PUISSANCE HYDRAULIQUE: CARACTÉRISTIQUES, FONCTIONNEMENT, AVANTAGES, UTILISATIONS - ENVIRONNEMENT - 2025

La puissance hydraulique est la capacité de l' eau à produire du travail sous forme de mouvement, de lumière et de chaleur en fonction de leur potentiel et de leur énergie cinétique. Elle est également considérée comme une énergie renouvelable propre et performante.

Cette énergie est déterminée par le débit, l'inégalité entre les points du sol à travers lesquels l'eau se déplace et la force de gravité. Il a été utilisé par les humains depuis l'Antiquité pour effectuer différents travaux.

Barrage d'Itaipú (Brésil et Paraguay). Source: Angelo Leithold

L'une des premières utilisations de l'énergie hydraulique a été d'alimenter des moulins à eau qui profitaient de la puissance du courant. De cette manière, au moyen d'engrenages, les meules pouvaient être déplacées pour battre le blé.

À l'heure actuelle, son application la plus pertinente est la production d'énergie électrique par le biais de centrales hydrauliques ou de centrales hydroélectriques. Ces usines se composent essentiellement d'un barrage et d'un système de turbines et d'alternateurs.

L'eau s'accumule dans le barrage entre deux niveaux du chenal (inégalité géodésique), générant une énergie potentielle gravitationnelle. Par la suite, le courant d'eau (énergie cinétique) active des turbines qui transmettent l'énergie aux alternateurs pour produire de l'énergie électrique.

L'un des avantages de l'énergie hydraulique est qu'elle est renouvelable et non polluante, contrairement aux autres sources d'énergie. D'autre part, il est très efficace avec un rendement allant de 90 à 95%.

L'impact environnemental des centrales hydroélectriques est associé à la variation de température et à l'altération physique du cours d'eau. De même, des huiles et des graisses usagées sont produites qui sont filtrées des machines.

Son principal inconvénient est l'altération physique qu'elle provoque en raison de l'inondation de vastes étendues de terres et le débit naturel et le cours des rivières sont modifiés.

La plus grande centrale hydroélectrique du monde est celle des Trois Gorges, située en Chine, sur le fleuve Yangtze. Les deux autres en importance sont ceux d'Itaipú à la frontière entre le Brésil et le Paraguay et la centrale hydroélectrique Simón Bolívar ou Guri au Venezuela.

caractéristiques

La source d'énergie hydraulique est l'eau et elle est considérée comme une énergie renouvelable tant que le cycle de l'eau n'est pas altéré. De même, il peut produire du travail sans générer de déchets solides ni de gaz polluants et est donc considéré comme une énergie propre.

performance

L'efficacité énergétique fait référence à la relation entre la quantité d'énergie obtenue dans un processus et l'énergie qui était nécessaire pour y investir. Dans le cas de l'énergie hydraulique, une performance comprise entre 90 et 95% est obtenue en fonction de la vitesse de l'eau et du système de turbine utilisé.

Comment fonctionne l'hydroélectricité?

Schéma d'une centrale hydroélectrique. Source: Utilisateur: Tomia

Transformation de l'énergie solaire en énergie cinétique

Le fondement de l'énergie hydraulique se trouve dans l'énergie solaire, la topographie du sol et la gravité terrestre. Dans le cycle de l'eau, l'énergie solaire provoque l'évaporation, puis l'eau se condense et précipite sur la terre.

En raison du sol inégal et de la force de gravité, des courants d'eau de surface se produisent à la surface de la terre. De cette manière, l'énergie solaire est transformée en énergie cinétique en raison du mouvement de l'eau par l'action combinée des inégalités et de la gravité.

Plus tard, l'énergie cinétique de l'eau peut être transformée en énergie mécanique capable de travailler. Par exemple, des lames peuvent être déplacées pour transmettre le mouvement à un système d'engrenage qui peut faire fonctionner divers dispositifs.

