Tpe Barrage hydroélectrique
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INTRODUCTION
I°Fonctionnement des Barrages Hydroélectriques
1.Histoire
2 .Le Fonctionnement du complexe
a)Comment obtient ton de l'électricité à travers d'un barrage Hydroélectrique ?
b)L'énergie dans l'eau
3 .Fonctionnement d'une turbine
a)L'alternateur, le transformateur d'énergie
b)Les turbines hydroélectriques
°Les turbines à action
°La turbine Pelton
°La Turbine Crossflow
°Les turbines à réaction
°Les turbines Francis
°La turbine Kaplan et Hélice
II°Les Types d'Hydrobarrages
1. Barrages en béton ou maçonnerie
a)Barrages poids
b)Barrages Voûte
c)Barrages à Contreforts
2. Barrage en remblai
a)Barrages à terre Homogène
b)Barrages Zonés
c)Barrages à Masque
III°L'Exemple : Complexe Hydraulique de Necaxa
1. Le système hydraulique
a)La première division
b)La deuxième division
c)La troisième division
2. Le système électrique
3. Le Barrage de Necaxa
vI°Exemples d'hydrobarrages dans le monde
1. Un hydrobarrage en Russie
2. Grand Coulee
3. Itaipú
4. Barrage de la Rance ou usine marémotrice
CONCLUSION
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Plan du Dossier
En un siècle, l'énergie est devenue le moteur de l'ensemble de notre système de production et par conséquent un enjeu économique de la plus haute importance.
Il ne se passe pas un jour sans que nous utilisions l'énergie
électrique, c'est un
moyen indispensable pour notre développement présent et futur.
Le seul problème, elle s'épuise, les gisements étant
peu nombreux, les besoins étant nombreux, nous devons donc recourir
à une solution: l'énergie renouvelable. Elle peut être
obtenue par un barrage hydroélectrique, avec comme rôle transformer
l'énergie potentielle de l'eau en énergie électrique.
Ainsi les barrages hydroélectriques auront une place importante dans
une nouvelle Ère qui semble être de plus en plus proche.
Nous allons d'abord présenter une brève introduction sur où les hydrobarrages nous mènent. Après on poursuivra expliquant le fonctionnement des hydrobarrages et les types d'hydrobarrages, puis on traitera l'analyse technologique et économique d'un barrage à Mexico et finalement on conclura avec leurs problèmes écologiques et leur avenir.
Un hydrobarrage est une construction artificielle qui s'oppose à l'écoulement naturel de l'eau pour le retenir et le stocker dans des réservoirs. L'énergie hydraulique transformée par les hydrobarrages constitue une source d'énergie électrique gratuite, naturelle, rentable et indéfiniment renouvelable par le cycle de l'eau. C'est pourquoi des actions d'incitation ont été mises en place par les différents gouvernements pour faciliter le développement de l'industrie hydraulique, qui depuis 1946 a été multipliée par six. C'est le cas de la France, l'énergie hydraulique constitue la deuxième source de production d'électricité. L'EDF, Electricité de France, estime que l'énergie électrique produite par les hydrobarrages représente près de 15% de la production totale, avec une capacité de 70 TWh en année moyenne. Dès nos jours, la grande hydraulique, puissances supérieures à 10 MW, produit le 5.8 % de la production d'énergie électrique dans le monde. Or on prévoit un progrès dans la production hydraulique de l'énergie électrique pour le futur.
Extraire 70 milliards de kilowattheures chaque année à partir de la seule force de l'eau reste un exploit qui demande quelques explications...
I. Le Fonctionnement des Hydrobarrages
Plan du Dossier
Le premier barrage officiellement recensé est celui du Nil qui se construisit vers 4000 ans avant JC pour dévier l'eau à fin de pouvoir construire la ville de Memphis. De plus pendant l'Antiquité plusieurs barrages battis en terre permirent l'irrigation de terres infertiles. Une des civilisations antiques les plus reconnus fut celle des Babyloniens qui héritèrent des Sumériens un génie civil impressionnant pour leur époque. Ensuite, on a eu l'idée d'utiliser la force de l'eau dans le moulin à eau où on utilisé l'eau d'une rivière pour entraîner la roue qui servait pour moudre les grains de céréale pour faire de la farine. Peu de ces constructions ont laissé leur trace due à l'érosion constante du globe. Néanmoins nous pouvons maintenant grâce à l'architecture et des moyens modernes construire des édifices beaucoup plus moins limités ainsi nous comptons aujourd'hui avec plus de 35000 barrages et 1500 sont en constructions. L'une des plus grandes innovations et celle de L'usine Marémotrice de la Rance qui produit de l'énergie électrique à partir des marées.
