18.5 : Énergie hydroélectrique

L'hydroélectricité (énergie hydroélectrique) fait référence à l'énergie contenue dans l'eau en mouvement, qui peut être utilisée pour produire de l'électricité. Il est en fin de compte alimenté par l'énergie solaire. En haute altitude, l'eau est réapprovisionnée par évaporation (induite par la chaleur solaire), par condensation et par précipitation. L'eau en mouvement fait tourner une turbine (figure\(\PageIndex{a}\)), ce qui déplace des aimants à l'intérieur d'une bobine de fil, provoquant le mouvement des électrons dans un générateur. Le résultat est un courant électrique (électricité). La combustion de combustibles fossiles ou de biocarburants, l'énergie nucléaire, l'énergie éolienne et les systèmes solaires thermiques suivent tous le même mécanisme général ; la différence est ce qui fait tourner la turbine.

Figure\(\PageIndex{a}\) : Une turbine hydraulique. L'eau en mouvement fait tourner les pales de la turbine. Le portillon contrôle le débit d'eau. L'eau en mouvement fait tourner les aimants du rotor et déplace les électrons à l'intérieur des boucles de fil du stator, générant ainsi un courant électrique. Image du Corps des ingénieurs de l'armée américaine (domaine public).

Il existe plusieurs types d'hydroélectricité, mais chacun produit de l'électricité par le biais du même mécanisme général décrit ci-dessus. L'utilisation la plus connue de l'hydroélectricité concerne les barrages. Les barrages bloquent le débit des rivières, créant un lac artificiel (réservoir) en amont. Le rejet d'eau est ensuite contrôlé. Une partie de cette eau passe par un canal (conduite forcée), et cette énergie cinétique (énergie du mouvement) est exploitée en électricité (figure\(\PageIndex{b}\)). Dans le cas de l'hydroélectricité au fil du fleuve, la turbine est placée directement dans une rivière et le flux naturel de l'eau qui traverse la rivière fait tourner la turbine. L'énergie marémotrice et l'énergie des vagues océaniques (figure\(\PageIndex{c}\)) sont également considérées comme des formes d'énergie hydroélectrique. Cependant, l'énergie marémotrice provient de l'attraction gravitationnelle de la lune et du soleil, plus éloigné, sur les océans de la Terre, combinée à la rotation de la Terre. En d'autres termes, la plupart des formes d'énergie hydroélectrique sont des formes indirectes d'énergie solaire, à l'exception de l'énergie marémotrice.

Figure\(\PageIndex{b}\) : Une section d'un barrage hydroélectrique. L'eau du réservoir passe par la prise d'eau dans la conduite forcée, qui est un canal étroit. L'eau en mouvement fait tourner une turbine. Cela alimente le générateur de la centrale. L'eau continue le long de la rivière. Pendant ce temps, l'électricité est distribuée par des lignes électriques à longue distance. Image de la Tennessee Valley Authority (domaine public).

Figure\(\PageIndex{c}\) : L'un des moyens d'exploiter l'énergie des vagues est d'utiliser un absorbeur. Les absorbeurs extraient l'énergie de la montée et de la descente des vagues à l'aide d'une bouée. La bouée est constituée d'un flotteur qui se trouve au-dessus de l'eau et d'une lourde plaque. Le longeron étroit relie les deux. Un câble relie la plaque lourde de chaque bouée à une sous-station sous-marine, et un autre câble relie la sous-station à la rive. Image et légende (modifiées) par OpenEI (domaine public).

Les petits projets hydroélectriques offrent des solutions énergétiques à de nombreuses communautés éloignées du monde entier, telles que celles du Népal, de l'Inde, de la Chine et du Pérou, ainsi qu'à des pays hautement industrialisés tels que les États-Unis. Les petits systèmes hydroélectriques sont ceux qui ont une capacité comprise entre 0,01 et 30 mégawatts (MW) d'énergie. À titre de référence, un générateur de 1 MW fonctionnant pendant une heure (produisant 1 MWh) produit suffisamment d'électricité pour alimenter une maison moyenne aux États-Unis pendant un peu plus d'un mois. Les petits systèmes hydroélectriques qui génèrent moins de 0,1 MW sont plus spécifiquement appelés systèmes microhydroélectriques (figure\(\PageIndex{d}\)). La plupart des systèmes utilisés par les propriétaires de maisons et de petites entreprises seraient considérés comme des systèmes de microhydroélectricité. En fait, un système de 10 kW peut généralement fournir suffisamment d'énergie pour une grande maison, un petit centre de villégiature ou une ferme d'agrément.