L'ampleur de l'énergie hydraulique est donnée par l'inégalité entre deux points donnés du lit de la rivière et son débit. Plus l'inégalité du terrain est grande, plus le potentiel et l'énergie cinétique de l'eau ainsi que sa capacité à générer du travail sont importants.

En ce sens, l'énergie potentielle est celle qui s'accumule dans une masse d'eau et est liée à sa hauteur par rapport au sol. Par contre, l'énergie cinétique est celle que l'eau libère dans son mouvement de chute en fonction de la topographie et de la gravité.

Production d'électricité à partir de l'hydroélectricité (hydroélectrique)

L'énergie cinétique générée par l'eau qui tombe peut être utilisée pour produire de l'énergie électrique. Ceci est réalisé en construisant des barrages où l'eau s'accumule et est retenue à différents niveaux de hauteur.

Ainsi, l'énergie potentielle de l'eau est directement proportionnelle à la différence de niveau entre un point et un autre et lorsque l'eau tombe elle se transforme en énergie cinétique. Par la suite, l'eau passe à travers un système de pales rotatives et génère une énergie cinétique de rotation.

Le mouvement de rotation permet des systèmes d'engrenages mobiles qui peuvent activer des systèmes mécaniques tels que des moulins, des roues ou des alternateurs. Dans le cas particulier de la production d'énergie hydroélectrique, le système nécessite un système de turbine et un alternateur pour produire de l'électricité.

Turbines

La turbine se compose d'un axe horizontal ou vertical avec un système d'aubes qui tournent l'axe par la force de l'eau.

Il existe trois types de turbines hydrauliques de base:

Turbine Pelton

Turbine Pelton. Source: Robertk9410

Il s'agit d'une turbine à impulsions haute pression à axe horizontal qui fonctionne sans être totalement submergée. La roue comporte une série de pales concaves (pales ou dents) entraînées par des jets d'eau.

Plus il y a de jets d'eau frappant la turbine, plus elle générera de puissance. Ce type de turbine est utilisé pour les chutes d'eau de 25 à 200 mètres de haut et atteint un rendement allant jusqu'à 90%.

Turbine Francis

Turbine Francis. Source: Le téléchargeur original était Stahlkocher sur Wikipedia allemand.

Il s'agit d'une turbine à réaction moyenne pression à axe vertical et fonctionne complètement immergée dans l'eau. La roue à aubes est composée d'aubes entraînées par l'eau acheminée à travers un distributeur.

Il peut être utilisé dans les cascades de 20 à 200 mètres de haut et atteint une efficacité de 90%. C'est le type de turbine le plus fréquemment utilisé dans les grandes centrales hydroélectriques dans le monde.

Turbine Kaplan

Turbine Kaplan. Source: TheRunnerUp

Il s'agit d'une variante de la turbine Francis et, comme celle-ci, elle a un axe vertical, mais la turbine est constituée d'une série d'aubes réglables. Il est de réaction à haute pression et fonctionne totalement immergé dans l'eau.

La turbine Kaplan est utilisée dans les cascades de 5 à 20 mètres de haut et son efficacité peut atteindre 95%.

Alternateur

L'alternateur est un appareil qui a la capacité de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique par induction électromagnétique. Ainsi, des pôles magnétiques (inductance) sont mis en rotation à l'intérieur d'une bobine avec des pôles alternés en matériau conducteur (par exemple du cuivre enroulé dans du fer doux).

Son fonctionnement repose sur le fait qu'un conducteur soumis pendant un certain temps à un champ magnétique variable, génère une tension électrique.

avantage

L'énergie hydraulique est largement utilisée car elle présente de nombreux aspects positifs. Parmi ceux-ci, nous pouvons souligner:

C'est économique

Bien que dans le cas des centrales hydroélectriques l'investissement initial soit élevé, il s'agit en général d'une énergie bon marché à long terme. Cela est dû à sa stabilité et à son faible coût de maintenance.

De plus, il faut ajouter la compensation économique fournie par les réservoirs avec des possibilités d'aquaculture, de sports nautiques et de tourisme.

