Aperçu de la production d'énergie hydroélectrique

L'hydroélectricité consiste à convertir l'énergie hydraulique des cours d'eau naturels en électricité destinée à la consommation humaine. Différentes sources d'énergie sont utilisées pour la production d'électricité, telles que l'énergie solaire, l'énergie hydraulique des rivières et l'énergie éolienne. Le coût de production de l'hydroélectricité est faible et la construction de centrales hydroélectriques peut être combinée à d'autres projets d'aménagement hydraulique. Notre pays dispose d'importantes ressources hydroélectriques et les conditions y sont très favorables. L'hydroélectricité joue un rôle essentiel dans le développement de l'économie nationale.
Le niveau d'eau en amont d'une rivière est supérieur à celui en aval. Cette différence de niveau génère de l'énergie hydraulique, appelée énergie potentielle. La différence de hauteur d'eau est appelée chute, également appelée différence de niveau ou hauteur de chute. Cette chute est une condition essentielle à la formation de l'énergie hydraulique. De plus, l'intensité de cette énergie dépend aussi du débit de la rivière, autre condition fondamentale. La chute et le débit influent directement sur l'énergie hydraulique : plus la chute est importante, plus l'énergie hydraulique est grande ; si la chute et le débit sont relativement faibles, la production de la centrale hydroélectrique sera moindre.
La chute de pression est généralement exprimée en mètres. Le gradient, rapport entre la chute et la distance, indique le degré de concentration de la chute. Plus la chute est concentrée, plus l'utilisation de l'énergie hydraulique est facilitée. La chute de pression exploitée par une centrale hydroélectrique correspond à la différence de niveau d'eau entre l'amont et l'aval de la centrale après passage dans la turbine.

Le débit est la quantité d'eau qui s'écoule dans une rivière par unité de temps et s'exprime en mètres cubes par seconde. Un mètre cube d'eau équivaut à une tonne. Le débit d'une rivière varie constamment ; il est donc essentiel de préciser le moment et le lieu où il s'écoule lorsqu'on en parle. Le débit varie considérablement au fil du temps. Dans notre pays, les rivières ont généralement un débit important pendant la saison des pluies, en été et en automne, et un débit relativement faible en hiver et au printemps. En général, le débit est relativement faible en amont ; en aval, la confluence des affluents entraîne une augmentation progressive du débit. Ainsi, bien que la chute de pression soit concentrée en amont, le débit reste faible ; en aval, le débit est important, mais la chute de pression est plus dispersée. C'est pourquoi il est souvent plus rentable d'exploiter l'énergie hydraulique dans le cours moyen de la rivière.
Connaissant la chute et le débit utilisés par une centrale hydroélectrique, sa production peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
N= GQH
Dans la formule, N – la puissance de sortie, en kilowatts, peut également être appelée puissance ;
Débit Q, en mètres cubes par seconde ;
H – chute, en mètres ;
G = 9,8 m/s², est l'accélération de la pesanteur, unité : newton/kg².
D'après la formule ci-dessus, la puissance théorique est calculée sans déduction des pertes. Or, lors de la production d'énergie hydroélectrique, les turbines, les équipements de transmission, les générateurs, etc., engendrent inévitablement des pertes de puissance. Il convient donc de corriger la puissance théorique, c'est-à-dire de multiplier la puissance réellement utilisable par le coefficient de rendement (symbole : K).
