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4.5 ÉNERGIE HYDRAULIQUE ET PROJETS ÉNERGÉTIQUES [ShOFM K10, K15,
K22, K45]
4.5.1 Généralités
L’homme a toujours exploité l’énergie hydraulique.
Le premier témoignage de son utilisation comme force mécanique remonte à la mythologie grecque, selon laquelle Hercule aurait détourné deux fleuves pour nettoyer les écuries d’Augias.
La force motrice de l’eau a longtemps été trans-formée en force mécanique dans les moulins et les fabriques. L’avènement de l’électricité à la fin du XIXe siècle a permis de transformer cette énergie hydraulique en énergie électrique, qu’il est possible de transporter pour l’utiliser loin de sa source.
L’hydroélectricité a connu un grand essor au cours du XXe siècle et continue d’avoir aujourd’hui un avenir prometteur.
Pour récupérer la force motrice de l’eau, on procède essentiellement de deux façons:
a) En utilisant le débit (vitesse de la masse d’eau qui coule dans le lit d’un cours d’eau);
b) En utilisant une chute de la charge hydraulique, qui transforme l’énergie potentielle en énergie cinétique par une variation de l’altitude.
Dans le domaine de l’énergie, l’eau sert aussi à refroidir les centrales thermiques fonctionnant au charbon, au pétrole ou avec des combustibles nucléaires. L’eau est indispensable à presque toutes les étapes techniques de la production d’éner- gie thermoélectrique, des forages exploratoires dans les gisements de gaz et de pétrole jusqu’à la transformation des combustibles fossiles et nucléaires en énergie électrique dans les centrales thermiques.
La différence fondamentale dans la production d’électricité entre les centrales thermiques et les centrales hydroélectriques réside dans la consom-mation d’eau. Une centrale thermique utilise l’eau pour sa capacité de refroidissement; une partie de
cette eau est évaporée par le système de production d’énergie et une partie est rejetée à une température plus élevée que celle du prélèvement. Une centrale hydroélectrique retourne la même quantité d’eau à l’environnement naturel, diminuée des pertes par évaporation dans les réservoirs, généralement en modifiant quelque peu cependant le régime hydrologique.
Dans le domaine de la gestion fluviale, afin de prévenir les risques de conflits entre différents utilisateurs cherchant tous à satisfaire leurs besoins, il convient d’envisager, dès le début, l’implantation possible d’une série de différents types de centrales électriques le long du cours d’eau. Ces installations ont de fortes incidences: variations du débit, échauffement de l’eau, réduction du nombre d’espèces de poissons, évaporation, détournements dans ou hors du bassin versant, risques de pollution, etc.
4.5.2 Énergie hydraulique
Il s’agit d’une énergie renouvelable, issue à l’origine de l’énergie solaire qui anime le cycle de l’eau engendrant l’écoulement des cours d’eau depuis des millénaires. Cette forme d’énergie, que l’on puise sans consommer de grandes quantités d’eau, peut être considérée comme une énergie durable au sens que la Commission mondiale des Nations Unies sur l’environnement et le développement donne à l’expression: «... un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures de répondre aux leurs.»
Les programmes d’hydroélectricité sont divers, non seulement en raison des différentes conditions naturelles auxquelles ils doivent être adaptés, mais aussi en raison de la diversité des circonstances liées à la demande en électricité et à l’utilisation de cette forme d’énergie. L’énergie hydroélectrique est souvent mise en valeur dans le cadre d’un projet à usages multiples pouvant englober l’ensemble des usages de la ressource en eau: maîtrise des crues, navigation, irrigation, approvisionnement en eau potable et industrielle, loisirs, développement de la pêche et de la faune sauvage. La section 4.1 fournit de plus amples informations sur les projets à usages multiples.
Il est rare qu’un projet ne concerne qu’une région localisée. Dans la plupart des cas, c’est l’ensemble d’un bassin fluvial qui est pris en compte, avec toutes les considérations régionales, nationales et internationales que cela peut comporter. Quelle que soit l’ampleur de la mise en valeur à planifier, il y a lieu de prévoir tous les besoins en eau de la
région et la façon dont il faudra les satisfaire. Il faut évaluer avec soin les effets du projet hydroélec-trique envisagé sur les ressources et les différents besoins de la région, ainsi que la capacité du projet à y répondre.
