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Centrale hydroélectrique
Une centrale hydroélectrique est une installation qui utilise l'énergie de l'eau d'une rivière pour produire de l'électricité. L'énergie de l'eau est transformée en énergie mécanique par une turbine hydraulique qui la transmet à une machine : le générateur, qui produira de l'électricité.
C'est une installation qui exploite l'énergie hydraulique comme le faisaient les moulins à eau. Mais les centrales hydroélectrique sont en général beaucoup plus puissantes que les moulins et permettent d'utiliser l'énergie produite à distance grâce à l'électricité.
Fonctionnement d'une centrale hydroélectrique
Une centrale hydroélectrique est constituée de quatre éléments :
Une prise d'eau
La prise d'eau retient une partie de l’eau qui s’écoule dans le cours d'eau (rivière ou fleuve) en amont 
. Cela peut être un barrage important, qui crée un lac de retenue. Ce lac constitue un stock d’eau, qui est un moyen de stockage d'énergie. Le barrage permet aussi de relever le niveau de l'eau qui sera turbiné.
Dans le cas d'une centrale « au fil de l’eau », c'est-à-dire qui turbine l'eau au fur et à mesure qu'elle arrive, cette réserve d'eau est très réduite ou négligeable et alors il n'est pas possible d'arrêter ou de modifier le débit de l'eau en fonction des besoins : on n'exploite que le débit disponible du cours d'eau dans la limite de la capacité de l'installation et sauf le débit laissé au cours d'eau.
Un canal de dérivation ou des conduites dites conduites forcées
L'eau stockée ou captée doit être amenée de la retenue vers l'usine. L'eau passe à travers des grilles, à travers des vannes, puis est amenée vers la centrale à l'aval grâce à un canal puis une conduite, ou bien uniquement une conduite. Par l'effet de la pesanteur (le poids de l'eau), plus on descend plus la pression augmente dans la conduite. Celle-ci débouche sur la turbine. Plus la hauteur de chute est grande plus la pression et la puissance de l'installation sera importante (la pression est de un bar pour 10 mètres de dénivelé). La puissance dépend aussi du débit turbiné.
Lorsque l'eau est captée très au dessus et loin de l'usine, elle est acheminée grâce à des conduites forcées installées sur les pentes à côté du cours d'eau.
Les dispositifs de conversion de l'énergie de l'eau en électricité
Les turbines sont installées dans les bâtiments industriels. La turbine mise en mouvement par l'impact de l'eau en mouvement qui appuie sur ses pales. Elle est reliée à un axe sur lequel est fixé un aimant (le rotor). Celui-ci est alors mis en mouvement et tourne au centre d'un énorme bobinage de fils électriques (le stator). L'électricité est alors créée par cet alternateur électrique.
Le poste de transformation
À l'extérieur un transformateur injecte ensuite cette électricité dans le réseau, où elle est transportée par des lignes à haute ou très haute tension.
Les différents types de centrales hydro-électriques
Les centrale hydroélectrique sont de différents types, et de puissance très variées : de quelques kilowatts à quelques centaines de mégawatts.
Les centrales au fil de l'eau
Dans les centrales au fil de l’eau, la capacité de stockage du barrage de prise d'eau est très réduite par rapport au débit qui arrive. L'électricité est produite en permanence, tant que le débit du cours d'eau le permet. En période de forts débits, l'usine n'a pas la capacité de turbiner toute l'eau, et le surplus se déverse au dessus du barrage ou de la prise d'eau. Lors de fortes crues, on prévoit en général d'ouvrir très largement le barrage, pour faire trop monter le niveau du cours d'eau en amont et ne pas aggraver les inondations.
Ce type de centrale peut être installé sur un canal de dérivation du cours d'eau (afin de laisser libre le bras principal) ou bien il est associé à une écluse permettant la circulation fluviale. En France le Rhône et le Rhin sont équipés de telles centrales, elles produisent la moitié de la production hydroélectrique du pays.
Les bâtiments de production peuvent être installés sur la rive et l'eau est alors amenée par des conduites forcées. Mais ils peuvent être aussi installés directement aux pieds du barrage
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Petite centrale au fil de l'eau sur une rivière allemande. On remarque la différence de niveau entre l'amont (dans le fond de l'image) et l'aval du barrage (au premier plan). Les machines produisant l'électricité sont dans le bâtiment à droite
Centrale de Marckolsheim en Alsace. Installée sur un canal de dérivation. À droite le poste de transformation de l'électricité. Dans le fond les écluses qui permettent la continuité de la navigation fluviale sur le Rhin.
Une variante est la centrale d'éclusée. Dans ce cas, le barrage a une capacité de stockage suffisante pour retenir l'eau quelques heures en faisant varier son niveau. Selon le débit et la demande d'électricité, le turbinage est continu ou arrêté et remis en route selon les heures de la journée. De cette façon, quand le débit est moyen ou faible, on produit tout de même à pleine capacité pendant les périodes de forte consommation électrique. Quand le débit est supérieur aux capacité de la centrale, on produit à pleine capacité en permanence.
Les centrales-lacs
Ce type de centrale est installé dans les régions montagneuses où on peut barrer une vallée. Le volume de la retenue d'eau est alors très important. Le remplissage est saisonnier, au printemps et en été avec l'eau provenant de la fonte des neiges et des glaciers. Le remplissage de la retenue dure au moins 400 heures (17 jours) et parfois plusieurs mois.
La quantité d'énergie dans la réserve d'eau dépend de son volume, des apports (eaux de fonte et eaux de pluies) et de la hauteur de chute.
Le contrôle de la production d'électricité est alors total. Ces centrales sont très rapidement mise en service pour faire face aux hausses quotidiennes de consommation d'électricité (soit le chauffage en hiver soit la climatisation en été et la reprise matinale des industries et activités utilisant l'électricité).