La puissance nominale du générateur d'une centrale hydroélectrique est appelée puissance théorique, et sa puissance réelle, puissance réelle. Lors de la transformation de l'énergie, des pertes sont inévitables. Dans le processus de production hydroélectrique, ces pertes proviennent principalement des turbines et des générateurs (il existe également des pertes dans les canalisations). Dans une microcentrale hydroélectrique rurale, ces pertes représentent environ 40 à 50 % de la puissance théorique totale. Par conséquent, la centrale ne fournit en réalité que 50 à 60 % de sa puissance théorique, soit un rendement d'environ 0,5 à 0,60 (dont 0,70 à 0,85 pour les turbines, 0,85 à 0,90 pour les générateurs et 0,80 à 0,85 pour les canalisations et les équipements de transmission). La puissance réelle (production) de la centrale hydroélectrique peut donc être calculée comme suit :
K, le rendement de la centrale hydroélectrique (0,5 à 0,6), est utilisé dans le calcul approximatif de la microcentrale hydroélectrique ; cette valeur peut être simplifiée comme suit :
N=(0,5～0,6)QHG Puissance réelle=rendement×débit×chute×9,8
L'hydroélectricité consiste à utiliser la force de l'eau pour actionner une machine, appelée turbine hydraulique. Par exemple, l'ancienne roue à eau de notre pays est une turbine hydraulique très simple. Les différentes turbines hydrauliques actuellement utilisées sont adaptées à diverses conditions hydrauliques spécifiques, ce qui leur permet de tourner plus efficacement et de convertir l'énergie de l'eau en énergie mécanique. Un autre type de machine, le générateur, est relié à la turbine, de sorte que le rotor du générateur tourne avec elle pour produire de l'électricité. Le générateur se compose de deux parties : la partie mobile, qui tourne avec la turbine, et la partie fixe. La partie mobile, appelée rotor, est constituée de nombreux pôles magnétiques. La partie fixe, appelée stator, est un cercle entourant le rotor et est composée de nombreux bobinages de cuivre. Lorsque les pôles magnétiques du rotor tournent au centre des bobinages du stator, un courant électrique est généré dans les fils de cuivre, et le générateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.
L'énergie électrique produite par la centrale est transformée en énergie mécanique (moteur électrique), en énergie lumineuse (lampe électrique), en énergie thermique (four électrique), etc., par divers équipements électriques.
la composition de la centrale hydroélectrique
La composition d'une centrale hydroélectrique comprend : des ouvrages hydrauliques, des équipements mécaniques et des équipements électriques.
(1) Ouvrages hydrauliques
Il comprend des déversoirs (barrages), des vannes d'admission, des canaux (ou tunnels), des réservoirs d'alimentation (ou réservoirs de régulation), des conduites sous pression, des centrales hydroélectriques et des canaux de fuite, etc.
Un barrage est construit sur la rivière pour retenir l'eau et élever son niveau afin de former une retenue. De cette manière, une chute d'eau se crée entre le niveau de la retenue et celui de la rivière en aval du barrage. L'eau est ensuite acheminée vers la centrale hydroélectrique par des conduites ou des tunnels. Sur les rivières à forte pente, on peut également créer une chute d'eau grâce à des canaux de dérivation. Par exemple : la chute d'eau d'une rivière naturelle est généralement de 10 mètres par kilomètre. Si un canal est creusé en amont d'un tronçon de rivière pour y acheminer l'eau, ce canal sera creusé dans le sens de la rivière, ce qui réduira sa pente. Si la chute d'eau dans le canal n'est que de 1 mètre par kilomètre, l'eau parcourt 5 kilomètres dans le canal avec une chute de seulement 5 mètres, alors que dans le lit naturel, la chute serait de 50 mètres. À ce moment-là, l'eau du canal est acheminée vers la centrale hydroélectrique par la rivière au moyen d'une conduite ou d'un tunnel, créant ainsi une chute de 45 mètres qui permet de produire de l'électricité. Figure 2

L'utilisation de canaux de dérivation, de tunnels ou de conduites d'eau (telles que des conduites en plastique, en acier, en béton, etc.) pour former une centrale hydroélectrique à chute concentrée est appelée centrale hydroélectrique à canal de dérivation, qui est une configuration typique des centrales hydroélectriques.
(2) Équipements mécaniques et électriques
Outre les ouvrages hydrauliques susmentionnés (barrages, canaux, préfectures, conduites sous pression, ateliers), la centrale hydroélectrique a également besoin des équipements suivants :
(1) Équipement mécanique
Il y a des turbines, des régulateurs, des vannes à guillotine, des équipements de transmission et des équipements non générateurs.
(2) Équipement électrique
On y trouve des générateurs, des tableaux de distribution, des transformateurs et des lignes de transport d'électricité.
Cependant, toutes les petites centrales hydroélectriques ne sont pas équipées des ouvrages hydrauliques et des équipements mécaniques et électriques mentionnés ci-dessus. Dans les centrales à faible chute, si la hauteur de chute est inférieure à 6 mètres, on utilise généralement un canal de guidage et un canal à ciel ouvert, sans bassin de retenue ni conduite d'eau sous pression. Pour les centrales à faible rayon d'action et à courte distance de transmission, la transmission est directe et aucun transformateur n'est nécessaire. Les centrales hydroélectriques avec réservoirs n'ont pas besoin de barrages. L'utilisation de prises d'eau profondes, de conduites internes (ou de tunnels) et de déversoirs permet de se passer d'ouvrages hydrauliques tels que des seuils, des vannes de prise d'eau, des canaux et des bassins de retenue.
