L'énergie hydraulique
Principe de fonctionnement :
Il s'agit de capter la force motrice de l'eau pour produire de l'électricité.
L'eau accumulée dans les barrages ou dérivées par les prises d'eau, constitue une énergie potentielle disponible pour entraîner en rotation la turbine d'une génératrice. L'énergie hydraulique se transforme alors en énergie cinétique puis en énergie mécanique. Cette turbine accouplée mécaniquement à un alternateur l'entraîne en rotation afin de convertir l'énergie mécanique en énergie électrique.
La puissance disponible résulte de la conjonction de deux facteurs :
- -hauteur de la chute
- -débit de la chute
Puissance d'une chute d'eau :
-La définition de l'énergie potentielle est : W = m.g.h
- Avec :
- W : énergie potentielle en Joules (J)
- m : masse de l'eau en Kilogrammes (Kg)
- g : accélération de la pesanteur en mètres/secondes² (m/s²) ou Newton/Kilogrammes (N/Kg) ( g = 9,81)
- h : hauteur de la chute d'eau en mètres(m)
-La définition de la puissance est : P = W/Dt
- Avec :
- Pp : puissance utile de la chute d'eau en Watt, (W)
- Dt : durée en secondes (s)
-On peut alors calculer la puissance d'une chute d'eau en fonction de sa hauteur et de son débit : Pp = (m.g.h)/Dt
-Or : m = u.V
- Avec :
- u : Masse volumique en Kilogrammes/mètres^3, (Kg/m^3)
- Dt : Volume en mètres^3, (m^3)
-Donc : Pp = (u.V.g.h)/Dt
-Et : Q = V/Dt
- Avec :
- Q : Débit de la chute d'eau en mètres^3/secondes, (m^3/s)
-Au final on a : Pp = Q.u.g.h
On voit que, pour avoir une puissance importante, le produit Q.h doit être le plus élevé possible. L'idéal est d'avoir un grand débit sur une grande hauteur de chute. Malheureusement ces deux conditions sont rarement réunies. Les termes u et g étant constants.
Remarque : La masse volumique de l'eau est 1, donc 1 m^3 correspond à une masse de 1000 kg. On obtient alors une expression de Pp en KiloWatt (KW) :
Pp = Q.g.h
Types de centrales hydrauliques :
Les centrales hydrauliques basses chutes (ou au fil de l'eau)
Elles sont caractérisées par un débit très important mais avec une faible hauteur de chute (Rhône).
Les centrales de basse chute, se trouvent sur les grands fleuves et fonctionnent au fil de l'eau et produisent sans interruption.
Les usines de basse chute sont équipés de turbine à réactions type Kaplan avec de pales qui s'orientent en fonction du débit.
Les centrales hydrauliques moyennes chutes
Les centrales de moyennes chutes sont caractérisées par une hauteur de chute comprise entre 30 et 200m. L'usine se situe généralement au pied du barrage. Ce sont souvent des usines de retenues. Elles se trouvent en moyenne montagne, elles utilisent les réserves d'eau accumulées sur des courtes périodes. Ces centrales d'éclusée servent pour la régulation journalière ou hebdomadaire de la production.
Les usines de moyenne chute sont équipées de turbine Francis qui permettent l'utilisation de l'eau à moyenne pression. L'eau est dirigée contre les pales de la turbine par des ailettes de guidage, puis rabattue vers le centre de la roue.
Les centrales hydrauliques hautes chutes
Les centrales de hautes chutes sont caractérisées par une forte hauteur de chute h>200m. L'usine est toujours située à une distance importante de la prise d'eau parfois plusieurs kilomètres. Elles se trouvent en altitude, les usines de lacs disposent de plus de 400 heures de réserves. Leur rapidité de démarrage permet de répondre de consommation, notamment en hiver.
Les usines de haute chute sont généralement équipés de turbines Pelton : l'eau arrive en deux jets de la roue équipée de pales en forme de godets.
Remarque : Le rapport moyen Puissance électrique / Puissance Potentiel de la chute d'eau est en moyenne d'environ 0.7.
Le rendement est ainsi de 70%.
