Energia hidroelectrică sau hidroenergia este o energie regenerabilă care provine din conversia energiei hidraulice în electricitate . Energia cinetică a curentului de apă, naturală sau generată de diferența de nivel, este transformată în energie mecanică de o turbină hidraulică , apoi în energie electrică de un generator electric sincron .
În 2020, capacitatea instalată a centralelor hidroelectrice a ajuns la 1.330 GW , producând în jur de 4.370 TWh , adică 70% din producția mondială de energie regenerabilă și 15,6% din producția globală de energie electrică în 2019. Punctele forte ale hidroelectricității sunt caracterul său regenerabil, low cost de exploatare și sale reduse cu efect de seră a emisiilor de gaze ; capacitatea de stocare a rezervoarelor sale contribuie la compensarea variațiilor cererii, precum și a energiilor intermitente (eoliană, solară). Cu toate acestea, ea are un impact social și de mediu , în special în cazul barajelor instalate în regiunile non-montane: populație deplasări , eventual inundând de teren arabil , fragmentarea și modificările acvatice și terestre a ecosistemelor , blocarea aluviuni , etc. .
Principalii producători de energie hidroenergetică în 2020 au fost China (31,0%), Brazilia (9,4%), Canada (8,8%) și SUA (6,7%), centrala fiind printre cei mai puternici.
Energia electrică este produsă prin transformarea energiei cinetice a apei în energie electrică printr-o turbină hidraulică cuplată la un generator electric . Pentru baraje prin acumulare, cantitatea de energie disponibilă, pe o perioadă dată, în rezerva de apă a unui baraj depinde de volumul său, de intrările și pierderile naturale pe parcursul perioadei și de înălțimea căderii . Pentru barajele de râu, cantitatea de energie produsă este direct legată de debit (m 3 / s, m 3 / h, m 3 / zi, m 3 / an).
Există patru tipuri principale de turbine. Alegerea celui mai potrivit tip de turbină se face prin calcularea vitezei specifice notate „ns”.
Oamenii au folosit morile de apă alimentate de roți cu palete pentru a măcina grâul de peste două mii de ani. Industria ceasornicarilor și a hârtiei din Alpi a folosit-o foarte mult din cauza abundenței torenților care coborau în văi. În secolul al XIX- lea, rotorele sunt folosite pentru a genera electricitate și sunt înlocuite cu turbine.
În 1869 , inginerul Aristide Bergès l-a folosit la o cădere de două sute de metri la Lancey pentru a-și întoarce tocătoarele, răzând lemnul pentru a face pastă de hârtie. A vorbit despre „ cărbune alb ” în 1878 la Grenoble , apoi la târgul din Lyon în 1887 și la Expoziția Universală de la Paris în 1889 .
Începând cu anii 1900 , progresul tehnologic în hidroelectricitatea elvețiană a dat naștere la speculații intense pe piața bursieră asupra companiilor hidroelectrice , care au beneficiat de unitățile industriale din Alpi .
În anii 1920 , o expansiune rapidă a energiei electrice a văzut lumina zilei în Franța, cu o creștere de opt ori a producției hidraulice de electricitate datorită primelor baraje.
În 1925 , Grenoble a organizat Expoziția internațională a cărbunelui alb .
Există trei forme principale de generare a energiei hidroelectrice:
Centralele cu gravitație sunt cele care profită de energia potențială legată de diferența de nivel dintre rezervor și centrală. Centralele electrice pot fi clasificate în funcție de trei tipuri de funcționare, determinând un serviciu diferit pentru sistemul electric. Această clasificare se face în funcție de constanta de golire, care corespunde timpului teoretic care ar fi necesar pentru golirea rezervei prin turbinare la putere maximă.
Clasificare după tipul de operațiuneAstfel distingem:
Centralele electrice de tip râu, instalate în principal în zonele joase, au rezervoare scăzute din aceste motive. Ei folosesc debitul râului așa cum este, fără o capacitate semnificativă de modulație prin stocare. Ele oferă o energie de bază foarte ieftină. Acestea sunt tipice dezvoltărilor efectuate pe râurile majore, cum ar fi Rhône și Rin .
Centralele „blocate” au lacuri mai mari, permițându-le să fie modulate în timpul zilei sau chiar săptămânii. Gestionarea lor face posibilă urmărirea variației consumului pe aceste orizonturi de timp (vârfurile de consum dimineața și seara, diferența dintre zilele lucrătoare și weekendurile etc. ). Sunt tipice instalațiilor efectuate în munții mijlocii.
