Comprendre comment la centrale hydroélectrique transforme l'énergie de l'eau en électricité, ses avantages et ses inconvénients
Image: Le barrage d'Itaipu, Paraguay / Brésil par l'Association internationale de l'hydroélectricité (IHA) est autorisé sous CC BY 2.0
Qu'est-ce que l'énergie hydraulique (hydroélectrique)?
L'énergie hydroélectrique est l'utilisation de l'énergie cinétique contenue dans l'écoulement des plans d'eau. L'énergie cinétique favorise la rotation des pales des turbines qui composent le système de la centrale hydroélectrique pour être ensuite transformée en énergie électrique par le générateur du système.
Qu'est-ce qu'une centrale hydroélectrique (ou une centrale hydroélectrique)?
Une centrale hydroélectrique est un ensemble d'ouvrages et d'équipements utilisés pour produire de l'énergie électrique à partir de l'utilisation du potentiel hydraulique d'une rivière. Le potentiel hydraulique est donné par le débit hydraulique et la concentration du dénivelé existant le long du cours de la rivière. Le dénivelé peut être naturel (chutes d'eau) ou construit sous forme de barrages ou en détournant la rivière de son lit naturel pour former des réservoirs. Il existe deux types de réservoirs: les réservoirs à accumulation et les réservoirs au fil de l'eau. Les dépôts d'accumulation sont généralement formés aux sources des rivières, dans des endroits où se produisent de hautes chutes d'eau et se composent de grands réservoirs avec de grandes accumulations d'eau. Les réservoirs au fil de l'eau tirent parti de la vitesse de l'eau de la rivière pour produire de l'électricité, générant ainsi une accumulation d'eau minimale ou nulle.
Les usines, à leur tour, sont classées selon les facteurs suivants: hauteur de la cascade, débit, capacité ou puissance installée, type de turbine utilisée dans le système, barrage et réservoir. Le chantier donne la hauteur de la chute et le débit, et ces deux facteurs déterminent la puissance installée ou la puissance d'une centrale hydroélectrique. La capacité installée détermine le type de turbine, le barrage et le réservoir.
Selon un rapport de l'Agence nationale de l'énergie électrique (Aneel), le Centre national de référence pour les petites centrales hydroélectriques (Cerpch, de l'Université fédérale d'Itajubá - Unifei) définit la hauteur de la cascade comme faible (jusqu'à 15 mètres), moyenne ( 15 à 150 mètres) et haut (plus de 150 mètres). Cependant, ces mesures ne sont pas consensuelles. La taille de l'usine détermine également la taille du réseau de distribution qui acheminera l'électricité produite jusqu'aux consommateurs. Plus l'usine est grande, plus elle a tendance à être éloignée des centres urbains. Cela nécessite la construction de grandes lignes de transmission qui traversent souvent les états et provoquent des pertes d'énergie.
Comment fonctionne une centrale hydroélectrique?
Pour la production d'énergie hydroélectrique, il est nécessaire d'intégrer le débit de la rivière, le dénivelé du terrain (naturel ou non) et la quantité d'eau disponible.
Le système d'une centrale hydroélectrique se compose de:
Barrage
Le but du barrage est d'interrompre le cycle naturel de la rivière, créant un réservoir d'eau. Le réservoir a d'autres fonctions que le stockage de l'eau, telles que la création de la brèche d'eau, la capture d'eau dans un volume adéquat pour la production d'énergie et la régulation du débit des rivières en période de pluie et de sécheresse.
Système d'admission d'eau (adduction)
Composé de tunnels, de canaux et de conduits métalliques qui amènent l'eau à la centrale.
Centrale
Dans cette partie du système se trouvent les turbines reliées à un générateur. Le mouvement des turbines convertit l'énergie cinétique du mouvement de l'eau en énergie électrique à travers les générateurs.
Il existe plusieurs types de turbines, les principales étant le pelton, le kaplan, le francis et l'ampoule. La turbine la plus appropriée pour chaque centrale hydroélectrique dépend de la hauteur de chute et du débit. Un exemple: le bulbe est utilisé dans les usines ordinaires car il ne nécessite pas l'existence de réservoirs et est indiqué pour les faibles chutes et les débits élevés.