C'est renouvelable

Comme il est basé sur le cycle de l'eau, c'est une source d'énergie renouvelable et continue. Cela implique qu'il ne s'épuise pas dans le temps contrairement à l'énergie des combustibles fossiles.

Cependant, sa continuité dépend du fait que le cycle de l'eau ne soit pas altéré dans une région donnée ou globalement.

Haut rendement

L'énergie hydraulique est considérée comme très efficace et avec des performances élevées comprises entre 90 et 95%.

Ce n'est pas polluant

Ce type d'énergie utilise une source naturelle telle que l'eau et ne produit pas non plus de déchets ou de gaz polluants. Par conséquent, son impact sur l'environnement est faible et il est considéré comme une forme d'énergie propre.

Présence de réservoirs

Dans les cas où des réservoirs sont construits pour l'utilisation de l'énergie hydroélectrique, ceux-ci présentent une série d'avantages supplémentaires:

- Ils permettent de réguler le débit de la rivière et d'éviter les inondations.

- Ils représentent un réservoir d'eau pour la consommation humaine, l'irrigation et l'utilisation industrielle.

- Ils peuvent être utilisés comme zones de loisirs et pour la pratique de sports nautiques.

Désavantages

Dépendance aux précipitations

Une limitation de la production d'énergie hydroélectrique est sa dépendance au régime des précipitations. Par conséquent, les années particulièrement sèches, l'approvisionnement en eau peut diminuer considérablement et le niveau du réservoir est abaissé.

Lorsque le débit d'eau est réduit, la génération d'énergie électrique est plus faible. De telle manière que dans les régions fortement dépendantes de l'approvisionnement en énergie hydroélectrique, des problèmes peuvent survenir.

Modification du cours naturel de la rivière

La construction d'un barrage dans une rivière modifie son cours naturel, son régime de crue, la diminution (diminution du débit) et le processus de traînage des sédiments. Par conséquent, des changements se produisent dans la biologie des plantes et des animaux aquatiques ou situés à proximité de la masse d'eau.

En revanche, la rétention des sédiments dans le barrage altère la formation de deltas à l'embouchure des rivières et altère les conditions du sol.

Risque de rupture de barrage

En raison du grand volume d'eau stocké dans certains barrages hydroélectriques, une brèche dans le mur de soutènement ou à proximité des pentes peut provoquer de graves accidents. Par exemple, au cours de l'année 1963, la pente du barrage de Vajont (aujourd'hui désaffecté) en Italie s'est produite, faisant 2 000 morts.

Applications

Grandes roues et pompes à eau

La rotation d'une roue entraînée par l'énergie cinétique de l'eau permet à l'eau d'être tirée d'un puits ou d'un canal peu profond dans un canal ou un réservoir surélevé. De même, l'énergie mécanique générée par la roue peut entraîner une pompe hydraulique.

Le modèle le plus simple consiste en une roue avec des lames avec des bols qui collectent l'eau en même temps qu'ils sont entraînés par le courant. Puis, dans leur rotation, ils déposent l'eau dans un réservoir ou un canal.

Moulins

Pendant plus de 2000 ans, les Grecs et les Romains ont utilisé l'énergie hydraulique pour déplacer les moulins à moudre les céréales. La rotation de la roue entraînée par le jet d'eau active les engrenages qui font tourner la meule.

Forges

Une autre application ancienne de l'ouvrabilité à base de puissance hydraulique est son utilisation pour activer le soufflet de forge dans les travaux de forge et de métallurgie.

Fracture hydraulique

Dans les mines et le pétrole, l'énergie cinétique de l'eau est utilisée pour éroder la roche, la fracturer et faciliter l'extraction de divers minéraux. Pour cela, de gigantesques canons à eau à pression sont utilisés qui frappent le substrat jusqu'à ce qu'il l'érode.

C'est une technique destructrice pour le sol et très polluante pour les cours d'eau.

