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I . Fonctionnement d’un barrage hydraulique II . Avantages et Inconvénients III . Situation géographique IV. Conclusion

I . Fonctionnement d’un barrage hydraulique

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Introduction Définition Analyse fonctionnelle Les différents types de centrales Présentation des turbines Caractéristiques des turbines Récupération de la force de l’eau Transformation Schématisation

Stockage L’énergie de l’eau Calculs Comparatif

Introduction

Depuis 1946, la production des centrales hydrauliques été

multipliée

par

six.

Aujourd'hui,

les

centrales

hydrauliques françaises fournissent 15 % de l'énergie électrique produite en . Extraire 70 milliards de kilowattheures chaque année à partir de la seule force de l'eau reste un exploit qui demande quelques explications...

En 2003, EDF à produit 490.8 TWh d’ électricité en à partir des sources d’énergies suivantes

Définition

Le but des barrages hydrauliques, est de capter la force motrice de l'eau (l’énergie cinétique*)pour produire de l'électricité. Pour cela, tout un procédé est mis en œuvre: Tout d'abord, le site doit être composé d'un barrage et d'une centrale souvent en contrebas du barrage, plus ou moins éloignée; plus le barrage sera placé haut, plus vite tournera la turbine. * Energie cinétique : Energie possédée par un corp en mouvement, celle ci sans contrainte et en négligeant les frottements est égale à l’énergie potentielle « Ep ».

Analyse fonctionnelle

FP1 : Transformer l’énergie cinétique de l’eau en énergie électrique. FC1 : Respecter le paysage, et l’environnement animal. FC2 : Exécuter une maintenance rapide et aisé. FC3 : Résister à la force de l’eau.

Les différents types de centrales

Les centrales de basse chute : moins de 40m, se trouvent souvent sur les grands fleuves ou les grandes rivières et fonctionnent au fil de l'eau avec un débit important. Elles produisent sans interruption

Les centrales de moyenne chute : se trouvent en moyenne montagne, avec des chutes allant de 30 à 300 mètres, elles utilisent les réserves d'eau accumulées sur des courtes périodes. Ces centrales servent pour la régulation journalière ou hebdomadaire de la production.

Les centrales de haute chute : se trouvent en altitude, avec des chutes supérieur à 300 mètre, les usines de lacs disposent de plus de 400h de réserves. Leur rapidité de démarrage permet de répondre aux consommations, notamment en hiver.

Les « coups de bélier » Lors de l’arrêt d’une ou plusieurs pompes, le débit à travers la station de pompage est brusquement interrompu. Les clapets anti-retour situés à l’aval des pompes se ferment alors pour éviter que la conduite ne se vide.

En amont la pompe se coupe, l’eau située dans la conduite continue sont chemin se qui crée une surpression qui dilate fortement la conduite de force. En aval par contre, une dépression due au manque de gaz ou de liquide contracte la conduite.

L’eau arrivée en amont à une pression plus faible que le réservoir elle ne s’y déverse pas, l’eau se heurte à la pression du barrage, ce phénomène est appelé un coup de bélier. C’est le premier. L’eau en amont après le coup de bélier redescend et avec sa vitesse entraîne un autre coup de bélier au niveau de la pompe, l’accumulation de l’eau au niveau de la pompe entraîne une dilatation du canal de conduite en aval, et une contraction en amont ( on remarque que c’est exactement l’inverse de la première fois ).

Il y a de nouveau un coup de bélier, où l’eau remonte et ainsi de suite. On note que cet écho se poursuivrait indéfiniment si sous l’effet des pertes de charges, les ondes de dépression et de surpression ne se trouvaient pas systématiquement amorties.

Puis l’eau du réservoir descend à son tour dans le canal de conduite qui finit par être remplie, et enfin ce mouvement cesse.

Les turbines

Nous pouvons distinguer deux grandes familles de turbines hydrauliques de grande puissance, les turbines à impulsion et celles à réaction. Les turbines à impulsion sont préférentiellement utilisées sur des cours d'eau ayant une chute d'eau (énergie potentielle de l'eau) supérieure à 60 mètres (destinées au moyennes et hautes chutes). Elles peuvent générer de l'énergie avec des hauteurs d'eau importantes voir même phénoménales. Elles transforment l'énergie cinétique d'un jet d'eau à très haute vitesse et la transmettent à une turbine. Dans cette famille, nous trouvons entre autres la turbine Pelton.

Pelton

La seconde famille est celle des turbines à réaction, c'est-

à-dire les turbines qui combinent la puissance cinétique de l'écoulement du fluide et l'apport de la pression pour les transformer en énergie mécanique et par la suite, en énergie électrique. Ce type de turbine est généralement

utilisé dans les endroits où le débit d'eau est prépondérant sur la chute (inférieure à 50 mètres avec des débits importants  basses chutes). Les turbines faisant partie de cette catégorie sont : les turbines Francis, à écoulement radial et les turbines Kaplan ou hélices, à écoulement axial.

