La énergie hydraulique est la capacité de l'eau à produire du travail sous forme de mouvement, de lumière et de chaleur en fonction de son potentiel et de son énergie cinétique. Elle est également considérée comme une énergie renouvelable propre et performante.
Cette énergie est déterminée par le débit, l'inégalité entre les points du sol à travers lesquels l'eau se déplace et la force de gravité. Il a été utilisé par les humains depuis l'Antiquité pour effectuer différents travaux.
L'une des premières utilisations de l'énergie hydraulique a été d'alimenter des moulins à eau qui profitaient de la force du courant. De cette manière, au moyen d'engrenages, les meules pouvaient être déplacées pour battre le blé..
À l'heure actuelle, son application la plus pertinente est la production d'énergie électrique par le biais de centrales hydrauliques ou de centrales hydroélectriques. Ces usines se composent essentiellement d'un barrage et d'un système de turbines et d'alternateurs..
L'eau s'accumule dans le barrage entre deux niveaux du chenal (inégalité géodésique), générant une énergie potentielle gravitationnelle. Par la suite, le courant d'eau (énergie cinétique) active des turbines qui transmettent l'énergie aux alternateurs pour produire de l'énergie électrique.
L'un des avantages de l'énergie hydraulique est qu'elle est renouvelable et non polluante, contrairement aux autres sources d'énergie. En revanche, il est très efficace avec une performance allant de 90 à 95%..
L'impact environnemental des centrales hydroélectriques est associé à la variation de température et à l'altération physique du cours d'eau. De même, des huiles et graisses usagées sont produites qui sont filtrées des machines.
Son principal inconvénient est l'altération physique qu'elle provoque en raison de l'inondation de vastes étendues de terres et le cours et le débit naturels des rivières sont modifiés..
La plus grande centrale hydroélectrique du monde est celle des Trois Gorges, située en Chine, sur le fleuve Yangtze. Les deux autres en importance sont ceux d'Itaipú à la frontière entre le Brésil et le Paraguay et la centrale hydroélectrique Simón Bolívar ou Guri au Venezuela..
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La source d'énergie hydraulique est l'eau et elle est considérée comme une énergie renouvelable tant que le cycle de l'eau n'est pas altéré. De même, il peut produire du travail sans générer de déchets solides ni de gaz polluants et est donc considéré comme une énergie propre.
L'efficacité énergétique fait référence à la relation entre la quantité d'énergie obtenue dans un processus et l'énergie nécessaire pour y investir. Dans le cas de l'énergie hydraulique, une performance comprise entre 90 et 95% est obtenue en fonction de la vitesse de l'eau et du système de turbine utilisé..
Le fondement de l'énergie hydraulique réside dans l'énergie solaire, la topographie de la terre et 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 de l'inégalité du sol et de la force de gravité, des courants d'eau de surface se produisent à la surface de la terre. De cette manière, l'énergie solaire est transformée en énergie cinétique en raison du mouvement de l'eau par l'action combinée des inégalités et de la gravité..
Plus tard, l'énergie cinétique de l'eau peut être transformée en énergie mécanique capable de travailler. Par exemple, des lames peuvent être déplacées pour transmettre le mouvement à un système d'engrenage qui peut faire fonctionner divers dispositifs..
L'amplitude de l'énergie hydraulique est donnée par l'inégalité entre deux points donnés du canal et l'écoulement de celui-ci. Plus l'inégalité du terrain est grande, plus le potentiel et l'énergie cinétique de l'eau ainsi que sa capacité à générer du travail sont importants..
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. Par contre, l'énergie cinétique est celle libérée par l'eau dans son mouvement de chute en fonction de la topographie et de la gravité..
L'énergie cinétique générée par la chute d'eau peut être utilisée pour produire de l'énergie électrique. Ceci est réalisé en construisant des barrages où l'eau s'accumule et est retenue à différents niveaux de hauteur..
Ainsi, l'énergie potentielle de l'eau est directement proportionnelle à la différence de niveau entre un point et un autre et lorsque l'eau tombe, elle se transforme en énergie cinétique. Par la suite, l'eau passe à travers un système de pales rotatives et génère de l'énergie cinétique de rotation.
Le mouvement de rotation permet de déplacer des systèmes d'engrenages qui peuvent activer des systèmes mécaniques tels que des moulins, des roues ou des 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..
