Comment fonctionnent les barrages hydroélectriques ? Avantages de l’hydroélectricité

Comment les barrages hydroélectriques produisent-ils de l'électricité ?

Comment fonctionnent ces gigantesques barrages hydroélectriques ? Explorons les composants fondamentaux d'un barrage hydroélectrique et le processus de création d'une énergie durable et productive.  

Étape 1 : Exploiter l'énergie potentielle

Une rivière rugissante libère de l'énergie potentielle sous forme d'énergie cinétique et de son―la gravité force l'eau à s'écouler selon un chemin spécifique. Les barrages arrêtent cette libération d'énergie cinétique et stockent efficacement l'énergie potentielle d'une rivière dans un réservoir semblable à un lac. Les barrages hydroélectriques fonctionnent en « réservant » l'eau et l'énergie potentielle d'une rivière. La hauteur de chute hydraulique, créée par la profondeur de l'eau et la vitesse de l'eau lorsqu'elle traverse la conduite forcée du barrage, permet à la turbine de l'usine hydroélectrique de tourner.

Étape 2 : Faire tourner la turbine hydroélectrique

Les ventilateurs mécaniques varient en forme et en taille. De manière générale, plus le ventilateur est grand, plus il est difficile à déplacer. Les grands ventilateurs nécessitent également des tensions plus élevées et des moteurs plus puissants pour les faire tourner. Les grandes turbines, comme les turbines Francis installées dans le barrage des Trois Gorges et dans de nombreux autres barrages hydroélectriques, nécessitent également plus d'énergie pour accélérer leur mouvement.

La turbine Francis dépend de la hauteur de chute hydraulique pour tourner. La pression hydrostatique créée par l'énergie potentielle du barrage génère cette hauteur de chute hydraulique, qui augmente à mesure que la vitesse du fluide croît. En résumé, un barrage plus haut produit une plus grande hauteur de chute hydraulique et peut faire tourner des turbines plus grandes. Lorsque la turbine tourne, la hauteur de chute hydraulique est convertie en énergie cinétique. Cette conversion élimine efficacement la vitesse de l'eau et la pression hydrostatique, lui permettant de s'écouler lentement à la base du barrage.

Étape 3 : Le générateur de turbine hydroélectrique

Le mouvement de rotation de la turbine génère de l'énergie électrique. Les turbines sont couplées à des générateurs électriques soit directement, soit via une boîte de vitesses ou une transmission qui fait tourner l'arbre et l'induit du générateur. L'ensemble collecteur et balais capture le flux d'électricité, créé par l'induit en rotation du générateur par rapport à son stator.

Les générateurs massifs, tels que ceux utilisés dans les barrages hydroélectriques, créent une quantité significative de réluctance―la résistance à la rotation mécanique―qui ne peut être surmontée que par de grandes forces de couple résultant de la rotation de la turbine. À l'aide d'un système de transmission comme celui d'une voiture, le mouvement de rotation de la turbine est converti en rapports de couple et de vitesse variables.

Étape 4 : Capturer et transmettre l'énergie hydroélectrique

L'électricité générée se transforme rapidement en tensions adaptées au réseau, lesquelles sont ensuite transmises par la compagnie d'électricité locale via des lignes électriques. Les transformateurs élévateurs de tension des barrages hydroélectriques produisent des tensions à l'échelle des services publics à partir de tensions de sortie relativement plus faibles des générateurs. Les hautes tensions qui quittent une centrale hydroélectrique sont idéales pour le transport d'électricité sur de longues distances, grâce au 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 900 miles au nord du Nebraska, utilisant probablement une transmission à 500 kV dans le cadre du parcours de l’électricité.

Avancées en énergie renouvelable hydroélectrique

Les centrales hydroélectriques représentent la plus grande source d'énergie renouvelable au monde. À mesure que de nouveaux barrages hydroélectriques et centrales à énergie marémotrice sont créés et que les systèmes deviennent plus efficaces, l'impact de l'énergie hydroélectrique se renforce. La modélisation de la dynamique des fluides s'améliore également, et les tolérances de fabrication diminuent, rapprochant l'efficacité des turbines de 100 %. Les avancées dans la fabrication des boîtes de vitesses, les sciences des matériaux des lubrifiants et les tolérances de fabrication continuent d'accroître l'efficacité, tout comme les aimants plus puissants, les conducteurs plus performants et les systèmes de contrôle améliorés. Tant qu'il y aura de l'eau courante et une différence d'altitude, l'énergie hydraulique restera une option précieuse pour une énergie durable.