Bien que les projets hydroélectriques aient gagné en ampleur au cours du siècle passé, il est toujours économiquement viable d’exploiter l’énergie dans des sites potentiels sur de modestes cours d’eau, en y construisant de petites centrales dont la puissance ne dépasse pas quelques mégawatts. En outre, ces petites installations peuvent souvent être intégrées dans des barrages existants ou des cours d’eau artificiels.
4.5.2.1 Avantages, inconvénients et impact sur l’environnement 4.5.2.1.1 Avantages
Bien que les installations hydroélectriques ne répondent qu’à environ 20 % de la demande mondiale d’énergie électrique, leur rendement est proportionnellement bien supérieur à celui d’autres sources d’énergie. Elles exploitent une énergie dont la fourniture, dans presque tous les pays, est sujette à des risques liés à la variabilité du climat et aux changements climatiques, mais pas à des risques politiques ou économiques. L’énergie hydroélectrique tient une place essentielle en tant que facteur de stimulation de l’économie dans les pays en développement. C’est aussi un élément important des systèmes complexes de production d’énergie dans les pays plus industrialisés. Cette importance ne diminuera pas, car:
a) L’énergie hydraulique provient d’une ressource constamment renouvelée, alimentée par l’énergie du soleil;
b) L’énergie hydraulique est non polluante; sa production ne rejette pas de quantités impor-tantes de chaleur ou de gaz nocifs ou à effet de serre;
c) Les centrales hydroélectriques ont un rende-ment pouvant approcher 95 %, tandis que celui des centrales thermiques à combustibles fossiles atteint à peine 30 à 40 %;
d) Les centrales hydroélectriques disposent d’une longue durée de vie utile, si elles sont bien entretenues;
e) L’hydroélectricité est une technologie parvenue à maturité, offrant un fonctionnement fiable et flexible, et l’équipement s’adapte facilement aux conditions locales;
f) L’eau des réservoirs, qui fournit un moyen de stocker l’énergie, peut aussi servir à d’autres fins;
g) Grâce aux centrales hydroélectriques, il est possible de répondre en quelques minutes aux variations de la demande en électricité;
h) La production hydroélectrique n’engendre pas de frais de combustible; les coûts d’exploitation et de maintenance étant faibles, elle ne subit presque pas les effets de l’inflation;
i) En exploitant l’énergie hydraulique, on évite d’utiliser des combustibles qui, s’ils sont produits dans le pays, pourraient être exportés, ce qui améliorerait la balance nationale des paiements, ou alors qu’il faudrait importer;
j) Que ce soit pour les besoins de la construction, de l’exploitation ou de la maintenance, la mise en valeur de l’énergie hydraulique engendre des emplois et permet de réactiver l’activité économique aux niveaux régional et national.
4.5.2.1.2 Inconvénients
L’énergie hydroélectrique présente cependant les inconvénients suivants:
a) Les coûts d’investissement sont relativement élevés;
b) Pour répondre à une demande croissante d’élec-tricité, la possibilité d’un développement par étapes est restreinte, en particulier parce que le plus grand investissement doit être réalisé au début des travaux de génie civil sur le cours d’eau;
c) La production se situe souvent loin des centres de consommation;
d) La construction de centrales hydroélectriques est une entreprise de longue haleine;
e) Les cours d’eau et les lacs concernés n’étant pas des propriétés privées, la décision de mettre en valeur l’énergie hydraulique se prend à l’échelon national, souvent au prix d’épineuses négociations politiques; la planification, la construction et le retour sur investissement peuvent s’échelonner sur plusieurs décennies;
f) Les projets de production hydroélectrique peuvent entraîner la destruction d’habitats naturels et la disparition d’espèces végétales et animales.
4.5.2.1.3 Impact sur l’environnement
Une installation hydroélectrique a clairement un impact sur l’environnement, ce qui est décrit dans la section 4.2.8, et plus précisément dans la sous-section 4.2.8.3.