„Lacurile centrale” corespund structurilor cu cele mai importante rezervoare. Acestea permit o stocare sezonieră a apei și o modulare a producției pentru a depăși vârfurile de încărcare a consumului electric: vara pentru țările în care vârful consumului este determinat de aer condiționat, iarna pentru cele unde este determinat de Incalzi. Aceste centrale electrice sunt tipice instalațiilor efectuate în munții medii și înalți.
Ultimele două tipuri de lacuri permit prin retenția apei un anumit stoc de energie ( energie potențială de cădere ), făcând posibilă netezirea, cel puțin parțială, a producției de energie electrică.
Clasificare după tipul de umpluturăDe asemenea, este posibilă clasificarea centralelor electrice în funcție de caracteristicile de umplere a rezervorului lor, care condiționează utilizarea electrică care poate fi făcută din ele.
De exemplu, umplerea anumitor rezervoare poate fi obținută statistic săptămânal, sezonier, anual sau chiar multianual, în cazul unor corpuri de apă foarte mari, cum ar fi rezervorul Caniapiscau , creat ca parte a proiectului Golful James . , în Quebec . Este evident că viteza de umplere are un impact direct asupra flexibilității de utilizare.
Clasificarea după înălțimea căderiiÎn cele din urmă, putem clasifica structurile în funcție de înălțimea lor de cădere, adică diferența de altitudine dintre oglinda teoretică a rezervorului plin și turbină. Această înălțime de cădere determină tipurile de turbine utilizate.
Astfel distingem:
Între aceste trei tipuri de clasificare, nu există o echivalență strictă, ci o corelație puternică:
Producția unei centrale hidroelectrice depinde de contribuțiile râurilor care o alimentează, fluctuând în funcție de anotimpuri și de la an la an în funcție de precipitații. Producția hidroelectrică a Braziliei a scăzut cu 16% între 2011 și 2015 din cauza unei serii de ani de secetă, în ciuda punerii în funcțiune a mai multor baraje noi. În Spania, se observă variații și mai extreme: + 56,1% în 2010, -27,7% în 2011, -26,6% în 2012, + 69,9% în 2013; -47,1% în 2017 și + 74,4% în 2018.
Rezervoarele din centralele electrice ale lacurilor sunt un mijloc de depozitare care poate ajuta la compensarea sezonalității precipitațiilor, precum și a cererii. Rar au un volum suficient pentru a compensa variațiile de la an la an.
Stațiile de transfer de energie pompate (stațiile de tratare a apei), pe lângă producția lor de energie din fluxul natural, includ un mod de pompare care permite stocarea energiei produse de alte tipuri de centrale electrice atunci când consumul este mai mic decât producția, de exemplu pe timp de noapte, pentru a redistribui acesta, în modul turbină, în timpul vârfurilor de consum.
Aceste plante posedă două bazine, un rezervor superior și un bazin inferior între care este poziționată o mașină hidroelectric reversibilă : partea hidraulică poate funcționa atât în pompă , în turbină și partea electrică atât a motorului , care alternator ( mașină sincron ). În modul de acumulare, mașina folosește puterea disponibilă în rețea pentru a ridica apa din bazinul inferior în bazinul superior, iar în modul de producție, mașina convertește energia potențială gravitațională a apei în electricitate.
Eficiența (raportul dintre energia electrică consumată și energia electrică produsă) este de ordinul a 82%.
Acest tip de instalație prezintă un interes economic atunci când costurile de producție marginale variază semnificativ într-o anumită perioadă de timp (zi, săptămână, sezon, an etc. ). Acestea fac posibilă stocarea energiei gravitaționale, în perioadele în care aceste costuri sunt scăzute, să fie disponibilă în perioadele în care acestea sunt ridicate.
Acesta este cazul, de exemplu, dacă există variații recurente semnificative ale cererii (între vară și iarnă, zi sau noapte etc. ), producții „fatale” în cantități mari, care altfel s-ar pierde ( energie eoliană ) sau producția de energie de bază modulabilă (cărbune, hidraulică de râu).
O centrală cu maree este o centrală hidroelectrică care folosește energia mareelor pentru a genera electricitate. Centrala de maree Rance, comandată în 1966, pentru a compensa producția redusă de electricitate din Bretania, este un exemplu în acest sens.
Din valuriCei japonezii au devenit interesați în primul rând în resursa hulă din 1945, urmată de Norvegia și Regatul Unit .
La începutul luniiAugust 1995, Ocean Swell Powered Renewable Energy ( OSPREY), prima centrală care folosește energia valurilor, este situată în nordul Scoției . Principiul este următorul: valurile intră într-un fel de cutie scufundată, se deschid la bază, împing aerul în turbine care acționează alternatoarele generatoare de energie electrică. Acesta din urmă este apoi transmis prin cablu submarin către coastă, la aproximativ 300 de metri distanță. Centrala avea o putere de 2 MW , din păcate această lucrare, deteriorată de valuri, a fost distrusă de coada uraganului Felix în 2007. Creatorii săi nu sunt descurajați, iar o mașină nouă, mai puțin costisitoare și mai eficientă, este în prezent în focus . Ar trebui să permită furnizarea de energie electrică insulelor mici care nu dispun de aceasta și furnizarea unei instalații de desalinizare a apei de mare .
