Énergie hydraulique à partir de la puissance de l’eau
À bien des égards, l’énergie hydraulique est très similaire à l’”énergie éolienne”, dans la mesure où une source d’énergie renouvelable, dans ce cas “l’eau”, est utilisée pour faire tourner une turbine génératrice afin de produire de l’électricité.
L’énergie hydraulique provient de la puissance de l’eau en mouvement. Aujourd’hui, de grandes centrales hydroélectriques génèrent environ 15 % de l’électricité mondiale en extrayant l’énergie potentielle qui résulte de la distance verticale que l’eau chute, appelée “tête”.
Cet énergie potentielle stockée est libérée en tant que travail parce que l’eau est en mouvement, et la meilleure manière de mettre de grandes quantités d’eau en mouvement est de laisser la gravité faire le travail. L’élément le plus important pour la production de “l’énergie hydraulique” n’est donc pas l’eau elle-même, car presque tout liquide pourrait être utilisé, mais la “gravité” qui fait que l’eau se déplace. On peut donc dire à juste titre que l’énergie hydraulique est une énergie alimentée par la gravité, car nous générons de l’électricité à partir de la gravité.
Les rivières et ruisseaux génèrent des courants d’eau parce que l’eau qui y circule descend, même légèrement, sous l’effet de la gravité.
Il est donc clair que l’eau qui s’écoule vers le bas, attirée par la gravité, contient de grandes quantités d’énergie cinétique qui peuvent être extraites et utilisées par une turbine hydraulique ou une roue à eau. Même un petit ruisseau peut produire suffisamment d’énergie cinétique pour faire tourner une roue.
L’énergie cinétique produite par l’eau en mouvement est convertie soit en énergie mécanique pour effectuer un travail, soit directement en énergie électrique par le biais d’un générateur électrique, ce qui constitue la science de base derrière la production de l’énergie hydraulique.
L’énergie hydrocinétique est une forme d’“énergie alternative” très développée qui peut également être classée comme une “source d’énergie renouvelable”, le mot anglais Hydro provenant du mot grec signifiant “eau”.
L’énergie du soleil chauffe de grandes masses d’eau telles que la mer, les océans et les lacs, les transformant en vapeur d’eau qui s’élève pour former des nuages dans le ciel. L’air froid au-dessus des nuages condense cette vapeur d’eau, qui retourne sur Terre sous forme de pluie ou de neige dans les collines et les montagnes.
Ce cycle bien connu maintient les rivières et les ruisseaux de montagne approvisionnés en eau. Ce cycle d’évaporation et de précipitation (pluie, neige, bruine, etc) est appelé le “cycle de l’eau”, et continuera indéfiniment tant que le soleil brillera, et tout cela gratuitement, c’est pourquoi l’énergie hydraulique est une source d’énergie renouvelable. Mais pour utiliser cette source d’énergie renouvelable pour générer de l’électricité, nous devons d’abord utiliser son énergie potentielle gravitationnelle pour faire tourner un générateur à turbine hydraulique.
Comment cela fonctionne
Nous savons maintenant que l’énergie hydraulique est le processus de génération d’électricité à partir de l’eau qui exploite la puissance des rivières et des courants. Mais nous pouvons également utiliser la puissance de masses d’eau stationnaires ou à mouvement lent pour générer de l’électricité en la stockant dans de grands barrages. L’énergie potentielle gravitationnelle stockée dans l’eau au-dessus du mur du barrage est libérée lorsqu’elle s’écoule vers le bas à travers de grands tuyaux jusqu’au fond du barrage.
Lorsque l’eau s’écoule dans ces grands tuyaux, elle passe à travers les pales de la turbine à la base du barrage, ce qui fait tourner les pales de la turbine et produit de l’électricité. En raison de la grande hauteur de l’eau au-dessus de la turbine, appelée “tête”, elle arrivera aux turbines à grande vitesse et sous forte pression, ce qui signifie que nous pouvons en extraire une grande quantité d’énergie pour générer plus d’électricité.
Il existe différentes manières d’utiliser l’“énergie hydraulique” pour produire de l’énergie mécanique ou électrique, les quatre types courants de sources d’énergie hydraulique étant :
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Courant de rivière – il s’agit de la forme d’énergie hydraulique la moins chère et la plus simple, où une roue à eau (ou turbine) est placée directement dans le flux naturel d’une rivière ou d’un ruisseau à fort débit. La roue est alors entraînée par le mouvement de l’eau en dessous. Les systèmes de courant de rivière sont couramment utilisés pour élever l’eau pour irriguer les terres environnantes ou pour produire une puissance mécanique pour moudre le maïs, etc. Des mini-barrages ou des écluses peuvent également être construits pour augmenter ou réguler le débit de l’eau sous la roue à eau. -
Détournement de l’eau – il s’agit d’un système micro-hydraulique à faible tête qui dirige une partie de l’eau de la rivière vers un canal, un bac ou un aqueduc (appelé un “canal d’amenée”) pour faire tourner une roue à eau en bas. Il peut ou non être nécessaire d’utiliser un barrage ou une écluse pour détourner l’eau de son cours naturel à travers le canal d’amenée qui descend en utilisant la force de la gravité pour alimenter une roue à eau à contrepoids d’en haut. Le flux d’eau et donc son énergie potentielle à travers le conception du canal d’amenée peut être régulé par un clapet ou une vanne d’eau. -
Retenue d’eau – il s’agit d’un grand système artificiel qui utilise un barrage ou une écluse pour stocker l’énergie potentielle de grands volumes d’eau dans un lac ou un réservoir, qui peuvent ensuite être utilisés en cas de besoin pour générer de l’électricité. Les systèmes de retenue d’eau sont les centrales hydroélectriques typiques que l’on voit dans les zones montagneuses et les pays où de hauts barrages peuvent être construits et où de profonds réservoirs peuvent être maintenus. -
Stockage par pompage – les installations de stockage par pompage conservent l’énergie en pompant de l’eau d’un réservoir inférieur à un réservoir supérieur lorsque la demande d’électricité est faible, par exemple durant la nuit. Pendant les périodes de forte demande électrique, l’eau est ensuite relâchée vers le réservoir inférieur via des générateurs à turbine pour générer de l’électricité.