Turbines Francis et Kaplan

Caractéristiques des Turbines Turbine Pelton

Hauteur de chute: 200 - 2000 mètres Débit 4 - 15 m3/s

Ce type de turbine convient particulièrement bien aux applications haute chute à débit variable, son rendement

étant peu sensible à sa variation. Les petites turbines Pelton peuvent atteindre un rendement mécanique à l'accouplement de 90%.

Turbine Francis

Hauteur de chute: 10 - 700 mètres Débit 4 - 55 m3/s La turbine Francis est une machine à réaction. Sa roue est immergée et elle exploite aussi bien la vitesse de l'eau (énergie cinétique) qu'une différence de pression. Ce type de turbines se rencontre régulièrement dans les vieux aménagements basse chute (moins de 10 m) où elles sont généralement à chambre d'eau, c'est à dire sans bâche spirale. Leurs vitesses de rotation étant très lentes et leur adaptabilité aux variations de débit étant relativement mauvaise, elles ont été remplacées par les petites Kaplan, arrivées sur le marché dans les années 1930-1940. Actuellement, le domaine d'utilisation des Francis est idéalement situé entre 20 et 100 m. Pour des chutes supérieures à 60 m, elles sont préférées aux Pelton lorsque le débit est important. Le rendement mécanique des petites Francis issues de développements en laboratoire est de l'ordre de 92%

Turbine Kaplan

Hauteur de chute : 0 - 30 mètres Débit 4 - 350 m3/s

Les turbines axiales regroupent les Kaplan, les bulbes et les hélices(turbines à réaction). La turbine Kaplan est une turbine hélice à pales mobiles. Cela permet un meilleur fonctionnement de la turbine sur une plus grande gamme de débits. De multiples possibilités d'installations existent en fonction de l'aménagement ces machines sont peu sensibles aux variations de débit. Leur niveau de rendement mécanique est de l'ordre de 92 % en petite hydraulique

Récupération de la force de l’eau

Le barrage retient l'eau s'écoulant d'un fleuve ou d'une chute, créant un lac de retenue. Lorsqu'on ouvre les vannes du barrage, l'eau s'engouffre dans une galerie creusée dans la roche ou dans une conduite forcée, qui fait dans ce cas monter l'eau en pression; plus on ouvrira la vanne, plus le débit d'eau qui arrive à la turbine sera important.

Transformation Dans une installation employant une turbine hydraulique, on trouve toujours un réservoir, qui permet à l’eau de s’écouler jusqu’à l’entrée de la turbine. C’est un distributeur, qui dirige convenablement le jet d’eau pour qu’il arrive sur la roue mobile avec le minimum de perte. La roue de la turbine, équipée d’ailettes ou d’augets, est mise en rotation par la force centrifuge de l’eau sous pression. C'est la puissance de l'eau qui fait tourner la turbine, elle dépend donc du débit, de la hauteur de la chute et aussi de la différence de hauteur entre la turbine et le barrage. La turbine en mouvement de rotation entraîne un alternateur qui produit une tension en transformant l'énergie mécanique en énergie électrique. La puissance de l’eau qui fait tourner la turbine dépend du débit et de la hauteur de la chute et le rendement de l’opération est très bon, de l’ordre de 90%. Un transformateur élève alors cette tension produite par l'alternateur pour qu'elle puisse être facilement transportée dans les lignes à haute et très haute tension. A la sortie de la turbine, l'eau qui a perdu sont énergie est rejetée dans la rivière via un canal de fuite.

Schématisation

Stockage Il n’existe pas de moyen de stockage pour l’électricité, elle est envoyée directement via les lignes hautes et très hautes tensions, s’il y a surplus d’électricité : – Pour les barrages simples sans réservoir, l’électricité est perdue. – Pour les barrages disposant d’une réserve en contre bas, l’électricité est utilisée afin de remonter l’eau dans le barrage. Les centrales hydroélectriques avec des barrages et des réservoirs sont aussi des producteurs d’électricité fiables parce qu’elles disposent de réserves d’eau auxquelles elles peuvent avoir un accès immédiat.

L’énergie de l’eau

Dans

un

barrage

hydroélectrique

on

exploite

l'énergie cinétique de l'eau. Cette énergie provient de

la force de gravitation, c'est-à-dire que plus la chute d'eau aura une hauteur importante plus l'énergie cinétique sera importante. Cette énergie cinétique se manifeste donc par la vitesse et force de l'eau.