Fractionnement

La fracturation hydraulique est une technique très controversée qui prend de l'ampleur dans l'industrie pétrolière. Il consiste à augmenter la porosité du substrat rocheux contenant du pétrole et du gaz afin de faciliter son élimination.

Ceci est réalisé en injectant de grandes quantités d'eau et de sable à haute pression avec une série d'additifs chimiques. La technique a été remise en question pour sa forte consommation d'eau, polluant les sols et les eaux et provoquant des changements géologiques.

Centrales hydroélectriques

L'utilisation moderne la plus courante consiste à faire fonctionner des centrales électriques, dites centrales hydroélectriques ou centrales hydroélectriques.

Exemples de centrales hydroélectriques

Les Trois Gorges

Barrage des Trois Gorges (Chine). Source: Le Grand Portage Œuvres dérivées: Rehman

La centrale hydroélectrique des Trois Gorges est située dans la province chinoise du Hubei sur le cours du fleuve Yangtsé. La construction de ce barrage a commencé en 1994 et s'est achevée en 2010, atteignant une zone inondée de 1 045 km² et une puissance installée de 22 500 MW (mégawatts).

La centrale comprend 34 turbines Francis (32 de 700 MW et deux de 50 MW) avec une production annuelle d'énergie électrique de 80,8 GWh. C'est la plus grande centrale hydroélectrique du monde en termes de structure et de puissance installée.

Le barrage des Trois Gorges a réussi à contrôler les crues périodiques de la rivière qui sont venues causer de graves dommages à la population. Il garantit également l'approvisionnement en électricité de la région.

Cependant, sa construction a eu des conséquences négatives telles que le déplacement d'environ 2 millions de personnes. En outre, il a contribué à l'extinction du dauphin de rivière chinois en danger critique d'extinction (Lipotes vexillifer).

Itaipu

Barrage d'Itaipu. Source: Herr stahlhoefer

La centrale hydroélectrique d'Itaipú est située à la frontière entre le Brésil et le Paraguay sur le cours du fleuve Paraná. Sa construction a débuté en 1970 et s'est terminée en trois étapes en 1984, 1991 et 2003.

La zone inondée du barrage est de 1 350 km² et a une capacité installée de 14 000 MW. La centrale comprend 20 turbines Francis de 700 MW chacune et a une production annuelle d'énergie électrique de 94,7 GWh.

Itaipu est considérée comme la plus grande centrale hydroélectrique du monde en termes de production d'énergie. Il contribue à 16% de l'énergie électrique consommée au Brésil et à 76% au Paraguay.

En ce qui concerne ses impacts négatifs, ce barrage a affecté l'écologie des îles et du delta du fleuve Paraná.

Simon Bolivar (Guri)

Centrale hydroélectrique Simón Bolívar (Gurí, Venezuela). Source: Warairarepano et Guaicaipuro

La centrale hydroélectrique Simón Bolívar, également connue sous le nom de barrage de Guri, est située au Venezuela sur le cours de la rivière Caroní. La construction du barrage a commencé en 1957, une première étape a été achevée en 1978 et s'est achevée en 1986.

Le barrage de Guri a une superficie inondée de 4 250 km² et une capacité installée de 10 200 MW. Sa centrale comprend 21 turbines Francis (10 de 730 MW, 4 de 180 MW, 3 de 400 MW, 3 de 225 MW et une de 340 MW)

La production annuelle est de 46 GWh et elle est considérée comme la troisième plus grande centrale hydroélectrique au monde en termes de structure et de puissance installée. La centrale hydroélectrique fournit 80% de l'énergie électrique consommée par le Venezuela et une partie est vendue au Brésil.

Lors de la construction de cette centrale hydroélectrique, de vastes zones d'écosystèmes de la Guyane vénézuélienne ont été inondées, une région à forte biodiversité.

Aujourd'hui, en raison de la profonde crise économique au Venezuela, la capacité de production de cette usine a été considérablement réduite.

Références

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