L’hydroélectricité, c’est quoi ?
Ecrit par Damien COUBES | Publié le 23 avril 2024
L’énergie hydraulique dépend du cycle de l’eau. Elle est la plus importante source d’énergie renouvelable.
Sous l’action du soleil, l’eau des océans et de la terre s’évapore. Elle se condense en nuages qui se déplacent avec le vent. La baisse de température au-dessus des continents provoque des précipitations qui alimentent l’eau des lacs, des rivières et des océans.
Une centrale hydraulique est composée de plusieurs éléments :
- les ouvrages de prise d’eau (digues, barrages);
- les ouvrages d’amenée et de mise en charge (canal d’amenée, conduite forcée);
- les équipements de production (turbines, générateurs, systèmes de régulation);
- les ouvrages de restitution;
- les lignes électriques qui évacuent et transportent l’énergie électrique.
Les centrales sont dotées d’équipements permettant le passage des sédiments et la circulation des poissons :
La passe à poissons permet aux espèces de franchir le barrage et de remonter la rivière de l’aval vers l’amont ;
De l’amont vers l’aval, un plan de grilles plus ou moins fines empêche les poissons de passer dans la turbine et les dévie vers un exutoire qui les redirige vers la rivière,
Un débit minimum, dit débit réservé, d’au moins 1/10ème du cours d’eau, alimente en permanence le lit de la rivière et permet d’assurer la continuité écologique des la rivière et, le cas échéant, la pratique des autres usages.
En France, l’hydroélectricité est exploitée depuis la fin du 19ème siècle, ce qui en fait la plus ancienne des énergies produite grâce à une ressource nationale.
C’est une énergie qui n’émet pas de gaz à effet de serre, elle est utilisable rapidement grâce aux grandes quantités d’eau stockée et c’est une énergie renouvelable très économique à long terme.
Explicatif de la classification des centrales de production :
La Petite Hydroélectricité (PHE) et la Grande Hydraulique diffèrent par leurs caractéristiques et leurs applications :
1/ PHE (Petite Hydroélectricité) :
- Puissance : Inférieure à 10 MW (10 000 kW).
- Types d’installations :
- Pico centrale : Inférieur à 20 kW
- Micro centrale : Entre 20kW et 500kW
- Mini centrale : Entre 500kW et 2MW
- Petite centrale : Entre 2MW et 10MW
- Usages :
- Alimente des sites isolés (comme une ou deux habitations, un atelier d’artisan, une grange)
- Produit de l’électricité vendue à plus petite échelle.
2/ Grande hydraulique :
- Puissance : Supérieure à 10 MW.
- Types d’installations : Barrages de haute chute, centrales-lacs, fil de l’eau.
- Usages :
- Fournit de l’électricité à grande échelle.
- Stocke l’eau dans des lacs de retenue pour une production continue.
Différents types de centrales de production
Le schéma de process d’une centrale de haute-chute
Une centrale de haute chute, également appelée centrale-lac, exploite le dénivelé important entre le bassin supérieur (le lac de retenue) et le bassin inférieur pour produire de l’électricité.
C’est un système efficace dans les régions montagneuses où les dénivelés sont significatifs. L’eau contenue dans le lac est libérée pour descendre vers la centrale, elle traverse une conduite forcée qui la dirige vers les turbines, de type Pelton en général, elle convertie l’énergie hydraulique en énergie électrique.
Le schéma de process d’une centrale de moyenne chute
Une centrale de moyenne chute est une installation hydroélectrique qui se situe généralement en moyenne montagne ou dans des régions de bas-relief.
Elle fonctionne sur la même base que n’importe quelle centrale de production électrique. Les centrales de moyenne chute utilisent un débit moyen et un dénivelé assez fort avec une chute comprise entre 30 et 300 mètres. La turbine est souvent de type Francis.
