considérée...) (retenue amont).

Par contre, la plus ancienne semble être celle du Lac Noir dans les Vosges, versant (En géomorphologie, un versant est une surface topographique inclinée, située entre des points hauts (pics, crêtes, rebord de plateau, sommet d'un relief) et des...) alsacien, du nom du lac associé au Lac Blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image que...). Conçue, dans les années 1930, pour réguler la production du barrage au fil de l'eau de Kembs, sur le Rhin, sa mise en exploitation fut le théâtre d'une tragédie où tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le personnel périt à l'exception d'un survivant. Elle fut mis en service après avoir équipé la conduite forcée, d'une centaine de mètres de dénivellation, d'une cheminée (Une cheminée (lat. caminus) est un conduit vertical aménagé dans un bâtiment, (un véhicule), pour évacuer les gaz et...) d'équilibre contre les coups de bélier (Le bélier est le mâle non châtré de l'espèce Ovis aries réservé pour la reproduction (production d'agneaux). On désigne le...) et située à l'horizontale au-dessus du bâtiment reconstruit.

Dans les Alpes, un grand projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) financé par la France et soutenu par l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique,...), de construction d'une usine hydroélectrique appelée à produire 560 millions de kWh par an, soit l'équivalent de l'alimentation d'une ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour l'ONU) étendue et fortement peuplée (dont les habitations doivent être à moins de 200 m chacune, par opposition aux...) de 280 000 habitants va être achevé dans les années à venir, c'est le projet "Nouvelle Romanche" sur la commune de Livet-et-Gavet, au sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) de Grenoble. Le montant de l'investissement s'élève à 150 M€, assuré à hauteur de 80 à 90 % par EDF. C'est une centrale souterraine équipée de deux turbines Francis, construite au fil de l'eau, qui permettra une meilleure utilisation de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) hydraulique dans la Vallée de la Romanche.

Leif-Erik Langhans, de la Ruhr-Universität de Bochum, a aussi étudié un système d'éolienne (Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou produire de l'électricité (dans le cas d'un...) couplée à une centrale hydraulique à réserve pompée. L'énergie éolienne (L'énergie éolienne est l'énergie du vent et plus spécifiquement, l'énergie tirée du vent au moyen d'un dispositif aérogénérateur ad hoc comme une éolienne ou un moulin à vent. L'énergie éolienne est une énergie renouvelable, elle tire...) excédentaire sert à amener l'eau dans un bassin surélevé. En cas de déficit d'énergie, cette réserve d'eau passe au travers de turbines productrices d'électricité.

Les centrales marémotrices

Une usine marémotrice est une centrale hydroélectrique qui utilise l'énergie des marées pour produire de l'électricité.

À partir des vagues

Le Japon s’est intéressé le premier aux ressources de la houle (La houle est un mouvement ondulatoire de la surface de la mer. C'est une oscillation sinusoïdale régulière qui est légèrement différente des vagues car la houle se déplace sur de grandes ditances contrairement aux vagues qui...) à partir de 1945, suivi par la Norvège et le Royaume-Uni. Au début du mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) d’août 1995, l’Ocean Swell Powered Renewable Energy (OSPREY), la première centrale électrique utilisant l’énergie des vagues, est installée au nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de l’Écosse. Le principe est le suivant : les vagues pénètrent dans une sorte de caisson immergé, ouvert à la base, poussent de l’air dans les turbines qui actionnent les alternateurs générant l'électricité. Cette dernière est ensuite transmis par câble sous-marin (Un câble sous-marin est un câble posé sur le fond marin, ou ensouillé à faible profondeur, destiné à acheminer des communications ou à transporter de l'énergie électrique.) à la côte, distante d’environ 300 mètres. La centrale avait une puissance de 2 MW. Malheureusement, cet ouvrage, endommagé par les vagues, a été anéanti un mois plus tard par la queue du cyclone (Un cyclone (du grec kyklos, cercle) est un terme météorologique qui désigne une grande zone où l'air atmosphérique est en...) Félix. Ses créateurs ne se découragent pas. Une nouvelle machine, moins chère et plus performante, est actuellement mise au point. Elle doit permettre de fournir de l'électricité aux petites îles qui en manquent et, d'alimenter une usine de dessalement (Le dessalement de l'eau (également appelé dessalage ou désalinisation) est un processus qui permet d'obtenir de l'eau douce, (potable ou,...) de l’eau de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.).

À partir des courants marins

Un projet de la société britannique Marine Current Turbines a prévu d'utiliser des hydroliennes (sorte d'« éoliennes » sous-marines) qui utiliseraient les courants marins de manière similaire à une hélice de bateau pour produire de l'électricité.

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