Canal d'échappement
Après avoir traversé les turbines, l'eau est renvoyée dans le lit naturel de la rivière par le canal d'évacuation.
Le canal d'évacuation est situé entre la centrale et la rivière et sa taille dépend de la taille de la centrale et de la rivière.
Déversoir
Le déversoir permet à l'eau de s'échapper chaque fois que le niveau du réservoir dépasse les limites recommandées. Cela se produit généralement pendant les périodes de pluie.
Le déversoir est ouvert lorsque la production d'électricité est altérée parce que le niveau d'eau est au-dessus du niveau idéal; ou pour éviter les débordements et par conséquent les inondations autour de l'usine, ce qui est possible en période très pluvieuse.
Impacts socio-environnementaux causés par l'implantation de centrales hydroélectriques
La première centrale hydroélectrique a été construite à la fin du 19e siècle sur un tronçon des chutes du Niagara, entre les États-Unis et le Canada, lorsque le charbon était le principal combustible et que le pétrole n'était pas encore largement utilisé. Avant cela, l'énergie hydraulique n'était utilisée que comme énergie mécanique.
Bien que l'hydroélectricité soit une source d'énergie renouvelable, le rapport d'Aneel souligne que sa part dans la matrice électrique mondiale est faible et devient encore plus petite. Le désintérêt croissant serait le résultat des externalités négatives résultant de la mise en œuvre de projets aussi importants.
Un impact négatif de l'implantation de grands projets hydroélectriques est le changement de mode de vie des populations qui vivent dans la région, ou dans les environs du lieu, où l'usine sera implantée. Il est également important de souligner que ces communautés sont souvent des groupes humains identifiés comme des populations traditionnelles (peuples autochtones, quilombolas, communautés riveraines amazoniennes et autres), dont la survie dépend de l'utilisation des ressources du lieu où elles vivent, et qui ont des liens avec le territoire. ordre culturel.
L'hydroélectricité est-elle propre?
Bien qu'elle soit considérée par beaucoup comme une source d'énergie «propre» parce qu'elle n'est pas associée à la combustion de combustibles fossiles, la production d'énergie hydroélectrique contribue à l'émission de dioxyde de carbone et de méthane, deux gaz potentiellement à l'origine du réchauffement climatique.
L'émission de dioxyde de carbone (CO2) est due à la décomposition des arbres qui restent au-dessus du niveau d'eau des réservoirs, et la libération de méthane (CH4) se produit par la décomposition de la matière organique présente au fond du réservoir. À mesure que la colonne d'eau augmente, la concentration de méthane (CH4) augmente également. Lorsque l'eau atteint les turbines de l'usine, la différence de pression provoque le rejet de méthane dans l'atmosphère. Le méthane est également libéré dans le chemin de l'eau à travers le déversoir de l'usine, lorsque, en plus du changement de pression et de température, l'eau est pulvérisée en gouttes.
Le CO2 est libéré par la décomposition des arbres morts au-dessus de l'eau. Contrairement au méthane, seule une partie du CO2 émis est considérée comme impactante, puisqu'une grande partie du CO2 est annulée au moyen des absorptions qui se produisent dans le réservoir. Comme le méthane n'est pas incorporé dans les processus de photosynthèse (bien qu'il puisse être lentement transformé en dioxyde de carbone), il est considéré comme plus impactant sur l'effet de serre, dans ce cas.
Le projet Balcar (Émissions de gaz à effet de serre dans les réservoirs des centrales hydroélectriques) a été créé pour étudier la contribution des réservoirs artificiels à l'intensification de l'effet de serre par l'émission de dioxyde de carbone et de méthane. Les premières études du projet ont été réalisées dans les années 90, dans des réservoirs de la région amazonienne: Balbina, Tucuruí et Samuel. La région amazonienne s'est concentrée sur l'étude car elle est caractérisée par une couverture végétale massive, et par conséquent, un plus grand potentiel d'émissions de gaz par décomposition de la matière organique. Par la suite, à la fin des années 1990, le projet comprenait également Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo et Barra Bonita.