2. Le fonctionnement du complexe
Plan du Dossier
Une centrale hydroélectrique est l'ensemble d'édifices
humains consacrés à produire de l'énergie électrique
pour son utilisation dans les villes voisines. Dépendant de la topologie
du terrain, les ingénieurs civils détermineront la place idéale
et la production d'énergie électrique qui pourra être
exploité dans le terrain. Pour cette raison la taille des différentes
centrales varie selon les régions du monde. Plus la centrale sera grande
plus le système hydroélectrique aura des sub-stations. Il y
a différents types de sub-station comme le centre de commande, le barrage
hydraulique, la centrale de transformation d'énergie électrique
et une zone résidentielle. Les sub-stations techniques dépendent
les unes des autres lors du fonctionnement du système. Le centre de
commande est l'endroit où l'information des barrages et de la centrale
de transformation sont réunis pour renvoyer des ordres à celles-ci
et elle supervise le bon fonctionnement des liens entre les sub-stations.
Le barrage hydroélectrique obtiendra de l'énergie de l'eau et
l'envoiera vers la centrale de transformation d'énergie qui elle à
son tour l'envoiera à une ville ou peuplement (voir doc.1).
Une centrale hydroélectrique doit être organisée et donc
possède une hiérarchie au niveau du personnel. La coordination
du système se fait par des ingénieurs qui dirigent la centrale
avec des opérateurs qui actionne le système. Ces opérateurs
donnent des ordres aux différents mécaniciens qui se chargent
de la maintenance manuelle des différents appareils. De même
chaque ingénieur peut avoir sa spécialité, comme les
opérateurs et mécaniciens dépendant du budget le personnel
est choisi pour contrôler l'usine électrique.
Le personnel doit être en constante communication car une erreur pourrait
signifier une perte de temps qui finirait par se traduire en une perte d'argent.
a)Comment obtient ton de l'électricité à travers d'un barrage Hydroélectrique ?
Il faut d'abord mentionner que la fonction primaire d'un barrage est de retenir l'eau, dans son réservoir. Une fois l'eau stockée, on ouvre les vannes qui laissent passer l'eau dans les canaux. Ces canaux conduisent l'eau jusqu'a la centrale hydroélectrique (voir doc.2).
Dans un barrage hydroélectrique on exploite l'énergie cinétique de l'eau. Cette énergie provient de la force de gravitation, c'est-à-dire que plus la chute d'eau aura une hauteur importante plus l'énergie cinétique sera importante. Cette énergie cinétique se manifeste donc par la vitesse et force de l'eau.
3. Le fonctionnement d'une turbine
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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 (voir doc.3).
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.
a)L'alternateur, le transformateur d'énergie
Un moteur peut transformer l'énergie électrique
en énergie motrice, imaginons qu'en lieu d'énergie électrique
ce moteur recevait 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 cuivres
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
champ magnétique provoquera un déplacement d'électrons
donc un courant électrique récupérer au niveau du stator.
Un transformateur est ensuite utiliser pour élevée la tension
du courant pour faciliter sa transportation dans les lignes à haute
tension. Enfin l'eau est évacuée vers la rivière.
b)Les turbines hydroélectriques
Lors de sa conception les turbines hydroélectriques sont prises en charge à fin de déterminer laquelle est la plus appropriée pour le barrage selon sa taille, son rendement et son type.
Les turbines à action sont celle qui on une pression d'eau à l'entrée de la turbine égale à la pression de l'eau en sortie. Elles sont les plus simples à mettre en œuvre mais leur rendement est bas du à qu'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.
Ce sont des turbines utilisées lors 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 ce sont les augets ! .L'eau ensuite glissera sur les côtés
de la turbine (voir doc. 4 et dessin définition).
°La Turbine Crossflow
Ce type de turbine est utilisé pour de 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 ( voir doc. 5).
