Une centrale hydroélectrique ou une installation hydroélectrique (en anglais : hydropower plant) utilise l'eau pour produire de l'électricité. Concrètement, cela signifie qu'elle transforme l'énergie cinétique (énergie cinétique) ou l'énergie potentielle (énergie de hauteur) de l'eau en énergie électrique.
Pour pouvoir produire de l'énergie électrique, chaque centrale hydroélectrique a besoin d'une turbine. Celle-ci transmet en effet l'énergie cinétique de l'eau à un générateur qui transforme finalement l'énergie.
Voici le fonctionnement et la structure d'une centrale hydroélectrique : le principe de base est d'utiliser l'énergie de l'eau. Il s'agit le plus souvent de l'énergie cinétique, c'est-à-dire de la force motrice. Celle-ci est présente puisque l'eau s'écoule et se déplace. Mais l'énergie potentielle, c'est-à-dire l'énergie de la hauteur de l'eau, peut également être utilisée.
L'eau qui s'écoule fait tourner la turbine installée dans une centrale hydroélectrique - cela est dû à la pression qui accompagne l'eau qui s'écoule. L'énergie cinétique est ensuite transmise par la turbine à l'alternateur via un engrenage. C'est là qu'a lieu la conversion de l'énergie cinétique en énergie électrique dans la centrale hydroélectrique.
Le barrage hydraulique est l’élément clé du fonctionnement d’une centrale hydroélectrique. C’est lui qui va commander et diriger l’eau afin de créer l’électricité. Implanté au niveau d’une rivière ou d’un cours d’eau naturel, il peut prendre plusieurs dénominations. Le barrage peut être « au fil de l’eau », ce qui indique qu’il ne retient pas l’eau. Il peut être « éclusé », dans ce cas l’apport en eau découle des crues des marées. Et enfin, lorsqu’il retient l’eau, il est dénommé « barrage de rétention ». Ce dernier est le plus compétitif, car il offre l'opportunité de produire d'importantes quantités d’électricité. Il est construit dans des endroits stratégiques pour constituer un lac de retenue. L’eau entreposée dans ce lac va être versée dans des conduites forcées et conduite vers la centrale hydroélectrique.
La centrale hydroélectrique se place en contrebas du barrage. La force de chute de l’eau va ainsi permettre d’actionner la turbine, qui va ensuite faire fonctionner l’alternateur. Ce dernier va alors créer un courant alternatif qui va être acheminé au transformateur électrique de la centrale hydroélectrique. La puissance de la centrale hydroélectrique découle fondamentalement de la force de l’eau. Ainsi, les barrages au fil de l’eau, relèvants des courants marins, vont créer une puissance électrique moindre que les barrages de rétention.
Le transformateur est le dernier élément clé qui permet de fabriquer de l’hydroélectricité. Celui-ci va amplifier la tension du courant que l’alternateur produit. Cette électricité va alors être emportée par les lignes à haute et très haute tension.
L’eau qui a été amenée vers la turbine est rejetée vers la rivière ou le cours d’eau grâce au canal de fuite.
Le principe de base et la structure de base de chaque centrale hydroélectrique sont très similaires. Cependant, il est possible de faire la différence entre différents types de centrales hydroélectriques. Nous allons examiner les types suivants :
Les centrales au fil de l'eau sont les plus utilisées. Elles utilisent le mouvement d'écoulement des rivières. C'est pourquoi on retrouve généralement des centrales au fil de l'eau sur les rivières qui ont une vitesse d'écoulement élevée et un grand débit d'eau.
Pour maintenir la vitesse d'écoulement aussi élevée que possible, chaque centrale au fil de l'eau contient un barrage. Celui-ci retient l'eau jusqu'à ce qu'elle se soit suffisamment accumulée. L'eau s'écoule ensuite en direction de la turbine, où l'énergie cinétique lui est transférée. La turbine transmet alors l'énergie à un générateur. C'est là qu'a lieu la transformation de l'énergie cinétique en énergie électrique.
Grâce aux centrales au fil de l'eau, nous avons de l'électricité 24 heures sur 24. Toutefois, elles ne peuvent pas non plus être régulées. C'est pourquoi les centrales fournissent l'électricité dont on a besoin chaque jour (charge de base).
Par centrale marémotrice, on entend une centrale électrique qui dépend des marées hautes et basses. Elle fonctionne en principe de la même manière qu'une centrale au fil de l'eau, à la différence qu'elle utilise l'eau de mer à marée basse au lieu de la vitesse d'écoulement d'un fleuve. Ainsi, une usine marémotrice possède également une turbine et un générateur. Selon que la marée est basse ou haute, la turbine tourne dans un sens ou dans l'autre.
Mais attention ! Ici, ce n'est pas l'énergie cinétique, c'est-à-dire l'énergie de mouvement de l'eau, qui est utilisée, mais l'énergie potentielle (énergie de hauteur). En effet, à marée haute, l'eau est beaucoup plus haute qu'à marée basse. Néanmoins, le principe reste le même : l'énergie potentielle est transférée à la turbine, qui transmet l'énergie à l'alternateur - où a lieu la transformation de l'énergie potentielle en énergie électrique.
Une centrale à accumulation fonctionne à l'aide d'un bassin ou d'un lac dans lequel l'eau s'accumule. L'avantage est que ce type de centrale hydroélectrique est facile à contrôler et à réguler, car l'eau accumulée ne s'écoule dans la centrale proprement dite que lorsque les tuyaux y sont ouverts.
L'eau qui coule s'écoule ensuite vers le bas, vers la turbine. Ici aussi, c'est donc l'énergie potentielle et non l'énergie cinétique qui est utilisée. La turbine transmet l'énergie de la hauteur à l'alternateur, où elle est transformée en courant électrique.
Une fois l'énergie convertie, l'eau peut s'écouler dans un lac situé à basse altitude. Les centrales à accumulation sont généralement utilisées lorsqu'il y a un besoin accru d'énergie.
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En cas de besoins énergétiques accrus, il est également possible d'utiliser des centrales dites de pompage-turbinage. Il s'agit d'une forme "améliorée" de centrale à accumulation.
Au départ, elle fonctionne comme une centrale à accumulation. Cela signifie que la turbine et le générateur interagissent de la même manière que dans une centrale à accumulation et produisent ainsi de l'électricité. L'eau s'écoule ensuite dans un lac inférieur.
La différence avec une centrale à accumulation est que l'eau du lac inférieur peut être pompée vers le haut. Et ce, lorsque la quantité d'électricité produite est supérieure à celle utilisée.
Le dernier type de centrale hydroélectrique que nous vous présentons est la centrale à vagues. Elles se trouvent surtout en mer. Cela s'explique par le fait qu'elles utilisent - comme leur nom l'indique - l'énergie des vagues. Ces centrales sont toutefois encore en phase de test.
Une manière d'utiliser l'énergie cinétique des vagues est de les faire passer dans une chambre hydraulique. On entend par là une chambre qui fonctionne avec la pression de l'eau.
Concrètement, cela signifie que l'eau s'écoule dans une chambre remplie d'air. L'air est poussé vers le haut par l'eau et diminue. Si l'eau s'écoule à nouveau, de l'air peut entrer dans la chambre. Le niveau d'air change ainsi constamment, ce qui entraîne la turbine. La turbine fait également tourner l'alternateur, qui peut à nouveau transformer l'énergie cinétique en courant électrique.
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