La turbine est constituée d'un axe horizontal ou vertical avec un système d'aubes qui, par la force de l'eau, font tourner l'axe.
Il existe trois types de turbines hydrauliques de base:
Il s'agit d'une turbine à impulsions haute pression à axe horizontal qui fonctionne sans être totalement submergée. La roue a une série de pales concaves (pales ou dents) qui sont entraînées par des jets d'eau.
Plus il y a de jets d'eau qui entrent en collision avec la turbine, plus elle générera de puissance. Ce type de turbine est utilisé pour les chutes d'eau de 25 à 200 mètres de haut et atteint un rendement allant jusqu'à 90%.
C'est une turbine à réaction moyenne pression avec un axe vertical et fonctionne complètement immergée dans l'eau. La roue est composée de pales entraînées par l'eau acheminée à travers un distributeur.
Il peut être utilisé dans les cascades de 20 à 200 mètres de haut et atteint une efficacité de 90%. C'est le type de turbine le plus fréquemment utilisé dans les grandes centrales hydroélectriques dans le monde..
C'est une variante de la turbine Francis et, comme celle-ci, elle a un axe vertical, mais la roue est constituée d'une série d'aubes réglables. Il est de réaction à haute pression et fonctionne totalement immergé dans l'eau.
La turbine Kaplan est utilisée dans les cascades de 5 à 20 mètres de haut et son efficacité peut atteindre 95%.
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 dans une bobine avec des pôles alternés de matériau conducteur (par exemple, du cuivre enroulé dans du fer doux).
Son fonctionnement repose sur le fait qu'un conducteur soumis pendant un certain temps à un champ magnétique variable, génère une tension électrique.
L'énergie hydraulique est largement utilisée car elle présente de nombreux aspects positifs. Parmi ceux-ci, nous pouvons souligner:
Bien que dans le cas des centrales hydroélectriques, l'investissement initial soit élevé, en général, à long terme, il s'agit d'une énergie bon marché. Cela est dû à sa stabilité et à son faible coût de maintenance..
En outre, la compensation économique fournie par les réservoirs avec des possibilités d'aquaculture, de sports nautiques et de tourisme devrait être ajoutée..
Basée sur le cycle de l'eau, c'est une source d'énergie renouvelable et continue. Cela implique qu'il ne s'épuise pas dans le temps contrairement à l'énergie des combustibles fossiles..
Cependant, sa continuité dépend du fait que le cycle de l'eau ne soit pas altéré dans une région donnée ou globalement..
L'énergie hydraulique est considérée comme très efficace et avec des performances élevées comprises entre 90 et 95%.
Ce type d'énergie utilise une source naturelle telle que l'eau et ne produit pas non plus de déchets ou de gaz polluants. Par conséquent, son impact sur l'environnement est faible et il est considéré comme une forme d'énergie propre..
Dans les cas où des réservoirs sont construits pour l'utilisation de l'énergie hydroélectrique, ceux-ci présentent 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 de loisirs et pour la pratique de sports nautiques.
Une limitation de la production d'énergie hydroélectrique est sa dépendance au régime des précipitations. Par conséquent, pendant les années particulièrement sèches, l'approvisionnement en eau peut diminuer considérablement et le niveau du réservoir est abaissé..
Lorsque le débit d'eau est réduit, la génération d'énergie électrique est plus faible. De telle sorte que dans les régions fortement dépendantes de l'approvisionnement en énergie hydroélectrique, des problèmes peuvent survenir..
La construction d'un barrage dans une rivière modifie son cours naturel, son régime de crue, sa diminution (diminution du débit) et le processus de traînage des sédiments. Par conséquent, des changements se produisent dans la biologie des plantes et des animaux aquatiques ou situés à proximité de la masse d'eau..
En revanche, la rétention de sédiments dans le barrage altère la formation de deltas à l'embouchure des rivières et altère les conditions du sol..
En raison du grand volume d'eau stocké dans certains barrages hydroélectriques, une brèche dans le mur de soutènement ou à proximité des pentes peut provoquer de graves accidents. Par exemple, au cours de l'année 1963, la pente du barrage de Vajont (maintenant en désuétude) s'est produite en Italie et a fait 2 000 morts..
La rotation d'une roue entraînée par l'énergie cinétique de l'eau permet à l'eau d'être aspirée d'un puits peu profond ou d'un canal dans un canal ou un réservoir surélevé. De même, l'énergie mécanique générée par la roue peut faire fonctionner une pompe hydraulique..