Calcul de la puissance électrique récupérable par une turbine hydro-électrique sur un cours d'eau

W = (1000 x D x H x K) / 75 avec : = puissance en CV (ne pas confondre avec watt ou kw) D = débit en m3/s H = hauteur de chute en mètres K = rendement du moteur hydraulique 1000 et 75 sont des valeurs constantes. Ex : K = 0,80 pour une Turbine Pelton

Potentiel théorique Le potentiel hydroélectrique est en fait l’énergie potentielle de l’eau stockée dans le barrage. Pour calculer l’énergie potentielle Ep en watts heure, il suffit d’appliquer la formule Ep (W. h) =m.g.h avec (m) la masse de l’eau, multipliée par (g) la gravité et par (h) la dénivellation en mètres. Ep = m . g . h ( Wh ou J) Une fraction de cette énergie se dissipe sous forme de pertes dues à la nature même des phénomènes qui régissent le fonctionnement des machines. Cela ramène le potentiel effectivement utilisable à 70 ou 75 % de sa valeur brute. Le potentiel théorique net servant aux évaluations aux échelles mondiales se définit par la formule : Ep = 0,75 . g . m . h ( Wh ou J)

 Concrètement il faut une tonne d’eau (soit 1 m3) dévalant 365m de dénivelé pour produire 1kW.

Voici un comparatif entre l’énergie hydraulique et nucléaire

II . Avantages et inconvénients

• Avantages a) pour l’environnement b) de durée de vie c) de rendement

• Les inconvénients a) de dé paysage b) de fragilité c) d’emplacement

• Petite comparaison.

Avantages a) Pour l’environnement. Un des principaux avantages de l'énergie hydraulique, énergie renouvelable, est que, dans la plupart des cas, elle ne rejette pas de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Si les 20 % d'électricité d'origine hydraulique étaient produits dans des centrales à charbon, les rejets de CO² seraient multipliés par 1.2, alors qu'ils sont déjà beaucoup trop élevés b) De durée de vie. Les ouvrages hydrauliques sont conçus pour une durée de vie qui dée le siècle, alors que l'âge moyen des centrales hydroélectriques d'EDF n'est que de 50 ans, et ils assurent des niveaux satisfaisants de performance et de sûreté. c) De rendement. Les grosses centrales et, à vrai dire, toutes les centrales hydroélectriques produisent de l’électricité de manière relativement efficace. En fait, elles convertissent environ 90 % de l’énergie disponible – provenant de l’eau – en électricité; cela est plus efficace que toute autre méthode de production d’électricité.

Inconvénients a) De dépaysages. Un barrage est une énorme masse de béton. Dans un paysage urbain, cela ne gène pas trop mais dans un paysage rural ou montagnard cela gâche beaucoup le paysage. b) De fragilité. Beaucoup de barrages français (surtout dans les alpes) commencent à être vétustes. Des fissures apparaissent ainsi que des fuites. La pression trop forte de l’eau les fragilise. Des erreurs de constructions pour les barrages construits dans les années 60 entraînent des réparations primordiales pour la vie future du barrage. c) D’emplacement. Les espaces vides étant très peu nombreux que se soit dans les plaines ou dans les montagnes, il fait pour construire un barrage sacrifier un ou plusieurs village (plus ou moins grands). Ce qui crée un déplacement de population et qui peut entraîner des désaccords de la population.

Petite comparaison

Les centrales nucléaire et les barrages sont très différents en ce qui concerne l’entretien : une installation hydroélectrique demande un grand investissement et ne sera rentable que sur du long terme mais ne coûte pas très

cher en matière première et en entretien alors que la centrale nucléaire n’est pas trop cher à la construction mais demande un entretien et un coup d’achat des matières premières très coûteux. De plus les barrages hydrauliques ne produisent pas de déchets toxiques contrairement aux centrales.

III . Situation géographique

• En • En Europe

En

On compte actuellement 447 barrages dont 220 contrôlés par EDF. Grâce a cette carte, provenant du site web de EDF, nous pouvons constater que les principales ressources hydroélectriques proviennent des montagnes et notamment des Alpes, ceci se comprend car en montagne on retrouve les barrages de hautes chutes qui fournissent les plus grosses demandes en électricité.

En Europe La production hydroélectrique est très variée comme le montre cette carte :

IV . Conclusion

L'eau est une source d'énergie propre. Son exploitation pour la production d'électricité ne génère ni déchets toxiques ni pollution atmosphérique. Cependant, la construction d'un barrage reste une intervention humaine sur la nature qui a des répercussions sur le paysage ainsi que sur la vie aquatique et terrestre, et sur la qualité de l'eau. C'est pourquoi, tout projet d'aménagement hydroélectrique est précédé d'une étude évaluant l'impact environnemental des installations et définissant les mesures nécessaires pour en minimiser les effets. Les progrès techniques en matière de génie civil ont néanmoins permis de mieux intégrer l'ouvrage dans son environnement. Les nécessités de la croissance et du développement économique ne sont pas incompatibles avec la préservation de la nature.