L’énergie hydraulique est une technologie propre et verte qui ne produit aucune pollution. Malheureusement, la plupart des lacs et rivières qui pouvaient être facilement exploités ont déjà été barrés, donc l’avenir de l’énergie hydraulique réside dans le développement de sites moins attrayants. Mais l’énergie hydraulique est plus qu’une simple source d’électricité propre.
Lorsque des barrages sont construits, ils créent de grandes masses d’eau pour que les poissons et la faune survivent. Ces réservoirs et lacs offrent plusieurs autres avantages et utilisations. Par exemple, ils fournissent des opportunités pour des activités de plein air telles que la navigation à voile, la baignade, la pêche, ou simplement profiter des paysages environnants, tout en utilisant l’eau stockée des réservoirs pour boire et cultiver des cultures.
Le principal avantage de toutes les formes d’énergie hydraulique est qu’elles fournissent de l’énergie sans brûler de combustibles fossiles, mais l’énergie hydraulique n’est pas sans inconvénients. Voici quelques-uns des avantages et des inconvénients associés à l’énergie hydraulique.
Avantages de l’énergie hydraulique
- L’énergie hydraulique est une ressource énergétique renouvelable propre et fiable.
- L’énergie hydraulique est plus fiable que l’énergie éolienne, solaire ou marémotrice.
- Les systèmes micro-hydrauliques produisent presque aucun déchet, gaz à effet de serre ou émissions de CO2.
- Tant que l’eau est présente en quantité suffisante, l’électricité peut être générée en permanence.
- Une fois que le barrage est construit, l’énergie est pratiquement gratuite.
- L’eau peut être stockée dans un barrage prête à faire face aux pics de demande électrique simplement en contrôlant la quantité d’eau relâchée.
- Les centrales hydroélectriques peuvent augmenter leur puissance instantanément, contrairement à d’autres centrales.
- Les grands barrages et mégabarrages ont plusieurs usages et peuvent créer des lacs récréatifs et des zones là où il n’y en avait pas auparavant.
Inconvénients de l’énergie hydraulique
- La mise en barrage des rivières et des ruisseaux peut modifier les voies navigables naturelles, détournant l’eau de zones qui en dépendent.
- Le barragement des rivières modifie la migration de frai des poissons et d’autres animaux sauvages.
- Les barrages dans les rivières changent la qualité, la quantité et même la température de l’eau qui s’écoule en aval, ce qui peut avoir un impact sur la vie des plantes.
- Trouver un emplacement approprié pour construire peut être difficile car l’impact sur les résidents ou l’environnement peut être inacceptable.
- Les barrages sont très coûteux à construire.
- Les grands barrages ne peuvent être utilisés que dans un nombre limité d’endroits tels que ceux avec de grandes réserves d’eau.
- Les réservoirs créés par les grands barrages et mégabarrages détruisent les habitats locaux. Lorsque la zone est inondée, les arbres et autres végétaux sont submergés, et tout animal et toute vie humaine vivant dans la région doivent se déplacer ou périr.
- Avec le temps, les barrages peuvent devenir instables et permettre leur auto-destruction, ce qui peut entraîner des inondations graves, y compris la perte de vies et de biens.
Peut-on s’appuyer sur l’hydroélectricité pour répondre à nos besoins énergétiques ?
Les centrales hydroélectriques sont grandes et puissantes, mais vous pouvez créer votre propre système micro-hydraulique. Tout ce dont vous avez besoin est un ruisseau ou une rivière avec suffisamment d’eau circulant à un débit ou une pression suffisante.
Vous pouvez mettre en place un simple système de puissance hydraulique en utilisant des tuyaux et des rochers qui alimentent l’eau vers des turbines et des générateurs pour alimenter votre maison. Tout comme avec vos systèmes solaires et/ou éoliens, vous pouvez concevoir un système qui est soit connecté au réseau avec une batterie de secours, soit autonome.
Par exemple, une petite turbine dans un ruisseau qui s’écoule à un débit d’environ 12 litres par seconde (environ 200 gallons par minute) venant d’une hauteur d’environ 10 mètres (30 pieds) peut générer environ 1 kW (1 000 watts) d’électricité à tout moment. C’est largement suffisant pour satisfaire les besoins basiques d’un foyer moyen.
En fait, pour les maisons rurales ou montagneuses n’ayant pas de connexion électrique, un bon système micro-hydraulique fournira une alimentation électrique constante et plus fiable que d’autres formes d’énergie renouvelable, et possiblement à un coût inférieur. Selon le type de système installé, l’énergie peut être utilisée pour l’éclairage et les appareils électriques, ainsi que pour le chauffage et l’eau chaude d’autres formes d’énergie renouvelable, telles que les panneaux solaires.
Dans le prochain tutoriel sur l’énergie hydraulique, nous examinerons l’une des méthodes les plus anciennes et les plus simples d’extraire une puissance exploitable à partir de l’eau s’écoulant dans une rivière ou un ruisseau, en utilisant une roue à eau. Bien que les roues à eau soient souvent considérées comme des relictes du début de la révolution industrielle, les roues à eau modernes ne sont pas aussi primitives que celles du passé et continuent d’être utilisées pour la génération d’électricité à basse tension dans un système de petite hydroélectricité.
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