À L’HEURE DES CHOIX ÉNERGÉTIQUES Filière énergétique : HYDROÉLECTRICITÉ

L’électricité qui nous vient de l’eau ! Avantages et inconvénients

dans une perspective de développement durable

Feuillet d’information à l’intention des jeunes et du personnel de l’éducation

Une réalisation :

En collaboration avec :

Ce feuillet d’information fait partie intégrante d’une série de feuillets disponibles sur le site EVB-CSQ : evb.csq.qc.net.

À L'HEURE DES CHOIX ÉNERGÉTIQUES

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Les sources d’énergie primaires en usage depuis l’Antiquité De tout temps, les humains ont su utiliser les sources d’énergie ambiantes pour qu’elles les assistent dans leurs tâches de tous les jours. Ces sources d’énergie, disponibles « gratuite-ment » et sans nécessiter d’efforts pour les ex-traire, ont constitué les premières formes d’énergie mises à la disposition de l’homme.

Par exemple, très tôt dans l’histoire de l’huma-nité, on utilisait l’énergie du vent pour actionner des machines, pour pomper l’eau d’un site à un autre, pour moudre le grain, etc. De façon simi-laire, on a fait de même pour utiliser l’énergie contenue dans l’eau pour assister l’homme dans ses besoins quotidiens.

Schéma d’un moulin à scie (« scierie ») utilisé à Hiérapolis

(Asie Mineure) au 3e siècle

Ainsi, on peut comprendre que, très tôt dans l’his-toire de l’humanité, l’énergie contenue dans l’eau pouvait être utilisée à des fins « mécaniques ». Mais sa transformation en énergie électrique devra attendre quelques siècles…

L’énergie de l’eau utilisée pour entraîner de la machinerie

La conversion de l’énergie de l’eau en électricité rendue possible grâce à… Charles-Augustin Coulomb et André-Marie Ampère Les effets du magnétisme sont également connus depuis l’Antiquité. Par exemple, la force d’attrac-tion et de répulsion entre des aimants a été cons-tatée dès 600 av. J.-C. Ces connaissances sont demeurées élémentaires jusqu’à ce que des scien-tifiques poussent les études beaucoup plus loin.

Ainsi, au 15e siècle, des études plus poussées ont permis de mettre en évidence l’électricité, un phénomène nouveau distinct, mais qui s’appa-rente au magnétisme.

Cependant, les véritables percées en matière de connaissance et d’utilisation de l’électricité et du magnétisme remontent en 1750 alors que Charles-Augustin Coulomb a énoncé les pre-mières lois de la physique se rattachant à l’électricité. Ces travaux ont été poursuivis par de nombreux autres scientifiques, notamment André-Marie Ampère, qui énonce, en 1820, les pre-mières lois de la physique reliées au magnétisme.

Ainsi, sans les importants travaux menés par Coulomb, Ampère et de nombreux autres scienti-fiques, sans la connaissance des lois encadrant l’électricité et le magnétisme, l’utilisation de cette nouvelle forme d’énergie permettant la conver-sion de l’énergie contenue dans l’eau en énergie électrique n’aurait jamais été une réalité.

Qu’est-ce qu’on entend par énergie hydroélectrique ? L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une forme d’énergie renouvelable obtenue par la conversion de l’énergie hydraulique en électricité. Elle est produite par la transformation de l’éner-gie cinétique de l'eau en énergie électrique par l'intermédiaire d'une turbine hydraulique couplée à un générateur électrique.

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A. Alternateur

B. Turbine

1. Stator

2. Rotor

3. Directrices

4. Aubes

5. Entrée et écoulement de l’eau

6. Arbre raccordant la turbine à l’alternateur

Coupe transversale d’un groupe turbine-alternateur où l’eau s’écoule le long des aubes de la turbine, laquelle entraîne

l’alternateur servant à produire l’électricité

En analysant le schéma reproduit ci-dessus, le principe de la conversion de l’énergie contenue dans l’eau en énergie électrique apparaît claire-ment. Ainsi, l’eau contenue dans le barrage, situé en amont, emprunte des canalisations situées dans le barrage et s’écoule le long des aubes de la turbine. La quantité d’eau circulant dans la turbine est contrôlée par les directrices, qui agis-sent comme des vannes, permettant de moduler le débit d’eau dans la turbine en fonction de la quantité d’électricité à produire. La turbine ainsi actionnée par l’eau circulant dans ses aubes entraîne à son tour un alternateur à travers l’arbre reliant les deux unités. L’injection d’un courant électrique dans le rotor de l’alternateur a pour effet de produire, au niveau des enroulements du stator, l’électricité qui est acheminée à la popula-tion par le réseau électrique.

Ce faisant, l’énergie contenue dans l’eau est trans-formée en énergie électrique à la sortie du stator de l’alternateur, la quantité de puissance produite par l’alternateur étant contrôlée par le niveau de courant électrique injecté dans le rotor et par la quantité d’eau circulant dans la turbine. La quan-tité d’eau est modulée par le degré d’ouverture des directrices de la turbine.

Différents types de turbines hydrauliques pour différents usages Même si le principe générique de la conversion de l’énergie contenue dans l’eau en énergie élec-trique est schématisé plus haut, il n’en demeure pas moins que, sur le plan de la configuration de la turbine, celle-ci doit être adaptée aux caracté-ristiques du milieu dans lequel opère la centrale. On trouve aujourd’hui trois principaux types de turbines hydrauliques, chaque configuration étant optimisée en fonction du volume d’eau qui tra-verse la turbine, de la hauteur de l’eau dans le réservoir en amont, etc.

