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Centpapiers

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    • Je m'appelle Maxime, mais mes amis m'appellent Manx, à cause de l'Île de Man (que je ne connais pas)... Allez savoir pourquoi. J'étudie en génie des bioressources à l'université McGill et j'aime bien parler d'enjeux environnementaux, d'agriculture ou d'autres sujets. Je mords si on me mord, sinon j'arrive à être gentil.
    Articles Général-(EN-RECLASSEMENT) SCIENCE

    Parlons d’hydroélectricité

    26 juillet 2009 | 0 commentaire(s) | vu 2 843 fois
    Photo : Flickr Tuftronic10000

    Photo : Flickr Tuftronic10000

    Les chiffres de 2006 indiquent que 97% de l’électricité produite au Québec provenait de l’hydroélectricité. Cela signifie qu’environ 40% de l’énergie consommée au Québec cette année-là venait de l’eau. D’une année à l’autre, l’hydroélectricité et le pétrole s’échangent le titre d’énergie primaire la plus consommée dans la Belle Province. Cela vaut aussi à Hydro-Québec, l’entreprise nationale qui s’occupe de l’acheminement et de la majorité de la production d’électricité, le titre de principal producteur d’hydroélectricité à travers le monde.

    Avec le portrait que je donne actuellement de l’hydroélectricité, vous comprendrez qu’il serait bien de vous éclairer sur le fonctionnement de base de cette source d’électricité. Parce que plusieurs Québécois ne savent pas encore exactement quels mécanismes affectent la conversion de l’énergie stockée dans l’eau en énergie électrique, voilà quelques formules de base qui pourront vous éclairer.

    Tout est dans l’énergie potentielle

    C’est très simple: l’énergie qui est convertie en hydroélectricité vient de l’énergie potentielle (ou plus précisément, l’énergie potentielle de pesanteur). L’énergie potentielle est créée à partir d’une chute, et c’est l’énergie qui est dissipée lorsque l’on passe d’un point de très haute altitude à un point moins élevé. En temps normal, cette énergie est perdue ou transférée en énergie cinétique. Par contre, en bénéficiant de ce transfert, il est possible d’actionner des turbines qui permettront de transformer cette énergie en énergie électrique.

    Voici l’équation de base de l’énergie potentielle:

    Ep = m * g * (h1 – h2)

    Ep = Énergie potentielle (Joules)

    m = masse d’eau (kg)

    g = constante gravitationnelle (9.81 m/ s^2)

    h1 = hauteur supérieure de la chute par rapport au niveau de la mer (m)

    h2 = hauteur inférieure de la chute par rapport au niveau de la mer (m)

    Le watt, l’unité que l’on utilise habituellement pour la puissance, est un joule d’énergie produit en une seconde. Donc, en sachant quelle masse d’eau circule chaque seconde, on peut connaître l’énergie potentielle d’une chute. La masse, quant à elle, est calculée par la densité de l’eau (1000 kg/ m^3) et le débit d’une rivière ou un cour d’eau (le nombre de m^3/s qui y circule). Donc, on peut transformer l’équation précédente et obtenir ceci:

    ep = 9810 * Q * (h1 – h2)

    ep = puissance potentielle (watts)

    Q = débit du courant (m^3/s)

    h1 et h2 = hauteurs supérieure et inférieure de la chute par rapport au niveau de la mer (m)

    Voilà, si vous avez réussi à suivre cela, le calcul de l’énergie potentielle est très simple une fois les autres paramètres mesurés! Il ne suffit que de résoudre une multiplication. Pas besoin d’équations compliquées ou quoi que ce soit.

    Si vous suivez bien ce que je viens de donner comme informations, la puissance générée par l’eau ne dépend donc que de deux choses : la hauteur de la chute d’eau que vous utilisez et le débit du cours d’eau. Il reste un dernier paramètre qui affecte la production d’électricité: l’efficacité du système à convertir l’eau en électricité. Une fois que tout cela est compris, vous avez les trois seules variables qui affecteront la capacité à produire de l’électricité à partir de l’eau. Habituellement, afin de produire de grandes quantités d’électricité, les projets hydroélectriques ont recours à des barrages afin d’affecter le débit et la hauteur de la chute.

