1. Aperçu de la production d'énergie hydroélectrique
La production d'énergie hydroélectrique consiste à convertir l'énergie hydraulique des cours d'eau en énergie électrique destinée à la consommation humaine. Les sources d'énergie utilisées par les centrales hydroélectriques sont diverses : énergie solaire, énergie hydraulique et énergie éolienne. Le coût de production de l'énergie hydroélectrique est faible et la construction de centrales peut être combinée à d'autres projets d'aménagement hydraulique. La Chine, riche en ressources hydriques, bénéficie de conditions optimales pour le développement de l'hydroélectricité, un secteur clé de son économie.
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 entre les surfaces d'eau est appelée chute, ou encore différence de niveau d'eau. Cette chute est une condition essentielle à la production d'énergie hydraulique. Par ailleurs, la puissance hydraulique dépend également du débit de la rivière, autre condition fondamentale. La chute et le débit influent directement sur la puissance hydraulique : plus la chute est importante, plus la puissance hydraulique est élevée ; si la chute et le débit sont relativement faibles, la production de la centrale hydroélectrique sera réduite.
La chute de pression est généralement exprimée en mètres. Le gradient de la surface de l'eau, qui correspond au rapport entre la chute et la distance, indique le degré de concentration de la chute. Plus la chute est concentrée, plus l'exploitation de l'énergie hydraulique est facilitée. La chute de pression utilisée 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, exprimée 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 se situe lorsqu'on en parle. Le débit varie considérablement au fil du temps. En Chine, les rivières ont généralement un débit important en été, en automne et pendant la saison des pluies, mais un débit faible en hiver et au printemps. Le débit varie également d'un mois à l'autre, voire d'un jour à l'autre, et le volume d'eau varie d'une année à l'autre. Le débit des rivières est généralement relativement faible en amont ; à mesure que les affluents convergent, le débit en aval augmente progressivement. Ainsi, bien que la chute d'eau soit concentrée en amont, le débit reste faible ; en aval, bien que le débit soit important, la chute d'eau est relativement dispersée. C'est pourquoi l'exploitation de la force hydraulique est souvent plus économique 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 – puissance de sortie, unité : kW, également appelée puissance ;
Q — débit, en mètres cubes par seconde ;
H — Chute, en mètres ;
G = 9,8 est l'accélération de la pesanteur, en newtons par kilogramme (N/kg).
La puissance théorique est calculée selon la formule ci-dessus, sans tenir compte des pertes. En réalité, lors de la production d'énergie hydroélectrique, les turbines, les équipements de transmission, les générateurs, etc., engendrent des pertes de puissance inévitables. 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 d'un générateur dans 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 la production d'énergie hydroélectrique, les pertes proviennent principalement des turbines et des générateurs (y compris les pertes dans les canalisations). Dans les microcentrales hydroélectriques rurales, ces pertes représentent 40 à 50 % de la puissance théorique totale. Par conséquent, la production de ces centrales n'atteint que 50 à 60 % de la 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). La puissance réelle (production) d'une centrale hydroélectrique peut donc être calculée comme suit :
K – rendement de la centrale hydroélectrique, (0,5~0,6) est adopté pour le calcul approximatif des microcentrales hydroélectriques ; La formule ci-dessus peut être simplifiée comme suit :
N=(0,5 ～ 0,6) QHG puissance réelle=rendement × débit × chute × neuf virgule huit
L'énergie hydroélectrique utilise l'eau pour actionner une machine appelée turbine hydraulique. Par exemple, la roue à eau chinoise ancienne est une turbine hydraulique très simple. Les différentes turbines hydrauliques utilisées aujourd'hui 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. Une autre machine, le générateur, est reliée à la turbine hydraulique pour que son rotor tourne avec elle et produise ainsi de l'électricité. Le générateur se compose de deux parties : la partie tournante, appelée rotor, et la partie fixe. La partie tournante est le stator, qui est constitué d'un cercle autour du rotor. Ce stator est constitué de plusieurs bobines de cuivre. Lorsque les pôles magnétiques du rotor tournent au centre du stator, un courant électrique est généré dans les spires de cuivre, et le générateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.
L'énergie électrique produite par la centrale est transformée à partir de divers équipements électriques en énergie mécanique (moteur ou dynamo), en énergie lumineuse (lampe électrique), en énergie thermique (four électrique), etc.
2. Composition de la centrale hydroélectrique
La centrale hydroélectrique se compose d'ouvrages hydrauliques, d'équipements mécaniques et d'équipements électriques.
(1) Ouvrages hydrauliques
Il comprend un barrage, une vanne d'admission, un canal (ou tunnel), un bassin d'amenée (ou réservoir de régulation), une conduite forcée, une centrale électrique et un canal de fuite, etc.
Construisez un barrage sur la rivière pour bloquer son cours, rehausser son niveau d'eau et créer un réservoir. Ainsi, une chute d'eau concentrée se forme entre le niveau du réservoir au niveau du barrage et celui de la rivière en aval. L'eau est ensuite acheminée vers la centrale hydroélectrique par des conduites ou des tunnels. Dans les cours d'eau à forte pente, la création de canaux de dérivation permet également de créer une chute d'eau. Par exemple, si la chute d'une rivière naturelle est de 10 mètres par kilomètre, et qu'un canal est creusé en amont de cette section pour y acheminer l'eau, ce canal sera aménagé parallèlement à la rivière, avec une pente douce. Si la chute dans le canal n'est que de 1 mètre par kilomètre, l'eau parcourra 5 kilomètres dans le canal, avec une chute de seulement 5 mètres, alors qu'elle chuterait de 50 mètres sur la même distance dans la rivière naturelle. À ce moment-là, l'eau du canal est ramenée à la centrale électrique par la rivière au moyen de conduites d'eau ou de tunnels, et il existe une chute concentrée de 45 m qui peut être utilisée pour produire de l'électricité.
