Les barrages hydroélectriques: la principale ENR

Les barrages hydroélectriques sont une méthode traditionnelle (et quasi-exclusive) de production d’énergie à partir de l’eau et la principale source d’énergie renouvelable au monde. Ils fonctionnent en retenant l’eau dans un réservoir à une altitude plus élevée, puis en libérant cette eau pour qu’elle coule à travers des turbines. L’énergie cinétique de l’eau en mouvement est convertie en électricité par ces turbines.

Principe de fonctionnement des barrages hydroélectriques

Les barrages hydroélectriques varient en taille et en capacité de production. Certains grands barrages, tels que le barrage des Trois Gorges en Chine, ont une capacité de production de plus de 22 000 mégawatts (MW), tandis que de plus petits barrages peuvent produire seulement quelques mégawatts. La capacité de stockage d’eau de ces réservoirs varie également considérablement. Le réservoir du barrage des Trois Gorges a une capacité de stockage de 39,3 milliards de mètres cubes d’eau.

Le rendement des barrages hydroélectriques est généralement élevé, atteignant souvent 85-90 %. Cela signifie qu’une grande partie de l’énergie potentielle de l’eau stockée est convertie en électricité. Cependant, il est important de noter que les barrages hydroélectriques ne fonctionnent pas toujours à leur capacité maximale. La production d’électricité dépend de facteurs tels que la quantité d’eau disponible et les besoins en électricité.

Comment calculer l’énergie potentielle contenue par un barrage ?

Pour calculer l’énergie potentielle contenue par un barrage, il faut prendre en compte la masse de l’eau retenue, la hauteur de chute de l’eau et l’accélération due à la gravité. Voici la formule de l’énergie potentielle gravitationnelle (E_p) : E_p = m × g × h_moyen , où :

  • E_p est l’énergie potentielle gravitationnelle en joules (J)
  • m est la masse de l’eau retenue en kilogrammes (kg)
  • g est l’accélération due à la gravité, qui est d’environ 9,81 mètres par seconde carrée (m/s²) sur Terre
  • h_moyen est la hauteur de chute moyenne de l’eau en mètres (m)

Pour trouver la masse de l’eau retenue, vous devez connaître le volume d’eau dans le réservoir (V) et la densité de l’eau (ρ). La densité de l’eau pure à température ambiante est d’environ 1 000 kg/m³. La masse de l’eau est obtenue en multipliant le volume par la densité : m = V × ρ . En combinant les deux formules, vous obtenez l’équation suivante pour calculer l’énergie potentielle contenue par un barrage :

E_p = V × ρ × g × h

Il est important de noter que cette équation donne l’énergie potentielle maximale contenue par le barrage. Dans la pratique, toute cette énergie ne sera pas convertie en énergie électrique, en raison de diverses pertes et de l’efficacité des turbines.

Exemple: combien d’énergie stocke le barrage Hoover ?

Prenons l’exemple du barrage Hoover aux États-Unis, situé à la frontière entre l’Arizona et le Nevada, qui a longtemps été le plus grand du monde. Il fait 221,4m de haut et son réservoir, le lac Mead, fait environ 35,2 milliards de mètres cubes (3,52 × 10^10 m³). Pour calculer l’énergie potentielle maximale contenue par le barrage Hoover, nous pouvons utiliser l’équation mentionnée précédemment (E_p = V × ρ × g × h_moyen) en utilisant les valeurs spécifiques pour le barrage Hoover :

  • Volume (V) : 3,52 × 10^10 m³
  • Densité de l’eau (ρ) : 1 000 kg/m³
  • Accélération due à la gravité (g) : 9,81 m/s²
  • Hauteur de chute moyenne (h_moyen) : 110,7 m

E_p = (3,52 × 10^10 m³) × (1 000 kg/m³) × (9,81 m/s²) × (110,7 m)

E_p ≈ 3,83 × 10^16 joules

Cette valeur représente l’énergie potentielle maximale stockée dans le réservoir du barrage Hoover. Cependant, il faut noter que l’efficacité réelle de la conversion de l’énergie potentielle en énergie électrique dépend de plusieurs facteurs, tels que l’efficacité des turbines et des générateurs, ainsi que les pertes de transport et de distribution. En pratique, l’efficacité globale de conversion pour un barrage hydroélectrique est généralement de l’ordre de 80 % à 90 %. La capacité de production d’électricité du barrage Hoover est d’environ 2 080 mégawatts (MW), et il produit en moyenne environ 4,2 milliards de kilowattheures (kWh) d’électricité par an.

