Turbines hydrauliques - Capsules théoriques

L'énergie hydraulique est en fait une manifestation de l'énergie solaire. Dans le cycle de l'eau, le soleil évapore l'eau à la surface du globe. Les nuages sont constitués d'un équilibre entre la condensation et l'évaporation. Lorsque cet équilibre est rompu, la pluie dépose une partie de l'eau sur les plateaux terrestres qui sont en altitude par rapport au niveau de la mer. En altitude l'eau a une énergie potentielle qui se transforme en énergie cinétique lorsqu'elle est mise en mouvement. Si elle n'est pas captée par les turbines hydrauliques, cette énergie se transforme en chaleur dans la turbulence et se dissipe dans l'environnement. Pour fixer les idées, s'il n'y avait pas d'échange de chaleur avec l'environnement, l'énergie dissipée pour une chute de 100 m ferait monter la température de l'eau de 0,2 degré Celcius. C'est cette énergie qu'on souhaite transformer en électricité. ^[2]

Les avantages écologiques de l'hydroélectricité sont, entre autre :

• Être une source d'énergie renouvelable: pluie et neige.

• Ne libère aucun carbone fossile.

L'aménagement de la Grande Rivière est un bel exemple d'une exploitation efficace de la ressource hydraulique. À peu de chose près, le bief aval d'une centrale devient le bief amont de la centrale suivante sur la rivière et ainsi on exploite tout le potentiel hydraulique de toute la rivière par une succession de barrages et centrales.

En plus d'être renouvelable, la production d'hydroélectricité peut être massive.

De fait, toute source d'énergie confondue, les plus puissantes centrales sont hydrauliques :

• 1267 GW de puissance installée en 2022 incluant 175GW en pompage-turbinage pour une production totale de 4 408 TWh.^[4]

• Un potentiel de développement additionnel de près de 4000 GW.

• 15% de l'électricité mondiale.

• 60% de l'électricité au Canada.

• 95% de l'électricité au Québec.

Il est remarquable de constater que parmi les dix plus puissantes centrales électriques dans le monde sept sont hydroélectriques. Toutefois, il faut observer qu'une tendance s'impose du point de vue du développement durable, c'est la décentralisation des moyens de production et les réseaux intelligents. L'hydroélectricité est tributaire de la localisation des gisements et implique des lignes de transmission.

Lorsqu'on compare la production d'énergie effective avec la capacité installée, on peut percevoir le niveau d'efficacité qui dépend du type de site et d'opération. Ainsi le Canada avec une puissance installée de 18% inférieure aux États-Unis obtient une production d'énergie de 50% supérieure. Le facteur d'utilisation ou facteur de charge peut être calculé ainsi :

À l'échelle des pays, les États-Unis ont un facteur d'utilisation de 29% alors que le Canada est à 54%. Ce facteur d'utilisation est un chiffre important qui entre dans les calculs de rentabilité lors des études de faisabilité d'un projet.

Si on exploite une centrale pour faire de l'énergie de base, le facteur d'utilisation sera très élevé. Si par contre, on fait de la crête pour satisfaire la demande instantanée, pour faire de la puissance ou pour compenser les aléas d'une production intermittente (solaire, éolien), on aura un facteur d'utilisation plus faible.

La réactivité des machines hydrauliques est très élevée. Elle permet de fournir à la demande instantanément. On pense en particulier ici, à la comparaison avec les turbines à vapeur qui elles, à cause de l'inertie thermique, ne peuvent répondre aussi rapidement à la demande.

On dégage donc les avantages suivants :

• Une production sur demande avec une adaptation rapide à la demande grâce à une très grande plage de capacité de production.

• Une capacité de démarrage isolé sans aide du réseau.

• L'hydroélectricité compense sur le réseau les autres sources intermittentes et non prévisibles comme le solaire et l'éolien en :

  • fournissant l'énergie électrique demandée en excédent de leur capacité instantanée de production.

  • absorbant les surplus d'énergie lorsque la demande est plus faible.

« Le stockage en barrages hydroélectriques est une approche économiquement viable pour atténuer l'intermittence des sources d'énergie renouvelables. Cette approche (le pompage-turbinage) est exploité actuellement en Europe du Nord, où le Danemark utilise les barrages scandinaves afin de gérer la variabilité de ses ressources éoliennes.^[8] »

Il faut noter que les grands réservoirs d'Hydro-Québec permettent d'éviter le pompage-turbinage.

La consommation domestique absorbe l'énergie qui ne peut être stockée, comme celle des centrales au fil de l'eau ou celle provenant de l'extérieur du Québec alors que les réservoirs, avec leur capacité de stockage d'énergie énorme, peuvent avec les équipements moduler la production très facilement et à la demande. Par exemple, lorsqu'on accepte de l'énergie provenant de l'extérieur du Québec, les centrales avec réservoir diminuent leur production et gardent ainsi l'énergie en réserve. Un article sur ce sujet est disponible ici.

Par sa flexibilité d'exploitation due aux grands réservoirs et aux installation de pompage-turbinage, l'hydroélectricité facilite la gestion du réseau en permettant d'accepter des modes de production constants comme le thermique et le nucléaire et des modes de production intermittents comme l'éolien et le solaire.

Sur un réseau électrique, l'hydroélectricité est un atout incontournable.

Sur le graphe suivant, les statistiques sur les délais de démarrage montrent clairement l'avantage de l'hydroélectricité sur les autres sources d'énergie.