Pour construire une centrale hydroélectrique, il est indispensable de réaliser au préalable une étude et une conception minutieuses. La conception comprend trois étapes : l’avant-projet détaillé, la conception technique et le plan de construction. Afin de mener à bien cette conception, il est primordial de réaliser une étude approfondie, c’est-à-dire de bien comprendre le contexte naturel et économique local : topographie, géologie, hydrologie, capital, etc. Seule une analyse approfondie de ces éléments permettra de garantir la justesse et la fiabilité de la conception.
Les composants des petites centrales hydroélectriques présentent des formes variées selon le type de centrale.
3. Levés topographiques
La qualité des levés topographiques influence grandement le tracé des ouvrages et l'estimation des quantités nécessaires.
Outre les connaissances générales et les recherches sur la géologie du bassin versant et du cours d'eau, l'exploration géologique (compréhension des conditions géologiques) est essentielle pour déterminer la solidité des fondations de la salle des machines, condition déterminante pour la sécurité de la centrale. La rupture d'un barrage, avec un certain volume de retenue, endommagerait non seulement la centrale hydroélectrique, mais entraînerait également d'importantes pertes humaines et matérielles en aval.
4. Essai hydrologique
Pour les centrales hydroélectriques, les données hydrologiques les plus importantes sont les relevés du niveau d'eau, du débit, de la teneur en sédiments, des conditions de gel, des données météorologiques et des données d'études des crues. Le débit du cours d'eau influe sur la conception du déversoir de la centrale. Sous-estimer la gravité d'une crue peut endommager le barrage ; dans le pire des cas, les sédiments charriés par le cours d'eau peuvent rapidement remplir le réservoir. Par exemple, le canal d'amenée peut s'envaser, et les sédiments à gros grains peuvent passer à travers la turbine et provoquer son usure. Par conséquent, la construction de centrales hydroélectriques nécessite des données hydrologiques complètes.
Par conséquent, avant de décider de la construction d'une centrale hydroélectrique, il est indispensable d'étudier les perspectives de développement économique de la zone d'approvisionnement et la demande future en électricité. Il convient également d'évaluer la situation des autres sources d'énergie disponibles dans cette zone. Ce n'est qu'après cette étude et cette analyse approfondies que nous pourrons déterminer la nécessité de construire une centrale hydroélectrique et, le cas échéant, son envergure.
De manière générale, les études topographiques en milieu hydroélectrique ont pour but de fournir des informations de base précises et fiables, nécessaires à la conception et à la construction des centrales hydroélectriques.
5. Conditions générales de sélection du site
Les conditions générales de sélection d'un site peuvent être expliquées selon les quatre aspects suivants :
(1) Le site choisi doit permettre une utilisation optimale de l'énergie hydraulique et respecter le principe de réduction des coûts, c'est-à-dire que, une fois la centrale achevée, les dépenses doivent être minimales et la production d'électricité maximale. On peut généralement l'évaluer en estimant les recettes annuelles de production d'électricité et l'investissement initial afin de déterminer le délai de retour sur investissement. Toutefois, les conditions hydrologiques et topographiques étant différentes d'un endroit à l'autre, et les besoins en électricité variant également, les coûts de construction et l'investissement ne doivent pas être limités à des valeurs fixes.
(2) Les conditions topographiques, géologiques et hydrologiques du site choisi doivent être relativement favorables et offrir des possibilités de conception et de construction. Pour la construction de petites centrales hydroélectriques, l’utilisation de matériaux de construction doit privilégier autant que possible les matériaux locaux.
(3) Le site sélectionné doit être aussi proche que possible de la zone d'alimentation électrique et de traitement afin de réduire l'investissement dans les équipements de transmission d'énergie et les pertes d'énergie.
(4) Lors du choix du site, il convient d'exploiter au maximum les ouvrages hydrauliques existants. Par exemple, une chute d'eau peut être utilisée pour construire une centrale hydroélectrique dans un canal d'irrigation, ou une centrale peut être construite à proximité d'un réservoir d'irrigation afin de produire de l'électricité grâce au débit d'irrigation, etc. Ces centrales hydroélectriques, qui produisent de l'électricité à partir de l'eau, présentent un intérêt économique évident.