Les énergies de l'eau et du vent
Le soleil émet un rayonnement si important qu'il permet non seulement d'avoir des conditions thermiques indispensables à la vie mais en plus de favoriser la liquefaction de l'eau (énergie hydraulique) et l'écoulement de l'air (énergie éolienne).
1) Energie hydraulique (rivières, fleuves, lacs)
A) Généralités sur l'hydroélectricité et les aménagements possibles
B) Fonctionnement d'une centrale hydroélectrique
1) Energie hydraulique (rivières, fleuves, lacs)
L'énergie hydraulique est mise en évidence pour la première fois au 19ème siècle (1869) par un ingénieur français Aristide Bergès (1833-1904) avec la conversion de l'énergie mécanique (turbines des moulins à eau) en énergie électrique.
A) Généralités sur l'hydroélectricité et les aménagements possibles
L'énergie hydraulique est caractérisée par sa puissance idéale, P, telle que :
P = gQH
g : intensité du champ de pesanteur (m/²).
Q : débit de l'eau (m^3/s).
H : hauteur de chute d'eau (m).
Or, avec les frottements de l'eau dans l'air et sur les objets (roches), des pertes (hydrauliques et mécaniques surtout) de l'ordre de 20% de l'énergie hydraulique ont lieu.
Nous en déduisons la puissance réelle, P', telle que :
P' = 0,8gQH
P' ~ 8QH
A même puissance réelle, plusieurs cas possibles concernant les aménagements :
a) Le débit de l'eau est faible et la hauteur de chute est grande : aménagement dans les Pyrénées (centrale du Portillon, 1420m).
b) Le débit de l'eau est important et la hauteur de chute est faible : aménagements au niveau du Rhin et du Rhône ; dans les deux cas, le dénivelé varie entre 10m et15m.
Dans d'autres situations (hauteur de chute moyenne), le dénivelé peut atteindre les 100m.
Or, ces aménagements sont rendus difficiles par l'irrégularité de certains cours d'eau dont la constante R ("constante de débit") est très nettement supérieure à 5 :
R = (débit moyen de l'eau des 3 mois les plus élevés)/(débit moyen de l'eau des 3 mois les plus bas)
C'est le cas en Asie avec le Mékong (R=15=.
Pour remédier à ces problèmes, certains pays comme la Russie (barrage de Bratsk) et l'Egypte (barrage d'Assouan) stockent l'eau dans de vastes réservoirs en amont (lacs), ce qui nous amène à expliquer le fonctionnement d'une centrale hydroélectrique.
B) Fonctionnement d'une centrale hydroélectrique
Une centrale hydroélectrique comprend :
-Un lac de retenue d'eau.
-Un barrage.
-Une turbine.
-Un alternateur + un transformateur.
-Une ligne ou plusieurs lignes à haute tension.
-Deux canaux.
Le canal d'amenée, comme son nom l'indique, transporte l'eau du lac (amont du barrage) à la turbine : la différence d'altitude entre l'amont et l'aval du barrage fait qu'une énergie potentielle se crée ; elle est convertie à l'extrémité du canal d'amenée en énergie de pression permettant à la turbine de tourner.
La turbine convertit donc l'énergie hydraulique en énergie mécanique.
Cette énergie mécanique fait fonctionner le générateur électrique comprenant un alternateur et un transformateur pour produire de l'électricité : le générateur convertir l'énergie mécanique en énergie électrique.
Quelques chiffres :
-La part de l'hydroélectricité en France : 55% en 1960, 18% en 2000 et 10% en 2005.
-La part de l'hydroélectricité dans le monde : 17% en 2005 soit 2200 TWh pour 14000 TWh exploitables.
-6% de l'énergie mondiale.
-Investissement amorti sur 20 ans.
-Entre 1,5 et 2 centimes d'euros le kWh.
L'énergie des océans fait intervenir la houle et la phénomène des marées.
Du coup, elle s'écrit :
E = Sa²
E : énergie de la marée.
S : surface du bassin (baie, estuaire).
a²: carré de l'amplitude de la marée.
Or, les marées sont des variations périodiques du niveau de la mer dues à l'attraction exercée par la Lune sur les océans.
En général, une marée dure environ 13h.
Leur amplitude est plus forte près des côtes et dépend de trois facteurs :
-le type de site.
-la période dans l'année.
-la position relative de la Lune par rapport à la Terre.
En France, l'amplitude des marées atteind les 12m au Mont Saint Michel (Normandie) et les 11m dans l'estuaire de la Rance (Bretagne).
Dans le monde, la palme revient à la baie de Fundy (Canada) avec 15m.
L'exploitation de l'énergie des océans devient une préoccupation ce qui passe par la création de centrales marémotrices.
Comme pour les centres hydroélectriques, elles utilisent l'énergie potentielle des courants de marées beaucoup plus élevée que celle des rivières et des fleuves.
Il faut donc une contruction adaptée à la topologie de la région (estuaire, baie) qui permet à l'eau d'entrer à marée haute et vice versa : ainsi, le niveau de l'eau du bassin reste toujours à un niveau supérieur à celui de la mer.
De plus, l'énergie des marées peut être prévue des années à l'avance : la maintenance des centrales marémotrices peut être anticipée sur le très long terme.
L'inconvénient réside dans le coût très élevé de la construction des centrales marémotrices : celle de la Rance fut la première au monde (1966) avec un fonctionnement annuel de 2250h.
La maintenance a un coup très faible mais l'amortissement de l'investissement se fait sur 30-40 ans avec un coût prohibitif du kWh (10 euros !).
Dans les pays nordiques, le concept de créer des centrales marémotrices est toujours d'actualité avec un coût un peu plus faible mais une capacité de production très élevée !