Din curenții mariniUn proiect al companiei britanice Marine Current Turbines (în) intenționează să implementeze turbine care utilizează curenți oceanici similari cu o elice pentru bărci pentru a genera electricitate.
Apa care este sursa de energie hidroelectrică poate fi stocată: producția de energie electrică poate fi, prin urmare, stocată în timpul orelor de vârf pentru a fi utilizată la orele de vârf , adică atunci când cererea este mai mare în rețea. poate fi, de asemenea, depozitat în weekend pentru a fi turbinat în timpul săptămânii, sau chiar depozitat în primăvară în timpul topirii zăpezii pentru a fi turbinat iarna. Producția de hidroelectricitate este limitată de debit și de rezervele de apă disponibile; aceste rezerve depind de climă , de pomparea efectuată în amonte de rezervoare (de exemplu pentru irigații ) și de mărimea rezervoarelor de apă (baraje).
Capacitatea hidroenergetică instalată în lume a ajuns la 1.330 GW la sfârșitul anului 2020, în creștere cu 1,6%, iar producția hidroenergetică a fost estimată la 4.370 TWh , în creștere cu 1,5%. Noile adăugiri de capacitate au atins 21 GW în 2020, față de 15,6 GW în 2018. Aproape două treimi din aceste adăugiri au fost făcute în China: 13,8 GW ; dintre țările care au instalat noi capacități, doar Turcia a depășit megawattul: 2,5 GW . China domină în mare măsură clasamentul țărilor după capacitatea instalată cu 370,2 GW , sau 27,8% din totalul mondial, urmată de Brazilia (109,3 GW ). Instalațiile de stocare pompate au un total de 160 GW de capacitate instalată și 9.000 GWh de capacitate de stocare. Noile instalații în 2020 au atins 1,5 GW, inclusiv 1,2 GW în China.
În 2019, noile adăugiri de capacitate au atins 15,6 GW , față de 21,8 GW în 2018. Țările care au instalat cele mai mari capacități sunt Brazilia: 4,92 GW , China: 4,17 GW și Laos: 1,89 GW .
Ponderea energiei hidroenergetice în producția globală de energie electrică în 2019 este estimată de BP la 15,6%. Producția sa a crescut cu 0,8% în 2019 și 22,5% din 2009.
Potrivit The World Factbook , hidraulica a reprezentat 18,7% din energia electrică a lumii în 2012 și 10,7% în Europa în 2011.
Ponderea energiei hidroelectrice în producție este mai mică decât ponderea sa în capacitatea instalată: 15,9% din producția mondială de electricitate în 2017 (față de 20,9% în 1973), dar joacă un rol deosebit de important în asigurarea unui echilibru instantaneu între producția și consumul de energie electrică; de fapt, energia hidroelectrică este, datorită flexibilității sale (poate fi mobilizată în câteva minute), o variabilă esențială de reglare, deoarece energia electrică este foarte greu de stocat în cantități mari.
