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L'hydraulique


économie d'énergie hydraulique L'énergie hydraulique utilise l'énergie des cours d'eau, des chutes, voire des marées, pour transformer la force du courant en électricité. On l'appelle aussi l'hydroélectricité. C'est un système largement utilisé par les grands barrages, qui peut être étendu à de nombreuses petites usines de quelques kW exploitant le potentiel d'une multitude de cours d'eau.
 
Les grands barrages hydrauliques sont venus contribuer à l’effort d’autonomie énergétique de la France, lui permettant d’afficher aujourd’hui 15 % de production d’électricité à partir des énergies renouvelables. Cette énergie est également utilisée pour alimenter des sites isolés (une ou deux habitations, un atelier d’artisan, une grange…) ou produire de l’électricité, vendue à plus petite échelle.


Consommation et production
La consommation hydraulique mondiale
Consommation hydraulique par région du monde Consommation hydraulique par continent
consommation hydraulique mondiale consommation hydraulique mondiale
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Production hydraulique mondiale
Production hydraulique par continent Production hydraulique par pays
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Principe de fonctionnement d'une centrale hydraulique

Composition
centrale hydraulique 

Une centrale hydraulique est généralement composée de trois éléments :
 
    • un barrage (sauf pour les centrales au fil de l’eau),
    • un canal de dérivation,
    • la centrale elle-même.

  1. Le barrage retient l’écoulement naturel de l’eau. De grandes quantités d’eau s’accumulent alors, formant ainsi un lac de retenue.
  2. Lorsque l’eau est stockée, il suffit d’ouvrir des vannes pour entamer le cycle de production. L’eau s’écoule alors en contrebas, vers la centrale hydraulique, par un canal de dérivation. Il y a donc une forte chute d’eau entre deux niveaux différents.
  3. La force de l’eau entraîne la rotation de la turbine.
  4. La turbine entraîne l’alternateur, qui produit de l’électricité.
  5. Un transformateur élève alors la tension du courant produit par l’alternateur pour qu’elle puisse être plus facilement transportée dans les lignes à haute et très haute tension. L’électricité ainsi produite peut alors être injectée dans le réseau des lignes électriques.
  6. L’eau turbinée rejoint la rivière par le canal de fuite.
  7. 11% de l’électricité qui arrive chez vous est d’origine hydraulique, plus de 10% de l’électricité que vous consommez est donc de l’énergie renouvelable.


Les différents types de centrales hydrauliques
Il existe deux grands types de centrales hydrauliques : la Petite Centrale Hydraulique (PCH) et la Grande Centrale Hydraulique (GCH).


Les centrales au fil de l'eau (ou de basse chute)
Les Petites Centrales Hydrauliques sont très majoritairement des centrales au fil de l’eau. Cette technique est également utilisée pour capter l’énergie des grands fleuves (En France, c’est la cas du Rhône, du Lac Léman et du Rhin). Elles ne disposent pas de réservoir de stockage et sont donc à même de produire de l’électricité qu’en fonction des apports en eau du moment. La production dépend donc du niveau des eaux et des précipitations. Ces centrales sont souvent situées en plaine sur des cours d’eau fort et à faibles fluctuations tout au long de l’année (par exemple le Rhin ou le Rhône).


Pour les Grandes Centrales Hydrauliques uniquement :

Les centrales à réservoir (ou usines à lac, de moyenne ou haute chute)
Grâce à des barrages, elles disposent d’une grande capacité de stockage de l’eau, pour adapter au plus juste la production à la demande d’électricité. Ces centrales sont souvent placées dans des massifs montagneux, sur des cours d’eau dont le débit est très variable en fonction des précipitations et des saisons.


Les stations de transfert d'énergie par pompage (Step)
L'électricité ne peut pas être stockée, aussi cherche t on les moyens de stocker de l'énergie sous diverses formes. Une des plus efficaces est de la stocker sous forme d'énergie potentielle de l'eau Ces stations fonctionnent en circuit fermé. Il s’agit d’une station composée de deux retenues d’eau : l’eau du bassin supérieur situé en amont est turbinée aux heures de très forte consommation, puis recueillie dans une retenue en aval. Aux heures de faible consommation, l’eau est pompée et remontée dans la retenue en amont. Le stock d’eau est donc renouvelé à l’infini ! Les hauteurs de chute sont en général très élevées (800 à 1000 m).


Les centrales marémotrices
Il existe une centrale marémotrice en France: il s’agit de l’usine de la Rance, proche de Saint-Malo (Ille-et-Vilaine). Cette centrale est la seule au monde qui produit de l’électricité de façon industrielle à partir des marées. A titre d’exemple, 4 % de l'électricité consommée en Bretagne provient de cette centrale (soit l'équivalent de la consommation d'une ville telle que Rennes).
Le principe de fonctionnement est le même que celui d’une centrale de basse chute mais c’est la force du courant créé par les marées qui entraîne la turbine et avec elle l’alternateur.


Le barrage
Le barrage permet de stocker une très grande quantité d’eau (la centrale peut ainsi continuer de produire de l’électricité même en période de basses eaux) mais elle permet aussi de créer de grandes chutes d’eau et donc de faire tourner plus facilement les turbines.
 
Il existe 3 types de barrages :


Les barrages poids : il s’agit des barrages les plus simples mais aussi les plus lourds (ils sont constitués de pierre ou de béton). Il est vertical par rapport à la retenue d’eau et incliné par rapport à la vallée.
Les barrages voûtes : constitués en béton et en forme de courbe, ils s'appuient en partie sur des parois rocheuses. Ils peuvent être soutenus par des contreforts. Il est incliné par rapport à la retenue et vertical par rapport à la vallée. On en trouve le plus souvent dans des vallées étroites.
Les barrages à contreforts : ce sont les barrages les plus légers car composés que de contreforts triangulaires en béton, qui lui permettent de reporter la pression exercée par l'eau vers le sol.

Ces grands ouvrages permettent de produire 11% des besoins en électricité en France.
 

Les petites centrales hydrauliques, micro centrales et pico centrales 
Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement d’une petite centrale hydraulique est identique à celui des grandes centrales : c’est l’énergie mécanique produite par la force de l’eau qui est transformée en énergie électrique alternative grâce à une turbine et à un alternateur. Lorsqu’il s’agit de la Petite Hydraulique, on parle de centrales au fil de l’eau.
En France, la production d’électricité des PCH (Petites Centrales Hydrauliques), c’est-à-dire des centrales d’une puissance inférieure à 10MW, représente 10% de l’électricité hydraulique produite (source : ADEME). 

 
Quelle différence entre petite, micro et pico centrale ?
La différence réside dans la puissance des centrales :
 
    • puissance d’une pico centrale : inférieure à 20 kW,
    • puissance d’une micro centrale : entre 20 et 500 kW,
    • puissance d’une petite centrale : entre 500 kW et 10 MW.

Quelle que soit la puissance installée, il s’agit le plus souvent de centrales « au fil de l’eau » (la hauteur de chute étant souvent trop faible pour apporter un rendement satisfaisant).


Quelle puissance installer ?
Le choix de la taille d’une centrale hydraulique dépend essentiellement du débit du cours d’eau sur lequel on souhaite installer cette centrale.
Pour calculer la puissance d’une installation, certaines données sont à connaître :
 
    • le débit d’eau (en litres),
    • la hauteur de chute d’eau (en mètres).

La formule suivante détermine la puissance maximale de l’installation hydraulique envisageable :
7 x débit en litre x la hauteur de chute en m = puissance en kVa (sachant que 1 kVa = 0,8 kW).


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