On parle de turbine à réaction si la pression de l'entrée est supérieure à la pression de sortie de la roue. Leurs rendements sont plus hauts mais leur fonctionnement plus complexe. Ces turbines sont immergées dans l'eau car elles se trouvent à l'intérieur du canal d'écoulement du barrage pour cette raison il est important de faire attention au phénomène de cavitation qui est la résultante de la pression d'aspiration de l'eau en hauteur et se manifeste en une grande dépression sur les aubes de la roue.
Utilisée par un fort rendement dans des chutes de 40 à 300 m. possédant des immenses réservoirs d'eau elles arrivent à développer une puissance régulière est 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 ( voir doc. 6).
Elles 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 immergé sous l'eau ( voir doc. 7 et 20).
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Chaque barrage est particulier par ses dimensions, la nature du terrain sur lequel s´appui, l´importance des débits de la rivière, selon son ingéniosité et leurs matériaux, ils sont classés dans l´un des types suivants :
1. Barrages en béton ou maçonnerie
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La stabilité de ce type de barrage sous l´effet
de la poussée de l´eau est assurée par le poids du matériel
ils peuvent être en maçonnerie ou béton. Ils conviennent
pour des vallées larges ayant une fondation rocheuse. Le désavantage
est que ce barrage a besoin de beaucoup de matériaux (voir doc.8).
b)Barrages Voûte
Ils sont généralement en béton et ont une forme d´arc qui report les efforts de poussée sur les rives rocheuses de la vallée. Ce système en voûte est une manière d´utiliser aux mieux les capacités d´utiliser au mieux les capacités du béton a supporter la poussée d´eau et diminuer le volume du matériel. Mais ces structures ont une longueur très réduite pour fermer la vallée, pou ces cas ont utilise des contreforts (voir doc.9).
Ces barrages peuvent avoir la même structure de poids ou voûte mais portent une série de murs parallèles souvent de forme triangulaire plus ou moins espacés pour repartir l´effort de l´eau sur plusieurs contreforts (voir doc.10).
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Les barrages en remblai ils ont tous la même forme et utilisent les matériaux disponibles sur le site de construction.
Ce système utilise un seul matériel pour assurer
l'étanchéité et l'imperméabilité
(voir doc.11).
Ils utilisent plusieurs matériaux disposés de façon à le rendre stable et étanche. Ils permettent principalement à faire des grandes économies et d'utiliser au mieux les matériaux disponibles sur site (voir doc.12).
La seule différence des deux antérieur est qu´on utilise un écran imperméable pour assurer l´ étanchéité d´un remblai stable qui lui permet de retenir l´eau (voir doc.13).
III. L'Exemple : Complexe Hydraulique de Necaxa
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Necaxa se trouve dans l'état de Puebla à 2 heures de la ville de Mexico. Le complexe hydroélectrique représente une des plus grandes œuvres de l'ingénierie civile mexicaine réalisée pendant la fin du 19ème siècle. Elle a été conçue grâce à un ingénieur États-Unien.
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Le complexe est constitué de 3 réservoirs naturels (voir doc.14) :
Elle est constituée par le réservoir du fleuve Necaxa qui avec le barrage de Laguna et Los Reyes forment la principale source d'eau de l'hydrobarrage de Necaxa.
Elle est la convergence de fleuves Cuacuila, Acazintla, Piedras de Amolar, et plusieurs écoulements qui remplissent les barrages de Tenango et Nexapa.
Finalement le chef d'œuvre de l'ingénierie c'est un réseau de tunnels de 30 km, le plus long du monde dans son époque. Il recueil à travers son chemin l'eau de 40 fleuves et rivières et possède une capacité de 30 m³/s.
Tableau de barrages
BARRAGES CAPACITÉ
ELEVATION
NECAXA
31 millions m³ 1338 m
TENANGO 43
millions m³ 1350 m
NEXAPA 15
millions m³ 1360 m
LAGUNA 43
millions m³ 2183 m
LOS REYES 26
millions m³ 2165 m
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Ce sont 4 centrales génératrices : Necaxa, Tepexic, Patla, et Tezcapa qui composent le système électrique, néanmoins, la coordination se fait depuis la centrale de control El Salto (voir doc.15). C'est le noyau du système électrique qui à la fois et prise en charge par la station de Pachuca et enfin celle de el Carmen.
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La centrale hydroélectrique de Necaxa est entrée
en fonctionnement le 6 décembre 1905 avec 2 générateurs
électriques envoyant pour la première fois du potentiel a la
ville de Mexico et El Oro.