Une centrale hydroélectrique qui utilise des canaux de dérivation, des tunnels ou des conduites d'eau (telles que des conduites en plastique, en acier, en béton, etc.) pour former une 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 mentionnés ci-dessus (barrage, canal, bassin d'accumulation, conduite forcée et centrale hydroélectrique), la centrale hydroélectrique nécessite également les équipements suivants :
(1) Équipement mécanique
On y trouve des turbines hydrauliques, des régulateurs, des vannes à guillotine, des équipements de transmission et des équipements ne produisant pas d'énergie.
(2) Équipement électrique
Il y a des générateurs, des tableaux de distribution, des transformateurs, des lignes de transport, etc.
Cependant, toutes les petites centrales hydroélectriques ne possèdent pas les ouvrages hydrauliques et les équipements mécaniques et électriques mentionnés ci-dessus. Les centrales à faible chute (moins de 6 mètres) utilisent généralement un canal de dérivation et une chambre de dérivation à ciel ouvert, sans bassin de retenue ni conduite forcée. Les centrales à faible rayon d'action et à courte distance de transport fonctionnent par transmission directe, sans transformateur. Les centrales hydroélectriques avec réservoir n'ont pas besoin de barrage. Elles utilisent une prise d'eau profonde et ne requièrent ni conduite intérieure (ou tunnel) ni déversoir, ni ouvrages hydrauliques tels que seuil, vanne de prise d'eau, canal et bassin de retenue.
Pour construire une centrale hydroélectrique, une étude et une conception minutieuses sont indispensables. La conception comprend trois étapes : l’avant-projet, la conception technique et les détails de construction. Une conception réussie repose avant tout sur une étude approfondie du contexte naturel et économique local : topographie, géologie, hydrologie, capital, etc. Seule une analyse rigoureuse de ces conditions permettra de garantir la justesse et la fiabilité de la conception.
Les composants des petites centrales hydroélectriques présentent des formes variées selon les différents types de centrales.
3. Levés topographiques
La qualité du levé topographique influence grandement l'implantation du projet et l'estimation des quantités.
L'exploration géologique (compréhension des conditions géologiques) exige non seulement une connaissance générale et des recherches sur la géologie du bassin et des berges, mais aussi de déterminer la solidité des fondations de la salle des machines, ce qui influe directement sur la sécurité de la centrale hydroélectrique. La rupture d'un barrage d'un certain volume de retenue endommagerait non seulement la centrale, mais entraînerait également d'importantes pertes humaines et matérielles en aval. C'est pourquoi le choix géologique du bassin d'amont est primordial.
4. Hydrométrie
Pour les centrales hydroélectriques, les données hydrologiques les plus importantes sont les relevés du niveau d'eau, du débit, de la concentration en sédiments, du gel, ainsi que les données météorologiques et les données d'études des crues. Le débit du cours d'eau influe sur la conception du déversoir de la centrale, et une sous-estimation de la gravité des crues peut entraîner la destruction du barrage. Dans le pire des cas, les sédiments transportés par le cours d'eau peuvent rapidement remplir le réservoir. Par exemple, un apport d'eau dans le canal provoque son envasement, et les sédiments grossiers peuvent passer à travers la turbine hydraulique et l'user prématurément. 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 nécessaire d'étudier les perspectives de développement économique et la demande future en électricité dans la zone d'approvisionnement. Il convient également d'évaluer la situation des autres sources d'énergie disponibles dans cette zone. Ce n'est qu'après avoir étudié et analysé ces conditions que l'on pourra déterminer la nécessité de construire une centrale hydroélectrique et, le cas échéant, son ampleur.
De manière générale, l'objectif des études hydroélectriques est de fournir des données de base précises et fiables, nécessaires à la conception et à la construction des centrales hydroélectriques.
5. Conditions générales du site de la station sélectionnée
Les conditions générales de choix de l'emplacement de la station peuvent être décrites selon les quatre aspects suivants :
(1) Le site de la centrale choisi doit permettre une utilisation optimale de l'énergie hydraulique et respecter le principe de réduction des coûts, c'est-à-dire qu'après la mise en service de la centrale, les dépenses doivent être minimales et la production d'électricité maximale. Généralement, on peut évaluer cela en estimant les recettes annuelles issues de la production d'électricité et les investissements nécessaires à la construction de la centrale afin de déterminer le délai de retour sur investissement. Cependant, compte tenu des différences de conditions hydrologiques et topographiques et des besoins variables en électricité, les coûts et les investissements ne doivent pas être limités à des valeurs fixes.
(2) Le site choisi pour la centrale doit présenter des conditions topographiques, géologiques et hydrologiques optimales, et être réalisable en termes de conception et de construction. La construction des petites centrales hydroélectriques doit, dans la mesure du possible, privilégier les matériaux locaux.
(3) Le site de la station 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 et les pertes de puissance.
(4) Lors du choix du site d'implantation d'une centrale, il convient d'exploiter autant que possible les ouvrages hydrauliques existants. Par exemple, on peut utiliser les chutes d'eau dans les canaux d'irrigation pour construire des centrales hydroélectriques, ou encore construire des centrales à proximité des réservoirs d'irrigation afin de produire de l'électricité grâce au débit d'irrigation. Ces centrales hydroélectriques, fonctionnant selon le principe de la production d'électricité à partir de l'eau, présentent un intérêt économique évident.
Date de publication : 25 octobre 2022
