Le fonctionnement des barrages
De l'eau à l'électricité
Comment ça marche ?
Il s'agit de capter la force motrice de l'eau pour produire de l'électricité :
L'énergie de l'eau dépend de deux paramètres qui sont :
A
titre d'exemple :
1 m3 d'eau qui tombe de 450 mètres de haut produit une énergie d'environ 1 kWh.
Cette énergie peut faire fonctionner un radiateur électrique de taille moyenne
pendant 1 heure.
L'hydroélectricité est produite dans des usines appelées centrales hydroélectriques qui fonctionnent le plus souvent en association avec les barrages.
En s'opposant à l'écoulement naturel de l'eau et en le dérivant, barrages et aménagements hydrauliques assurent deux fonctions différentes :
Entre la prise d'eau et la centrale, l'eau circule dans des galeries, des conduites forcées ou des canaux d'amenée.
Dans la centrale hydraulique, l'eau canalisée actionne la turbine. La turbine entraîne ensuite l'alternateur qui produit de l'électricité.
LES TURBINES
Une turbine est un moteur dont l’élément essentiel est une roue portant à sa périphérie des ailettes ou des aubes appelées augets, mise en rotation par l’eau du barrage. Ainsi la pression et la vitesse de l’eau entraînent la rotation de la turbine. L’arbre de cette turbine mettra en fonctionnement l’alternateur. On a principalement deux types de turbine, les turbines à action et les turbines à réaction. Ce sont donc des dispositifs destinés à obtenir l’énergie cinétique de l’eau et la transmettre à l’alternateur. Lors de la conception du barrage, les turbines sont prises en charge afin de déterminer laquelle est la plus appropriée pour la barrages selon sa taille, son rendement et son type.
Les turbines à action
Les turbines à action sont caractérisés par le fait que la pression de l’eau à l’entrée de la turbine est la même qu’à sa sortie. Elles sont les plus simples à mettre en œuvre mais leur rendement est faible car elles utilisent des injecteurs (des tuyaux) amenant l'eau jusqu'aux augets de la turbine sous forme de jet libre. On en distingue 2 types, les Pelton et les Crossflow.
La turbine Pelton est utilisée pour des hautes chutes et petits débits. Le débit des injecteurs est réglé avec le pointeau mobile de l'injecteur (comme une vanne), ensuite l'eau sort de manière cylindrique et uniforme. Elle vient immédiatement percuter des cuillères métalliques rattachées à la roue qui sont des augets. L'eau ensuite glissera sur les côtés de la turbine.
La turbine Crossflow est utilisée pour des débits moyens et des chutes de 200 mètres. Son nom technique est turbine à flux traversant et l'eau est attrapée à l'intérieur des augets et traverse 2 fois la roue. Cette fois-ci l'injecteur de la roue est réglé par une aube rotative ouverte à l'aide d'un vérin hydraulique et fermé par un contrepoids. Les aubes sont cylindriques et profilées, et un bâti assure le positionnement des paliers de la turbine. L'une des particularités intéressante de cette turbine est quelle est divisée en 2 parties et peut donc être mise en fonctionnement séparément ou ensemble dépendants des conditions. Elle est aussi autonettoyante car le flux de l'eau peut dégager les débris accumulés.
Les turbines à réactions
Les turbines à réaction sont utilisées pour des hauteurs de chutes inférieures à 500 mètres. L’eau entre à la périphérie de la turbine et est évacuée le long de son axe. A la sortie du distributeur, l’eau est à une pression supérieure à la pression atmosphérique et l’énergie cinétique disponible est alors transformée en énergie mécanique. La pression de l’eau à la sortie de la roue est abaissée par un organe appelé aspirateur, ce qui augmente donc fictivement la chute.
La turbine Francis est utilisée pour un fort rendement dans des chutes de 40 à 300 m ; possédant des immenses réservoirs d'eau elles arrivent à développer une puissance régulière et forte qui couvre généralement les demandes d'électricité. Sa composition est une conduite en colimaçon ou bâche en spirale qui met l'eau sous pression dans les directrices (aubage) qui mettent en mouvement perpétuel la roue et l'arbre de la turbine. L'eau s'échappe ensuite au-dessous de la turbine.
Les turbines Kaplan et Hélice prennent profit des petites chutes de 15 à 30 m. Elles se trouvent au fil de l'eau et n'ont pas de réservoir. La Kaplan à la caractéristique de pouvoir être réglable lors de son fonctionnement. La roue à une forme d'hélice et on peut développer plusieurs variants pour réguler la puissance fournit et l'extraire ainsi des groupes " Bulbes " dont la technique à été développée pour l'usine marémotrice de la Rance, où l'alternateur est collé à la turbine et étanche ce qui donne un niveau d'indépendance à la turbine tel qu'elle est capable d'être totalement immergée sous l'eau.
L'ALTERNATEUR
Un moteur peut transformer l’énergie électrique en énergie motrice, imaginons qu'au en lieu d’énergie électrique se moteur reçoive de l’énergie motrice il pourra produire de l’énergie électrique. Un moteur peut ainsi fonctionner de façon inverse on l’appellera alternateur. L’alternateur a donc comme rôle principal de transformer l’énergie cinétique en énergie électrique.
Un alternateur se divise en 2 parties le stator et le rotor, le stator est la partie fixe de celui-ci et se compose d’un bobinage de fils de cuivre tandis que le rotor la partie mobile se compose d’électro-aimants. En fin l’arbre relié au rotor le fera tourner à l’intérieur du stator, ceci formera un champ magnétique dans l’alternateur. Ce champs magnétique provoquera un déplacement d’électrons donc un courant électrique récupérer au niveau du stator. Un poste de transformation (transformateur) élève ensuite la tension produite par l'alternateur (de 5 000 à 15 000 volts, moyenne tension) en courant à haute et très haute tension (de 63 000 volts à 400 000 volts) plus facilement transportable dans les lignes à haute et très haute tension.