Elle peut avoir, en particulier, les effets suivants:
a) Altération du régime d’écoulement fluvial;
b) Perturbation de la saisonnalité du remplissage du lit par les lâchures d’eau stockée;
c) Brusques variations artificielles de l’écoulement fluvial;
d) Inondation de zones situées en amont.
Il est donc nécessaire d’évaluer les autres utilisa-tions de l’eau en amont et en aval de l’installation prévue afin de les prendre en considération dans la conception et l’exploitation de cette dernière.
4.5.2.2 Types d’installations
Il est assez difficile de classer les installations hydro-électriques, car elles sont toutes uniques et sont adaptées, dans chaque cas, à la géomorphologie d’un cours d’eau, à son régime hydraulique et aux besoins de consommation d’une région ou d’un pays dans son ensemble.
Voici néanmoins une proposition de classement selon l’emplacement de l’installation sur un cours d’eau et selon le mode d’exploitation:
a) Dans la partie amont d’un cours d’eau, carac-térisée le plus souvent par la raideur de la pente (voir les courbes hypsométriques de la figure I.2.21, volume I, chapitre 2) et un marnage saisonnier important de l’étiage, on installe des centrales de haute chute;
b) Dans le cours moyen dont la pente est modérée, mais le débit, relativement régulier, on installe des centrales de chute moyenne;
c) Dans la partie aval d’un cours d’eau, souvent large et de faible pente, mais bénéficiant d’un débit constant, il convient d’installer des centrales de basse chute ou au fil de l’eau;
d) Cette dernière catégorie comprend les stations de transfert d’énergie par pompage.
4.5.2.2.1 Puissance d’une installation
L’énergie hydroélectrique est obtenue par transfor-mation de l’énergie cinétique de la chute de l’eau, d’un niveau supérieur à un niveau inférieur, en énergie mécanique sur l’arbre de la turbine et en énergie électrique par le biais du rotor et du stator du générateur. Le potentiel électrique d’un site, exprimé en kilowattheures, est une fonction du débit et de la hauteur de chute; son expression exacte est la suivante:
P = 9,81ηQH (en kW) (4.7)
où η est le rendement de la centrale, Q le débit en m3 s–1 et H la hauteur de chute nette en mètres, c’est-à-dire la différence entre les niveaux amont et aval.
Il y a lieu de connaître la puissance exacte qui sera produite et de disposer d’une définition claire des
composantes du projet. Dans le cadre d’un projet préparatoire et d’un dimensionnement préalable, il est possible, pour obtenir une bonne approxima-tion de la puissance, d’utiliser la formule suivante:
P = 8,5QH (4.8)
où Q est le débit (en m3 s–1)] et H la hauteur de chute nette (en mètres).
4.5.2.2.2 Centrales de haute chute
Ces centrales (figure II.4.16) sont caractérisées par un régime hydrologique particulier en raison de leur emplacement à proximité de la source du cours d’eau, souvent en haute montagne avec un petit bassin versant. Le régime hydrologique sera typique de ces lieux d’implantation: un débit très variable selon la saison, directement influencé par les fortes pluies de montagne et, si l’altitude est plus élevée, par la fonte des neiges. Il en résulte des périodes de très haut débit succédant à des périodes de très faible débit. Le barrage doit donc être en mesure de stocker de l’eau en période de haut débit afin de pouvoir être utilisé en fonction de la demande d’électricité. Si les débits élevés proviennent de la fonte des neiges, le réservoir doit être suffisamment grand pour stocker toute l’eau contenue dans la neige accumulée en amont.
Le calcul des dimensions des réservoirs est décrit à la section 4.2. En raison de la forte pente du cours d’eau, il est possible de disposer qu’une grande hauteur de chute entre le niveau du réservoir et celui des turbines sans avoir besoin de transporter l’eau sur de longues distances. Aussi sera-t-il possible de produire une grande quantité d’énergie, en dépit de débits relativement faibles (équation 4.7). Cette relation pour les barrages de grande hauteur peut être exprimée de la manière suivante:
P = 9,81ηQH (4.9)
Figure II.4.16. Centrale électrique de haute chute P = HQ
Grâce à des installations de ce type, il est possible de stocker l’eau et de maîtriser l’écoulement d’une saison à l’autre; cela permet un usage complémen-taire, à savoir le maintien des débits durant les périodes de basses eaux pour répondre à la demande d’électricité.
