À l'échelle mondiale, les centrales hydroélectriques produisent environ 24 % de l'électricité mondiale et alimentent plus d'un milliard de personnes. Selon le Laboratoire national des énergies renouvelables (National Renewable Energy Laboratory), la puissance totale des centrales hydroélectriques mondiales s'élève à 675 000 mégawatts, soit l'équivalent de 3,6 milliards de barils de pétrole. Plus de 2 000 centrales hydroélectriques sont en activité aux États-Unis, ce qui fait de l'hydroélectricité la principale source d'énergie renouvelable du pays.
Dans cet article, nous examinerons comment la chute d'eau crée de l'énergie et découvrirons le cycle hydrologique qui crée le débit d'eau essentiel à l'hydroélectricité. Vous découvrirez également une application unique de l'hydroélectricité qui pourrait influencer votre quotidien.
En regardant une rivière couler, il est difficile d'imaginer la force qu'elle transporte. Si vous avez déjà pratiqué le rafting, vous avez sans doute ressenti une petite partie de la puissance de la rivière. Les rapides se forment lorsqu'une rivière charrie une grande quantité d'eau en aval, formant ainsi un goulot d'étranglement à travers un passage étroit. À mesure que la rivière franchit cette ouverture, son débit s'accélère. Les crues sont un autre exemple de la force que peut avoir un énorme volume d'eau.
Les centrales hydroélectriques exploitent l'énergie de l'eau et utilisent une mécanique simple pour la convertir en électricité. Elles reposent en réalité sur un concept assez simple : l'eau qui traverse un barrage fait tourner une turbine, qui entraîne à son tour un générateur.
Voici les composants de base d’une centrale hydroélectrique conventionnelle :
L'arbre qui relie la turbine et le générateur
Barrage – La plupart des centrales hydroélectriques reposent sur un barrage qui retient l'eau, créant ainsi un grand réservoir. Ce réservoir est souvent utilisé comme lac de loisirs, comme le lac Roosevelt près du barrage de Grand Coulee, dans l'État de Washington.
Prise d'eau – Les vannes du barrage s'ouvrent et, sous l'effet de la gravité, l'eau est aspirée par la conduite forcée, une canalisation qui mène à la turbine. La pression de l'eau augmente à mesure qu'elle s'écoule dans cette conduite.
Turbine – L'eau frappe et fait tourner les grandes pales d'une turbine, reliée à un générateur situé au-dessus par un arbre. Le type de turbine le plus courant dans les centrales hydroélectriques est la turbine Francis, qui ressemble à un grand disque aux pales incurvées. Selon la Fondation pour l'éducation à l'eau et à l'énergie (FWEE), une turbine peut peser jusqu'à 172 tonnes et tourner à une vitesse de 90 tours par minute (tr/min).
Générateurs – Lorsque les pales de la turbine tournent, une série d'aimants à l'intérieur du générateur tournent également. Ces aimants géants tournent autour de bobines de cuivre, produisant du courant alternatif (CA) par le déplacement des électrons. (Vous en apprendrez plus sur le fonctionnement du générateur plus tard.)
Transformateur – Le transformateur à l’intérieur de la centrale électrique prend le courant alternatif et le convertit en courant à tension plus élevée.
Lignes électriques – Chaque centrale électrique est équipée de quatre fils : les trois phases de l'électricité produite simultanément, ainsi qu'un neutre commun aux trois. (Lisez « Fonctionnement des réseaux de distribution d'électricité » pour en savoir plus sur le transport par lignes électriques.)
Écoulement – Les eaux usées sont transportées par des canalisations, appelées canaux de fuite, et réintègrent la rivière en aval.
L'eau du réservoir est considérée comme de l'énergie stockée. Lorsque les vannes s'ouvrent, l'eau qui s'écoule dans la conduite forcée devient de l'énergie cinétique car elle est en mouvement. La quantité d'électricité produite est déterminée par plusieurs facteurs, dont le débit d'eau et la hauteur de chute. La hauteur de chute correspond à la distance entre la surface de l'eau et les turbines. L'augmentation de la hauteur de chute et du débit entraîne une augmentation de l'électricité produite. La hauteur de chute dépend généralement de la quantité d'eau dans le réservoir.
Il existe un autre type de centrale hydroélectrique : la centrale de pompage-turbinage. Dans une centrale hydroélectrique classique, l'eau du réservoir traverse la centrale, ressort et est transportée en aval. Une centrale de pompage-turbinage possède deux réservoirs :
Réservoir supérieur – Comme une centrale hydroélectrique classique, un barrage crée un réservoir. L'eau de ce réservoir traverse la centrale hydroélectrique pour produire de l'électricité.
Réservoir inférieur – L’eau sortant de la centrale hydroélectrique s’écoule dans un réservoir inférieur plutôt que de rentrer dans la rivière et de s’écouler en aval.
Grâce à une turbine réversible, la centrale peut pomper l'eau vers le réservoir supérieur. Cette opération est réalisée en heures creuses. En pratique, le second réservoir remplit le réservoir supérieur. En pompant l'eau vers le réservoir supérieur, la centrale dispose de davantage d'eau pour produire de l'électricité pendant les périodes de pointe.
Le générateur
Le cœur d'une centrale hydroélectrique est le générateur. La plupart des centrales hydroélectriques en possèdent plusieurs.
Le générateur, comme vous l'aurez deviné, produit l'électricité. Le procédé de base pour produire de l'électricité consiste à faire tourner une série d'aimants à l'intérieur de bobines de fil. Ce processus déplace des électrons, ce qui produit du courant électrique.
