Créer un site gratuitement Close

Le TPE

I ) LES BARRAGES HYDROELECTRIQUES ET LEUR FONCTIONNEMENT.

 

             1. Les différents types de barrages

Il existe de différents types de barrages, qui diffèrent par leur composition, leur forme ou leur principe.

   • Les barrages-poids

        Le poids seul d’un barrage poids permet la résistance de celui-ci à la poussée de l’eau. Il est utilisé dans de larges vallées, sa hauteur en est donc moins importante. Ainsi les barrages poids sont des ouvrages qui comportent une basse chute d’eau. Le barrage poids est souvent de forme triangulaire, ou en couronnement, c'est-à-dire qu’il dispose d’une surface aplatie, en son sommet, pour déambuler.
Les premiers véritables barrages poids, construits en France entre 1830 et 1850, était alors d’une vingtaine de mètres de hauteur. Depuis 1860, ces barrages peuvent faire jusqu’à plus de 100 m de hauteur. Suivant le même principe, les barrages-terre basent également leur résistance sur leur poids, mais sont constitués de terre compactée plus ou moins imperméable.

.Barrage poids.

 

   • Les barrages-voûtes

         Les barrages voûtes ont la particularité de s’appuyer sur les rebords d’une falaise, ainsi ils utilisent la solidité de la falaise pour assurer leur maintient. Ils sont plus économes en béton. Mais ils nécessitent une paroi rocheuse de très bonne qualité pour avoir des maintiens solides. Les vallées dans lesquelles ils sont construits ne doivent pas être trop larges, mais par conséquent ils sont plus hauts et les barrages voûtes sont souvent de haute chute. Le plus grand barrage voûte de France est celui de Tignes.

.Barrage de Tignes.

            

 

             2. Principe et fonctionnement des barrages hydroélectriques.

Les différent types de barrages hydroélectriques vus ci-dessus sont conçus pour répondre à plusieurs étapes distinctes :

-    Ils empêchent l’écoulement naturel de l’eau, ainsi de grandes quantités d’eau s’accumulent et forment un lac de retenue. La pression du barrage répond à l'équation suivante :

      F = ρ . g . L . 1/2 . h2          Où F est la force de pression de l'eau, exercée sur une surface immergée du barrage

                                                          Où ρ est la massae volumique de l'eau, g la gravité

                                                          Où L est la largeur du plot considéré, et h la hauteur de l'eau au dessus de ce plot

-    Une fois cette eau stockée, les vannes du barrages sont ouvertes, soit pour gérer une crue, soit pour amorcer un cycle de production d’électricité. Ce cycle est traduit par le passage de l’eau dans une conduite forcée, ou des galeries creusées dans la roche, qui vont la conduire vers la centrale hydroélectrique située en aval.

-    A la sortie de ces conduites, la force de l’eau provoque la rotation des turbines.

-    La turbine, entraînée par l’eau, est mécaniquement reliée à un alternateur qui va produire de l’électricité. Une fois celle-ci produite, un transformateur élève alors sa tension, afin de pouvoir la transporter dans les lignes à haute-tension.

-    L’eau, quant à elle, est rejetée dans la rivière par le canal de chute.

 

                   Les Turbines :

Différentes sortes de turbines sont utilisées, elles sont adaptées à différents barrages hydroélectriques. Il y a trois principales sortes de turbines :

.Turbine Pelton.
   

    La turbine Pelton, la plus connue, est adaptée à de hautes chutes d’eau ( supérieures à 400 m ), et elle répond à un faible débit d’eau, inférieur à 15m³ par seconde. Le principe de la turbine Pelton répond aux équations suivantes :

 

                                                                                         

     Où Vi est la vitesse de l'eau à la sortie de l'injecteur, Vr est la vitesse de rotation de la roue, et η le rendement de la roue, qui est exceptionnel ( 90 % )


    La turbine Francis, elle, est adaptée à des chutes plus basses, allant de 20 à 450 m, et correspond à un débit et une puissance moyens. La production d’électricité est très variable, allant de quelques kW à plusieurs centaines de MW. Elle répond, à un débit plus important d’eau, d’à peu près 30m³ par seconde. Le rendement de ces turbines va de 80% à 95%.

.Turbine Francis.
   

     Enfin, La turbine Kaplan est associée à de faibles chutes d’eau et à de grand débits, allant de 5 à 100m³ par seconde. Son rendement est élevé, se situant entre 90% et 95%, grâce à ses pâles, dont l’angle en opération varie.

.Turbine Kaplan.

 

           les alternateurs :

 Faraday découvre en 1831 des phénomènes d'induction électromagnétique qui lui permettent d'envisager de produire des tensions et des courants électriques alternatifs à l'aide d'aimants. On construit la même année une première machine qui sera perfectionnée ensuite. Un alternateur est une machine rotative qui convertit l'énergie mécanique fournie par un moteur (turbine, diesel, éolienne...) en énergie électrique à courant alternatif.