4.5.2.2.3 Centrales de moyenne chute
Dans le cours moyen d’un cours d’eau, le débit est déjà plus régulier qu’en amont et la pente est encore suffisante pour fournir une hauteur de chute utile de l’ordre de 40 à 100 mètres. Il est donc possible d’installer un barrage qui permettra de stocker une certaine partie de l’écoulement pendant les périodes de faible consommation d’électricité, à savoir la nuit, les heures de faible activité ou les jours non ouvrables (figure II.4.17).
En outre, pendant les périodes de forte demande, l’eau stockée peut être libérée afin de fournir aux turbines un débit supérieur à la normale. Ce type de fonctionnement peut opérer sur une base quotidienne, hebdomadaire ou mensuelle.
La puissance d’une telle installation peut être exprimée de la manière suivante:
P = 9,81ηQH (4.10)
4.5.2.2.4 Centrales au fil de l’eau
Ce type d’installation, également connu sous le nom de centrale de basse chute (figure II.4.18), ne prévoit pas de stockage d’eau pour une utilisation ultérieure, la production d’énergie étant entière-ment tributaire de l’écouleentière-ment dans le cours d’eau.
La totalité ou une partie du flux passe par les turbines pour être immédiatement retourné au cours d’eau. Il n’y a donc aucune modification du débit. Si une turbine est arrêtée parce qu’il n’y a pas de demande en électricité ou pour réparation, le débit doit être maintenu et détourné par un autre itinéraire en utilisant des vannes ou un canal de dérivation. L’eau
ainsi détournée sera perdue pour la fourniture d’électricité. Comme les centrales au fil de l’eau fonctionnent en permanence, une étude détaillée du régime fluvial est nécessaire pour dimensionner les turbines et fixer les autres caractéristiques de l’installation.
Les moulins flottants sont de plus en plus utilisés sur les grands cours d’eau. Ils se composent de roues hydrauliques qui entraînent des alternateurs. Les moulins sont installés sur des barges et sont posi-tionnés sur le cours d’eau à l’aide de câbles acposi-tionnés par des treuils. Ils présentent plusieurs avantages: ils montent et descendent avec le niveau du cours d’eau, ils peuvent être ramenés vers les rives pour leur entretien ou en cas de crues et peuvent toujours être positionnés à l’endroit du débit maximal. En outre, l’investissement est modeste, et les petites unités de production d’électricité qui sont néces-saires peuvent être construites localement. Il est inutile de construire des ouvrages de génie civil sur le cours d’eau, et seuls les treuils doivent être ancrés sur les rives. Le grand inconvénient est le rende-ment des roues à aubes, qui est seulerende-ment de 30 à 50 %.
4.5.2.2.5 Stations de transfert d’énergie par pompage
Il est impossible de stocker de grandes quantités d’électricité. Ainsi, l’électricité produite à des moments de faible demande peut être utilisée pour pomper l’eau et la stocker dans un réservoir à bonne hauteur au-dessus du cours d’eau. Lorsque la demande augmente de nouveau, il est alors possible de libérer l’eau et de la faire passer dans des turbines pour produire de l’électricité. Le rendement total de l’opération est d’environ 70 %, mais peut se révéler judicieux si on considère que l’énergie utilisée pour le pompage aurait été autrement perdue parce que les turbines de basse chute sur la rivière auraient été arrêtées. Ces stations fonctionnent comme des centrales de haute chute; leurs pompes sont souvent
Figure II.4.17. Centrale électrique de moyenne chute P = HQ
Figure II.4.18. Centrale électrique de basse chute P = HQ
réversibles et servent aussi de turbines. Certes le rendement n’est pas très élevé, mais il peut être important compte tenu de la souplesse d’utilisation de ces stations dans la globalité de la capacité de production d’une région ou d’un pays.