    Le barrage (ou réservoir)

    Le but d’un barrage est simple: déplacer l’eau là où l’on veut qu’elle aille et former un bassin. On utilise les barrages notamment pour créer des sources d’eau artificielles pour l’irrigation afin de nourrir les gens, pour prévenir des inondations ou pour produire de l’électricité. Dans certains cas, les barrages remplissent ces trois fonctions en même temps. En électricité, on crée un barrage afin de contrôler le débit de l’eau et sa hauteur (comme mentionnés plus haut, les deux paramètres qui affectent la production d’électricité).

    Le barrage est donc placé à un lieu stratégique. Ce lieu doit avoir une bonne dénivellation, afin de créer une grosse chute. Le barrage est ensuite équipé de portes et de turbines, qui s’ouvriront pour laisser l’eau circuler selon les besoins en électricité. En plus de cela, le barrage doit également pouvoir résister à la pression en eau et être étanche aux fuites naturelles et aux écoulements qui causeront l’affaissement du sol ou qui pourraient laisser l’eau couler dans le béton. Un barrage, c’est donc plus qu’un gros bloc de béton; c’est aussi une structure composée de systèmes de drainage et de rideaux d’écoulement.

    Le barrage modifie un bassin hydrographique grandement, et cela peut avoir des conséquences sur les animaux, les gens vivant autour ou dans les sols. On classe habituellement les centrales en deux types: les centrales à réservoir et les centrales au fil de l’eau.

    Centrale au fil de l’eau vs centrale à réservoir

    Une centrale au fil de l’eau est une centrale qui ne forme pas ou forme un très petit bassin hydroélectrique, comme c’est le cas à Beauharnois. Ces centrales sont souvent dans des zones où il serait trop dangereux de faire un bassin et où le débit de l’eau est très très rapide. En règle général, une centrale au fil de l’eau a un bassin qui pourrait être vidé entièrement par le déit normal de la rivière en moins de deux heures.

    Beauharnois est une centrale à l’ouest de Montréal, et est la 5e plus grande au Québec. Elle a une capacité de 1755 MW, une chute de 24m et produit son électricité au coût ridicule de 0.01$/kWh. Faisons un calcul: en assumant que la centrale a une efficacité de conversion de 70% (70% de l’énergie potentielle est convertie en énergie électrique), la centrale de Beauharnois, lorsqu’elle fonctionne avec toute sa capacité électrique, a le débit suivant:

    Q = 1755 * 10^6 Watts de puissance / (0.7 d’efficacité) * 9810 * 24m de chute = 104500 mètres cubes par seconde

    En gros, la centrale a été conçue pour recevoir environ 104,000 mètres cubes d’eau par seconde! Beauharnois a été construite sur un canal artificiel qui connaît des débits d’eau très rapide. Comme elle est près de Montréal et qu’elle est dans une région assez plate, il serait impensable de faire un bassin hydroélectrique trop gros, car cela inonderait les terres des gens habitant près d’une région métropolitaine.

    Les centrales à réservoir, quant à elles, sont conçues pour avoir une très haute chute. Pour produire de l’électricité, le débit est moins important qu’à une station comme Beuaharnois, mais l’installation d’un tel projet demande la création d’un réservoir d’eau. En règle générale, le bassin formé par une centrale à réservoir se viderait en plus de 200 heures. Ces centrales ont l’avantage de pouvoir accumuler des réserves d’eau pour ne produire que la quantité d’électricité dont on a besoin.

    La centrale LG-2 ou le bassin des Trois-Gorges, en Chine, sont deux exemples typiques de centrales hydroélectriques à réservoir. LG-2, maintenant appelée la centrale Robert-Bourassa, est la centrale avec la plus grande capacité au Québec: 5616 MW. La chute de LG-2, plus élevée que Beauharnois, est de 137.2 mètres. Cela signifie qu’avec le calcul précédent, on obtient un débit d’eau plus faible que Beauharnois, à environ 58,500 mètres cubes par seconde lorsque toutes les turbines sont en fonction (ce qui n’arrive pas souvent). Par contre, LG-2 a un avantage sur Beauharnois; en cas de problèmes de surcharge électrique, il est facile de fermer quelques turbines dans le complexe La Grande afin de ne pas créer de problèmes; Beauharnois, quant à lui, ne peut pas former de bassin hydroélectrique et est à la merci du courant, même en cas de problèmes.