La puissance électrique Pe = 0.7Pp <=> Pe = 7.Q.h (0.7g = 7)
- Avec :
- Pe : Puissance électrique injectée au réseau en KiloWatt (KW) ou en KiloVoltAmpère (KVA).
Plus généralement d'après le rendement n caractéristique de la centrale (plus particulièrement du couple turbine - alternateur inscrit par le fabricant) on a : Pe = n.g.Q.h
Vers des micros centraux hydrauliques...
Le principe est identique mais en miniature et pour des particuliers. L'électricité produite est directement utilisée ou stockée dans des accumulateurs ou alors peut être revendue à un réseau électrique.
Il n'y a pas d'énormes barrages : poissons et canoéistes peuvent désormais circuler librement grâce aux dispositions prises par les exploitants.
La qualité de l'eau est préservée : au maximum 10 % du débit d'eau est turbiné, les propriétés physico-chimiques de l'eau étant ainsi conservées. Certains exploitants vont même jusqu'à dépolluer les rivières (poubelles des riverains, pneus, plastiques...).
Remarque : Pas de micro centrale en dessous de 1.8 à 3 mètres de chute. On entend par chute, la hauteur entre le point de la prise de l'eau, et le niveau le plus bas de l'eau rendue à la rivière.
Rentabilité / Coût :
Investir à l'échelle d'un particulier, pour être rentable, une telle installation doit faire au moins 10 kW.
Que peut on faire avec 10 kW ?
Chauffer un volume de 300 à 500 m^3. Alimenter 100 ampoules de 100W (Ou 500 fluo compactes de 20W, ce qui donnera 5 fois plus de lumière). Faire fonctionner simultanément 10 fers à repasser. Produire 2500 litres d'eau chaude en 8 heures. Etc. Cette puissance convient très bien à une résidence principale, chauffage et climatisation compris.
A l'échelle mondiale, on estime que la capacité installée s'élève à 37 000 MW. Pour la France elle représente 17% de sa production en électricité.
Il faut compter entre 1 200 et 2 500 Euro par kW installé. Ces coûts ne devraient pas fort évoluer dans l'avenir. L'électronique pourra éventuellement faire diminuer un peu les coûts. Elle permettra une meilleure rentabilité de l'installation par une bonne régulation et la possibilité d'entretiens préventifs opportuns.
Rôle Régulateur :
L'électricité ne peut être stockée à l'échelle industrielle, il faut donc constamment adapter la production à la demande, qui est aléatoire. Contrairement aux centrales thermiques, les turbines hydroélectriques peuvent démarrer en quelques minutes. Grâce à leur souplesse d'exploitation, les usines hydrauliques permettent de faire face dans un délai très court, aux variations de la consommation. Elles interviennent alors dans la régulation de la fourniture de l'énergie.
Exemple : Deux minutes suffisent à l'usine de GRAND-MAISON (Isère) pour fournir1800 MW.
Certaines d'entre elles sont utilisées pour fournir de l'électricité aux heures de pointe, ou pendant les jours d'hiver les plus froids.
Avantages et Inconvénients :
Avantages :
- -Production d'énergie active durant les heures de fortes consommations d'électricité.
- -Pompage durant les heures creuses afin de reconstituer la réserve d'eau dans le bassin de retenu. Ce procédé permet de stocker l'énergie électrique en surplus du réseau en une énergie potentielle qui sera transformée à nouveau.
- -Démarrage et arrêt des centrales très rapides.
- -Aucune pollution n'est dégagée lors de la production d'électricité.
- -Production d'électricité décentralisée (pas de pertes liées aux transports).
- -Facilitée d'entretien et la faible usure du matériel qui travaille à vitesse et à température modéré.
- -Haut niveau de rendement des machines, capable de transformer 90% de l'énergie de l'eau en énergie mécanique.
- -Souplesse d'exploitation, qu'accroissent encore les progrès de l'automatisme et des télécommandes.
Inconvénients :
- -Modification du débit et du niveau de l'eau.
- -Perturbation de la faune et de la flore.
- -Surcoût lié à la nécessité d'installer des passes à poissons.
- -Risque pour les personnes en aval lié au barrage.