Un barrage est un ouvrage installé sur un cours d'eau. Le barrage bloque son flux naturel continu et forme ainsi un lac de retenue. L'eau de ce lac de retenue, plus ou moins grand selon les cas, est utilisée par la suite pour produire de l'électricité. En cas de besoin d'électricité, des vannes sont ouvertes et l'eau s'engouffre dans un tuyau appelé "conduite forcée", ou dans un trou creusé dans la roche, dont le départ se trouve le plus profondément possible sous la surface du lac pour bénéficier d'une pression maximale (voir expérience 2). La conduite forcée débouche dans une centrale hydraulique et, grâce à la pression et à la vitesse de l'eau, une turbine couplée à un alternateur est entraînée afin de produire de l'électricité (voir expérience 1).

 

 

 

La quantité d'électricité que peut produire un barrage hydroélectrique dépend de plusieurs facteurs :

 

- de la hauteur de chute, c'est la différence d'altitude entre le barrage et la centrale hydroélectrique associée située plus bas. Plus cette hauteur est importante, plus la quantité d'énergie produite est grande.

 

- du débit du cours d'eau sur lequel il est construit.

 

- et du rendement de la turbine qu'il utilise.

 

 

 

C'est pour cela que des barrages peuvent être construits aussi bien en montagne (exemple : Barrage d'Emosson), où la hauteur de chute est grande mais le débit est faible que sur de grands fleuves de plaine (exemple : Barrage des Trois-Gorges), où le débit est grand mais la hauteur de chute faible, tout en fournissant une quantité d'électricité identique.

 

 

          Le barrage d'Emosson franco-suisse                                                              Le barrage des Trois-Gorges, Chine

 

 

 

 

Au cours de la production d'électricité grâce à l'eau, celle-ci est chargée de différentes énergies en fonction des différentes étapes :

 

Tout d'abord, l'eau est chargée d'énergie potentielle de pesanteur. L'énergie potentielle d'un barrage correspond à l'énergie retenue dans son lac, elle dépend de la quantité d'eau et de la hauteur à laquelle cette masse est située. Elle est définie par la formule :

 

 

 

Ep=m.g.h

 

 

 

 

Où m est la masse d'eau (en kg),

 

g est la gravité (en N/kg),

 

h la hauteur par rapport au niveau de la mer (en m),

 

Ep, l'énergie potentielle de pesanteur est exprimée en Joule ou en kW.h.

 

 

 

Lorsque le barrage entre en fonctionnement, il relâche de l'eau et celle-ci s'engouffre dans la conduite forcée qui la mène vers la centrale hydraulique.

 

 

 

 

                                                                                       La conduite forcée du barrage de Marcillac, dans l'Aveyron

 

 

 

Pendant cette étape,  l'eau perd de l'altitude en descendant vers la centrale, donc son énergie potentielle diminue. Mais comme l'énergie mécanique (Em), définie par :

 Em=Ep+Ec

reste constante en l'absence de forces étrangères au poids, c’est l’énergie cinétique (Ec) qui augmente en contrepartie. Elle est définie par :

Ec=1/2.m.v²

Où m est la masse (en kg),

v est la vitesse (en m/s).

 

Comme l’énergie cinétique de l’eau augmente alors que sa masse reste constante, c'est donc sur la vitesse que l'augmentation se fait. L’eau arrive dans la centrale hydraulique avec une énergie cinétique correspondant à la perte d’énergie potentielle due à la diminution de l'altitude.

 

 

 

Au bout de la conduite, l'eau débouche dans la centrale hydroélectrique, où sa vitesse est transmise à une turbine. Dans son mouvement rotatif, la turbine entraîne un alternateur qui transforme à son tour l'énergie cinétique en énergie électrique.

 

 

 

L'électricité produite passe dans un transformateur où sa tension et son intensité sont élevées afin d'être adaptée au réseau. Elle est ensuite envoyée sur les lignes à haute-tension afin d'être distribuée  aux consommateurs.

 

Après son utilisation, l'eau sort de la centrale hydraulique et est redirigée vers la rivière d'origine au moyen d'un canal.

 

 

 

 

                                                            Canal de Sainte-Tulle de la centrale électrique EDF de L'Escale (Alpes-de-Haute-Provence)

 

 

La quantité finale d'électricité produite par le barrage ne correspond pas à l'énergie potentielle calculée au départ mais à environ 75% de celle-ci. Cette différence est due à plusieurs types de pertes d'énergie comme les frottements, les émissions de chaleur et l'efficacité des turbines (dont le rendement varie de 80 à 95% selon le type).

