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Historique, économie, écologie


Les fiches élèves forment un organigramme.

Cette feuille est intéressante et utile car elle permet de se déplacer.


Introduction

Fiche

1




Problèmes

Ecologiques

16




Technique

5

Histoire et économie

2



Types de

barrages

15


Chiffres

4

Régulation

6

Fonctionnement

8

Hydraulique à hydroélectricité

3

Types de

Centrales

14

courbe sur 24h

7


Les types de turbines 9





Francis

11

Pelton

10

Kaplan

12

Crossflow

13

Fiche 1 : Cette fiche présente les trois grandes parties abordées dans cette leçon. Elle permet d’accéder aux trois rubriques citées. Elle permet aussi de présenter sous forme d’introduction les parties abordées dans ce chapitre.

Historique, économie

Technique


Ecologie
Fiche 2 : Histoire et économie

 L’existence du moulin à eau est attestée, peu avant l’ère chrétienne, en Illyrie (Albanie)

Primitivement, il est destiné au broyage du grain, du malt, du pastel, des olives

A partir du XIe siècle, le moulin à eau sera transformé en véritable moteur industriel. Une grande partie de l'industrie repose sur la force motrice de l'eau.

Avec un système de rouages et de cames, on entraîne des machines outils dans les scieries, les minoteries, les forges, les papeteries…

 La roue hydraulique est appliquée au XIVe siècle, à la soufflerie, le plat supérieur du soufflet étant rabattu par une came. La soufflerie mécanique ayant ainsi une grande puissance de feu, ce procédé révolutionnaire permet l’essor de la métallurgie. Désormais, on peut agrandir le four, qui devient un haut fourneau où le minerai de fer totalement grillé, se transforme en fonte, ce « fer fondu » que l’on n’était pas encore parvenu à produire.

 Jusqu'à l’invention de la machine de Watt (1800), l’industrie toute entière repose sur l’énergie hydraulique.
Limites de l’énergie hydraulique

 Le problème de l'énergie hydraulique vient du fait que cette énergie ne peut être utilisée que le long des cours d'eau et pas forcément sur les sites de production industrielle. Pour transporter à distance la force motrice, on utilisait des câbles télédynamiques dont le rendement est très faible et les distances somme toute peu importantes.
Fiche 3 : De l’énergie hydraulique à l’hydroélectricité

 La difficulté du transport de l'énergie sera résolue par l'utilisation de l'énergie électrique.

Mise au point de la dynamo par Gramme en 1865 pour produire l'énergie électrique. On transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique. L’induit en tambour et le collecteur des machines modernes dérivent directement des dispositifs inventés par Gramme. (Histoire : Lors de l’exposition internationale d’électricité de 1873 à Vienne, deux dynamos Gramme à l’arrêt furent, par erreur, branchées en parallèle. En mettant en marche le moteur d’entraînement de l’une d’entre elle, l’autre démarra. On venait de découvrir la réversibilité de ce type de machine.)
Invention du transformateur par Gaulard et Gibbs en 1883, pour permettre le transport de cette énergie sur de grandes distances. Le transformateur permet d’obtenir une tension électrique élevée, ce qui permet de transporter l’énergie électrique à une très grande distance. La première transmission électrique en courant alternatif utilisant des machines de ce type, est réalisée par Gaulard en 1884 entre l’exposition de Turin et la gare de Lanzo distantes de 37 km.
Fiche 4 : Chiffres

 Par la suite, le développement de l'énergie électrique créée à partir de l'énergie hydraulique (l'hydroélectricité) connaîtra un succès considérable. On inventera même le terme « houille Blanche » pour désigner l’énergie hydraulique.

Entre les deux guerres, construction de 50 barrages.

Après la deuxième guerre mondiale, l’énergie hydroélectrique est au cœur de l'effort de reconstruction. Une quarantaine d'aménagements sont lancés. En 1960, 56% de la production nationale d'électricité est d'origine hydraulique.

L’hydroélectricité est compétitive et le coût de l'énergie produite ne dépend pas des fluctuations du prix des combustibles. C'est, pour un pays qui en dispose, un facteur d'indépendance énergétique.

