Caractéristiques d'énergie hydraulique, comment fonctionne, avantages, utilise

La énergie hydraulique C'est la capacité de l'eau à produire un travail sous forme de mouvement, de lumière et de chaleur en fonction de son potentiel et de son énergie cinétique. De même, il est considéré comme une énergie renouvelable propre et haute performance.

Cette énergie est déterminée par l'écoulement, la pente entre les points du terrain à travers lequel l'eau et la force de gravité se déplacent. Il est utilisé par l'être humain depuis les temps anciens pour effectuer différentes œuvres.

Dam Itaipú (Brésil et Paraguay). Source: Angelo Leithold [CC BY-SA 3.0 (http: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0 /]]

L'une des premières utilisations données à l'énergie hydraulique était de conduire des usines d'eau qui ont profité de la force du courant. De cette façon, par les engrenages pourrait déplacer des pierres de moulin à lancer.

À l'heure actuelle, son application la plus pertinente est la production d'électricité par l'énergie hydraulique ou les centrales hydroélectriques. Ces centrales sont essentiellement constituées d'un barrage et d'un système de turbines et d'alternateurs.

L'eau s'accumule dans le barrage entre deux niveaux du canal (pente géodétique), générant une énergie potentielle gravitationnelle. Par la suite, le flux d'eau (énergie cinétique) active les turbines qui transmettent l'énergie aux alternateurs pour produire de l'électricité.

Parmi les avantages de l'énergie hydraulique, il est renouvelable et non polluant, contrairement à d'autres sources d'énergie. D'un autre côté, il est très efficace avec une performance qui va de 90 à 95%.

L'impact environnemental des usines hydroélectriques est associé à la variation de la température et de l'altération physique de l'évolution de l'eau. De même, il y a des déchets et des déchets de graisse qui filtrent de la machine.

Son principal inconvénient est l'altération physique qu'elle provoque car de grandes extensions de terres sont inondées et le cours et le flux naturel des rivières sont modifiés.

La plus grande usine hydroélectrique du monde est les trois gorges, situées en Chine, sur la rivière Yangté. Les deux autres en importance sont ceux d'Itaipu à la frontière entre le Brésil et le Paraguay et l'usine hydroélectrique de Simón Bolívar ou Guri au Venezuela.

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Caractéristiques

La source d'énergie hydraulique est de l'eau et est considérée comme une énergie renouvelable dans la mesure où le cycle de l'eau ne modifie pas. Il peut également produire des travaux sans générer des déchets solides ou des gaz polluants et est donc considéré comme une énergie propre.

Performance

La performance énergétique fait référence à la relation entre la quantité d'énergie obtenue dans un processus et l'énergie nécessaire pour investir dans le même. Dans le cas de l'énergie hydraulique, un rendement est atteint entre 90 et 95% selon la vitesse de l'eau et le système de turbine utilisé.

Comment fonctionne l'énergie hydraulique?

Schéma d'une usine hydroélectrique. Source: utilisateur: Tomia [CC par 3.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / par / 3.0)]

Transformation de l'énergie solaire en énergie cinétique

Le fondement de l'énergie hydraulique est en énergie solaire, la topographie du terrain et de la gravité terrestre. Dans le cycle de l'eau, l'énergie solaire provoque l'évaporation, puis l'eau se condense et précipite sur la terre.

En raison des pentes du terrain et de la force de gravité, les courants d'eau de surface sont produits à la surface de la terre. De cette façon, l'énergie solaire se transforme en énergie cinétique en raison du mouvement de l'eau par l'action combinée de l'inégalité et de la gravité.

Par la suite, l'énergie cinétique de l'eau peut être transformée en énergie mécanique capable de faire du travail. Par exemple, les lames qui transmettent le mouvement à un système de vitesse qui peut fabriquer divers appareils peut être déplacé.

L'ampleur de l'énergie hydraulique est donnée par la pente entre deux points donnés du canal et le flux de la même. Plus la pente du terrain est grande, plus l'énergie potentielle et cinétique de l'eau ainsi que sa capacité à générer du travail.

