Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Énergie hydraulique

Introduction

L'énergie éolienne et l'énergie hydraulique sont des énergies solaires indirectes en ce sens qu'elles sont générées par les mouvements des masses d'air et d'eau résultant du réchauffement cyclique de la terre par le soleil.

L'énergie hydraulique correspond à l'énergie potentielle que possède en altitude l'eau des fleuves et rivières. Elle résulte de l'action du soleil à travers le cycle de l'eau, évaporée de la surface de la terre, puis condensée sous forme de pluie. On distingue généralement la grande hydraulique, dont il a été question dans la section relative à l'électricité, et la micro-hydraulique, ou énergie hydraulique de petite puissance (inférieure à 8 MW).

Les petites centrales, à l'instar des grandes centrales hydrauliques, peuvent être installées sur des chutes d'eau de dénivelée très variables (1,5 à 400 m), et contribuer de manière significative aux besoins locaux en électricité ou en puissance mécanique. Historiquement, les moulins hydrauliques ont joué un rôle majeur dans l'essor artisanal et industriel.

Filière hydraulique

A la différence du pétrole, du gaz naturel ou du nucléaire, la notion de filière est peu utilisée pour l'énergie hydraulique, bien qu'on puisse aussi y faire référence.

La première étape de la mise en exploitation de l'énergie hydraulique est ici aussi l'identification de la ressource, l'estimation de ce que l'on appelle le potentiel hydroélectrique, qui résulte d'une part d'études géologiques et orographiques, et d'autre part d'une cartographie des données hydrologiques, permettant de connaître les débits des cours d'eau et les niveaux d'eau des lacs et retenues naturelles et artificielles.

Il faut noter que les impacts environnementaux de l'énergie hydraulique peuvent être très variables. Ils sont faibles s'il s'agit d'exploiter les chutes d'eau naturelles, mais ils deviennent très importants s'il s'agit de créer des barrages et des retenues d'eau artificielles. Il en résulte que, dans les projets de création de nouveaux barrages, la production d'hydroélectricité est, la plupart du temps, secondaire par rapport à d'autres aspects tel que la domestication d'un cours d'eau (évitement des inondations) ou l'alimentation en eau des populations.

Leur impact sur la faune et la flore aquatique doit aussi être soigneusement évalué. Le barrage Wanapum sur la rivière Columbia (photo ci-dessous) utilise une turbine Kaplan spécialement conçue pour ne pas blesser les poissons.

Barrage Wanapum sur la rivière Columbia (Grant County Public Utility District)

L'étape de production consiste à réaliser tous les travaux de génie civil nécessaires à l'installation des centrales hydroélectriques qui seront présentées ci-dessous, et à les exploiter.

Si l'électricité produite n'est pas consommée sur place, elle doit être transportée, ce qui se fait en utilisant le réseau électrique.

Elle peut aussi quelquefois être stockée, généralement dans des batteries, mais cette solution est limitée aux petites installations, l'électricité étant très difficile et très coûteuse à stocker.

Si l'électricité produite par les grandes centrales hydroélectriques ne peut pas être stockée, certaines d'entre elles peuvent être utilisées pour stocker de l'électricité d'origine thermique (généralement nucléaire).

La technique utilisée s'appelle le pompage-turbinage, qui, avec un rendement 0,7, permet de substituer de l'électricité d'heures creuses à de l'électricité d'heures pleines, lorsque le bilan financier le justifie :

  • on réalise le pompage lorsqu'on dispose d'un excédent de puissance dans les centrales nucléaires et tant que les bassins de retenue ne sont pas remplis

  • le turbinage est effectué aux heures de pointe, tant que les bassins ne sont pas vides.

Station de pompage de Raccoon Mountain dans le Tennessee (TJ Heibel / The Hannon Group, LL)

Centrales hydroélectriques

Bien que le terme de centrale soit impropre pour qualifier les petits convertisseurs hydroélectriques, étant donné que ce nom a été adopté pour souligner le caractère centralisé des installations de production thermique d'électricité de grande capacité, l'usage veut que l'on parle aussi de centrale hydroélectrique.

Les centrales hydrauliques utilisent trois types de turbines hydrauliques en fonction de la hauteur de chute :

  • turbines Pelton ;

  • turbines Francis ;

  • turbines Kaplan.

Turbines Pelton

Les turbines à impulsion Pelton (figure ci-dessous, source EDF) sont utilisées pour des hauteurs comprises entre 200 et 1500 m, c'est-à-dire les grandes dénivelées.

Turbines Francis

Les turbines à réaction Francis (figure ci-dessous, source EDF) sont utilisées pour des hauteurs comprises entre 30 et 200 m, c'est-à-dire les dénivelées moyennes.

Turbines Kaplan

Les turbines Kaplan (figure ci-dessous, source EDF) sont utilisées pour les basses chutes (inférieures à 30 m). Celle de la figure ci-dessous équipe l'usine marémotrice de La Rance.

Production mondiale d'hydroélectricité

Cette carte interactive fournit la production mondiale d'hydroélectricité.

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