Figure\(\PageIndex{d}\) : Un microsystème hydroélectrique. Bien qu'il existe plusieurs façons d'exploiter l'eau en mouvement pour produire de l'énergie, les systèmes au fil du fleuve, qui ne nécessitent pas de grands réservoirs de stockage, sont souvent utilisés pour des projets de microhydroélectricité. Pour les projets hydroélectriques au fil du fleuve, une partie de l'eau d'une rivière est déviée vers un canal, un pipeline ou une conduite sous pression (conduite forcée) qui l'achemine vers une roue hydraulique ou une turbine. Sur cette image, l'eau de la rivière passe par la prise d'eau, puis se dirige vers le canal, le bassin d'entrée, la conduite forcée et la centrale, qui contient la turbine. L'eau en mouvement fait tourner la roue ou la turbine, qui fait tourner un arbre. Le mouvement de l'arbre peut être utilisé pour des processus mécaniques, tels que le pompage de l'eau, ou pour produire de l'électricité. Sur cette image, des lignes électriques relient la centrale à une maison voisine.

L'un des avantages de l'hydroélectricité est que les barrages et les réservoirs peuvent également être utilisés pour les loisirs, la lutte contre les inondations et le stockage de l'eau douce (voir Pénurie d'eau et solutions). Bien que nous ne soyons jamais à court d'eau en mouvement, le potentiel d'utilisation de l'hydroélectricité fluctue en fonction des précipitations. Par exemple, lors d'une sécheresse, le niveau d'eau d'un réservoir baisse et moins d'eau est libérée pour produire de l'électricité. Comme pour la plupart des sources d'énergie renouvelables, l'hydroélectricité n'est pas pratique partout et elle est plus efficace dans les régions montagneuses où les précipitations et la fonte des neiges sont abondantes.

Les barrages hydroélectriques et les réservoirs qu'ils créent dégradent l'habitat et ont un impact négatif sur les espèces indigènes. Par exemple, la migration des poissons vers leurs zones de frai situées en amont peut être entravée par des barrages. Dans les zones où les saumons doivent remonter pour se reproduire, comme le long du fleuve Columbia dans les États de Washington et de l'Oregon, les barrages leur barrent la route (figure\(\PageIndex{e}\)). Ce problème peut être partiellement atténué en utilisant des « échelles à poissons » qui aident les saumons à contourner les barrages (figure\(\PageIndex{f}\)). Les poissons qui se déplacent en aval peuvent toutefois être tués ou blessés lorsque l'eau circule dans les turbines du barrage. Les réservoirs et l'exploitation de barrages peuvent également affecter les habitats aquatiques en raison des changements de la température de l'eau, de la profondeur de l'eau, de la chimie, des caractéristiques du débit et de la charge en sédiments, qui peuvent tous entraîner des modifications importantes de l'écologie et des caractéristiques physiques de la rivière en amont et en aval. Lorsque les réservoirs se remplissent d'eau pour la première fois, ils inondent les habitats terrestres (terrestres), les fermes, les villes et les sites archéologiques et culturels, obligeant parfois les populations à se déplacer. La végétation terrestre se décompose lentement dans des conditions pauvres en oxygène, libérant du méthane dans l'atmosphère, un puissant gaz à effet de serre. En ce sens, l'hydroélectricité génère peu de polluants atmosphériques pendant son exploitation, mais la construction contribue au changement climatique.

Figure\(\PageIndex{e}\) : Le barrage Grand Coulee sur le fleuve Columbia, dans l'État de Washington, a créé le lac Roosevelt, qui propose des activités de plein air telles que la pêche et la natation. Cependant, elle a compromis les populations de saumon et a inondé des sites sacrés pour les membres de la tribu de Spokane. Image du Bureau of Reclamation des États-Unis (domaine public).

Figure\(\PageIndex{f}\) : À gauche : La passe à poissons de l'écluse et du barrage John Day, le long du fleuve Columbia, en Oregon, permet aux poissons adultes de migrer seuls vers l'amont du barrage. À droite : Schéma d'une échelle à poissons qui permet le passage des saumons au-dessus d'un barrage. Les saumons nagent en amont pour frayer (se reproduire) et peuvent gravir les marches de l'échelle à la nage. Le flux provenant de l'échelle attire les saumons en migration. À la piscine tournante, ils tournent puis remontent le niveau suivant de l'échelle jusqu'à ce qu'ils franchissent le barrage. Image de gauche et légende (modifiées) provenant du Corps des ingénieurs de l'armée américaine, et image de droite de la NOAA Fisheries (domaine public).

Alors que les projets hydroélectriques à grande échelle de barrages sont souvent critiqués pour leurs impacts sur l'habitat faunique, la migration des poissons, le débit et la qualité de l'eau, les petits projets de cours d'eau sont exempts de bon nombre de ces problèmes environnementaux. Comme ils utilisent le débit naturel de la rivière, ils modifient à peine le chenal et le débit du cours d'eau. Ainsi, des effets tels que l'appauvrissement en oxygène, l'augmentation de la température, la diminution du débit et l'entrave à la migration vers l'amont ne constituent pas un problème pour de nombreux projets de cours d'eau.

Attribution

Modifié par Melissa Ha de Renewable Energy and Challenges and Impacts of Energy Use from Environmental Biology par Matthew R. Fisher (sous licence CC-BY)