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En ce sens, l'énergie potentielle est celle qui s'accumule dans une masse d'eau et est liée à sa hauteur par rapport au sol. D'un autre côté, l'énergie cinétique est celle qui libère de l'eau dans son mouvement de chute en fonction de la topographie et de la gravité.

Production d'électricité à partir d'énergie hydraulique (hydroélectrique)

L'énergie cinétique générée par l'eau à sa chute peut être utilisée pour produire de l'électricité. Ceci est réalisé en construisant des barrages où l'eau s'accumule et conserve à différents niveaux de hauteur.

Ainsi, l'énergie potentielle de l'eau est directement proportionnelle à l'inégalité entre un point et un et lorsque l'eau tombe, elle est transformée en énergie cinétique. Par la suite, l'eau passe par un système de rotation des lames et génère une énergie de rotation cinétique.

Le mouvement de rotation permet de déplacer des systèmes d'engrenages qui peuvent activer des systèmes mécaniques tels que les usines, les norias ou les alternateurs. Dans le cas particulier de la production d'énergie hydroélectrique, le système nécessite un système de turbine et un alternateur pour produire de l'électricité.

Turbines

La turbine se compose d'un axe horizontal ou vertical avec un système de lames qui par la force de l'eau tournent l'axe.

Il existe trois types de base de turbines hydrauliques:

Turbine Pelton

Turbine Pelton. Source: Robertk9410 [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)]

C'est une turbine à impulsion à haute pression avec un axe horizontal qui fonctionne sans être totalement submergé. La Rodete transporte une série de lames (palettes ou dents) concaves qui sont entraînées par des jets à eau.

Plus il y a de jets d'eau s'écraser contre la turbine, plus de puissance sera générée. Ce type de turbine est utilisé pour les sauts d'eau de 25 à 200 mètres de haut et atteint une efficacité allant jusqu'à 90%.

Francis Turbine

Francis Turbine. Source: Le téléchargeur d'origine était Stahlkocher chez le Wikipedia allemand. [CC BY-SA 3.0 (http: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0 /]]

Il s'agit d'une turbine de réaction à pression moyenne avec un axe vertical et fonctionne totalement submergé dans l'eau. La Rodete est composée de palettes entraînées par l'eau menée par un distributeur.

Il peut être utilisé dans les sauts d'eau de 20 à 200 mètres de haut et atteint une efficacité de 90%. C'est le type de turbine qui est utilisé plus fréquemment dans les grandes plantes hydroélectriques du monde.

Turbine Kaplan

Turbine Kaplan. Source: Therunnerup [CC BY-SA 3.0 AT (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0 / at / acte.dans)]

C'est une variante de la turbine Francis et, comme ceci, il a un axe vertical, mais la roue est formée par une série de lames orientables. C'est une réaction à haute pression et fonctionne totalement submergé dans l'eau.

La turbine Kaplan est utilisée dans des sauts d'eau de 5 à 20 mètres de haut et son efficacité peut atteindre jusqu'à 95%.

Alternateur

L'alternateur est un appareil qui a la capacité de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique par induction électromagnétique. Ainsi, les pôles magnétiques (inductance) sont tournés à l'intérieur d'une bobine avec des poteaux alternatifs de matériau conducteur (par exemple le cuivre roulé en fer sucré).

Son fonctionnement est basé sur le fait qu'un conducteur soumis pendant un certain temps à un champ magnétique variable génère une tension électrique.

avantage

L'énergie hydraulique est largement utilisée car elle a de nombreux aspects positifs. Parmi ceux-ci, nous pouvons mettre en évidence:

C'est économique

Bien que dans le cas des usines hydroélectriques, l'investissement initial est élevé, en termes généraux à long terme, c'est une énergie bon marché. Cela est dû à sa stabilité et à son faible coût d'entretien.

De plus, les rémunérations économiques fournies par les réservoirs possédant des possibilités d'aquaculture, de sports aquatiques et de tourisme doivent être ajoutés.

