Hydrelect

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Hydrodynamique (Notions de physique)


HYDRODYNAMIQUE

Science d’études des liquides en mouvement, en particulier de l’eau pour ce qui nous concerne.
 
Energie potentielle, ou énergie de pression :

c’est une énergie en réserve, proportionnelle au poids d’eau emmagasinée et à son altitude.
En valeur absolue elle correspond au travail qui sera fourni par cette eau en passant de cette altitude au niveau de la mer.
Energie potentielle = masse volumique x volume x hauteur x g
Ep en J = masse volumique en kg/m3 x volume en m3 x hauteur en m x 9,81m/s2
Ep en kJ = masse volumique en t/m3  x volume en m3 x h en m x 9,81
 

Exemple : 100 000m3 d’eau pouvant chuter d’une hauteur de 100m représentent une énergie potentielle de :
1t x 100 000m3 x 100m x 9,81 =  98 100 000 kJ ou 98 100 000 : 3 600 = 27 250 kWh

2e exemple : un cours d’eau offre un débit moyen turbinable de 10m3 par seconde, sur une durée de 8 000h par an, une hauteur de chute de 10m peut-être aménagée, l’énergie potentielle de cette installation représente sur 1 an :
1 x 10 x 10 x 9,81 x 8 000 = 7 848 000 kWh   ou   7,848 GWh

Energie cinétique, ou énergie de vitesse :

C’est l’expression du travail qui peut être fourni par une masse d’eau animée d’une certaine vitesse, elle se calcule par la formule:    Ec = ½ m v2

Cette masse d’eau est mise en mouvement, et acquiert une vitesse, par suite d’une dénivellation.
La vitesse obtenue est proportionnelle à la racine carrée de cette dénivellation h :
V = √ 2 g h

Loi de conservation de l’énergie : une masse d’eau située à une hauteur h possède une énergie potentielle, tandis que son énergie cinétique est nulle. Si on laisse tomber en chute libre, cette masse d’eau, l’énergie potentielle se transforme en énergie cinétique qui atteindra sa valeur maximale avec h = 0, parallèlement l’énergie potentielle sera annulée.
On retrouve là le principe de Lavoisier : rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme.
 
Les installations hydroélectriques ont pour but, en créant une dénivellation, par un barrage, d’accumuler une masse d’eau dont l’énergie potentielle sera successivement transformée :
  •  en énergie cinétique, partiellement ou en totalité selon le type d’aménagement et de turbine, (voir le chapitre turbines), 
  • en énergie mécanique dans la turbine
  • en énergie électrique avec l’alternateur entraîné par la turbine.
En réalité cette chaîne n’est pas parfaite et des pertes d’énergie vont s’accumuler à chaque étape : pertes en charge dans les conduites d’eau, perte de rendement dans la turbine, pertes dans l’alternateur, au final un rendement global de 80% peut être considéré comme bon, quel autre générateur d’énergie peut afficher un tel résultat ?
 

Exemple : on dispose d’une arrivée d’eau de 100m3 par seconde (soit une masse de 100 tonnes) et d’une hauteur de chute de 50m,

    ·   calcul de la vitesse en bas de la chute : v = √ 2 x 9,81 x 50 = 31,32 m/s
·  calcul de l’énergie cinétique correspondante : E = ½ x 100 x(31,32)2 = 49 050 kJ par seconde, soit une puissance théorique de 49 050 kW à laquelle on peut appliquer notre rendement global de 0,8 et dire que notre alternateur pourra fournir une puissance électrique de : 49 050 x 0,8 = 39 240 kW 
Au terme de ces calculs, on se rend compte qu’il est inutile de passer par le calcul de la vitesse de l’eau si l’on veut uniquement déterminer la puissance d’une chute, dès lors que l’on connaît son débit par seconde.
La puissance d’une chute d’eau est donnée par la simple formule:

P en kW = Qm3 par s x h en m x 9,81

Il nous semble intéressant de donner ici ce que représente une énergie de 1 kWh en hydroélectricité :  

·   1 kWh c’est, approximativement, l’énergie fournie par 10m3 d’eau chutant de 50m 

·   1 kWh c’est, approximativement, l’énergie fournie par 500 litres d’eau chutant de 1 000m
    A titre de comparaison, un coureur cycliste engagé dans le Tour de France, et terminant la boucle, aura fournit sur ses pédales, à son arrivée à Paris, une énergie de....15 à 20 kWh.
 

      Remarque : l’eau qui coule dans une rivière n’offre quasiment pas d’énergie potentielle mais représente une énergie cinétique que l’on qualifie de fatale. En effet que cette énergie soit captée ou ignorée, elle se dissipera dans son parcours jusqu’à la mer.