Selon l'article que le Dr Philip M. Fearnside, de l'Amazon Research Institute, a publié sur les émissions de gaz à l'usine de Tucuruí, en 1990, les émissions de gaz à effet de serre (CO2 et CH4) de l'usine variaient entre 7 millions et 10 millions de tonnes cette année-là. L'auteur fait une comparaison avec la ville de São Paulo, qui a émis 53 millions de tonnes de CO2 à partir de combustibles fossiles la même année. En d'autres termes, seul Tucuruí serait responsable d'émettre l'équivalent de 13% à 18% des émissions de gaz à effet de serre de la ville de São Paulo, une valeur significative pour une source d'énergie considérée depuis longtemps comme «sans émission». On pensait qu'avec le temps, la matière organique subirait une décomposition totale et, par conséquent, cesserait d'émettre ces gaz. cependant,des études du groupe Balcar ont montré que le processus de production de gaz est alimenté par l'arrivée de nouvelles matières organiques apportées par les rivières et les pluies.
Perte d'espèces végétales et animales
Surtout dans la région amazonienne, qui a une forte biodiversité, il y a la mort inévitable des organismes de la flore de l'endroit où se forme le réservoir. Quant aux animaux, même si une planification minutieuse est faite pour tenter d'éliminer les organismes, il ne peut être garanti que tous les organismes qui composent l'écosystème sont sauvés. De plus, le barrage impose des changements dans les habitats environnants.
Perte de sol
Le sol de la zone inondée deviendra inutilisable à d'autres fins. Cela devient un problème central, en particulier dans les régions à prédominance plate, comme la région amazonienne elle-même. Étant donné que la puissance de l'usine est donnée par la relation entre le débit de la rivière et les inégalités du terrain, si le terrain présente une faible inégalité, une plus grande quantité d'eau doit être stockée, ce qui implique une vaste zone de réservoir.
Changements dans la géométrie hydraulique de la rivière
Les rivières ont tendance à avoir un équilibre dynamique entre le débit, la vitesse moyenne de l'eau, la charge sédimentaire et la morphologie du lit. La construction de réservoirs affecte cet équilibre et, par conséquent, entraîne des changements d'ordre hydrologique et sédimentaire, non seulement sur le site du barrage, mais aussi dans les environs et dans le lit en aval du barrage.
Capacité nominale x quantité réelle produite
Un autre problème à soulever est qu'il existe une différence entre la capacité nominale installée et la quantité réelle d'énergie électrique produite par l'usine. La quantité d'énergie produite dépend du débit de la rivière.
Ainsi, il est inutile d'installer un système ayant le potentiel de produire plus d'énergie que le débit de la rivière ne peut en fournir, comme cela s'est produit dans le cas de la centrale hydroélectrique de Balbina, installée sur la rivière Uatumã.
Puissance ferme de la plante
Un autre point important à prendre en compte est le concept de puissance ferme de la centrale. Selon Aneel, la puissance ferme de l'entreprise est la production d'énergie continue maximale qui pourrait être obtenue, compte tenu de la séquence la plus sèche enregistrée dans l'historique d'écoulement de la rivière dans laquelle elle est installée comme base. Cette question tend à devenir de plus en plus centrale face à des périodes de sécheresse de plus en plus fréquentes et sévères.
L'énergie hydroélectrique au Brésil
Le Brésil est le pays qui détient le plus grand potentiel hydroélectrique au monde. Si bien que 70% de celui-ci est concentré dans les bassins Amazonas et Tocantins / Araguaia. La première grande centrale hydroélectrique brésilienne à être construite fut Paulo Afonso I, en 1949, à Bahia, d'une puissance équivalente à 180 MW. Actuellement, Paulo Afonso I fait partie du complexe hydroélectrique Paulo Afonso, qui comprend un total de quatre usines.
Balbina
La centrale hydroélectrique de Balbina a été construite sur la rivière Uatumã, en Amazonie. Balbina a été construit pour répondre à la demande énergétique de Manaus. La prévision était pour l'installation de 250 MW de capacité, à travers cinq générateurs, d'une puissance de 50 MW chacun. Cependant, le débit de la rivière Uatumã fournit une production d'énergie annuelle moyenne beaucoup plus faible, quelque part autour de 112,2 MW, dont seulement 64 MW peuvent être considérés comme une puissance ferme. Considérant qu'il y a une perte approximative de 2,5% lors du transport d'électricité de la centrale au centre de consommation, seulement 109,4 MW (62,4 MW en puissance ferme). Valeur bien inférieure à la capacité nominale de 250 MW.