 Dans les années 60, EDF s’emploie à développer l’énergie thermique car le pétrole est peu cher. L’hydroélectricité n’est plus compétitive.

En 1973: choc pétrolier. La France se lance dans le nucléaire tout en développant à nouveau, l’hydroélectricité.




1960

1973

1980

1990

1995

1998

Production nationale d’électricité Unité: TWh= milliard de kilowattheure

72

171

210

380

471

489.7

nucléaire

0

14

(8%)

40

(19%)

280

(74%)

358,6

(76%)

367.3

(75%)

hydraulique

40

(56%)

46

(27%)

70

(33%)

60

(16%)

75,5

(16%)

63.7

(13%)

thermique

24

(33%)

94

(45%)

100

(48%)

40

(10%)

36,9

(8%)

58.7

(12%)

autres

8

(11%)

17

(10%)











(0.3%)



Fiche 5 : Présentation de la partie technique abordée dans la leçon.

Principe de régulation du réseau électrique français.

Principe de fonctionnement

Les différents types de centrales hydroélectriques.

Les différents types de barrages.
Fiche 6 : Organigramme très simplifié du réseau électrique Français.

On peut décrire et expliquer ce qu’est le réseau.

On peut parler des différentes sources d’énergie utilisées en France pour alimenter le réseau électrique .

Chaque centrale de production d’énergie électrique est reliée au réseau. Le réseau est une immense toile d’araignée qui couvre tout le territoire. Les utilisateurs font de même.

Le réseau électrique français peut se décomposer en deux parties :

Le réseau de transport : Très haute tension 400kV et 250kV

Haute tension 90kV et 63kV

Réseau de distribution : Moyenne tension 20kV

Basse tension moins de 20 kV
Suite à la dernière tempête de la fin de 1999, on peut se rendre compte que le réseau est très fragile. Pour cette raison, E.D.F. fait un effort pour enterrer les lignes électriques. Seules les lignes très haute tension (400kV) ne peuvent pour l’instant pas être enterrées pour des raisons techniques mais surtout économiques. Pour enterrer une ligne électrique de 400kV, il faudrait un tunnel comparable (en dimensions) à celui qui passe sous la Manche. Lors de reconstruction des lignes détruites par la tempête un effort sera fait pour les enterrer.
Fiche 7 : Consommation type d’une journée d’hiver.

  • La fiche 7 montre les variations de la consommation sur une journée de 24 heures.


L’utilisation de l’énergie hydroélectrique est très importante car l’énergie électrique ne peut pas être stockée. Certains événements font que la demande en électricité peut varier brusquement. Il faut qu’en permanence la production de l’énergie électrique soit la même que celle consommée. Les centrales hydroélectriques peuvent être très rapidement mobilisées. Elles sont ainsi un important moyen de régulation du réseau électrique français.

En quelques minutes, une grosse centrale hydroélectrique peut fournir dans les 900MW : par exemple, la centrale de Montézic (Midi-Pyrénées). De plus, une telle puissance peut permettre de pallier occasionnellement à l’indisponibilité d’une tranche nucléaire de 900 MW.

Ainsi, une réserve d’eau, se comporte comme une réserve d’énergie électrique mobilisable à tous moments. Ici, l’eau est une réserve d’énergie potentielle transformable en énergie électrique.

En cas d’incident majeur sur le réseau ( comme en 1979, où des incidents en cascade sur le réseau français plongèrent le pays dans le noir), les centrales hydrauliques sont les seules capables de redémarrer toutes seules sans apport d’énergie extérieur, et de ré alimenter les centrales nucléaires pour leur permettre de repartir. Bien qu’aujourd’hui le « black out » total soit peu envisageable grâce à l’interconnexion des réseaux nationaux et internationaux.
Pour ces raisons, la diversité des moyens de production est essentielle.

On peut citer d’autres exemples où la disponibilité des centrales hydrauliques est mise à contribution, notamment lors des matchs de football. Pas comme on pourrait le croire, pour éclairer les terrains, mais tout simplement parce qu’ au moment des mi-temps, l’allumage de milliers d’ampoules simultanément en France, provoque un pic dans la demande d’électricité et nécessite donc le démarrage des centrales hydrauliques. Comme quoi le football a des conséquences insoupçonnées….
Fiche 8 : Principe de fonctionnement.

