L'HYDROÉLECTRICITÉ EN NORVÈGE
par Maiwenn Brethenoux et Hanne Baug
Comment marche l'hydroélectricité ?
Nous savons que les pales des moulins et des turbines tournent grâce aux cours d'eau qui y passent et qui mobilisent ces pales... mais savez-vous comment ces mécanismes marchent vraiment ? Comment sont-ils connectés ? Observons de plus près la forme des barrages - laquelle est la meilleure pour quel environnement ? Observons de plus près aussi les différents types de centrales, et les turbines que l'on peut trouver - par exemple, dans ces barrages et dans les centrales hydrauliques : où est-ce qu'on place celle-ci ? Enfin, étudions comment les machines sont liées de façon à pouvoir fournir l'énergie qu'elles génèrent comme une source d'électricité pour des milliers de foyers et d'entreprises à travers le monde.
Les formes des barrages
Il y a quatre formes principales pour les barrages: la première, c'est le barrage-voûte :
Les barrages-voûtes sont des barrages avec une forme arquée, qui, selon lenergeek.com, permet le rapport des forces de l'eau contre les côtés des rives plutôt que sur le barrage lui-même. Aussi, le "pied", ou support, de la structure du barrage est en-dessous du réservoir d'eau. Cette forme est principalement utilisée dans les vallées étroites, où les flux d'eau sont plus "rigides", ou plus forts.
Puis, le barrage-poids. Contrairement au barrage-voûte, la masse du barrage-poids à elle seule peut résister la force exercée par l'eau. La forme est un peu comme un triangle-rectangle - son "pied" est non seulement plus élevé devant le réservoir, mais le "pied" est placé du côté opposé au réservoir d'eau. Les barrages-poids sont privilégiés lorsque le rocher du site - vallée ou rives - est suffisamment résistant.
Les barrages en remblais sont de la même forme que les barrages-poids, mais sont faits d'un matériel meuble (matériel non-lié par le ciment: sables, limons, cendres volcaniques...), ce qui le rend habituellement très fin ou très rudimentaire. Selon lenergeek.com, il y a dans cette catégorie plusieurs sous-catégories, qui elles dépendent du matériel utilisé et de la méthode employée pour assurer l'étanchéité de la structure.
Enfin, le barrage à contreforts. Cette forme est une qui vient du barrage-voûte, car enfin il consiste en de multiples voûtes. Le barrage s'appuierait donc contre ces voûtes, et la poussée de l'eau serait transmise vers la formation, plus épaisse, du barrage. Ces barrages sont utilisés lorsque les appuis sont trop distants, lorsqu'une extraction (creusage) s'avère d'être impossible, et/ou quand le matériel est trop compact. Le barrage à contreforts serait alors l'option la plus économique en termes du matériel nécessaire.
En dessous sont les barrages dans leur ordre respectif, et pour chacun d'eux un schéma puis une photo réelle.
Revêtement imperméable simple ou complexe (multicouche).
Les types des centrales
Il y a aussi quatre différents types de centrales, classée par rapport à leurs sources d'eau :
Le premier type est la centrale "au fil de l'eau". Les réservoirs de ces centrales prennent moins de deux heures pour se remplir, car enfin leur "remplissage" s'explique par leur nom. Elles sont majoritairement situées en zone de plaine sur des fleuves. Les centrales utilisent l'eau qui vient des courants de ces rivières ou fleuves qui y traversent, donc, pour créer de l'énergie qui est non-stockable. Elles sont donc soumises aux variations de débit des cours d'eau. Elles ont, en moyenne, une puissance d'environ 8500 MW. Un exemple serait la centrale du Rhin, montrée ci-dessous.
Le deuxième type est la centrale "en éclusée". Les réservoirs ce ces centrales prennent entre 2 et 400 heures pour se remplir. Elles sont majoritairement situées dans un milieu montagnard. Les centrales sont sensibles au débit de l'eau (ou plutôt, à la variation de celle-ci) qui les traverse, donc leur gestion permet de reconstituer (refaire ou remplir à leur intégralité) les stocks d'énergie. Elles ont une puissance d'environ 4200 MW.
Le troisième type est la centrale "de lac". Comme son nom l'indique, le réservoir de ces centrales est un lac artificiel, de grande superficie, qui se remplie par des fontes de neige et/ou la saison des pluies. Elle prend plus de 400 heures pour se remplir. La centrale elle-même se trouve au pied du barrage qui tient "son" réservoir. L'eau passe par certaines turbines et ressort par des ouvrages au pied du barrage, comme montré dans la photo ci-dessous du barrage sur le fleuve Miño, entre l'Espagne et le Portugal. "Certaines turbines", car enfin il est possible, avec ce genre de centrale, de contrôler par quelle turbine l'eau passe. Ce contrôle résulte dans la gestion de la production d'électricité par les générateurs connectés aux turbines. L'intérêt de ce contrôle, c'est de pouvoir fournir de l'eau rapidement et en grande quantité pour remplir les pics de consommation (d'électricité). Ces centrales ont une puissance, en moyenne, de 9200 MW.