4.5.2.3 Structure d’une centrale hydroélectrique
Une centrale hydroélectrique comprend plusieurs ouvrages qui sont, d’amont en aval: la prise d’eau, le canal d’amenée, la conduite forcée, la salle des machines, le canal de fuite ou de rejet de l’eau turbinée ainsi que des structures connexes comme des passes à poissons et un système de compensation du débit (débit réservé) (figure II.4.19).
4.5.2.3.1 Prise d’eau
La prise d’eau (figures II.4.20 et II.4.21) est nécessaire pour détourner l’eau du cours d’eau et la diriger vers
les turbines. Elle est nécessairement située près du lit du cours d’eau et fait souvent partie du barrage.
Les principales règles à respecter sont les suivantes:
a) L’emplacement de la prise d’eau doit être tel que des objets flottants ne puissent en bloquer l’entrée;
b) La prise doit être équipée de grilles de protec-tion pour empêcher les objets de pénétrer dans les turbines et les poissons d’être pris au piège dans la salle des machines. Dans ce dernier cas, l’espacement des barreaux est dicté par la réglementation locale et peut être de seulement quelques centimètres;
c) La surface des grilles doit être telle qu’elle permette l’écoulement sans créer une trop grande perte de pression.
Si nécessaire, un système devrait être installé pour permettre l’enlèvement des objets flottants qui s’accumulent souvent en amont de la prise d’eau.
4.5.2.3.2 Canal d’amenée
Le canal d’amenée dirige l’eau vers la centrale, souvent éloignée de la prise d’eau pour que la diffé-rence de hauteur soit la plus grande possible entre le niveau de la prise et le point de rejet dans le cours d’eau. Il s’agit soit de canaux à ciel ouvert ou couverts, soit de galeries à écoulement à surface libre ou forcé.
Un écoulement à surface libre n’est possible que si le point de départ du canal d’amenée se situe au sommet du barrage; le premier tronçon du canal d’amenée dépend, dans une large mesure, de la Figure II.4.19. Schéma d’une centrale
hydroélectrique
Canal d’amenée Salle des machines Conduite forcée Barrage et prise
Échelle à poissons Eau de
compensation
Rivière
Restitution
Figure II.4.20. exemple de prise sur un barrage Prise d’eau
Salle des machines
écoulement
Grue Générateur
Bâche
spirale Niveau du déversoir Conduite forcée
Dégrilleur
écoulement turbine
Conduite intermédiaire
topographie du site. En général, la pente des canaux ouverts est douce, la vitesse de l’eau se limitant à environ 2 m s–1. Les canaux ouverts conduisent souvent à une conduite sous pression ou conduite forcée (figure II.4.21), qui achemine l’eau du canal ou de la galerie jusqu’à la turbine en suivant une pente très raide. Tous ces tronçons sont munis de vannes permettant de stopper l’écoulement d’eau et de les isoler du cours d’eau aux fins d’inspection et d’entretien. D’autres ouvrages tels que des chemi-nées d’équilibre ou des réservoirs au sol sont installés pour amortir les augmentations excessives de pression.
Les conduites sous pression sont souvent en métal, mais peuvent aussi être réalisées en béton armé, béton précontraint ou, comme par le passé, avec des planches de bois assemblées en forme de tonneau.
4.5.2.3.3 Salle des machines
La salle des machines est la construction ou l’exca-vation souterraine qui contient les unités de production: les turbines et les alternateurs. Elle doit avoir une taille adaptée et, dans la plupart des cas, inclure des ateliers d’entretien ou de réparation. En général, l’appareillage électrique, comme les trans-formateurs de tension et les bornes des câbles élec-triques d’alimentation du réseau, est couplé avec la centrale. Le plan en coupe d’une salle des machines type est présenté à la figure II.4.22.
4.5.2.3.4 Canal de fuite ou de rejet de l’eau turbinée
Les canaux de restitution sont nécessaires pour rendre l’eau à la rivière après son passage dans les
Les canaux de restitution sont nécessaires pour rendre l’eau à la rivière après son passage dans les