Comment peut-on produire de l'hydroélectricité - Suite

a) Les usines au fil de l'eau ou de basse chute

Elles sont en principe implantées sur le cours de grands fleuves ou de grandes rivières, et reposent entièrement sur le débit du fleuve tel qu'il se présente. Elles sont caractérisées par un débit très fort et un dénivelé faible (chute de moins de 30m). Elles ne comportent pas de retenue d'eau donc l'électricité est produite en temps réel. Elles perdent ainsi l'un des grands avantages de l'hydroélectricité qui est la modularité (cf Lexique). On les rencontre souvent associées à des barrages mobiles pratiques en cas de crues. Les centrales au fil de l'eau utilisent des turbines de type Kaplan.

b) Les usines d'éclusée

Elles sont surtout installées en moyenne montagne et dans les régions de bas relief. Elles sont caractérisées par un débit moyen et un dénivelé assez fort avec une chute comprise entre 30 et 300m. Les centrales d'éclusée utilisent des turbines de type Francis.

c) Les usine de lac ou de moyenne chutes

Elles sont surtout présentes dans les sites de haute montagne. Elles sont caractérisées par un débit faible et un dénivelé très fort avec une chute supérieure à 300 . Un barrage s'oppose à l'écoulement naturel de l'eau pour former un lac de retenue, alimenté par l'eau des torrents, la fonte des neiges et des glaciers.

d) Les usines de pompage ou STEP

Elles fonctionnent en circuit fermé à partir de deux bassins. Ces centrales possèdent deux bassins un supérieur et un inférieur entre lesquels est placée une machine hydroélectrique réversible : la partie hydraulique peut fonctionner aussi bien en pompe qu'en turbine, et la partie électrique aussi bien en moteur qu'en alternateur. En mode accumulation (ou pompage) la machine utilise le courant fourni pour remonter l'eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur et en mode production (ou turbinage), la machine convertit l'énergie gravitationnelle de l'eau en électricité. Le rendement (rapport entre électricité consommée et électricité produite) est de l'ordre de 82%. Ce type de centrale est intéressant pour la régulation entre l'offre et la demande, dans des pays équipés de gros centres de production (tels que des centrales nucléaires) et ne disposant pas de suffisamment de capacités naturelles de production hydroélectrique sous forme de barrages. Elle peut également trouver son intérêt dans le stockage de l'énergie produite à partir de modes de production moins maîtrisables, tels que l'énergie éolienne. Ainsi l'énergie utilisée à la base est une énergie qui serait perdue (barrages au fil de l'eau, vapeur d'origine nucléaire, énergie renouvelable à rendement faible et non maitrisable), par contre, l'énergie restituée se substitue à des appoints constitués d'énergie fossile donc à effet de serre (turbines à gaz, charbon).
La STEP la plus connue en France se trouve dans la vallée de l'Eau d'Olle (dans les Alpes), et relie le lac du Verney (retenue aval) au barrage de Grand'Maison (retenue amont), qui est d'ailleurs le barrage ayant la plus grande puissance en France.

L'essentiel de ce nouveau potentiel énergétique est contenu dans les océans et il est énorme. Cependant il est resté inexploité à cause de la difficulté à la récupérer. Mais avec les progrès de la technologie, l’utilisation de la force de l’eau sous d’autres formes devient possible. Trois sources potentielles d’énergie font l’objet de recherches intenses :

• l’utilisation de l’énergie des vagues : c'est l'énergie houlomotrice ;
• l’utilisation de l’énergie de la marée : on parle alors d'énergie marémotrice ;
• l’utilisation de l’énergie des courants : où énergie hydrolienne.

Au stade actuel des recherches, c’est l’utilisation de l’énergie des marées qui semble la plus prometteuse et pour laquelle les recherches semblent les plus avancées (hydroliennes par exemple). A la différence des vagues qui sont imprévisibles, on est capable aujourd’hui de modéliser très précisément les flux et les reflux de la marée, ce qui donne à cette forme d’énergie un avantage indéniable. Le fait de savoir quand l’énergie va être produite permet de limiter le recours au stockage qui est le maillon le moins bien maîtrisé de la recherche dans le domaine de l’énergie. Nous allons cependant expliquer chacune des ces énergies qui pourrait prendre une part importante dans la production d’électricité dans l'avenir.

a) L'énergie des vagues

Les vagues, crées par le vent, sont porteuses d'énergie qui pourrait être récupérée afin de produire de l'électricité par divers moyens qui sont aujourd'hui mis au point par des chercheurs du monde entier. On estime la puissance théoriquement récupérable à 50 kW par mètre de côte.( Afficher la carte de la répartition de la puissance des vagues dans le monde)

