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...) des différents flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) (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...) du courant d'eau est transformée en énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie...) par une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...), puis en énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il...) par un alternateur.

L'énergie hydroélectrique (L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique obtenue par...) est une énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être...). 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...), bien qu'elle fasse parfois l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) 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...) en coupe d'une turbine hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les...) couplée à un générateur électrique (Les générateurs électriques sont des dispositifs permettant de produire de l'énergie...).
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...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) situé autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de la roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe...) motrice, la turbine. La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) 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...) dépend du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 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...) 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...), comme celle d'un bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer,...). 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...) 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...). 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...), 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...)
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...).

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...) 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...) 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...) du fleuve (En hydrographie francophone, un fleuve est un cours d'eau qui se jette dans la mer ou dans...) 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...) et le Rhin (Le Rhin (Rhein en allemand, Rijn en néerlandais, Rhenus en latin, Rein en romanche) est un...).

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...) 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...) montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la...).

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...) les pics de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) de consommation électrique : l'été pour les pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) où la pointe de consommation est déterminée par la climatisation (La climatisation est la technique qui consiste à modifier, contrôler et réguler les...), 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...). Ces centrales sont typiques des aménagements réalisés en moyenne et haute montagne.

Barrage de la Grande Dixence (La Dixence est une rivière Suisse, dans le canton du Valais, affluent de la La Borgne, donc...) : le plus haut barrage poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par 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...) 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...) entre le miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...) 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...) (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...) 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...) qu'en alternateur (machine synchrone). En mode accumulation la machine utilise le courant fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι...) 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...) de l'eau en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...).

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,...) (le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...), la semaine, la saison, l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...)...). 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...) 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...) 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...) du Verney (retenue aval) au barrage de Grand'Maison (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à l'habitation d'une famille,...) (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...) alsacien, du nom du lac associé au Lac Blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir...). 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...) 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,...) d'équilibre contre les coups de bélier (Le bélier est le mâle non châtré de l'espèce Ovis aries réservé...) 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...) financé par la France et soutenu par l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...), 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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,...) 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...) 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...) 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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