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Il est renouvelable

Étant basé sur le cycle de l'eau, c'est une source d'énergie renouvelable et continue. Cela implique qu'il n'est pas épuisé dans le temps contrairement à l'énergie des combustibles fossiles.

Cependant, sa continuité dépend du cycle de l'eau n'est pas modifié dans un certain ou dans le monde entier.

Haut rendement

L'énergie hydraulique est considérée comme très efficace et avec des performances élevées entre 90 et 95%.

Ce n'est pas polluant

Ce type d'énergie utilise une source naturelle comme l'eau et ne produit pas non plus de déchets ou de gaz polluants. Par conséquent, son impact sur l'environnement est réduit et est considéré comme une forme d'énergie propre.

Présence de réservoirs

Dans les cas où les réservoirs sont construits pour l'utilisation de l'énergie hydroélectrique, celles-ci ont une série d'avantages supplémentaires:

- Ils permettent de réguler le débit de la rivière et d'éviter les inondations.
- Ils représentent un réservoir d'eau pour la consommation humaine, l'irrigation et l'utilisation industrielle.
- Ils peuvent être utilisés comme zones récréatives et pour la pratique des sports nautiques.

Désavantages

Dépendance des précipitations

Une limitation de la production d'énergie hydroélectrique est sa dépendance à l'égard du régime des précipitations. Par conséquent, dans les années particulièrement sèches, l'approvisionnement en eau peut diminuer considérablement et le niveau du réservoir est réduit.

Lorsque le débit d'eau est réduit, la production d'électricité est plus faible. De telle manière que dans les régions qui dépendent fortement de l'énergie hydroélectrique, des problèmes peuvent survenir dans l'approvisionnement.

Altération du cours naturel de la rivière

La construction d'un barrage dans une rivière modifie son cours naturel, son inondation, le régime diminuant (diminution de l'écoulement) et le processus de traînée des sédiments. Par conséquent, des changements dans la biologie des plantes et des animaux aquatiques sont produits à proximité du plan d'eau.

D'un autre côté, la rétention des sédiments dans le barrage modifie la formation de deltas à l'embouchure des rivières et modifie les conditions du sol.

Danger de rupture des barrages

En raison du grand volume d'eau stocké dans certains barrages hydroélectriques, une ventilation du mur de confinement ou des pentes voisines peut produire des accidents graves. Par exemple, au cours de l'année 1963, le détachement de la colline s'est produit sur le barrage de Vajont (aujourd'hui en désuétude) en Italie et a causé 2.000 morts.

Applications

Norias et pompes à eau

La rotation d'une roue entraînée par l'énergie cinétique de l'eau permet de transporter l'eau d'un puits peu profond ou d'un canal vers un canal élevé ou un réservoir. De même, l'énergie mécanique générée par la roue peut faire fonctionner une pompe hydraulique.

Le modèle le plus simple se compose d'une roue avec des lames avec des bols qui collectent l'eau en même temps qui sont entraînés par le courant. Ensuite, dans leur rotation, ils laissent tomber l'eau dans un réservoir ou un canal.

Moulins

Pendant plus de 2000 ans, les Grecs et les Romains ont utilisé l'énergie hydraulique pour déplacer les usines afin de moudre les céréales. La roue tourne par les engrenages actifs de courant d'eau qui tournent la pierre du moulin.

Forjas

Une autre application ancienne de la capacité de travail basée sur l'énergie hydraulique est son utilisation pour activer le soufflet de forge dans le travail de Herrería et de la métallurgie.

Fracture hydraulique

Dans l'exploitation minière et l'huile, l'énergie cinétique de l'eau est utilisée pour éroder la roche, la fracturer et faciliter l'extraction de divers minéraux. Pour cela, des canons d'eau de pression gigantesques sont utilisés qui ont frappé le substrat pour l'éroder.

Il s'agit d'un sol destructeur et d'une technique très polluante des cours d'eau.

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Fractionnement

Une technique très controversée qui acquiert un boom de l'industrie pétrolière est la Fractionnement. Il consiste à augmenter la porosité de la roche mère qui contient du pétrole et du gaz afin de faciliter sa sortie.

