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Généralités
L'énergie hydraulique est celle fournie par le mouvement de l'eau, elle peut se présenter dans des contextes très différents:
- chute d'eau
- cours d'eau
- courant marin
- marée
- vagues
Cette énergie de mouvement peut être utilisé soit directement, par exemple avec une roue à aube qui active une scierie ou un moulin, ou plus couramment être convertie en énergie électrique dans une centrale hydro-électrique.
Ancienne scierie de Nax
Dans une centrale hydro-électrique l'énergie du courant d'eau est d'abord transformée en énergie mécanique par une turbine hydraulique, puis en énergie électrique par un alternateur.
Aujourd'hui l’énergie hydro-électrique représente entre 15% et 20% de la production mondiale d’électricité. Elle possède de nombreux atouts puisqu'elle est renouvelable, elle n'émet quasiment aucun gaz à effet de serre et de surcroît son coût d'exploitation est très faible.
Elle présente toutefois des inconvénients sociaux et environnementaux, particulièrement dans le cas des barrages implantés dans les régions non montagneuses qui peuvent nécessité un déplacement de population, qui inondent des terres agricoles et qui engendrent des modifications des écosystèmes aquatique et terrestre.
Les centrales hydro-électriques existent à différentes échelles, de la mini-centrale associée à un limiteur de pression pour un réseau d'eau communal, aux barrages impressionnant par leur hauteur ou le volume de la retenue qu'il engendrent.
Les centrales avec barrages 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 les pics de charge de consommation électrique: l'été pour les pays où la pointe de consommation est déterminée par la climatisation, l'hiver pour ceux où elle est déterminée par le chauffage. Ces centrales sont typiques des aménagements réalisés en moyenne et haute montagne.
A : réservoir, B : centrale électrique, C : turbine, D : générateur, E : vanne, F : conduite forcée, G : lignes haute tension, H : rivière
Les centrales au fil de l'eau, principalement installées dans des zones de plaines, présentent des retenues de faible hauteur. Elles utilisent le débit du fleuve tel qu'il se présente, sans capacité significative de modulation par stockage. Elles fournissent une énergie constante très peu coûteuse. Elles sont typiques des aménagements réalisés sur les fleuves importants comme le Rhône et le Rhin.
Les usines marémotrices fonctionne un peu comme les centrales au fil de l'eau, cependant elles utilisent l'énergie des marées pour produire l'électricité. L'exemple type d'usine marémotrice est celui de la Rance, dans le Nord de la France.
Schéma de la centrale marémotrice sur la Rance
En ce qui concerne l'exploitation de l'énergie des courants marins et de la houle il faut admettre que ces technologies sont encore à l'état expérimental.
Chiffres clé
Part de la production mondiale d'électricité
Entre 15% et 20% de l'énergie électrique mondiale provient de l'hydraulique.
L'hydro-électricité est la première source d'énergie renouvelable.
Rendement du pompage-turbinage
Environ 82%. Donc pour 1kWh utilisé pour le pompage on pourra générer 0,82 kWh d'énergie électrique finale.
Puissance des grands complexes hydroélectriques
Centrale des Trois-Gorges (Chine): 22 500 MW
Itaipu (Brésil/Paraguay): 14 000 MW
Centrale de Xiluodu (Chine): 13 860 MW
Centrale de Guri (Venezuela): 10 235 MW
...
Grande-Dixence (Suisse): 2 000 MW
Grand'Maison (France): 1 800 MW
Les hydroliennes
L'énergie hydrolienne et un type d'énergie renouvelable qui utilise la force des courants, des marées ou des cours d'eau pour produire de l'électricité par l'intermédiaire d'une turbine ou d'une hélice.
En Europe, le potentiel de ce type d'énergie est estimé à 15GW. En France, il est estimé à 3GW. Au niveau mondial, son potentiel pourrait atteindre 100GW.
Une turbine ou une hélice sous-marine fonctionnant de manière réversible ou montée sur un axe pivotant permet d'exploiter les courants marins et de fonctionner aussi bien en marée montante que descendante. Contrairement aux éoliennes, les courants marins ont l'avantage d'être réguliers et prévisibles autant par leur fréquence que par leur force. La masse volumique de l'eau étant plus de 800 fois supérieure à celle de l'air, les hydroliennes sont plus petites dans un rapport de 3 à 4 que les éoliennes pour une même puissance, bien que la vitesse du courant soit 3 à 4 fois plus faible que celle du vent.