Mais un problème se pose : l'énergie tend à se dissiper lorsqu’on se rapproche de la côte : pour 50 kW/m à 20 km de la côte, on peut tomber à seulement 20 kW/m à 1 km de celle-ci. Il faut donc trouver un compromis entre la distance de la côte (les coûts augmentent quand on s’en éloigne) et l’énergie récupérable (qui diminue quand on s’en rapproche).
On peut distinguer 3 types de dispositifs pour récupérer l’énergie des vagues :

• des bouées en mouvement, qui montent, descendent et tanguent au gré des vagues. Ancrées sur le fond, leur mouvement actionne un piston, aspire de l’eau de mer dans une turbine ou comprime de l’air ou de l’huile qui va faire tourner un moteur. Ici le projet le plus avancé semble être le Pelamis. Les mouvements des vagues qui font jouer les articulations d’un “serpent” de 120m de long, placé dans la direction de propagation des vagues qui ondule autant à la verticale qu'à l'horizontale. Des axes, placés au niveau des articulations, se déplacent au rythme des ondulations et actionnent des pompes à huile qui la mettent sous pression dans un grand ballon, puis l'huile est lachée en continu sur un moteur hydraulique qui entraîne un alternateur pour produire de l'électricité qui est ensuite acheminée par des cables jusqu’à la côte. Un Pelamis produit environ 2,7 GW en une année et peut-être implanté quasimment n’importe où. Mais son inconvénient majeur est sa maintenance puisque il faut alors le ramener sur terre ferme ce qui entraine un surcoût. Pelamis en action

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• des colonnes oscillantes : en fin de course, les vagues entrent dans un caisson où elles compriment l’air emprisonné. Cet air comprimé fait tourner une turbine.
  On pourra prendre comme exemple l’AquaBuOY. La société Canadienne Finavera Renewables (qui officie dans le domaine des énergies renouvelables) a développé un système de bouée flottante permettant de récupérer l’énergie cinétique des vagues afin de la transformer en électricité, l'AquaBuoy. Ce système s’appuie sur une bouée flottante couplée à un piston hydraulique, une tuyère et une turbine. En dessous de la bouée, se situe un cylindre (la tuyère) contenant une colonne hydraulique (tube d'accélération) ouvert des deux cotés et un piston flottant à mi-course. Le principe est relativement simple, le piston va monter et descendre avec la vague, quand il descend il aspire l'eau dans la colonne hydraulique (par un système de valve ouverte/fermée) et quand il monte il l’eau aspirée précédement sous pression dans cette même colonne hydraulique (d'où son nom de tube d'accélération). Cette eau sous pression entraîne alors une turbine qui se trouve dans la bouée flottante, l’eau est ensuite rejetée à l’extérieur. La turbine est donc mise en mouvement et fournit de l’électricité qui est alors acheminée sur la côte à l’aide de câbles sous-marins.
  Animation expliquant le principe (anglais)

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  Mise en eau d'un AquaBuOY

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• des débordements de vagues : les vagues débordent par-dessus une digue, barrage d’un réservoir qui se remplit. L’eau du réservoir revient à la mer en passant par une turbine qu’elle fait tourner. On peut par exemple citer l’un des projets majeurs qui utilise cette technique le WaveDragon.
  

b) L'énergie des marées

Nous allons ici présenter très brièvement l’énergie marémotrice, puisque l’usine la plus importante se trouve en France et a fait l’objet d’un TPE qui se trouve sur ce site. En fait une usine marémotrice fonctionne sur le même principe qu’une centrale hydroélectrique : une chute d’eau qui entraîne une turbine, la turbine entraînant un générateur d’électricité : À marée montante, le barrage laisse passer la mer qui envahit le bassin de retenue. Dès que la marée se prépare à redescendre, le barrage est fermé. L’eau ainsi retenue servira à alimenter les turbines à marée basse. Cette technique à l’avantage d’être parfaitement prévisible puisque on peut parfaitement modéliser les marées de nos jours. Elle produit à ce jour 544 millions de kWh par an. C’est à ce jour l’énergie qui semble la plus prometteuse.

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c) L'énergie des courants marins

Dans les océans, d’énormes masses d’eau se déplacent, mais à des vitesses faibles (10 à 20 km/h). Cette énergie peut être captée par des éoliennes sous-marines, appelées « hydroliennes ». Les hydroliennes actuellement étudiées ou testées sont de grandes hélices, ou des turbines sous-marines, fixées sur le fond de la mer par 20 à 40 m de fond, ou flottant entre deux eaux. Par exemple, les Gulf Stream turbines, de la société Florida Hydro Power and Light. Ce sont de immenses turbines comportant deux rotors en fibre de verre, d'un diamètre de 30 m, qui pourraient fournir 30MW. Cependant, ce système présentent plusieurs problèmes un coût très élevé dû, entre autres, à des opérations de maintenance lourde, à la corrosion des matériaux par l’eau de mer. Mais ce n’est évidemment pas le seul projet. On peut aussi citer celui de la société Hydrohelix par exemple.