Ceci est réalisé en injectant de grandes quantités d'eau et de sable à haute pression à côté d'une série d'additifs chimiques. La technique a été remise en question par sa consommation élevée de l'eau, contaminant les sols et les eaux et provoquant des changements géologiques.

Plantes hydroélectriques

L'utilisation moderne la plus courante consiste à fonctionner de l'électricité centrale de la production, donc des plantes hydroélectriques ou hydrauliques.

Exemples de plantes énergétiques hydrauliques

Les trois gorges

Mère des trois gorges (Chine). Source: Le Grand PortageDerivative Travail: Rehman [CC par 2.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / par / 2.0)]

L'hydroélectrique de Las Tres Gulfantas est située dans la province de Hubei en Chine dans le parcours de la rivière Yangté. Ce barrage a commencé à être construit en 1994 et a été achevé en 2010, atteignant une zone inondée de 1.045 km² et une capacité installée de 22.500 MW (Megawatts).

L'usine comprend 34 turbines Francis (32 sur 700 MW et deux des 50 MW) avec une production d'énergie électrique annuelle de 80,8 GWh. Il s'agit de la plus grande usine hydroélectrique au monde en termes de structure et de puissance installée.

La proie des trois gorges a réussi à contrôler les inondations périodiques de la rivière qui en sont venues à endommager gravement la population. Il garantit également l'approvisionnement en électricité de la région.

Cependant, sa construction a eu des conséquences négatives telles que le déplacement d'environ 2 millions de personnes. De plus, il a contribué à l'extinction du dauphin de chinois ou de baiji (lipotes vexillifer) qui était en danger critique.

Itaipú

Barrage d'Itaipú. Source: Herr Stahlhoefer [domaine public]

L'usine hydroélectrique d'Itaipu est située à la frontière entre le Brésil et le Paraguay au cours de la rivière Paraná. Sa construction a commencé en 1970 et s'est terminée en trois étapes en 1984, 1991 et 2003.

La zone inondé du barrage est 1.350 km² et a une capacité installée de 14.000 MW. L'usine comprend 20 turbines Francis de 700 MW chacune et a une production annuelle d'énergie électrique de 94,7 GWh.

Itaipú est considéré comme la plus grande usine hydroélectrique du monde en production d'énergie. Il contribue 16% de l'électricité consommée au Brésil et 76% du Paraguay.

Quant à ses impacts négatifs, ce barrage a affecté l'écologie des îles et du Delta del Río Paraná.

Simón Bolívar (Guri)

Simón Bolívar Hydroelectric Power Plant (Gurí, Venezuela). Source: Warairapano et Guaicaipuro [CC0]

L'usine hydroélectrique de Simón Bolívar, également connue sous le nom de barrage de Guri, est située au Venezuela au cours de la rivière Caroní. Le barrage a commencé à être construit en 1957, une première étape s'est terminée en 1978 et a été achevée en 1986.

Le barrage de Guri a une zone inondée de 4.250 km² et une capacité installée de 10.200 MW. Son usine comprend 21 turbines Francis (10 sur 730 MW, 4 sur 180 MW, 3 sur 400 MW, 3 sur 225 MW et l'un des 340 MW)

La production annuelle est de 46 GWh et est considérée comme la troisième plus grande usine hydroélectrique au monde en termes de structure et de puissance installée. L'usine hydroélectrique fournit 80% de l'électricité consommée par le Venezuela et une partie est vendue au Brésil.

Lors de la construction de cette usine hydroélectrique, de grandes extensions d'écosystèmes vénézuéliens du guayana ont été inondées, qui est une région à haute biodiversité.

Aujourd'hui, en raison de la profonde crise économique du Venezuela, la capacité de production de ce centre a été considérablement réduite.

Les références

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4.- Stickler CM, Coe MT, MH Cost. Dépendance de la production d'énergie hydroélect. Actes de la National Academy of Sciences, 110 (23), 9601-9606.
5.- Soria E (S / F). Hydraulique. Énergies renouvelables pour tous. Iberdrola. 19 P.