Les barrages hydroélectriques



Bonjour à tous et bienvenue sur Energia, l'émission de vulgarisation technique sur les moyens de production d'énergie.

Pour ce 5e épisode, nous allons nous intéresser au barrage hydroélectrique.

Le fonctionnement

Les barrages hydroélectriques convertissent :

• l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique grâce à des turbines,
• puis cette énergie mécanique en énergie électrique grâce à des alternateurs.

Les 3 types de barrage

On peut distinguer 3 types de barrage :

• les barrages de haute chute, qui ont une différence de hauteur supérieure à 200 mètres entre la retenue d'eau et les turbines,
• les barrages de moyenne chute avec une différence de hauteur entre 200 et 50 mètres,
• les barrages de basse chute avec une différence de hauteur inférieure à 50 mètres.

Les éléments des barrages

La structure des 3 types de barrages est composée des mêmes éléments.

Tout d'abord, le réservoir d'eau se situe en amont, et peut être plus ou moins haut selon le type de barrage. Ensuite, une vanne permet de réguler l'admission de l'eau dans le barrage, autrement dit son débit. Puis l'eau passe par une conduite pour rejoindre un élément très important, la turbine.

La turbine convertit l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique, faisant ainsi tourner son axe, relié à un alternateur qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique. L'eau est ensuite conduite vers la rivière en aval.

Les 3 types de turbine

On peut classifier les turbines en 2 catégories :

• les turbines à action, qui utilisent directement l'énergie cinétique de l'eau pour se mettre en rotation,
• les turbines à réaction, qui utilisent une différence de pression entre l'entrée et la sortie pour se mettre en mouvement.

Il existe 3 types de turbines qui correspondent d'ailleurs aux 3 types de barrages.

Les turbines Pelton

Les turbines Pelton ont été inventées Lester Allan Pelton en 1879.

Elles sont composées d'augets, objets ressemblant à des demi coquilles de noix. Ils permettent de séparer le jet qui les frappe en 2, dévié sur les côtés de la roue, permettant ainsi d'évacuer l'eau.

Des injecteurs sont disposés autour de la turbine et permettent l'alimentation en eau (voir image ci-dessous). L'énergie cinétique de l'eau à la sortie des injecteurs est directement transformée en énergie mécanique grâce au choc de l'eau sur les augets. C'est donc une turbine à action.

La turbine Pelton est tout simplement une version améliorée des moulins à eau (à noter que l'axe de rotation des turbines Pelton est horizontal) et est utilisée pour les barrages de haute chute.

Les turbines Kaplan

Les turbines Kaplan ont été inventées en 1912 par Viktor Kaplan :

Elles utilisent la différence de pression pour tourner. Cette différence est créé par les pales de la turbine (en gris) qui ont un profil similaire aux pales d'éoliennes :

Lorsque l'eau arrive au niveau de la palle, deux écoulements se créent, un sur le dessus (en rouge), et l'autre en dessous (en vert). Mais comme le débit d'entrée est égal au débit de sortie, l'écoulement sur le dessus sera plus rapide car la distance à parcourir est plus longue. Cette accélération va générer une dépression sur le dessus de la palle, créant une aspiration donc une force, l'énergie mécanique, ce qui permet de faire tourner la turbine.

La turbine Kaplan est une turbine à réaction, principalement utilisée sur les barrages de basse chute avec un gros débit.

Enfin, les palmes des turbines de Kaplan sont mobiles, ce qui permet une adaptation en fonction du débit de l'eau, pour avoir le meilleur rendement possible.

Les turbines Francis

Et enfin, le 3e type, la turbine Francis, inventée en 1838 par James Bichens Francis.

Cette turbine a une forme bien spécifique : elle forme un cercle, permettant l'admission de l'eau sur les côtés et le rejet dans le sens de l'axe de rotation.

Les pales d'une turbine Francis sont un compromis entre les pales d'une turbine Kaplan et les pales d'une turbine Pelton.

Les turbines Francis sont des turbines à réaction et sont utilisées pour les barrages de moyenne chute.

L'énergie hydraulique en France

L'énergie hydraulique est utilisée depuis très longtemps en France et dans le monde, et ce bien avant la création de la machine à vapeur par James Watt en 1769. Elle permettait, grâce aux moulins à eau, de moudre les céréales et faire tourner les machines dans l'industrie.

Suite à la 1ère guerre mondiale et l'occupation des régions charbonnières française par l'ennemi, l'État français s'oriente vers une politique d'indépendance énergétique, et double la puissance hydraulique française.

Après la 2nde guerre mondiale et la loi sur la nationalisation de l'électricité et du gaz du 8 avril 1946, l'âge d'or de l'hydroélectricité française commence. 120 grands barrages sont construits entre 1945 et 1960. Au milieu des années 70, l'élan s'essouffle et la politique énergétique française entame son programme nucléaire.

Les barrages hydroélectriques font partie des ENR (ENergie Renouvelable), mais leur mise en place a un fort impact sur l'environnement comme par exemple la création du barrage des 3 gorges en Chine, qui a inondé 600 kilomètres carrés de terres agricoles et de forêts en amont et causé d'importants changements de la faune et de la flore en aval, comme l'extinction du dauphin de Chine en 2006.

Attention, ce barrage est un cas extrême, mais ça donne une bonne idée des impacts environnementaux.



J'espère que cet article vous a plu. N'hésitez pas à vous abonner pour un prochain numéro !



Texte écrit par Lucas Willems