De nos jours elle compte avec 10 unités génératrices
(voir doc.16).
Informations techniques
CAPACITÉ TOTALE INSTALLÉE
113.5 Mw
TENSION ÉLECTRIQUE 4
400 v
4 TURBINES PELTON D'IMPACT 22
000 H.P. chacun
6 TURBINES PELTON D'IMPACT 11
000 H.P. chacun
VITESSE DE SYNCHRONISATION 300
R.P.M.
CHUTE STATISTIQUE
443 m
CONSOMATION D'EAU PAR kWh 1.21
m³
ELEVATION 893
m
Conclusion du Tableau : On dégage qu'une centrale électrique
peut être rentable, la raison pour laquelle le complexe de Necaxa est
en service depuis 97 ans.
IV. Exemples d'hydrobarrages dans le monde
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Cette hydrobarrage, possède une de plus grands potentiels hydroélectriques puisqu'elle profit le courant du fleuve Volga, le plus grand de l'Europe, et aussi par la technologie russe qui a construit un de plus grands barrages. Cependant cet hydrobarrage est très loin de centres industriels et villes, et la Russie utilise alors le pétrole et l'énergie nucléaire comme principales sources (voir doc.17).
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L'hydrobarrage de Grand Coulee, est une de plus grandes dans
le monde. Elle est située au centre de Washington, aux Etats-Unis,
elle profit de la rivière Columbia qui forme le lac Roosevelt et produit
6500 MW en moyenne. L'énergie produite dans les alternateurs, avec
une tension de 230000 volts, est transformée en énergie électrique
de tension 220 volts de forte intensité par un transformateur avant
d'être transporte dans les villes par des fils électriques. L'hydrobarrage
de Grand Coulee a été nommée la huitième merveille
du monde en 1942 lors de la fin de sa construction (voir doc.18).
3. Itaipú
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Dans cette photographie vue aérienne, on peut observer l'hydrobarrage de Itaipú, projet entrepris par le gouvernement de Brésil et Paraguay dans les eaux du fleuve Paraná. C'est le plus grand hydrobarrage du monde dans l'actualité et d'où on obtient des importantes sources énergétiques pour les deux pays et pour la région. Itaipu a une hauteur de 196 m et mesure 8 km de longueur, les générateurs sont entraînés par 18 turbines types Francis et il produit 11 181 MWh en moyenne (voir doc. 19).
4. Barrage de la Rance ou usine marémotrice
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L'estuaire de la Rance se trouve à proximité du Mont Saint-Michel. La construction de l'usine marémotrice de la Rance a débutée en 1960, l'amplitude entre haut et basse mer se prête bien parce qu'elle est de plus grandes du monde, d'autre part parce que l'estuaire offre un bassin de 22 km² pouvant contenir jusqu'à 180 millions de m³. Le principe de fonctionnement de ce complexe est de contenir de l'eau dans le bassin, puis par la force de la marée montante ou descendante faire tourner des turbines du type groupe de bulbes. Depuis 1967, cet équipement produit chaque année 600 millions de kWh, de quoi alimenter 250 000 foyers (voir doc. 20).
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L'eau est une source d'énergie propre. Son exploitation
pour la production d'électricité ne génère ni
déchets toxiques ni pollution atmosphérique. Cependant, la construction
d'un barrage reste une intervention humaine sur la nature qui a des répercussions
sur le paysage ainsi que sur la vie aquatique et terrestre, et sur la qualité
de l'eau. C'est pourquoi, tout projet d'aménagement hydroélectrique
est précédé d'une étude évaluant l'impact
environnemental des installations et définissant les mesures nécessaires
pour en minimiser les effets.
Les progrès techniques en matière de génie civil ont
néanmoins permis de mieux intégrer l'ouvrage dans son environnement.
Les nécessités de la croissance et du développement économique
ne sont pas incompatibles avec la préservation de la nature.
Situons-nous au milieu de la forêt mexicaine, beau
paysage, la nature semble de plus en plus céder sa place à la
civilisation.
Cependant la technologie n'essai pas simplement de sacrifier la terre, alors
des nouvelles techniques comme les hydrobarrages effacent de la carte les
usines de charbon et nucléaire pour arriver à établir
un équilibre entre l'homme moderne et la nature ceci est l'avantage
de l'énergie renouvelable.
Par:
Juan Daniel
Jean-Ives
Luis Rafael