Regiune |
Puterea totală la sfârșitul anului 2020 ( GW ) |
din care GW a pompat stocarea |
Completări GW 2020 |
Producția din 2020 ( TWh ) |
Partea 2020 |
Africa | 38.2 | 3.4 | 0,94 | 139,5 | 3,2% |
Asia de Sud și Centrală | 154.4 | 7.8 | 1,61 | 498 | 11,4% |
Asia de Est și Pacific | 501,5 | 69,5 | 14.47 | 1643 | 37,6% |
Europa | 254,5 | 54,9 | 3.03 | 674 | 15,4% |
America de Nord și Centrală | 204,8 | 23.0 | 0,53 | 724 | 16,6% |
America de Sud | 176,8 | 1.0 | 0,48 | 690 | 15,8% |
Lume | 1330.1 | 159,5 | 21 | 4.370 | 100% |
Principalele țări producătoare | |||||
China | 370.2 | 31,5 | 13,76 | 1.355 | 31,0% |
Brazilia | 109.3 | 0,03 | 0,21 | 409,5 | 9,4% |
Canada | 82,0 | 0,2 | 0,27 | 383 | 8,8% |
Statele Unite | 102.0 | 22.9 | 0,02 | 291 | 6,7% |
Rusia | 49.9 | 1.4 | 0,38 | 196 | 4,5% |
India | 50,5 | 4.8 | 0,48 | 155 | 3,5% |
Norvegia | 33.0 | 1.4 | 0,32 | 141,7 | 3,2% |
Japonia | 50,0 | 27.6 | 0,11 | 89.2 | 2,0% |
Curcan | 31.0 | - | 2,48 | 77.4 | 1,8% |
Venezuela | 15.4 | - | - | 72.0 | 1,6% |
Suedia | 16.5 | 0,1 | - | 71.6 | 1,6% |
Franţa | 25.5 | 5.8 | - | 64,8 | 1,5% |
Vietnam | 17.1 | - | 0,08 | 52.0 | 1,2% |
Paraguay | 8.8 | - | - | 49.3 | 1,1% |
Italia | 22.6 | 7.7 | - | 47.7 | 1,1% |
Columbia | 11.9 | - | 0,02 | 45,8 | 1,0% |
Austria | 14.6 | 5.6 | - | 42,5 | 1,0% |
elvețian | 16.9 | 3.0 | - | 40.6 | 0,9% |
Sursa datelor: International Hydropower Association. |
Capacitatea instalată a centralelor electrice de stocare cu pompă a ajuns la 159.494 MW , inclusiv 31.490 MW în China (19,7%), 27.637 MW în Japonia (17,3%) și 22.855 MW în Statele Unite (14,3%); aceste trei țări reprezintă 51,3% din totalul lumii.
Cei mai mari producători de hidroelectricitate din 2017 au fost China (28,3%), Canada (9,4%), Brazilia (8,8%) și Statele Unite (7,7%). Însă locul acestei energii regenerabile în producția națională de energie electrică este foarte variabil și cinci țări se remarcă cu cote de 95,7% în Norvegia, 62,9% în Brazilia, 59,6% în Canada, 44,8% în Vietnam și 39,7% în Suedia.
În ciuda costurilor de implementare în general ridicate, costurile de întreținere sunt rezonabile, facilitățile sunt proiectate să dureze mult timp, nu există costuri pentru combustibil și energia apei este regenerabilă dacă este gestionată corespunzător. Costul pe kWh variază considerabil în funcție de caracteristicile instalației efectuate; cel al barajelor gigantice de pe râurile mari poate fi extrem de scăzut, atrăgând industrii electro-intensive, cum ar fi aluminiul; dar instalațiile cu costuri ridicate pot fi foarte profitabile datorită flexibilității lor de funcționare și a capacității lor de a reglementa producția generală.
Hidroelectricitatea este considerată energie regenerabilă, spre deosebire de petrol sau gaze naturale .
Unele cercetări ridică îndoieli asupra echilibrului gazelor cu efect de seră al sistemelor hidroelectrice. Activitatea bacteriologică din apa barajelor, în special în regiunile tropicale, ar elibera cantități mari de metan (gaz cu efect de seră de 20 de ori mai puternic decât CO 2). În proiectele de baraj, producția de hidroelectricitate este frecvent complementară, alte scopuri precum controlul inundațiilor și consecințele acestora, îmbunătățirea navigabilității unui curs de apă, alimentarea cu apă a canalelor, constituirea stocurilor de apă pentru irigații, turism. ..
De la crearea Barajului Trei Defilee pe râul Yangzi în China în 2014, această țară a fost un lider în producția de hidroelectricitate, în Asia, dar și în Africa și America de Sud. Problemele economice ale unor astfel de construcții, precum și lupta împotriva încălzirii globale, s-au dovedit a prevala asupra altor probleme ecologice.
De impactul asupra mediului variază în funcție de tipul și mărimea structurii puse în aplicare: acestea sunt mici atunci când vine vorba de exploatarea cascade naturale, curenții marini, valuri, dar ele devin foarte importante în cazul în care aceasta este o chestiune de exploatare cascade naturale, curenții marini, valuri. este vorba despre crearea de baraje și rezervoare artificiale de apă. În acest din urmă caz, se critică în general dispariția terenurilor agricole și a satelor (ducând la deplasări ale populației), precum și întreruperea mișcării faunei (nu numai acvatice) și, în general, a întregului ecosistem înconjurător.
Câteva exemple notabile de impact major asupra mediului sunt:
În plus față de consecințele datorate rezervoarelor de apă, cum ar fi prăbușirea deltelor, cutremurelor, dezastrele se pot datora construcției structurilor în sine. Astfel, prăbușirea în 2018 a unui baraj pe râul Pian, un afluent al Mekong, construit, ca multe baraje din Laos , fără niciun studiu de impact real, a lăsat 6.600 de persoane fără adăpost și a făcut peste o sută de victime. Dezastrul a afectat apele râului Mekong , care a cuprins 17 sate din Cambodgia .