À l'échelle mondiale, les centrales hydroélectriques produisent environ 24 % de l'électricité et alimentent plus d'un milliard de personnes. Selon le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL), la puissance cumulée des centrales hydroélectriques mondiales s'élève à 675 000 mégawatts, soit l'équivalent de 3,6 milliards de barils de pétrole. Aux États-Unis, plus de 2 000 centrales hydroélectriques sont en exploitation, faisant de l'hydroélectricité la principale source d'énergie renouvelable du pays.
Dans cet article, nous verrons comment l'eau en chute libre produit de l'énergie et nous découvrirons le cycle hydrologique qui génère le débit indispensable à la production d'énergie hydroélectrique. Vous aurez également un aperçu d'une application unique de l'énergie hydroélectrique qui pourrait avoir un impact sur votre quotidien.
Lorsqu'on observe une rivière déferler, il est difficile d'imaginer la force qu'elle transporte. Si vous avez déjà fait du rafting en eaux vives, vous avez ressenti une infime partie de cette puissance. Les rapides se forment lorsque la rivière, charriant un important volume d'eau en aval, se rétrécit dans un passage étroit. Lorsque la rivière est forcée de passer par ce passage, son courant s'accélère. Les crues sont un autre exemple de la force considérable que peut engendrer un volume d'eau aussi important.
Les centrales hydroélectriques exploitent l'énergie de l'eau et utilisent des mécanismes simples pour la convertir en électricité. Leur principe de fonctionnement est en réalité assez simple : l'eau qui traverse un barrage actionne une turbine, qui à son tour actionne 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 fonctionnent grâce à un barrage qui retient l'eau, créant ainsi un vaste réservoir. Ce réservoir est souvent aménagé en lac de loisirs, comme le lac Roosevelt au barrage de Grand Coulee dans l'État de Washington.
Prise d'eau – Les vannes du barrage s'ouvrent et la gravité aspire l'eau par la conduite forcée, un tuyau qui alimente la turbine. L'eau se met en pression en circulant dans ce tuyau.
Turbine – L'eau frappe et fait tourner les grandes pales d'une turbine, reliée à un générateur situé en amont 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. Une turbine peut peser jusqu'à 172 tonnes et tourner à une vitesse de 90 tours par minute (tr/min), selon la Fondation pour l'éducation sur l'eau et l'énergie (FWEE).
Générateurs – La rotation des pales de la turbine entraîne celle d'une série d'aimants à l'intérieur du générateur. Ces aimants géants tournent devant des bobines de cuivre, produisant un courant alternatif (CA) par déplacement d'électrons. (Vous en apprendrez plus sur le fonctionnement du générateur ultérieurement.)
Transformateur – Le transformateur situé 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 utilise quatre fils : les trois phases du courant produites simultanément et un neutre ou une terre commun aux trois. (Pour en savoir plus sur le transport de l’électricité par lignes électriques, consultez la section « Fonctionnement des réseaux de distribution d’électricité ».)
Débit sortant – Les eaux usées sont acheminées par des canalisations, appelées canaux de fuite, et retournent dans la rivière en aval.
L'eau du réservoir est considérée comme une réserve d'énergie. Lorsque les vannes s'ouvrent, l'eau qui s'écoule dans la conduite forcée acquiert de l'énergie cinétique grâce à son mouvement. La quantité d'électricité produite dépend de plusieurs facteurs, notamment du débit et de la hauteur de chute. La hauteur de chute correspond à la distance entre la surface de l'eau et les turbines. Plus la hauteur de chute et le débit sont élevés, plus la production d'électricité est importante. La hauteur de chute est généralement fonction du volume d'eau du réservoir.
Il existe un autre type de centrale hydroélectrique, appelée centrale de pompage-turbinage. Dans une centrale hydroélectrique classique, l'eau du réservoir traverse la centrale, s'écoule et est transportée en aval. Une centrale de pompage-turbinage possède deux réservoirs :
Réservoir supérieur – À l’instar d’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 au lieu de retourner dans la rivière et de couler en aval.
Grâce à une turbine réversible, la centrale peut refouler l'eau vers le réservoir supérieur. Cette opération a lieu pendant les heures creuses. Concrètement, le second réservoir alimente le réservoir supérieur. En refoulant l'eau vers le réservoir supérieur, la centrale dispose de davantage d'eau pour produire de l'électricité lors des pics de consommation.
Le générateur
Le cœur d'une centrale hydroélectrique est le générateur. La plupart des centrales hydroélectriques possèdent plusieurs de ces générateurs.