Enfin, le dernier type de centrale est la "station de transfert d'énergie par pompage" (STEP) - autrement dit des centrales de "pompage-turbinage". Comme expliqué sur la page "Qu'est-ce?", il y a deux réservoirs d'eau : l'un plus haut que l'autre. En des temps de creux, ou de consommation forte d'électricité, l'eau du bassin supérieur coulent vers celui en bas, faisant tourner les turbines - le "turbinage". Après, pendant des heures de faible consommation - disons pendant la nuit - quand l'énergie nucléaire suffit pour fournir de l'énergie aux foyers - alors se fait le "pompage". Ceci consiste à pomper l'eau du bassin inférieur vers celui d'en haut (le sens du robinet est inversé). Cette eau va servir plus tard pendant le turbinage. Nous voyons alors que ce cycle peut se faire à l'infini.
Par contre, il y aura des désaccords, selon mtaterre.fr, sur si le STEP est "renouvelable", vu que le pompage nécessite lui-même de de l'électricité.
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Les turbines
Les turbines sont en premier divisées en deux catégories : la première qu'on étudiera est celle des turbines à action. Puis, nous apprécierons les turbines à réactions. Enfin, il y a dans ces deux catégories les quatre principaux types de turbines : la turbine Pelton, la turbine Kaplan, la turbine Francis et la turbine "bulbe".
Action et réaction
Voyons en premier les turbines à action. Ces turbines sont aussi appelées des turbines à impulsion, car elles transforment la pression hydraulique en de l'énergie cinétique par un dispositif statique (injecteur), qui va impulser l'eau dans les palmes de la turbine en question, la faisant tourner. Parce qu'il y a un dispositif statique, nous voyons que l'on peut contrôler ces dispositifs, et donc la production d'énergie par les générateurs connectés aux turbines.
Mais étudions de plus près la mécanique de cette turbine. Selon lenergeek.com, elle est composée d’un distributeur et d’un rotor, qui utilisent seulement l’énergie cinétique (énergie liée à la vitesse de l’eau). La pression en entrée et en sortie de roue est similaire, avec le réglage fait par le distributeur (jet) d'eau en dirigeant l'eau vers les pales.
Puis, les turbines à réaction. Ces turbines, au contraire de celles à réaction, sont susceptibles au cours d'eau (à moins que la vanne derrière la turbine ne soit fermée - au quel cas, l'eau n'arrive pas à la turbine).
Quand à la mécanique de cette turbine : selon lenergeek.com, elle est composée d’un distributeur, d’un rotor et d’un diffuseur, et ceux-ci permettent de combiner l’énergie cinétique et l’énergie de pression. La pression en sortie de roue est donc inférieure à la pression en entrée. Le distributeur n'est qu'une canalisation forcée dans le barrage, du réservoir à l'espace de la turbine. C'est le diffuseur qui permet de récupérer le restant de l’énergie cinétique que l’eau possède encore en sortie de la roue. Cette énergie cinétique est récupérée sous forme d’énergie de pression grâce au mouvement de la turbine, et agit comme un aspirateur pour évacuer l'eau de l'espace de la turbine vers le canal de fuite.
Pelton, Kaplan, Francis et bulbes
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La turbine Pelton a été inventée en 1879 par l'américain Lester Allan Pelton. C'est une turbine à action.
Elles sont utilisées pour les hautes chutes d'eau (plus de 400 m) avec un faible débit. Une conduite forcée à partir du réservoir d'eau mène à un jet d'eau qui sort horizontalement, et qui impulse l'eau vers le milieu des augets ("pales") à double cuillère de la turbine, qui est elle verticale (en général). Ces turbines ont une puissance maximale de 350 MW.
Pour cette turbine, son axe est généralement horizontal.
Contrairement au turbines à réaction présentées ci-dessous, elle n'a pas de diffuseur (ou "aspirateur"), car l'eau s’écoule librement à la pression atmosphérique dès l'instant où elle quitte l'injecteur sous forme de jet (et donc après également avoir traversée la roue).
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La turbine Kaplan, aussi appelée "turbine à écoulement axial" (axial = vertical), a été inventée par l'ingénieur Victor Kaplan en 1912. C'est une turbine à réaction.
Elles sont utilisées pour les chutes d'eau basses (moins de 80 m) et pour les débits importants. Si la vanne est ouverte, l'eau passe directement du réservoir à la turbine, qui est horizontale. Son axe, connecté au générateur, est donc vertical. Ces turbines ont une puissance maximale de 450 MW.
Un bon atout de ce genre de turbine est que, avec sa forme d'hélice, comme celle que l'on voit sur les navires, elle peut être ajustée (l'angle d'inclinaison des pales peut être modifié) en fonction soit de la vitesse ou le débit de la chute, soit pour adapter le rendement à la demande (d'énergie).