Le prix des barrages

En termes de coûts, les barrages hydroélectriques nécessitent souvent des investissements importants pour leur construction. Cependant, une fois construits, ils ont une durée de vie relativement longue (plusieurs décennies) et des coûts d’exploitation relativement faibles. Le coût moyen de l’électricité produite par les barrages hydroélectriques est estimé entre 0,03 et 0,12 USD par kilowattheure (kWh), bien que cela puisse varier en fonction des conditions locales et de la taille du projet.

Les barrages dans le monde

L’hydroélectricité est une source d’énergie renouvelable majeure, et les barrages hydroélectriques sont répartis dans le monde entier. Voici quelques pays avec une capacité hydroélectrique significative et quelques-uns des plus grands barrages dans le monde :

  1. La Chine est le leader mondial en termes de capacité hydroélectrique, avec environ 356 GW installés en 2020. Le barrage des Trois Gorges, le plus grand barrage du monde avec une capacité installée de 22 500 MW et contient environ 39,3 milliards de mètres cubes, avec une hauteur d’environ 200m, représentant un stockage d’environ 8,48 TWh.
  2. Le Brésil possède une capacité hydroélectrique importante, estimée à environ 104 GW en 2020. Le barrage d’Itaipu, situé à la frontière entre le Brésil et le Paraguay, a une capacité installée de 14 GW et un réservoir de 29 milliards de mètres cubes d’eau, avec une hauteur de 236m de haut, ce qui correspondrait à environ 4,67 TWh de stockage.
  3. Les États-Unis ont une capacité hydroélectrique installée d’environ 103 GW en 2020. Le barrage Hoover, situé à la frontière entre l’Arizona et le Nevada, a une capacité installée de 2, 08 GW et un réservoir de 35 milliards de mètres cubes d’eau, avec une hauteur de 221,4m de haut, ce qui correspondrait à environ 10,6 TWh de stockage.
  4. Le Canada possède une capacité hydroélectrique installée d’environ 82 GW en 2020. Le complexe de la Baie James, qui comprend plusieurs barrages et centrales hydroélectriques, a une capacité installée totale d’environ 16,5 GW et un réservoir de 137 milliards de mètres cubes d’eau, avec une hauteur de 100m de haut, ce qui correspondrait à environ 11,67 TWh de stockage.
  5. La Russie a une capacité hydroélectrique installée d’environ 51 GW en 2020. Le barrage de Saïano-Chouchensk, a une capacité installée de 6,4 GW et un réservoir de 31,3 milliards de mètres cubes d’eau, avec une hauteur de 210m de haut, ce qui correspondrait à environ 1,57 TWh de stockage.

Il est important de noter que ces chiffres peuvent évoluer avec le temps et les nouveaux projets de construction de barrages. Les capacités installées mentionnées ci-dessus sont basées sur les données disponibles en 2020.

  2. Barrage Hoover (États-Unis) :
    • Volume du réservoir : environ 35 milliards de mètres cubes (lac Mead) [3].
    • Énergie potentielle : ~ 0,88 TWh (en considérant une hauteur moyenne de chute d’eau de 180 m et un rendement de 90 %).
  3. Complexe de la Baie James (Canada) :
    • Volume du réservoir : environ 137 milliards de mètres cubes pour l’ensemble des réservoirs du complexe [4].
    • Énergie potentielle : ~ 11,67 TWh (en considérant une hauteur moyenne de chute d’eau de 50 m et un rendement de 90 %).
  4. Barrage de Saïano-Chouchensk (Russie) :
    • Volume du réservoir : environ 31,3 milliards de mètres cubes [5].
    • Énergie potentielle : ~ 1,57 TWh (en considérant une hauteur moyenne de chute d’eau de 105 m et un rendement de 90 %).