Comment fonctionne un barrage hydroélectrique ?

Un barrage hydroélectrique ou station de transfert est une structure en béton construite directement dans le courant d'un cours d'eau naturel pour servir de réservoir d'énergie potentielle. Il a également pour mission de faire convoyer d'importantes quantités d'eau vers des turbines qui à leur tour font tourner des générateurs qui produisent de l'électricité. Comment fonctionne ce type de barrage ? Quel est son impact environnemental ?

Comment une centrale hydroélectrique produit-elle de l'électricité ?

Il ne suffit pas que l'eau s'accumule dans un barrage hydroélectrique pour qu'elle se transforme en électricité. Au contraire, il s'agit de tout un processus de transformation qui se déroule en plusieurs étapes.

Le lac d'accumulation

En fonction de sa puissance, un courant d'eau naturel (rivière, fleuve, lac) peut libérer une certaine quantité d'énergie potentielle. Cette dernière se présente en général sous forme d'énergie mécanique dont le flux est concentré sur un chemin spécifique par la gravité.

Construit en travers d'un cours d'eau, un barrage hydroélectrique permet non seulement de réguler son débit, mais également de stocker son eau dans un lac artificiel appelé « lac d'accumulation ». Il emprisonne par la même occasion son énergie potentielle. La vitesse et la profondeur de l'eau passant par la conduite du barrage créent une charge hydraulique qui fait tourner la turbine de l'usine hydroélectrique.

Mise en route de la turbine

Les turbines sont composées de pales mécaniques de formes et de tailles variées. Les grosses turbines à réaction comme les turbines Francis (que l'on retrouve sur le barrage des Trois-Gorges en Chine) sont dotées de pales de grandes tailles qui ont besoin de tensions très élevées et de gros moteurs pour tourner.

Par exemple, pour tourner, la turbine Francis s'appuie sur la charge hydraulique. Cette dernière est créée par la pression hydrostatique découlant de l'énergie potentielle du barrage et augmente avec la vitesse de l'eau.

En d'autres termes, la charge hydraulique d'un barrage hydroélectrique dépend exclusivement de sa hauteur et du débit de l'eau. La rotation de la turbine transforme la charge hydraulique en énergie cinétique, ce qui élimine la vitesse et la pression hydrostatique du fluide. À partir de ce moment, l'eau s'écoule paisiblement à la base du barrage.

La transformation en électricité

C'est le mouvement rotatif de la turbine qui transforme l'énergie cinétique de l'eau en énergie électrique. Une turbine hydraulique peut être couplée directement à un générateur électrique ou grâce à une transmission ou une boîte de vitesse qui entraîne l'arbre ainsi que l'armature du générateur. Les balais et le collecteur, quant à eux, capturent le flux d'électricité généré par l'armature rotative du générateur.

Les usines hydroélectriques utilisent des générateurs très puissants capables de créer une quantité importante de résistance à la rotation mécanique (réluctance). Pour surmonter cette réluctance, la rotation de la turbine doit générer d'importantes forces de couple. Grâce à un système de transmission semblable à celui d'une auto, le mouvement giratoire de la turbine se convertit en plusieurs rapports couple/vitesse.

Le transport du courant électrique

L'électricité ainsi produite est convertie en tension puis transporter vers les consommateurs via des lignes électriques haute et très haute tension. Concrètement, les générateurs élévateurs des barrages hydrauliques se servent des tensions de sortie des générateurs de faibles intensités pour générer des tensions directement utilisables par les foyers. C'est le cas notamment des centrales au fil de l'eau.

Les centrales hydroélectriques génèrent également des tensions plus élevées destinées aux transmissions électriques longue distance. De plus, plus le courant électrique est faible, plus ses tensions sont efficaces. Par exemple, grâce à l'utilisation dans le transport électrique d'une transmission de 500 kV, le barrage de Glen Canyon à Paige (Arizona) peut fournir de l'électricité à des ménages situés à environ 1500 km au nord du Nebraska.

Les différents types de barrages hydroélectriques

Pour ne pas s'effondrer sous la pression de l'eau, un barrage hydraulique doit s'adapter parfaitement avec la géologie du sol où il est installé. C'est la raison pour laquelle, il existe différents types de barrages hydroélectriques.

Le barrage-poids

De masse imposante, le barrage-poids conçu est en terre, en béton et en roche puis compacté au BCR. Sa résistante à la poussée de l'eau lui est conférée par le poids de sa structure en béton armé.

De plus, il est doté d'un mur à surface plane qui permet de répartir l'eau sur toute la surface. Le barrage-poids repose uniquement sur le sol. Il est donc essentiel que celui-ci soit vraiment très solide. C'est pourquoi ce type de barrage est généralement construit dans les grandes vallées.

Le barrage-voûte

Le barrage-voûte doit son nom à sa forme courbée. On le rencontre exclusivement dans les vallées étroites avec des rives rocheuses. Il est construit pour fermer la vallée de façon à former un lac d'accumulation et une chute d'eau.

Le barrage-voûte est orienté vers le lac, ceci lui permet de canaliser la force de la poussée de l'eau vers les rives rocheuses via un canal de dérivation. La puissance du fluide étant dirigée vers les flancs du barrage, les murs naturels de ce dernier ont tout intérêt à être d'une grande solidité.

Le barrage à contreforts

Également construit en béton armé, le barrage à contreforts nécessite tout de même moins de matériaux que les autres. Installés à l'arrière du barrage et solidement ancrés sur le sol rocheux, les contreforts servent de soutien à un mur plat.

L'ensemble est orienté vers le lac d'accumulation. Les flancs de la structure sont également ancrés sur le sol rocheux. Ce dernier doit donc être résistant pour permettre au barrage de résister aux intempéries.

L'énergie hydroélectrique : une énergie renouvelable des plus prometteuses

Les barrages hydroélectriques nécessitent de très grands espaces. De ce fait, lors de leur construction de nombreuses populations sont déplacées et plusieurs terres agricoles sont inondées. Cependant, leur impact environnemental est négligeable au regard de l'énorme potentiel que représente l'exploitation de l'énergie hydraulique.

Il faut en effet préciser qu'en dehors de l'énergie potentielle des cours d'eau, il est également possible d'exploiter l'énergie des marées. C'est le cas par exemple du barrage de la Rance qui alimente l'usine marémotrice de la Rance et qui tire énergie de la puissance de la marée.

Mieux, la puissance hydroélectrique est en constante évolution. Aujourd'hui, La Chine détient la deuxième plus grosse centrale hydroélectrique du monde (située à Baihetan de 289 mètres de haut), un ouvrage destiné à couvrir à terme plus de 2,6% des besoins en énergie électrique du pays. Ceci est dû à l'amélioration des systèmes de production et la construction de nouveaux barrages et de nouvelles centrales marémotrices. De plus, l'efficacité des turbines frôle désormais les 100% grâce à la modélisation de la dynamique des fluides et la diminution des seuils de fabrication.

À cela s'ajoutent les avancées dans les sciences des matériaux de lubrification, la conception des boîtes de vitesse, l'efficacité des conducteurs, etc. Tous autant de facteurs qui font de l'énergie hydroélectrique est considérée à juste titre comme l'énergie renouvelable la plus importante du monde.

Pour aller plus loin, n'hésitez pas à consulter notre article pour tout comprendre de l'énergie pilotable.