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1 HYDROELECTRICITE HYDROELECTRICITE : CENTRALES HYDROELECTRIQUES Introduction :

1 HYDROELECTRICITE HYDROELECTRICITE : CENTRALES HYDROELECTRIQUES Introduction : De nombreuses civilisations se sont servies de la force de l’eau, qui représentait une des sources d’énergie les plus importantes avant l’ère de l’électricité. En effet, depuis l’Antiquité, les hommes ont essayé de contrôler cette force. Ce fut tout d’abord en 260, près d’Arles qui comportait une succession de moulin { eau, qu’un aqueduc de 10 km et une chute de 18 mètres fut créée. Entre les deux Guerres Mondiales, l’hydroélectricité connait un développement spectaculaire avec plus de 50 barrages bâtis entre 1920 et 1940. Puis, en 1962, la moitié de la production française de l’électricité est d’origine hydraulique. Les centrales hydrauliques sont une solution mise en œuvre dans la production d’électricité car elle utilise une énergie renouvelable, et est, par ailleurs, considérée comme une énergie propre. Aujourd’hui, il existe de nombreux moyens pour produire de l’électricité, avec des avantages et des inconvénients différents, plus ou moins respectueux de l’environnement, plus ou moins couteux … Les centrales hydroélectriques se servent du mouvement naturel de l’eau dans les fleuves pour produire de l’électricité. L'énergie hydroélectrique : définition L'énergie hydroélectrique met à profit l'énergie de l'eau qui se déplace d'un point haut vers un point bas, essentiellement pour produire de l'électricité. Les projets de production d'énergie hydroélectrique englobent des projets de barrages-réservoirs, de centrales d'éclusées ou au fil de l'eau et de centrales dans le courant à toutes les échelles de projet. Cette diversité permet à l'énergie hydroélectrique de répondre aux importants besoins urbains centralisés ainsi qu'aux besoins ruraux décentralisés. La production varie selon les aléas de l'hydraulicité (débit d'une année ou d'un mois donné par rapport à une année ou un mois considéré comme "normal"). Historique L'usage de la force hydraulique remonte au début de notre ère. Jusqu'au moyen-âge, de nombreux moulins permettaient de fournir de l'énergie mécanique. Certains d'entre eux produisent encore aujourd'hui de l'énergie électrique renouvelable. La conversion des sites à la production d'électricité s'est faite à partir de la fin du XIXème siècle. En France, les grandes installations hydroélectriques ont été développées au cours du XXème siècle sous le régime de la concession de force hydraulique : l'État confiait, 2 HYDROELECTRICITE généralement pour 75 ans, l'exploitation de la chute d'eau au concessionnaire en contrepartie de la réalisation, par ce dernier, des installations qui intègrent le domaine public hydroélectrique. Ceci a conduit à un important effort d'équipement qui a permis d'exploiter une grande partie du potentiel hydroélectrique français par de grands aménagements. I- Fonctionnement d’une centrale hydroélectrique Le barrage retient une partie de l’eau qui s’écoule et crée un lac de retenue. Ce lac constitue un stock d’eau, c’est donc un moyen de stocker de l’énergie renouvelable. Dans le cas de centrales au fil de l’eau, cette réserve n’existe pas et il n’est pas possible de moduler le débit de l’eau en fonction des besoins. Le débit de cours d’eau ou l’ouverture des vannes du barrage entraine l’eau dans un canal de dérivation jusqu’aux turbines électriques. Plus le débit et la hauteur de chute d’eau sont importants, plus l’eau ne transporte l’énergie. Cette eau actionne les turbines qui entrainent à leur tour des alternateurs pour produire du courant électrique. Un transformateur injecte ensuite cette électricité dans le réseau. Ou elle est transportée par des lignes à haute ou très haute tension. L’énergie hydroélectrique nécessite un cours d’eau ou une retenue d’eau. La centrale exploite l’énergie potentielle créée par le dénivelé de la chute d’eau. La centrale se compose d’un réservoir (1), d’une chute d’eau caractérisée par sa hauteur. Les forces de frottements étant négligeables dans le tuyau, nous pouvons appliquer la loi de Conservation d’énergie. Ainsi : 3 HYDROELECTRICITE En effet, la vitesse de l’eau { la position 1 est nulle, en choisissant comme référence d’énergie Le niveau 2, on aboutit à : Ainsi donc l’énergie disponible est : h : la hauteur de chute (m) g : l'accélération de la pesanteur (9,81 m.s-2) On définit la puissance comme étant : Avec P : puissance utile de la chute d'eau (W) E : l'énergie disponible (J) t : le temps (s) On peut alors calculer la puissance de la chute d'eau en fonction de sa hauteur, sachant que, d'après la Définition de la masse volumique Avec ρ : masse volumique de l'eau en kg.m3 V : volume d'eau en m3 ρ,g et h étant des constantes, on fait apparaître l'expression du débit volumique Il en résulte : La puissance disponible dans la turbine résulte de la conjonction de deux facteurs: - la hauteur de la chute; - le débit de la chute. On se ramène donc à mesurer le débit de la chute. 