Le modèle le plus simple consiste en une roue avec des pales avec des bols qui collectent l'eau en même temps qu'ils sont propulsés par le courant. Puis, dans leur rotation, ils déposent l'eau dans un réservoir ou un canal..
Pendant plus de 2000 ans, les Grecs et les Romains ont utilisé l'énergie hydraulique pour déplacer les moulins à moudre les céréales. La rotation de la roue entraînée par le jet d'eau active les engrenages qui font tourner la meule.
Une autre application ancienne de l'ouvrabilité à base de puissance hydraulique est son utilisation pour activer le soufflet de forge dans les travaux de forge et de métallurgie..
Dans les mines et le pétrole, l'énergie cinétique de l'eau est utilisée pour éroder la roche, la fracturer et faciliter l'extraction de divers minéraux. Pour cela, de gigantesques canons à eau pressurisés sont utilisés qui frappent le substrat jusqu'à ce qu'il s'érode..
Il s'agit d'une technique destructrice des sols et très polluante des cours d'eau..
Une technique très controversée qui prend de l'ampleur dans l'industrie pétrolière est la fractionnement. Il consiste à augmenter la porosité du substrat rocheux contenant du pétrole et du gaz afin de faciliter son élimination..
Ceci est réalisé en injectant de grandes quantités d'eau et de sable à haute pression avec une série d'additifs chimiques. La technique a été remise en question en raison de sa forte consommation d'eau, contaminant les sols et les eaux et provoquant des changements géologiques..
L'utilisation moderne la plus courante consiste à faire fonctionner des centrales électriques, les centrales dites hydroélectriques ou les centrales hydrauliques..
La centrale hydroélectrique des Trois Gorges est située dans la province chinoise du Hubei sur le cours du fleuve Yangtze. La construction de ce barrage a commencé en 1994 et s'est achevée en 2010, atteignant une zone inondée de 1045 km² et une puissance installée de 22 500 MW (mégawatts).
La centrale comprend 34 turbines Francis (32 de 700 MW et deux de 50 MW) avec une production annuelle d'énergie électrique de 80,8 GWh. C'est la plus grande centrale hydroélectrique du monde en termes de structure et de puissance installée.
Le barrage des Trois Gorges a réussi à contrôler les crues périodiques de la rivière qui sont venues causer de graves dommages à la population. De même, il garantit 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. En outre, il a contribué à l'extinction du dauphin de rivière chinois en danger critique d'extinction (Lipotes vexillifer)..
La centrale hydroélectrique d'Itaipú est située à la frontière entre le Brésil et le Paraguay sur le cours du fleuve Paraná. Sa construction a commencé en 1970 et s'est terminée en trois étapes en 1984, 1991 et 2003..
La zone inondée du barrage est de 1 350 km² et a une capacité installée de 14 000 MW. La centrale comprend 20 turbines Francis de 700 MW chacune et a une production annuelle d'énergie électrique de 94,7 GWh.
Itaipu est considérée comme la plus grande centrale hydroélectrique du monde en termes de production d'énergie. Il contribue à 16% de l'énergie électrique consommée au Brésil et à 76% au Paraguay..
En ce qui concerne ses impacts négatifs, ce barrage a affecté l'écologie des îles et du delta du fleuve Paraná..
La centrale hydroélectrique Simón Bolívar, également connue sous le nom de barrage de Guri, est située au Venezuela sur le cours de la rivière Caroní. La construction du barrage a commencé en 1957, une première étape a été achevée en 1978 et s'est achevée en 1986.
Le barrage de Guri a une superficie inondée de 4 250 km² et une puissance installée de 10 200 MW. Sa centrale comprend 21 turbines Francis (10 de 730 MW, 4 de 180 MW, 3 de 400 MW, 3 de 225 MW et une de 340 MW)
La production annuelle est de 46 GWh et elle est considérée comme la troisième plus grande centrale hydroélectrique au monde en termes de structure et de puissance installée. La centrale hydroélectrique fournit 80% de l'énergie électrique consommée par le Venezuela et une partie est vendue au Brésil.
Lors de la construction de cette centrale hydroélectrique, de vastes zones d'écosystèmes de la Guyane vénézuélienne ont été inondées, une région à forte biodiversité..
Aujourd'hui, en raison de la profonde crise économique au Venezuela, la capacité de production de cette usine a été considérablement réduite..
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