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Transcript

Centrale hydroélectrique

Principe de fonctionnement

Différentes centrales hydroélectriques

Chaîne énergétique

L'hydraulique est le moyen le plus ancien de production d'électricité par ressource renouvelable. Les ancêtres de l'hydroélectriques sont les moulins hydrauliques.

Les centrales hydroélectriques fonctionnent dans un premier temps à l'aide d'un barrage qui retient l'écoulement naturel de l'eau. De grandes quantités d'eau s'accumulent et forment par conséquent un lac de retenue. Une fois l'eau stockée, des vannes sont ouvertes pour que l'eau s'engouffre dans de longs tuyaux métalliques appelés "conduites forcées". Ces tuyaux conduisent l'eau vers la centrale hydraulique, située en contrebas. Chaque centrale se met en marche selon un programme prédéfini en fonction des besoins d'électricité. À la sortie de la conduite, dans la centrale, la force de l'eau fait tourner une turbine qui fait à son tour fonctionner un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif.
À noter que la puissance de la centrale dépend de la hauteur de la chute et du débit de l'eau. Plus ils seront importants, plus cette puissance sera élevée.
Puis, un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à très haute et haute tension. L'eau turbinée qui a perdu de sa puissance rejoint la rivière par un canal spécial appelé "canal de fuite".
La ressource mondiale est estimée à 80 000 TWh dont 15 000 TWh sont techniquement exploitables, ce qui est égal à une perte de 65 000 TWh. Cette technique de production d'énergie n'est par conséquent pas la plus rentable. De plus, elle est la moins neutre en impacts car elle peut conduire au pire des cas à des inondations. Ces centrales nécessitent donc une maintenance importante.

Exemple :
Le barrage des Trois-Gorges en Chine est le barrage qui délivre la plus grande puissance électrique au monde. Il est constitué de 32 turbo-alternateurs mis en mouvement par l’eau retenue par le barrage.

Les caractéristiques moyennes du barrage sont les suivantes :
  • Production énergétique : 100 TWh /an ;
  • Puissance : 22.5 GW ;
  • hauteur de chute moyenne : 80,6 m ;
  • puissance délivrée par un turbo-alternateur : 710 MW ;
  • rendement nominal d’un turbo-alternateur : 0,96 ;
  • débit moyen maximal : 1 065 m3⋅s-1.


Centrale hydroélectrique des Trois-Gorges, Chine :



turbine : Turbine hydraulique et générateur électrique, vue en coupe.







Chaîne énergétique d'une centrale hydroélectrique:


nTurb (rendement de la turbine) = Puissance délivrée / Puissance qui lui est fournie

nAlt (rendement de l'alternateur) = Puissance délivrée / Puissance qui lui est fournie

Il existe une grande diversité d'installations hydroélectriques, en fonction de leur situation géographique, du type de cours d'eau, de la hauteur de la chute, de la nature du barrage et de sa situation par rapport à l'usine de production électrique


Il existe 4 grandes catégories d’aménagements hydrauliques :

Au fil de l'eau ou de basse chute (a)

Elles sont implantées sur le cours de grands fleuves ou de grandes rivières. Elles sont caractérisées par un débit très fort et un dénivelé faible avec une chute de moins de 30 m. Dans ce cas, il n'y a pas de retenue d'eau et l'électricité est produite en temps réel.
Les centrales au fil de l'eau utilisent des turbines de type Kaplan, l'évolution technique de la turbine Francis (b). Son invention a permis une production d'énergie efficace lorsque la turbine Francis ne pouvait pas être utilisée. Celle-ci se différencie des autres turbines à hélices, par ses pales orientables, dont on peut faire varier le pas pendant le fonctionnement. Cela lui permet d'avoir un rendement énergétique élevé pour des débits d'eau variables. Son rendement atteint en général entre 90 % et 95 %.


Turbine Kaplan :



D'éclusée ou de moyenne chute (b)

Elles sont surtout installées en moyenne montagne et dans les régions de bas relief. Elles sont caractérisées par un débit moyen et un dénivelé assez fort avec une chute comprise entre 30 et 300 m.
Les centrales d'éclusée utilisent des turbines de type Francis dites « à réaction ». Elles sont adaptées à des hauteurs de chute moyennes. L'eau entre sous une grande pression et transmet son énergie aux pales du rotor. Une partie de l'énergie est transmise par l'eau sur les pales en raison du changement de pression tandis que le reste de l'énergie est extraite par la spirale qui entoure la turbine. À la sortie, l'eau a une vitesse faible et peu d'énergie. La forme du tube de sortie est conçue pour décélérer le fluide et le faire remonter en pression.


Turbine Francis :





De lac ou de haute chute (c)

Elles sont surtout présentes dans les sites de haute montagne. Elles sont caractérisées par un débit faible et un dénivelé très fort avec une chute supérieure à 300 m. Le barrage s'oppose à l'écoulement naturel de l'eau pour former un lac de retenue. Ce lac est alimenté par l'eau des torrents, la fonte des neiges et des glaciers.
Les centrales de lac utilisent des turbines de type Pelton dites "à action" car l’énergie potentielle de l’eau est directement captée et transformée en énergie cinétique par l’action d’un jet d’eau sur les pales du rotor de la turbine. Ces turbines sont plus adaptées aux "hautes chutes".


Turbine Pelton :



De pompage-turbinage (d)


Deux bassins sont présents : un bassin supérieur et un bassin inférieur
La centrale composée de l'usine et d'un groupe réversible turbine-pompe, est postée au niveau du bassin inférieur et un puit d'amenée et de refoulement est creusé dans la montagne reliant le bassin supérieur à la centrale puis au bassin inférieur afin de transférer de l'eau entre les deux bassins situés à des altitudes différentes.
L'avantage de cette centrale est qu'elle permet de stocker de grande quantité d'énergie électrique par l'intermédiaire de l'énergie potentielle de l'eau, c'est à dire que l'on peut pomper de l'eau lorsque l'on en a besoin pour produire de l'électricité, de plus elles permettent d'éviter le gaspillage d'énergie pendant les heures creuses (nuit, week-end) et de compenser le manque de production électrique du secteur éolien et solaire.