Comme vous l'aurez deviné, le générateur produit de l'électricité. Le principe de base consiste à faire tourner une série d'aimants à l'intérieur de bobines de fil. Ce mouvement met en mouvement des électrons, ce qui génère un 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. Le rotor est constitué d'une série de grands électroaimants qui tournent à l'intérieur d'une bobine de fil de cuivre enroulée serrée, appelée stator. Le champ magnétique entre la bobine et les électroaimants crée un courant électrique.
Dans le barrage Hoover, un courant de 16 500 ampères circule 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 évaporation atmosphérique, les rayons ultraviolets dissociant les molécules d’eau. Mais simultanément, de l’eau nouvelle est libérée par l’activité volcanique. La quantité d’eau créée et la quantité d’eau perdue sont sensiblement égales.
À tout moment, le volume total d'eau sur Terre se présente sous de multiples formes. Elle peut être liquide, comme dans les océans, les rivières et la pluie ; solide, comme dans les glaciers ; ou gazeuse, comme la vapeur d'eau invisible présente dans l'air. L'eau change d'état lorsqu'elle est transportée autour de la planète par les courants de vent. Ces courants de vent sont générés par l'activité solaire. Les cycles des courants atmosphériques sont dus au fait que le rayonnement solaire est plus intense à l'équateur que dans le reste du globe.
Les courants atmosphériques régulent l'approvisionnement en eau de la Terre grâce à un cycle propre, appelé cycle hydrologique. Lorsque le soleil chauffe l'eau liquide, celle-ci s'évapore et se transforme en vapeur d'eau dans l'air. Le soleil réchauffe l'air, ce qui provoque son ascension dans l'atmosphère. L'air étant plus froid en altitude, la vapeur d'eau se refroidit et se condense en gouttelettes. Lorsque suffisamment de gouttelettes s'accumulent dans une zone, elles peuvent devenir assez lourdes pour retomber sur Terre sous forme de précipitations.
Le cycle hydrologique est essentiel au fonctionnement des centrales hydroélectriques, car elles dépendent du débit de l'eau. En cas de sécheresse à proximité de la centrale, l'eau ne s'accumule pas en amont. Sans accumulation d'eau en amont, le débit traversant la centrale est réduit, et la production d'électricité diminue.
Le principe de base de l'hydroélectricité est d'utiliser la force d'un fluide en mouvement pour faire tourner une turbine. Généralement, un grand barrage doit être construit au milieu d'un cours d'eau pour cela. Une nouvelle invention exploite ce principe à une échelle beaucoup plus réduite pour alimenter en électricité des appareils électroniques portables.
L'inventeur Robert Komarechka, originaire de l'Ontario au Canada, a eu l'idée d'intégrer de petites génératrices hydroélectriques dans les semelles de chaussures. Il estime que ces microturbines produiront suffisamment d'électricité pour alimenter la quasi-totalité des appareils électroniques. En mai 2001, Komarechka a obtenu un brevet pour son dispositif unique actionné par les pieds.
La marche repose sur un principe fondamental : le pied se pose du talon aux orteils à chaque pas. Lorsque le pied touche le sol, la force est transmise par le talon. Pour préparer le pas suivant, le pied se déroule vers l'avant, transférant ainsi la force à l'avant-pied. Komarechka a visiblement observé ce principe de base et a développé une idée pour exploiter l'énergie de cette activité quotidienne.
L'invention de Komarechka, décrite dans son brevet, comprend cinq parties : « chaussures avec générateur hydroélectrique » :
Fluide – Le système utilisera un fluide conducteur d'électricité.
Poches pour contenir le liquide – Une poche est placée dans le talon et une autre dans la partie avant 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 la propulse à travers le conduit jusqu'au module du générateur hydroélectrique. En continuant à marcher, le talon se soulève et une pression s'exerce sur la poche située sous l'avant-pied. Le mouvement du fluide fait tourner le rotor et l'arbre, produisant ainsi de l'électricité.
Une prise extérieure permettra de connecter des câbles à un appareil portable. Un boîtier de commande d'alimentation, à porter à la ceinture, pourra également être fourni. Des appareils électroniques pourront alors être connectés à ce boîtier, qui assurera une alimentation électrique stable.
« Avec la multiplication des appareils portables alimentés par batterie », indique le brevet, « il existe un besoin croissant de fournir une source d’énergie durable, adaptable et efficace. » Komarechka prévoit que son dispositif servira à alimenter des ordinateurs portables, des téléphones cellulaires, des lecteurs CD, des récepteurs GPS et des radios bidirectionnelles.
Date de publication : 21 juillet 2022