4 HYDROELECTRICITE II- Composition d’une centrale hydroélectrique Un aménagement hydroélectrique se compose : - d’ouvrage de génie civil plus ou moins important selon la taille de l’ouvrage, qui permet d’orienter le débit du cours d’eau vers les installations hydromécaniques. Selon les cas il peut s’agir :d’un barrage ; - Des ouvrages de dérivation (canal, conduite forcés, canal de fuite) ; - Du bâtiment de la centrale (qui abrite des éléments hydromécaniques) ; - D’une installation hydromécanique, qui transforme l’énergie hydraulique en énergie mécanique il s’agit de la turbine ; de ses éléments de régulation, vannes ; - D’une installation électromécanique qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique, il s’agit : de l’alternateur ; éventuellement d’un élément de couplage entre la turbine et l’alternateur ; - Une installation électrique : un système de contrôle ; un système de régulation, un système de distribution du courant électrique (transformateur). Cependant, il est { noter qu’un aménagement hydroélectrique et toujours un cas particulier : les éléments cités ci-dessus sont choisis en fonction de la taille et du type du cours d’eau { équiper ainsi que la puissance électrique que l’on souhaite produire. On distingue deux types d’équipement hydroélectriques : Les grands barrages dont la puissance est supérieure { 10MW. Il s’agit de grands ouvrages, très couteux, dont la construction prend de nombreuses années les impacts environnementaux sont important (inondations de vallées, déplacements de populations,…). Ces ouvrages sont connectés aux réseaux électriques nationaux. La petite hydroélectricité dont la puissance est inférieure { 10MW. Il s’agit principalement d’ouvrage « au fil de l’eau » dont les impacts écologiques sont minimes. III- Les principaux types de barrages Parmi les barrages on distingue : - Le barrage voute : c’est un type de barrage { forme arquée dont la courbe permet de reporter les efforts dus { la poussée de l’eau sur chaque coté des rives plutôt que sur le barrage lui-même. Cette technique est inspirée des voutes des cathédrales. Les barrages voutes sont essentiellement utilisés dans les vallées étroites disposant de versants rigides. - Le barrage poids : c’est un barrage dont la propre masse suffit { résister { la pression exercée par l’eau. Ce sont des barrages souvent relativement épais, dont la forme est généralement simple (leur section s’apparente dans la plupart des cas { un triangle rectangle. Les barrages poids sont privilégiés lorsque le rocher du site (vallé, 5 HYDROELECTRICITE rives) est suffisamment résistant et lorsque les conditions pour construire un barrage voute ne sont pas réunies. - Le barrage en remblais : c’est un barrage constitué d’un matériau meuble. Qu’il soit très fin ou très grossier (enrochements). Ce qui le différencie du barrage poids. Les barrages en remblais regroupent plusieurs catégories, très différentes. Les différences proviennent des types de matériaux utilisés, et de la méthode employée pour assurer l’étanchéité. - Le barrage à contreforts : (ou barrage à voutes multiples) est un barrage qui s’appuie sur une série de voute qui permettent de transmettre la poussée de l’eau vers la fondation du barrage. Les barrages à contreforts sont utilisés lorsque les appuis sont trop distants, ou lorsque le matériau local est tellement compact qu’une extraction s’avère presque impossible. La technique du barrage à contre forts permet de réaliser un barrage à grande économie de matériaux. 6 HYDROELECTRICITE IV- Les aménagements gravitaire ou Différentes types de centrale Un aménagement hydroélectrique se compose d'une prise d'eau ou d'une retenue d'eau, créée par un barrage, et d'une centrale de production électrique, les deux étant reliées par un canal ou une conduite. La partie du cours d’eau entre le barrage et la sortie de la centrale s’appelle le tronçon court-circuité. Ces ouvrages peuvent atteindre des dimensions très importantes. On peut citer en exemple le barrage de Tignes, le plus haut de France avec 180 mètres de hauteur, et une longueur de près de 300 mètres, ou encore le barrage de Serre-Ponçon qui constitue la plus grande retenue d’eau avec 1,2 milliards de mètres cubes, pour un lac d’une superficie de 28,2 km2. Les conduites forcées qui relient le barrage à la centrale courent parfois sur plusieurs kilomètres, permettant de gagner plusieurs centaines de mètres de dénivelé, et d’augmenter ainsi fortement la pression de l’eau au niveau des turbines (1bar de pression supplémentaire tous les 10 mètres). La centrale hydroélectrique de Portillon bénéficie par exemple d’une hauteur de chute de plus de 1400 mètres, pour une hauteur uploads/s3/ chapitre-4-hydroelectricite.pdf