 Un barrage ne fournit pas d’électricité. Il ne constitue qu’une retenue d’eau. Ce sont les turbines et les alternateurs situés dans la centrale, qui produisent l’électricité. La distance qui sépare le barrage de l’usine peut être grande. L’accouplement mécanique d’une turbine et d’un alternateur constitue l’unité de conversion fondamentale de toute centrale . ( Ceci est vrai pour tous les types de centrales.)
L’eau arrive sur une turbine qui se met en rotation. La puissance fournie par l’eau à la turbine est proportionnelle au débit et à la pression avec laquelle elle arrive. En fonction du débit et de la pression on utilise différents types de turbines.

 Une turbine entraîne le rotor d’un alternateur. L’alternateur est un convertisseur d’énergie mécanique en énergie électrique.
 L’énergie électrique ainsi créée, est transformée pour permettre un meilleur rendement lors du transport par le réseau vers les sites d’utilisation. Pour un meilleur rendement, il faut élever la tension électrique à la sortie de l’alternateur avant de l’envoyer sur le réseau. C’est le rôle du transformateur.
Le réseau électrique permet de transporter cette énergie chez l’utilisateur.
Fiche 9

Fiche permettant de choisir la vue des différentes turbines.
Fiche 10

La turbine Pelton est utilisée pour des hautes chutes (10 à 500 m) et des faibles débits (20 à 1 000 L/s). Elle est équipée d'augets en forme de cuillère qui sont placées autour de la roue et reçoivent l'eau par l'intermédiaire d'un ou plusieurs injecteurs.

Fiche 11

La turbine Francis est généralement utilisée pour des moyennes chutes (10 à 100 m) et des débits moyens (100 à 6 000 l/s). Elle comporte un distributeur à directrices de guidage orientables, une roue à pale fixe et un aspirateur à la sortie.
Fiche 12

Les turbines Kaplan et hélices sont les plus appropriées pour le turbinage des faibles chutes (moins de 10 m) et des débits importants (300 à 10 000 l/s). Elles se caractérisent par leur roue qui est similaire à une hélice de bateau dont les pales sont réglables en marche (Kaplan) ou fixes (hélices).
Le groupe bulbe  est un ensemble turbine-alternateur monobloc, compact. C’est au cours de la réalisation de l’usine marémotrice de la Rance que le groupe bulbe fut mis au point. La simplicité de mise en œuvre et d’exploitation de ces groupes fait qu’ils sont utilisés en rivière sur des chutes de faible importance, qu’il ne serait pas économique d’équiper de façon traditionnelle. Le groupe bulbe peut être entièrement immergé.

Fiche 13

La turbine Banki-Mitchell ou Crossflow convient pour des débits de 20 à

7 000 l / s et des chutes de 10 à 150 m. Elle est de construction très simple ce qui a permis son développement. Cependant à cause de moins bons rendements, cette turbine est, actuellement, peu utilisée par les constructeurs. De plus, sa vitesse de rotation est généralement basse ce qui fait qu'un important multiplicateur doit être intercalé entre la turbine et l’alternateur. Ce multiplicateur engendre à son tour une baisse du rendement.

Fiche 14 : Différents types de centrales
On peut classer les centrales suivant deux critères. Le premier concerne la hauteur de chute d’eau, le second le temps d’autonomie du réservoir d’eau.

 Nous avons les centrales de haute chute. L’eau est acheminée entre le réservoir et les turbines par des conduites forcées. En général le débit est faible. La puissance perdue pour cause de faible débit est retrouvée par une hauteur de chute importante et donc une grande pression. La hauteur de chute peut varier de 200 m à 1400 m.

Les centrales de moyenne chute, ont un dénivelé moins important ne dépassant pas 200 m mais le débit est plus important.

Les centrales de basse chute se trouvent sur les grands fleuves. Elles ont un débit très important mais une hauteur de chute très faible (quelques mètres).
 Usines de lac, d’éclusée ou au fil de l’eau

Quand la vidange du réservoir est supérieur à 400 heures en pleine puissance, on parle d’usines de lac. L’eau est turbinée durant les périodes de manque.