Les premières études sur l'impact environnemental montrent des résultats encourageants. Son impact est limité sur la sédimentation des plans d'eau, et sur l'interaction avec la faune marine. Les hydroliennes ont peu de signature visuelle, et elles sont silencieuses. Elle permettent donc de produire une énergie électrique renouvelable et sans émission de gaz à effet de serre pour la produire. De plus, selon le type d'hydrolienne choisi, son installation est relativement simple et économique, celle-ci pouvant être acheminée sur le site par flottaison, et tracté par des navires de faible capacité
A contrario, les coûts d'exploitation des hydroliennes sont plus élevés du fait du milieu marin. Il faudra évaluer les coûts de maintenance et des difficultés techniques rencontrées (érosion, maintenance, algues, coquillages, ...) pour estimer à long terme l'intérêt économique des hydroliennes.
On trouve différents types d'hydroliennes, elle peut se présenter sous forme de turbine carénée ou d'hélice similaire à celle d'une éolienne.
Différents types d'hydroliennes
C’est au Canada, dans la baie de Fundy, que l’on trouve les plus importantes marées du monde. Elles excédent 15 mètres et le courant est de 14 km/h (7,5 nœuds). Chaque marée déplace 14 milliards de tonnes d’eau toutes les 6 heures et quart entre les 6 km qui séparent les deux caps fermant la baie.
Quelques caractéristiques
Historique
Les êtres humains se servent de l'énergie hydraulique depuis plus de deux mille ans. C’était celle des moulins à eau, entre autres, qui fournissaient de l’énergie mécanique pour moudre le grain, fabriquer du papier ou puiser de l’eau pour irriguer les champs par exemple.
Les industries horlogère et papetière des Alpes y ont beaucoup recours du fait de l'abondance des torrents descendant jusque dans les vallées. Au XIXe siècle, les roues à aubes sont utilisées pour produire de l'électricité puis, sont remplacées par les turbines.
En 1869, l'ingénieur Aristide Bergès l'utilise sur une chute de deux cents mètres à Lancey pour faire tourner ses défibreurs, râpant le bois afin d'en faire de la pâte à papier. Il parle de « houille blanche » en 1878 à Grenoble, puis à la foire de Lyon en 1887 et lors de l'Exposition universelle de Paris de 1889.
Dès les années 1900, les progrès technologiques de l'hydroélectricité suisse sont à l'origine d'intenses spéculations boursières sur les sociétés hydroélectriques, qui profitent aux implantations industrielles dans les Alpes.
Dans les années 1920, une rapide expansion de l'électricité voit le jour en France, avec une multiplication par huit de la production d'électricité hydraulique grâce aux premiers barrages. En 1925, Grenoble organise l'Exposition internationale de la "houille blanche".
Schéma de la scierie de pierre romaine de Hiérapolis
Datant du IIIe siècle après J.-C., la scierie de pierre romaine de Hiérapolis est la plus ancienne machine connue utilisant un système de bielles et manivelles.
Types de turbines
Il existe quatre grands types de turbines. Le choix du type de turbine le plus adapté se fait en fonction de la pression, ou la hauteur de chute disponible.
La turbine Pelton
Adaptée aux hautes chutes, avec une roue à augets, elle a été inventée par Lester Allan Pelton en 1879. Elle est conçue pour les hauteurs de chute de plus de 200 mètres.
Turbine Pelton
La turbine Francis
Plutôt adaptée pour des chutes moyennes, voire hautes, avec une roue à aubes simple ou double. Conçue par James B. Francis en 1868.
Turbine Francis
La turbine Kaplan
Inventée en 1912, elle est parfaitement adaptée aux basses chutes et forts débits, avec une roue de type hélice, comme celle d'un bateau. Viktor Kaplan a mis au point une roue à hélice dont les pales peuvent s'orienter en fonction des débits utilisables.
Turbine Kaplan
La turbine Wells
Assez peu connue, elle utilise le mouvement de l'air provoqué par le mouvement des vagues à travers un tube vertical. Principe développé par Alan Wells.
Pompage - Turbinage
Les stations de transfert d'énergie par pompage-turbinage, 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 soit une machine hydroélectrique réversible soit un système double de turbinage et de pompage. En mode accumulation le système utilise le courant fourni pour remonter l'eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur et en mode production le système convertit l'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau en électricité.
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 (le jour, la semaine, la saison, l'année...). 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 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).