      Principe de fonctionement théorique d'un alternateur :

Le principe d'induction magnétique est généralement expérimenté en déplaçant un aimant permanent dans une bobine. Une tension se crée aux bornes de la bobine. Un alternateur fonctionne selon ce principe : un électroaimant, alimenté par un courant d'excitation, est en rotation à l'intérieur de trois bobines : il  produit ainsi trois tensions triphasées alternatives décalées de 120°. Ces tensions sont ensuite redressées en une tension continue.
L'énergie produite par un alternateur est proportionnelle à la vitesse de rotation de l'électroaimant et à sa puissance, qui elle même est proportionnelle au courant d'excitation.

Plus de 95 % de l’énergie électrique est produite par des alternateurs synchrones : machines électromécaniques fournissant des tensions de fréquences proportionnelles à leur vitesse de rotation.

.fonctionnement d'un alternateur électrique.

 

Rotor : partie en rotation qui génère le champ magnétique via une bobine dite d'excitation, allimentée par des balais

Stator : cage fixe composée de 3 enroulements de fils de cuivre décalés de 120°.                           

                        

                          En France, la part de la production d’électricité par les barrages hydroélectriques est de 15%, soit une puissance de 70 TWh.

 

II ) IMPACT DES BARRAGES HYDROELECTRIQUES SUR L’ENVIRONNEMENT.

 

             1. Des conséquences néfastes pour l’environnement

 

     La technologie hydraulique, bien qu’elle soit considérée comme une énergie propre et renouvelable, entraîne quelques conséquences négatives que nous allons détailler :



      Le barrage formant un lac de retenue est un frein ou un blocage à la migration d’espèces aquatiques. Dans certains pays, la  solution pour y mettre un terme est la fabrication d'"échelles à poissons" ( voir photo ci-desous ). Ces échelles évitent parfois le transport de poissons par camions, même si cette méthode y est utlisée lorsque il y a enchainement de plusieurs barrages succsessifs et où la construction d'échelles sur chacun d'eux serait trop coûteuse.

.Echelle à poissons.


La création d’un lac de retenue implique aussi l’inondation de la zone en amont. Ces modifications artificielles entraînent un changement écologique impliquant parfois les hommes, par l’engloutissement de villes, de champs... Cependant un nouvel écosystème est très vite recréé, ainsi, en trente ans, 99% de l'écosystème serait recréé, bien qu'il soit différent.

Des études montrent que ces réservoirs seraient producteurs de gaz à effet de serre, avec des émissions très variables selon le lieu et l’historique de la zone (nature des sols et climat). Ces gaz sont produits par la dégradation  de la végétation inondée, mêlée aux apports de carbone du bassin versant. Les émissions peuvent être quasi nulles, au Canada, zone boréale, comme elles peuvent être importantes, par exemple, au Brésil.


             2. Des conséquences néfastes pour les Hommes.

      Les barrages hydroélectriques et les barrages en général ont une conséquence sociale, Les lacs de retenue formés engloutissant les région en amont et parfois des villages, des cultures et des monuments historiques  auxquels les habitants tiennent (églises, cimetières...).

       Les catastrophes sont très rares dans le domaine des barrages mais néanmoins elles éxistent. Sur tous les très gros , chantiers qu'ils soient de barrages ou non, il y a parfois des accidents, que ce soient des blessés légers ou graves parfois des morts. Par exemple sur le barrage des Trois-Gorges, le barrage le plus long et le plus producteur d'électricité, les accidents furent fréquents durant sa construction et, malheureusement, une centaine de vies furent prises. Parfois des catastrophes plus importantes surviennent : c'est le cas des ruptures de barrages. Pour mieux expliquer ce phénomène nous allons prendre un exemple concret :

1959, sur une journée et une saison particulièrement pluvieuse, après des mois de secheresse durant lesquels barrage ne s'était pas rempli, le barrage de Malpasset se brise déversant sur des kilomètres en aval jusquà la mer, en passant par Fréjus . 50 millions de mètres cubes d'eau (imaginez vous un cube de 365 mètres de côté !) , devallent et entrainent avec elle des blocs de plus de 500 tonnes. Cet horrible évènement fit 400 morts et disparus et causa des dommages  importants. C'est la plus grosse catastrophe de ce genre qui soit survenue en France. Ce barrage n'était pourtant pas vétuste. En effet cette rupture survint seulement 5 ans après sa mise en eau.

 

.Barrage de Malpasset (avant/après).

 

Conclusion :

 

      L'hydroélectricité est une énergie assez récente (XIXème Siécle) comparée à l'âge des premiers barrages (plusieurs milénaires avant J-C), et leur utilisation ne décroît pas. Il sont classifiés dans la partie des énergies renouvelables  car l'eau est renouvelée en permanence. C'est aussi une énergie propre, car même si on a précisé que les lacs de retenue engloutissent la région en amont, la dégradation de la flore et la production de dioxyde de carbone est mineure quand à la production d'électricité. Ainsi en général ces barrages sont une très bonne source d'électricité renouvelable et non poluante, même si parfois ils peuvent avoir des conséquences humaines.