    Les avantages et les problèmes reliés à l’hydroélectricité

    L’hydroélectricité est une technologie bien particulière. Elle provient de l’eau, une source de courant qui est plus fiable que le vent, mais qui n’est pas très régulière. Au Québec, par exemple, les crues du printemps font que le débit d’eau n’est pas constant. Comme nous produisons plus d’électricité que nous n’en consommons, par contre, nous nous arrangeons pour vendre nos surplus aux États-Unis en leur offrant des tarifs au prix de leur marché. Par contre, comme il est plus facile de contrôler notre production électrique (il faut quelques minutes pour fermer une turbine dans une centrale hydroélectrique et quelques minutes pour la repartir; dans une centrale thermique, il faut quelques semaines), certaines compagnies de distribution d’électricité nous vendent leurs surplus de production afin de s’assurer que les systèmes électriques du nord-est de l’Amérique ne tombent pas en panne à cause d’une surcharge.

    L’hydroélectricité est donc une énergie renouvelable qui, même si elle est irrégulière, peut être contrôlée facilement une fois que l’on développe un plan global. Son empreinte écologique est plus faible au niveau de la pollution atmosphérique, mais elle comporte aussi d’autres problèmes.

    La création de réservoirs modifie les écosystèmes de façon majeure. Il faut donc bien évaluer les conséquences d’un projet. Dans le Nord Québécois, par exemple, la présence de mercure dans les sols cause la contamination des eaux et de la chaîne alimentaire du à l’érosion causée par la formation de bassins. Au bout de quelques années, ces conséquences deviennent moins importantes. Les barrages ont de graves conséquences sur la vie aquatique, et plusieurs tribus amérindiennes dans le Nord ont souligné la diminution des bancs de poissons et d’autres animaux suite à l’implantation de barrages. Les conséquences de l’effondrement d’un barrage sont aussi extrêmement dangereuses, car elles posent le risque d’inonder d’encore plus grandes régions. Finalement, il faut aussi arriver à prévenir l’accumulation de boue dans le réservoir du barrage, afin de s’assurer que celui-ci dure plus longtemps. Mais au niveau des bénéfices et des conséquences entourant un barrage, l’exemple le plus poignant est celui du bassin des Trois-Gorges, en Chine.

    La centrale des Trois-Gorges

    La centrale des Trois-Gorges a pour but principal de prévenir des inondations. Dans les années ‘90, une inondation dans la région a causé des pertes économiques équivalentes au coût de production anticipé du barrage des Trois-Gorges sur la rivière Yangzi. Suite à de nombreuses polémiques à l’intérieur de la Chine, les autorités chinoises ont décidé qu’elles construiraient un barrage hydroélectrique afin de produire de l’énergie renouvelable, contrôler le trafic maritime et de contrôler les inondations. Ironiquement, le réservoir de la centrale des Trois-Gorges a forcé l’évacuation et la délocalisation de plus d’un million de personnes.

    Le bassin fait un peu plus de 10 km^2 et la capacité électrique installée est de 18200 MW. Mes calculs me montrent que la centrale est censée fonctionner à environ 50% de sa capacité installée totale. Cela signifie que le débit de la rivière est d’environ 130,000 mètres cubes par seconde en moyenne, à longueur d’année. Par contre, afin d’éviter les crues, de nombreuses terres agricoles ont été évacuées et des villages entiers ont été fermés. On a délocalisé les populations dans les villes (sans plan social pour les aider) ou dans les montagnes. Par contre, l’agriculture dans des territoires montagneux, plein de pierres, ce n’est pas l’idéal.

    Malgré tout, le bassin des Trois-Gorges sera fini cette année. C’est la plus longue centrale électrique (elle s’étend sur 2 km) et elle a la plus grande capacité électrique du monde. Le gouvernement chinois n’a pas géré ce projet avec les mêmes normes qu’un pays développé ne l’aurait exigé (une telle délocalisation serait impensable ici, même pour éviter les inondations), mais la gestion a été jugée comme à peu près « acceptable » selon les normes chinoises. C’est tout de même l’un des projets qui fut le plus critiqué à l’intérieur du pays.

    En gros, voilà un bon aperçu de l’hydroélectricité, de ses moyens de production. Je n’ai qu’introduit les conséquences de base de l’implantation de projets hydroélectriques, mais j’espère que si vous êtes arrivés à suivre, vous comprenez un peu mieux tout ce qui se passe quand vous appuyez sur un interrupteur pour allumer une lumière.

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