L’énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique obtenue par conversion de l’énergie hydraulique, des différents flux d’eau, en électricité.

En France, 400 concessions de plus de 4,5 mégawatts (MW) cumulent plus de 23 500 MW de puissance. Avec les petites installations elles fournissent 11,8 % de l’électricité du pays et 75 % de la part énergies renouvelables.

L’énergie cinétique du courant d’eau est transformée en énergie mécanique par une turbine, puis en énergie électrique par un alternateur.

 

 

Il existe trois formes principales de production d’énergie hydroélectrique :

– Les centrales dites gravitaires pour lesquelles les apports d’eau dans la réserve sont essentiellement issus de cours d’eau (par gravitation)

– Les stations de transfert d’énergie par pompage (S-T-E-P) aussi connues sous l’appellation centrales hydrauliques à réserve pompée ou centrale de pompage-turbinage, pour lesquelles un dispositif artificiel permet de pomper l’eau d’un bassin inférieur vers un bassin supérieur. Elles comprennent aussi fréquemment une partie gravitaire. Le transfert est un transfert temporel (pompage durant le creux de la demande à partir d’électricité produite par des équipements de base et production d’électricité par turbinage durant la pointe, en substitution ou en complément à celle, plus coûteuse, des équipements de pointe).

– Les centrales au fil de l’eau désigne qui fonctionne sans retenue d’eau, donc sans stockage de celle-ci durant les périodes de l’année de faibles débits. On définit généralement les centrales dites « au fil de l’eau » comme celles dont la constante de vidage est inférieure à 2 heures.
Leur production est maximale durant la période de fonte des neiges, c’est-à-dire au printemps ; elle connait également des pointes transitoire pendant et après les période de fortes pluies.

– Les usines marémotrices au sens large qui utilisent l’énergie du mouvement des mers, qu’il s’agisse du flux alterné des marées (marémotrice au sens strict), des courants marins permanents (hydroliennes au sens strict) ou du mouvement des vagues.

Les différentes formes de barrages :

Il existe 3 principales formes de barrages.

– Le barrage-poids
En béton ou en pierre, c’est le plus simple et le plus lourd.
Il est vertical par rapport à la retenue et incliné par rapport à la vallée.
Il s’appuie uniquement sur le sol. Ainsi, il oppose toute sa masse à la pression de l’eau.
 

 
– Le barrage-voûte
En béton, il s’appuie en partie sur des parois rocheuses.
Grâce à sa forme courbe, il reporte la pression de l’eau sur les rives. Il peut aussi être soutenu par des contreforts. Il est incliné par rapport à la retenue et vertical par rapport à la vallée.
Il est souvent utilisé dans des vallées étroites.
 

 
– Le barrage à contreforts
Ses contreforts triangulaires en béton lui permettent de reporter la pression de l’eau vers le sol.
Il est très léger car son poids se réduit seulement à celui des contreforts.
 
barrage_contre
 

Le fonctionnement d’un barrage :

Une centrale hydraulique produit de l’électricité grâce à une chute d’eau entre deux niveaux de hauteurs différentes, qui met en mouvement une turbine reliée à un alternateur.

 

 

– La retenue de l’eau
Le barrage retient l’écoulement naturel de l’eau. De grandes quantités d’eau s’accumulent et forment un lac de retenue.

– La conduite forcée de l’eau
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.
La plupart des centrales hydrauliques en France sont automatisées. Chaque centrale se met en marche selon un programme pré-défini en fonction des besoins d’électricité.

– La production 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.
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.

– L’adaptation de la tension
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.

Les principales turbines :

La turbine Pelton, adaptée aux hautes chutes, avec une roue à augets
Cette turbine est du type « à action » car l’énergie potentielle de l’eau s’écoulant dans une conduite forcée est transformée en énergie cinétique par l’intermédiaire d’un jet d’eau qui agit directement sur les augets de la roue.

 

 

La turbine Banki, au flux transversal (l’eau s’écoule au travers des pales de la turbine), est adaptée aux basses vitesses.
C’est une turbine à action avec un flux transversal. C’est-à-dire que l’eau s’écoule au travers des pales de la turbine.

 

 

La turbine Turgo, conçue pour des hauteurs de chute moyenne.
La turbine Turgo est une turbine hydraulique à action conçue pour des hauteurs de chute moyennes (très bon rendement).

 

 

La turbine Francis est une turbine à réaction de type radial à axe vertical. et est adaptée pour des hauteurs et débits moyens. Son distributeur est enroulé autour de la turbine, l’entrée de l’eau se fait par toute sa périphérie. La sortie de l’eau se fait de manière axiale dans le diffuseur (qui fait office d’aspirateur).

 

 

La turbine Kaplan est une turbine à réaction de type axial à axe vertical dont la majeure particularité est qu’il est possible de régler l’angle d’inclinaison des pales de manière à adapter le débit qui passe dans la turbine au débit de la rivière.
Une variante de cette turbine est la turbine Bulb (qui est en fait une Kaplan à axe horizontal).

 

 

L’alternateur

L’alternateur est une pièce maîtresse car c’est lui qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique.

Une des particularités des alternateurs hydrauliques est l’unicité de chaque site : en fonction des conditions hydrauliques (débit et hauteur de chute d’eau), des conditions voulues d’exploitation, on en déduit un couple de paramètres (puissance-vitesse) optimal pour le site considéré. Il en découle une très grande variété dans le dimensionnement général des alternateurs : par exemple, un groupe équipant une chute de faible hauteur au fil de l’eau est nettement différent de celui équipant un barrage de haute montagne. Les turbines associées présentent elles aussi des technologies très différentes (turbine Pelton pour les hautes chutes, turbine Francis pour les chutes moyennes, et turbine Kaplan pour les basses chutes).

 

 

L’alternateur est composé de deux pièces principales : le rotor et le stator. Le rotor est la partie mobile tandis que le stator est fixe. Le rotor est constitué d’électroaimants qui sont en fait des fils enroulés autour d’un noyau de métal (circuit magnétique). Le stator se compose d’un enroulement de barres de cuivre. La mise en rotation du rotor provoque un déplacement d’électrons à l’intérieur du stator. Le mouvement des électrons crée ainsi un courant électrique.

 




 

Le tranformateur

Un transformateur élève la tension produite par l’alternateur afin qu’elle puisse être facilement transportée dans les lignes à haute tension du réseau de distribution électrique.
Un poste de transformation équipé de disjoncteurs et de sectionneurs permet l’exploitation (protection et séparation).

Exemple de centrale hydraulique : Super-Bissorte :

Station de pompage d’énergie par pompage-turbinage (STEP).

La centrale hydraulique de Bissorte et Super-Bissorte en chiffres

– Groupes 4 pelton, 2 francis, 4 turbines – pompes francis
– Puissance totale installée : environ 800 MW
– Équivalence consommation résidentielle : Une ville de 100 000 habitants
– CO2 économisé : 240 000 tonnes/an

 
(Par Alexandre Modesto)
 

Automatisation

L’automatisation de ces centrales hydrauliques est fréquente pour en faciliter l’exploitation; ces automatismes demandent des évolutions permanentes.

Voici une intervention de Schneider Electric pour l’amélioration des automatismes de la centrale de Sault-Brenaz située sur le Rhône.