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La turbine Francis, inventée dans les années 1820 par Jean-Victor Poncelet (mais perfectionnée par James Bichens Francis, d'où le nom), est aussi une turbine à réaction.
Ces turbines sont adaptées aux chutes moyennes (entre 20 et 350 m) et aux débits moyens. Bien qu'elle soit horizontale (et l'axe relié au générateur vertical), contrairement aux turbines Kaplan, la turbine Francis a des pales fixes, qui peuvent avoir une "cuillère", ou, comme les Peltons, deux cuillères. Aussi contrairement aux Kaplans, les turbines Francis ont une roue fixe qui "entoure" la roue mobile (qui tourne avec le flux d'eau), et cette roue fixe va faire en sorte que la puissance de l'eau (qui passe à travers la turbine) va pouvoir être ajustée. L’eau arrive donc sous pression via une conduite forcée "en couronne" munie d’ouvertures, comme montrée à droite. Ces turbines ont une puissance maximale de 1000 MW. Par contre, selon lenergeek.com, la puissance en elle-même est très variable, car elle varie en fonction du diamètre de la roue mobile, qui peut aller de quelques dizaines de centimètres à dix mètres de diamètre!
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Enfin, la turbine bulbe. Cette turbine, inventée en 1996 par Stefan Winkler, est une variation de la turbine Kaplan - en gros, un Kaplan à la verticale (et donc avec un axe à l'horizontal) - mais avec quelques différences de plus. La France a beaucoup travaillé sur ce genre de turbine.
La deuxième différence, après son positionnement, c'est qu'elle est entièrement immergée, car elle est utilisée pour les chutes d'eau très basses (moins de 20 m).
De plus, (du moins dans une variation d'EDF), la turbine peut fonctionner dans les deux sens, car, en grande partie, ces "turbines bulbe" sont constituées d'une turbine Kaplan à la verticale reliée par son axe horizontal à un alternateur logé dans une boite en forme de bulbe, qui ce trouve derrière la petite turbine.
Ainsi, la turbine a été conçue de manière à pouvoir être utilisée comme pompe (dans, par exemple, le pompage-turbinage)!
D'autres turbines plus rares sont les turbines Banki-Mitchell (aussi appelées des "Crossflow"), où l'eau passe de façon bidirectionnelle dans la turbine, qui est verticale (donc un axe horizontal). La traversée de l'eau est bidirectionnelle car elle est doublement déviée par les pales "périphériques", autour de la roue mobile centrale. Pièce relativement simple, cette turbine est pourtant moins utilisée à cause d'un inconvénient assez important : elle doit être installée au sec à un niveau hors-crue (la "crue" est l'élévation du niveau d'un cours d'eau après la fonte des neiges ou des pluies abondantes) - de plus, sont montage, selon vndh.be, est assez difficile.
Puis, les micro-turbines - celles utilisés dans les pico-centrales - sont aussi importantes de nos jours - l'hydraulique s'étant - quoique ces turbines soient toujours moins utilisées que d'autres. Quelques exemples sont les micro-bulbes, la pico-turbine Lynx, le modèle Lion, et les machines ichtyo-compatibles (la Vis d'Archimède et la turbine V.L.H. ).
Toutes ces turbines sont montrées, respectivement ci-dessous.
(3)
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Very Low Head = très basse chute
Littéralement, compatibles avec les poissons - c'est-à-dire qui ne les portent pas de risques.
La connexion
Enfin, nous arrivons à une partie essentielle pour comprendre l'hydroélectricité dans toute sa grandeur : les connections qui doivent se faire entre l'eau qui fait bouger la turbine, et les foyers qui reçoivent de l'électricité d'origine hydraulique.
En premier, nous avons nos barrages, qui gardent des réservoirs d'eau plus ou moins grands. Avec une canalisation, forcée ou non, l'eau retenue par ce barrage passera par les turbines qui se trouvent dans le barrage, qui sont elles connectées à la centrale. Quand ces turbines tournent, elles génèrent de l'énergie mécanique à partir de l'énergie cinétique qui lui est fournie par l'eau et/ou la pression atmosphérique qui l'entourent. Comme le centre de la turbine (mobile) est attaché à un axe (aussi appelé "arbre de l'alternateur"), l'axe va tourner avec la roue.
L'axe lui-même est généralement attaché à son autre bout à un alternateur, qui transforme l'énergie - donc cinétique - de l'axe en électricité. Cet alternateur est lui connecté à une transformateur, qui convertira, pour des raisons de sécurité et de "transport électrique", la tension de l'électricité produit par l'alternateur. Ceci permettra aux lignes de transport d'électricité d'acheminer l'énergie là où elle est demandée ; des autres transformateurs sur ces lignes vont encore convertir la tension - si cela est nécessaire - avant que l'électricité arrive à sa "destination" (le consommateur).
Ci-dessous est un schéma très bref d'un exemple d'acheminement d'un type d'hydrolienne aux foyers qui lui sont proche:
Voici un sommaire de ces quatre turbines (pour mieux visualiser):
(alternateur)
(transformateur)
