La barrages hydroélectriques permettent de créer des réserves potentielles d'énergie hydrostatique, de faire passer de grandes quantités d'eau par des turbines et de faire tourner des générateurs qui produisent de l'électricité. Le barrage hydroélectrique le plus étendu au monde, le barrage des Trois-Georges sur le Yangzi Jiang en Chine, peut générer jusqu'à 22 500 MW d'électricité. Cela signifie que le barrage peut produire suffisamment d'électricité pour alimenter plus de 18 millions de foyers (sur la base de la consommation énergétique moyenne des États-Unis). Les usines hydroélectriques génèrent plus de 6,7 % de l'électricité mondiale.
Comment les barrages hydroélectriques génèrent-ils de l'électricité ?
Comment fonctionnent ces grands barrages hydroélectriques ? Découvrons les composants fondamentaux d'un barrage hydroélectrique et le processus de création d'une énergie durable et productive.
Étape 1 : Exploiter une énergie potentielle
Un cours d'eau puissant libère une énergie potentielle sous la forme d'énergie cinétique et acoustique, et la gravité concentre le flux sur un chemin spécifique. Les barrages bloquent cette énergie cinétique et stockent efficacement l'énergie potentielle d'un cours d'eau dans un réservoir de type lac. Les barrages hydroélectriques fonctionnent en « mettant en réserve » l'eau et l'énergie potentielle d'un cours d'eau. La charge hydraulique, créée par la profondeur et la vitesse de l'eau qui passe par la conduite du barrage, permet à la turbine de l'usine hydroélectrique de tourner.
Étape 2 : Faire tourner la turbine hydroélectrique
Les pales mécaniques varient en forme et en taille. Globalement, plus les pales sont grandes, plus elles sont difficiles à entraîner. Les pales de grande taille requièrent également des tensions plus élevées et de plus gros moteurs pour les faire tourner. Les grosses turbines, telles que les turbines Francis aux Trois-Georges et de nombreux autres barrages hydroélectriques, requièrent également plus d'énergie pour accélérer leur mouvement.
La turbine Francis s'appuie sur la charge hydraulique pour tourner. La pression hydrostatique provenant de l'énergie potentielle du barrage crée cette charge hydraulique qui augmente en même temps que la vitesse du fluide. En bref, un barrage plus haut produit une charge hydraulique plus importante qui peut faire tourner de plus grosses turbines. Avec la rotation des turbines, la charge hydraulique se convertit en énergie cinétique. Cette conversion élimine efficacement la vitesse et la pression hydrostatique de l'eau qui peut ensuite s'écouler lentement à la base du barrage.
Étape 3 : Le générateur de la turbine hydroélectrique
Le mouvement rotatif de la turbine génère de l'énergie électrique. Les turbines sont couplées à des générateurs électriques, soit directement, soit via une boîte de vitesse ou une transmission qui fait tourner l'arbre et l'armature du générateur. Le collecteur et les balais capturent le flux d'électricité créé par l'armature rotative du générateur sur son stator.
Les énormes générateurs tels que ceux utilisés dans les usines hydroélectriques, créent une quantité significative de réluctance (résistance à la rotation mécanique) qui ne peut être surmontée que par les importantes forces de couple générées par la rotation de la turbine. À l'aide d'un système de transmission équivalent à celui d'une voiture, le mouvement rotatif de la turbine se transforme en différents rapports couple/vitesse.
Étape 4 : Capturer et transmettre la puissance hydroélectrique
L'électricité générée se transforme rapidement en tensions réseau que le fournisseur d'électricité local transporte ensuite via les lignes électriques. Les transformateurs élévateurs des barrages hydroélectriques créent des tensions utilisables domestiquement à partir de tensions de sortie des générateurs relativement faibles. Les tensions plus élevées qui sortent d'une usine hydroélectrique sont idéales pour la transmission électrique longue distance, compte tenu du faible courant électrique qui les rend plus efficaces. Par exemple, le barrage de Glen Canyon à Paige, en Arizona, fournit de l'électricité à des foyers situés à près de 1 500 km (900 miles) au nord du Nebraska, probablement grâce à l'utilisation d'une transmission de 500 kV dans le transport électrique.
Les avancées de l'énergie renouvelable hydroélectrique
Les usines hydroélectriques sont la plus grande source d'énergie renouvelable au monde. L'impact sur la puissance hydroélectrique augmente au fur et à mesure de la création de nouveaux barrages hydroélectriques et usines marémotrices, et de l'amélioration de l'efficacité des systèmes. La modélisation de la dynamique des fluides augmente également, et les tolérances de fabrication diminuent, ce qui permet d'approcher les 100 % d'efficacité de la turbine. Les avancées dans la fabrication des boîtes de vitesses, dans les sciences des matériaux de lubrification et dans les tolérances de fabrication continuent de faire progresser l'efficacité, tout comme l'augmentation de la force des aimants, de l'efficacité des conducteurs et de la qualité des systèmes de contrôle. Tant que les facteurs de puissance et d'élévation de l'eau seront réunis, l'énergie hydraulique restera une option précieuse d'énergie renouvelable.