Les usines d’éclusée stockent l’eau durant la nuit pour la turbiner aux heures de pointe. Le temps de turbinage est compris entre 2 heures et 200 heures.

Les usines au fil de l’eau ne peuvent pas stocker l’eau. Elles turbinent l’eau en continu. On trouve ce type de centrales le long des grands fleuves. Cette centrale ne participe pas à la régulation du réseau français.
 Les usines de pompage-turbinage (STEP) recyclent l’eau. Elles sont constituées de deux réservoirs. Un en amont, l’autre en aval des turbines. Durant les périodes de fortes demandes en électricité, l’eau du réservoir en amont est turbinée et récupérée au réservoir inférieur. Durant les périodes creuses, l’eau du réservoir en aval est pompée pour reconstituer la réserve d’eau en amont. Lors du pompage ou du turbinage de l’eau, une partie de l’énergie est perdue. Il peut arriver que ce type de centrale consomme plus d’énergie qu’elle n’en produit. Son intérêt est de pouvoir fournir de l’électricité en période de pointe, et d’en consommer pour reconstituer ses réserves d’eau en période creuse (la nuit).

Ces usines nécessitent donc des groupes réversibles : turbine  pompe

alternateur  moteur
 L’usine marémotrice de la Rance. Sa production moyenne annuelle est de 500 millions de kWh. Elle barre l’estuaire de la Rance sur 700 m et convertit la force des marées en énergie électrique.

La centrale fonctionne dans les deux sens de la marée. Quand l’eau monte ou quand elle descend. Cette centrale utilise 24 groupes bulbes qui peuvent fonctionner dans les deux sens en utilisant la dénivellation due à la marée.

Ces groupes peuvent fonctionner en pompe aux heures creuses pour emmagasiner dans l’estuaire une réserve d’eau qui sera restituée aux heures pleines.
Fiche 14 

Différents types de barrages.
1) Barrages-poids, barrages en remblai :

Les barrages-poids sont les plus simples en principe. Ils opposent leur masse à la poussée de l’eau. De section triangulaire, ils présentent l’avantage de peu solliciter les berges mais requièrent une quantité importante de béton. On peut ne pas utiliser de béton, comme c’est le cas avec les barrages en remblai réalisés avec des matériaux naturels (terre ou enrochements) telles les digues du bassin supérieur de Montézic.
2) Barrages-voûtes :

Les barrages-voûtes, en arc de cercle, sont constitués par une voûte en béton qui reporte sur les rives la poussée due à l’eau. Ils sont réservés aux vallées dont les rives sont géologiquement très saines.
3) Barrages à contreforts :

Si la vallée est très large, on peut faire appel à la solution des barrages à contreforts, de forme triangulaire. Ils reportent la pression sur le sol. Les contreforts en béton supportent des voûtes de faible portée ou des dalles planes qui transmettent la poussée de l’eau sur les contreforts.

Fiche 15 :

 D’un point de vue écologique

Les énergies fossiles ont un inconvénient majeur, celui de leur impact sur l'environnement dû à l'émission de gaz à effet de serre en très grande quantité.

Mais face à leurs atteintes à l'environnement, induisant des changements climatiques pouvant être graves, et face aux difficultés politiques d'acceptabilité de l'énergie nucléaire, l'hydroélectricité prend toute sa valeur car elle est la plus importante des énergies renouvelables que l'on peut mobiliser économiquement surtout dans les pays en voie de développement.

Les aménagements hydroélectriques sont parfois critiqués en raison de leurs impacts sur l'environnement. Ces impacts sont essentiellement le fait de la présence du barrage. De la construction de barrages hydroélectriques découle:

- l'inondation des terres,

- la destruction des écosystèmes locaux,

- des changements dans la sédimentation dans les cours d'eau,

- la transformation de la nappe phréatique et du biotope aquatique.

Pour palier à certains de ces problèmes, l’eau des fleuves n’est pas turbinée dans sa totalité. Pour permettre aux poissons de remonter les cours d’eau, des passages sont aménagés.

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