 

Chaque ouvrage est unique, car adapté à la vallée qu'il occupe. Cependant les barrages sont classés en plusieurs catégories de par leur principe, comme le barrage poids, le barrage voûte et le barrage à contreforts.

Les barrages doivent être assez solides pour resister à la pression exercée par l'eau de leur lac de retenue, définie par :

P=e.g.h

 

Où P est la pression exercée sur le barrage (en Pa),

e est la masse volumique de l'eau (en kg/m³),

g est la gravité (en N/kg)

et h la hauteur de la surface immergée du barrage (en m).

 

Pour résister à cette pression, voici les différentes solutions qui ont été mises au point :

- Le barrage poids

Le principe du barrage poids est de se servir de son poids, très important, pour retenir l'eau. Ce sont des barrages généralement très imposants.

            Le barrage poids de Grand Coulee aux Etats-Unis

De forme assez simple, la coupe se résume, la plupart du temps, à un triangle rectangle :

Barrage poids simplifié

La principale condition requise à la construction d'un barrage-poids dans une vallée est la solidité du rocher qui la compose. En effet, il n'est pas évident que la vallée puisse résister au poids exercé par le barrage. Pour faciliter la construction d'un tel barrage, il vaut mieux choisir un emplacement à proximité des matériaux (ciment, etc) nécessaires en grandes quantités pour optimiser les coûts de transports.

 

- Le Barrage en remblais :

 

Ce barrage repose sur le même principe que le barrage poids. La différence réside dans les matériaux utilisés pour sa construction. En effet, les barrages en remblais sont constitués de matériaux meubles avec un noyau d'argile ou de béton assurant l'étanchéité.

L'un des plus grands barrages de ce type est le barrage d'Assouan, en Égypte :

 

- Le barrage voûte :

Ce type de barrage est de forme arquée et sa courbe permet de reporter la poussée de l'eau sur les flancs de la vallée. Une vallée plutôt étroite est nécessaire à sa construction.

Le barrage voûte de Castillon en France

 

Ce type de barrage est donc de forme courbée : 

 

 Barrage voûte simplifié 

- Le barrage à voûtes multiples ou à contrefort :

Ce barrage s’appuie sur une série de voûtes qui permettent de transférer la poussée de l’eau vers leurs fondations et les rives. Ce type de construction est utilisé lorsque les appuis sont trop éloignés pour édifier un barrage voûte.

 

 

Le barrage à contrefort Daniel Johnson au Québec 

La coupe de ce barrage est le plus souvent représentée sous la forme d'un triangle équilatéral :

Barrage à contrefort simplifié

 

Il existe plusieurs types de turbines adaptées à différentes hauteurs de chute d'eau. Il peut y avoir plusieurs turbines par barrage.

 

La turbine Pelton : Elle est le plus souvent utilisée pour les barrages dont la chute d'eau est de plus de 200 mètres. Cette turbine fut créée par Lester Allan Pelton au XIXème siècle en Californie. C'est une roue à laquelle sont fixés des augets (ressemblant à de grosses cuillères). L'eau va venir la percuter et donc la faire tourner, à la manière d'un moulin à eau. Elle possède un rendement d’environ 90%.

 

La turbine Francis : Elle est principalement utilisée dans les barrages où la hauteur de chute est comprise entre 40 et 200 mètres. C'est un cylindre dans lequel plusieurs cloisons incurvées sont disposées. L'eau s'engouffre par le côté en glissant sur les pales en se dirigeant vers son centre, d'où elle est évacuée. Cette turbine fut brevetée par le nord-américain Samuel Howd en 1838 et popularisée par l’anglo-américain James Bichens Francis dont elle porte le nom. Son rendement est compris entre 80% et 95%.

La turbine Kaplan : Cette turbine est utilisée pour des chutes d’eau de 15 à 30 mètres. La turbine Kaplan ressemble à une hélice de bateau et le courant de l’eau la fait tourner. Elle a été créée par l’autrichien Viktor Kaplan pour pallier la médiocre efficacité de la turbine Francis pour des faibles hauteurs de chute. Sa plus grande particularité est de pouvoir faire varier l’angle de ses pales suivant le débit de l’eau, lui permettant d’obtenir un rendement compris entre 90% et 95%.

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