Pour les centrales de moyenne chute (1 à 150 m) et à faible débit (0,1 à 10 m3/sec), il existe un type de turbine appelé Banki, également connue sous le nom de turbine à flux croisé, contrairement à la plupart des autres turbines hydrauliques qui ont un flux axial ou radial, une turbine Banki a un flux transversal.
L’eau s’écoule au travers des pales de la turbine, entrant par un côté et ressortant par le côté opposé. L’eau traverse ainsi deux fois les pales de la turbine.
Le schéma de process d’une centrale de basse chute ou « fil de l’eau »
Une centrale de basse chute, également appelée centrale au fil de l’eau, est implantée sur le cours de grands fleuves ou de grandes rivières. Elle est caractérisée par un débit très fort et un dénivelé faible avec une chute de moins de 30 mètres.
Contrairement aux centrales de haute chute qui utilisent des lacs de retenue, les centrales de basse chute n’ont pas de retenue d’eau. L’électricité est produite en temps réel, directement à partir du débit naturel de l’eau. Les centrales au fil de l’eau utilisent des turbines de type Kaplan, ces turbines sont spécialement conçues pour exploiter les forts débits et les faibles hauteurs de chute.
D’autres nouvelles technologies ont vu le jour afin de répondre aux nouveaux enjeux écologiques avec des turbines dites « ichtyphiles » qui permettent aux poissons de circuler.
Les vis hydrodynamiques
Sur le principe d’une vis sans fin, l’écoulement de l’eau fait tourner une vis d’Archimède
raccordée à un bloc multiplicateur et générateur. Ce type de turbine est ichtyocompatible
car, dans le sens du courant (dévalaison), les poissons peuvent circuler, comme d’ailleurs
la plupart des alluvions et flottants.
Ces turbines sont préconisées pour les centrales de basses chutes (1 à 10 mètres) à faible
débit (0,2 à 10 m3/s).
Les turbines “très basse chute” / VLH (« Very Low Head »)
La turbine VLH a été développée pour équiper les très basses chutes de 1,5 à 4,5 mètres. Ce concept de turbogénérateur et la structure autoportante
de cette turbine limitent considérablement le génie civil nécessaire à l’installation d’une
turbine traditionnelle.
Grâce à une vitesse de rotation très faible (autour de 35 tours/minute), sans vibration et
un mode de fonctionnement très silencieux, la VLH permet la circulation des poissons.
Le schéma de process d’une station de transfert d’énergie par pompage (STEP)
Les STEP sont des centrales de pompage – turbinage fonctionnant avec une retenue supplémentaire à l’aval. Pendant les heures creuses, l’eau est pompée de la retenue inférieure vers la retenue supérieure, pour être ensuite turbinée dans le sens inverse pendant les heures de pointes. La dizaine d’installations que compte la France totalise une puissance de 4 500 MW, mobilisables en quelques minutes.
On peut aussi « turbiner » l’eau potable ou les eaux usées. Par exemple, lorsque les eaux potables sont captées en source de montagne, l’acheminement vers les robinets des usagers nécessite des installations pour dissiper la trop grande pression pour que l’eau n’arrive pas dans le réseau avec trop de puissance. Pourquoi ne pas placer une turbine qui récupèrerait cette énergie pour produire de l’électricité ? Les technologies existent et des collectivités les utilisent.
La création de mini-STEP d’une puissance de 5 à 10MW environ représente une solution innovante de stockage de l’énergie, complémentaires aux systèmes de stockage par batteries qui se développe. Cette solution, qui repose sur une technologie mature, permettrait de développer des solutions de stockage localement.
Mesure de la puissance hydroélectrique
La puissance d’une centrale hydraulique peut se calculer par la formule suivante(9):
P = Q.ρ.H.g.r
Avec :
P : puissance (exprimée en W) ;
Q : débit moyen mesuré en mètres cube par seconde ;
ρ : masse volumique de l’eau, soit 1 000 kg/m3 ;
H : hauteur de chute en mètres ;
g : constante de gravité, soit près de 9,8 (m/s2) ;
r : rendement de la centrale (compris entre 0,6 et 0,9)