Itaipu
La centrale hydroélectrique d'Itaipu est considérée comme la deuxième plus grande centrale au monde, avec 14 000 MW de capacité installée, et la deuxième seulement après les Gorges de Três, en Chine avec 18 200 MW. Construite sur le fleuve Paraná et située à la frontière entre le Brésil et le Paraguay, c'est une usine binationale, car elle appartient aux deux pays. L'énergie produite par Itaipu qui alimente le Brésil correspond à la moitié de sa puissance totale (7 mille MW) ce qui équivaut à 16,8% de l'énergie consommée au Brésil, et l'autre moitié de l'énergie est utilisée par le Paraguay et correspond à 75% Consommation d'énergie paraguayenne.
Tucuruí
La centrale de Tucuruí a été construite sur la rivière Tocantins, au Pará et a une capacité installée équivalente à 8 370 MW.
Belo Monte
La centrale hydroélectrique de Belo Monte, située dans la municipalité d'Altamira, au sud-ouest du Pará et inaugurée par la présidente Dilma Roussef, a été construite sur le fleuve Xingu. L'usine est la plus grande centrale hydroélectrique 100% nationale et la troisième au monde. D'une puissance installée de 11 233,1 Mégawatts (MW). Cela signifie une charge suffisante pour desservir 60 millions de personnes dans 17 États, ce qui représente environ 40% de la consommation résidentielle du pays. La capacité de production installée équivalente est de 11 000 MW, soit la plus grande centrale en puissance installée le pays, remplaçant l'usine de Tucuruí en tant que plus grande usine 100% nationale. Belo Monte est également la troisième plus grande centrale hydroélectrique au monde, derrière les Gorges de Três et Itaipu, respectivement.
De nombreux problèmes tournent autour de la construction de l'usine de Belo Monte. Malgré une puissance installée de 11 000 MW, selon le ministère de l'Environnement, la puissance ferme de la centrale correspond à 4 500 MW, soit seulement 40% de la puissance totale. Parce qu'il est construit dans une région amazonienne, Belo Monte a le potentiel d'émettre de grandes concentrations de méthane et de dioxyde de carbone. Tout cela sans compter le grand impact sur la vie des populations traditionnelles et le grand impact sur la faune et la flore. Un autre facteur est que sa construction profite principalement aux entreprises et non à la population. Environ 80% de l'électricité est destinée aux entreprises du Centre-Sud du pays.
Applicabilité
Malgré les impacts socio-environnementaux négatifs mentionnés, l'énergie hydroélectrique présente des avantages par rapport aux sources d'énergie non renouvelables telles que les combustibles fossiles. Bien qu'elles contribuent à l'émission de méthane et de dioxyde de soufre, les centrales hydroélectriques n'émettent ni ne rejettent d'autres types de gaz toxiques, tels que ceux exhalés par les centrales thermoélectriques - très nocifs pour l'environnement et la santé humaine.
Cependant, les inconvénients des centrales hydroélectriques par rapport à d'autres sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire et éolienne, qui ont réduit les impacts environnementaux par rapport aux impacts causés par les centrales hydroélectriques, sont plus évidents. Le problème reste la viabilité des nouvelles technologies. Une alternative pour réduire les impacts liés à la production d'énergie hydroélectrique est la construction de petites centrales hydroélectriques, qui ne nécessitent pas la construction de grands réservoirs.
- Qu'est-ce que l'énergie solaire, avantages et inconvénients
- Qu'est-ce que l'énergie éolienne?
De plus, les barrages ont une durée de vie utile d'environ 30 ans, ce qui remet en cause leur viabilité à long terme.
L'étude «L'hydroélectricité durable au 21e siècle», menée par la Michigan State University, attire l'attention sur le fait que les grands barrages hydroélectriques pourraient devenir une source d'énergie encore moins durable face au changement climatique.
Il est nécessaire de prendre en compte les coûts réels de l'hydroélectricité, non seulement les coûts économiques et d'infrastructure, mais aussi les coûts sociaux, environnementaux et culturels.