Le barrage Hoover compte 17 générateurs, chacun pouvant produire jusqu'à 133 mégawatts. La capacité totale de la centrale hydroélectrique du barrage Hoover est de 2 074 mégawatts. Chaque générateur est composé de plusieurs éléments de base :
Lorsque la turbine tourne, l'excitateur envoie un courant électrique au rotor. Ce dernier est constitué d'une série de grands électroaimants qui tournent à l'intérieur d'une bobine de fil de cuivre étroitement enroulée, appelée stator. Le champ magnétique entre la bobine et les aimants crée un courant électrique.
Dans le barrage Hoover, un courant de 16 500 ampères passe du générateur au transformateur, où le courant monte jusqu'à 230 000 ampères avant d'être transmis.
Les centrales hydroélectriques exploitent un processus naturel et continu : celui qui provoque les pluies et la crue des rivières. Chaque jour, notre planète perd une petite quantité d'eau par l'atmosphère, les rayons ultraviolets brisant les molécules d'eau. Mais, parallèlement, de l'eau nouvelle est émise depuis les entrailles de la Terre par l'activité volcanique. La quantité d'eau créée et la quantité d'eau perdue sont à peu près équivalentes.
À tout moment, le volume total d'eau de la planète se présente sous de nombreuses formes différentes. Elle peut être liquide, comme dans les océans, les rivières et la pluie ; solide, comme dans les glaciers ; ou gazeuse, comme dans la vapeur d'eau invisible de l'air. L'eau change d'état lorsqu'elle est déplacée autour de la planète par les courants éoliens. Ces courants éoliens sont générés par l'activité thermique du soleil. Les cycles de courants d'air sont créés par le rayonnement solaire plus important à l'équateur qu'ailleurs sur la planète.
Les cycles des courants atmosphériques régulent l'approvisionnement en eau de la Terre selon un cycle propre, appelé cycle hydrologique. Lorsque le soleil chauffe l'eau liquide, celle-ci s'évapore en vapeur dans l'air. Le soleil réchauffe l'air, ce qui provoque son élévation dans l'atmosphère. L'air est plus froid en altitude ; à mesure que la vapeur d'eau s'élève, elle se refroidit et se condense en gouttelettes. Lorsqu'un nombre suffisant de gouttelettes s'accumulent en un point, elles peuvent devenir suffisamment lourdes pour retomber sur Terre sous forme de précipitations.
Le cycle hydrologique est important pour les centrales hydroélectriques, car elles dépendent du débit d'eau. En l'absence de pluie à proximité de la centrale, l'eau ne s'accumule pas en amont. Sans eau collectée en amont, le débit d'eau dans la centrale est moindre et la production d'électricité est moindre.
Le principe de base de l'hydroélectricité est d'utiliser la puissance d'un liquide en mouvement pour faire tourner une pale de turbine. Généralement, un grand barrage doit être construit au milieu d'une rivière pour assurer cette fonction. Une nouvelle invention exploite le principe de l'hydroélectricité à une échelle beaucoup plus réduite pour alimenter en électricité des appareils électroniques portables.
L'inventeur Robert Komarechka, originaire de l'Ontario (Canada), a eu l'idée d'intégrer de petits générateurs hydroélectriques dans les semelles de chaussures. Il pense que ces microturbines produiront suffisamment d'électricité pour alimenter presque n'importe quel appareil. En mai 2001, Komarechka a obtenu un brevet pour son dispositif unique alimenté par les pieds.
La marche repose sur un principe fondamental : le pied repose talon contre orteil à chaque pas. À l'atterrissage, la force est transmise par le talon. Pour préparer le pas suivant, le pied roule vers l'avant, transmettant ainsi la force à la plante du pied. Komarechka a apparemment remarqué ce principe fondamental de la marche et a développé une idée pour exploiter la puissance de cette activité quotidienne.
L'ensemble « chaussures avec générateur hydroélectrique » de Komarechka, tel que décrit dans son brevet, se compose de cinq parties :
Fluide – Le système utilisera un fluide électriquement conducteur.
Sacs pour retenir le liquide – Un sac est placé dans le talon et un autre dans la partie orteil de la chaussure.
Conduits – Les conduits relient chaque sac à un microgénérateur.
Turbine – Lorsque l’eau se déplace d’avant en arrière dans la semelle, elle actionne les pales d’une minuscule turbine.
Microgénérateur – Le générateur est situé entre les deux sacs remplis de liquide et comprend un rotor à aubes qui entraîne un arbre et fait tourner le générateur.
Lorsqu'une personne marche, la compression du fluide contenu dans la poche située au talon de la chaussure le propulse à travers le conduit jusqu'au module du générateur hydroélectrique. En continuant à marcher, le talon se soulève et une pression vers le bas s'exerce sur la poche située sous la plante du pied. Le mouvement du fluide fait tourner le rotor et l'arbre pour produire de l'électricité.
Une prise extérieure sera fournie pour connecter les câbles à un appareil portable. Un boîtier de contrôle d'alimentation peut également être fourni pour être porté à la ceinture. Des appareils électroniques pourront alors y être branchés, ce qui assurera une alimentation électrique stable.
« Avec l'augmentation du nombre d'appareils portables alimentés par batterie », peut-on lire dans le brevet, « il existe un besoin croissant de fournir une source d'alimentation électrique durable, adaptable et efficace. » Komarechka espère que son appareil servira à alimenter des ordinateurs portables, des téléphones portables, des lecteurs CD, des récepteurs GPS et des radios bidirectionnelles.
Date de publication : 21 juillet 2022