Pour limiter la montée de l'eau dans un barrage en prévision d'une crue, ou en cas de panne du turbinage, il peut y avoir des lâchers d'eau au niveau d'un barrage. Cela fait augmenter brusquement le débit dans la rivière en aval. Ces variations peuvent être mauvaises pour la faune et la flore vivant en aval dans le cours d'eau ou à proximité (effet de chasse d'eau). Elles peuvent être dangereuses pour les personnes, non prévenues, qui pêchent ou naviguent sur le cours d'eau.
Hautes et basses chutes
On distingue les hautes chutes avec un dénivelé supérieur à 200 m, les moyennes chutes (entre 50 et 200 m de dénivelé) et les basses chutes (moins de 50 m de dénivelé)
Les centrales de basse chute sont installés dans les régions de plaine, là où la pente du lit du cours d'eau est faible, ou bien lorsque le cours d'eau descend rapidement à un endroit précis (seuil naturel). Comme la hauteur de chute est généralement peu importante. Il faut que la rivière ait un débit important pour que la production soit notable.
Les centrales au fil de l'eau sont plus souvent de basse chute tandis que celles avec un lac de barrage sont typiquement de haute chute, mais il existe l'inverse (centrale de haute chute sans grand réservoir à la prise d'eau ou retenue pour une chute peu importante).
Les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP)
Les STEP sont des installations qui permettent de stocker l'énergie de l'eau et de produire de l'électricité. Elles fonctionnent en circuit fermé. Les STEP possèdent deux bassins : un bassin supérieur qui peut être un lac d’altitude et un bassin inférieur qui peut être une retenue artificielle. Ces deux bassins sont reliés par des conduites. Dans le mouvement de descente l'eau actionnant une turbine permet la production d'électricité. Puis l'eau du bas est remontée vers le haut dans les mêmes installations dont la machine est réversible (elle devient alors une pompe).
Intérêt des centrales hydroélectriques
L'eau exploitée par les centrales hydroélectriques est une source d'énergie renouvelable. Les retenues d'eau aménagées derrière les barrages sont un moyen efficace de stocker de l'énergie (on peut dire que c'est la seule source d'électricité stockable à grande échelle).
La mise en production d'électricité des centrales de haute-chute est quasi immédiate, ce qui permet de fournir une grande puissance rapidement pour faire face à toute augmentation de la demande. On peut ainsi optimiser le fonctionnement des autres types de centrales électriques à combustible ou nucléaires plus longues à être opérationnelles.
Une fois les installations construites le coût d'exploitation se limite aux salaires du personnel de surveillance et d'entretien, la source d'énergie est gratuite. Les installations ont une longue durée de vie.
La production d'hydroélectricité n'est responsable que d'une faible émission de gaz à effet de serre (lors de la fabrication des matériaux de construction et des machines installées).
Certains lacs de retenues peuvent après aménagement servir de lieux de loisirs (pêche, canoé...) et créer des emplois (le plus souvent saisonniers d'été).
Lorsque le transport de l'électricité était moins développé, la présence de forte productions d'électricité a favorisé l'industrialisation en particulier par les industries très consommatrices d'énergie électrique comme la fabrication de l'aluminium, c'est le cas de la vallée de la Maurienne dans les Alpes françaises.
Inconvénients des centrales hydro-électriques
Le problème est la construction du barrage. Celui-ci ferme la vallée pour permettre l'accumulation de l'eau en amont. Il ennoie les terres situées dans cette zone. Des terres agricoles, des pâturages, des forêts sont ainsi détruits. Des villages qui vont être engloutis doivent être évacués de leurs habitants. Même s'il y a indemnisation (cas de Tignes sur l'Isère en France) il faut fournir aux déplacés de nouveaux revenus et de nouveaux lieu de vie. Ces opérations provoquent souvent des résistances plus ou moins violentes.
La faune aquatique est impactée par le mur infranchissable du barrage. Plusieurs espèces (comme le saumon ou l'anguille) ne peuvent plus circuler comme elles le font naturellement, notamment pour frayer (se reproduire). Il faut alors construire des « échelles à poissons », dont l'efficacité n'est pas la même que dans la situation sans barrage (selon les espèces, les débits).
La création de retenues d'eau modifie la qualité de l'eau. L'eau venant du barrage et rejetée par la centrale peut être moins bien oxygénée, et de température moins régulière que la rivière.
L'obstacle constitué par le barrage fait se déposer tout ou presque tout les sédiments (limons, sables, graviers, galets et pierres) en suspension dans la partie amont du cours d'eau alors qu'avant le barrage, ces sédiments étaient poussés lors des crues. Le cours d'eau en aval a avant la construction d'un barrage un équilibre dans lequel il y a des sédiments qui arrivent de plus haut. Quand il n'en arrive plus, cet équilibre est perturbé, les sédiments manquent à l'aval. C'est le cas pour le précieux limon de la Vallée du Nil retenu par le barrage d'Assouan. La réduction d'arrivée de sable et de cailloux fait risquer de l'érosion marine comme en Camargue en France. Le cours d'eau peut s'enfoncer et s’appauvrir, ou provoquer de nouvelles érosions.
Sources
- http://www.ac-grenoble.fr/college/la-chapelle/IMG/pdf/diapo_hydroelectrique.pdf
- http://www.france-hydro-electricite.fr/lenergie-hydraulique/principes
- http://baissedurhin.e-monsite.com/pages/fonctionnement-des-differentes-centrales/centrale-hydroelectrique/fonctionnement-des-centrales-hydroelectrique.html
- http://www.futura-sciences.com/magazines/environnement/infos/qr/d/energie-renouvelable-fonctionne-centrale-hydroelectrique-1360/
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