Turbine Pelton utilisée dans des barrages ayant des hauteurs

de chute importantes (rendement de 90 %)

Turbine Francis utilisée dans des barrages ayant des hauteurs de chute moyennes et considérables (rendement de 80 à 95 %)

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Turbine Kaplan (turbine à hélice) utilisée pour des centrales

hydroélectriques « au fil de l’eau », c’est-à-dire à faible hauteur de chute et à fort débit d’eau (rendement de 90 à 95 %)

Une centrale hydroélectrique… avec ou sans barrage ? On distingue deux types de centrales correspon-dant aux conditions imposées par l’environnement où est située la centrale.

Dans les endroits éloignés où les impacts entou-rant la création d’un réservoir sont minimes, on privilégiera la construction de centrales avec un barrage, créant ainsi un réservoir en amont. Dans ce type de centrales, on installera généra-lement des turbines de type Pelton ou Francis choisies en fonction de la hauteur de l’eau dans le réservoir en amont.

A. Barrage et réservoir d’eau

B. Centrale hydroélectrique

C. Bâche spirale

D. Groupe turbine-alternateur

E. Prise d’eau

F. Canal d’acheminement de l’eau

G. Transformateur

H. Canal de déversement

Schéma d’un barrage avec réservoir amont

Au Québec, ce type de centrales a été privilégié pour l’aménagement de centrales hydroélectri-ques, les exemples les plus probants étant les centrales Manic-5, LG-2…

On trouve plusieurs variantes de tels barrages : les barrages-poids, les barrages-voûtes, les bar-rages à contreforts (« multivoûtes ») ainsi que les barrages en remblai.

Barrage-poids (Aussois, Suisse)

Barrage multivoûte Daniel-Johnson (Manic-5, Québec)

Barrage-voûte (Monteynard, France)

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Barrage en remblai (Caniapiscau, Québec)

Le long des cours d’eau navigables ou dans les endroits où la construction d’un barrage aurait des impacts négatifs sur l’environnement, on privilégie la construction de centrales hydroélec-triques avec des barrages créant une faible hau-teur d’eau dans le réservoir en amont. Les centrales de Beauharnois et de Carillon illustrent ce que l’on qualifie de « centrale au fil de l’eau ».

Centrale au fil de l’eau (Chief Joseph, États-Unis)

Dans ce type de centrales, l’énergie produite par le fort volume d’eau circulant dans la turbine sera équivalente à l’énergie contenue dans la hauteur de chute que l’on trouve dans les centrales avec de hauts niveaux d’eau en amont. Une centrale au fil de l’eau aura plutôt pour effet de convertir en électricité l’énergie cinétique de l’eau qui s’écoule, contrairement à une centrale avec bar-rage ayant de hauts niveaux d’eau en amont, où l’énergie potentielle contenue dans l’eau, due à sa hauteur, sera la composante énergétique utili-sée pour produire de l’électricité.

Ainsi, pour les barrages par accumulation ayant de hauts niveaux d’eau en amont, la quantité d'énergie disponible dépend du volume d’eau retenu, des afflux et pertes naturels et de la hau-teur de chute.

Pour les barrages au fil de l'eau, la quantité d'énergie disponible est directement liée au débit (m³/s, m³/h, m³/j, m³/an).

Efficacité de la production d’électricité par l’aménagement de centrales hydroélectriques Le choix d’une filière énergétique dépend princi-palement de la disponibilité, du coût et de l’effi-cacité globale de la source d’énergie utilisée. À cet égard, peu de filières énergétiques peuvent se comparer à l’hydroélectricité en matière d’effi-cacité globale. On peut certes affirmer que la filière hydroélectrique est, de loin, la plus efficace pour produire de l’électricité et qu’elle constitue la ressource à privilégier pour combler nos besoins de tous les jours, à la condition, bien sûr, de dispo-ser de suffisamment de ressources hydrauliques sur le territoire.

Type de centrales Efficacité globale

Centrale hydroélectrique > 90 %1

Centrale au gaz naturel2 < 60 %3

Centrale au charbon4 < 45 %5

Centrale au mazout n/d

Centrale nucléaire6 25 à 30 %7

1 Efficacité dérivée à partir de l’efficacité du groupe turbine-

alternateur (90 %). 2 RADIO-CANADA (2004). Québec déroge à ses propres

règles à Bécancour, www.radio-canada.ca/nouvelles/Index/ nouvelles/200407/07/001-becancour-centrale.shtml.

3 Efficacité relative, c’est-à-dire ne tenant pas compte de l’énergie utilisée pour l’extraction et le transport jusqu’au site d’utilisation.

4 WIKIPÉDIA. Centrale électrique, fr.wikipedia.org/wiki/ Centrale_%C3%A9lectrique#Centrale_conventionnelle_. C3.A0_chaudi.C3.A8res.

5 Efficacité relative, c’est-à-dire ne tenant pas compte de l’énergie utilisée pour l’extraction et le transport jusqu’au site d’utilisation.

6 JE COMPRENDS ENFIN (2011). Efficacité énergétique des centrales nucléaires, je-comprends-enfin.fr/index.php?/ L-energie-nucleaire-civile/efficacite-energetique-des-centrales-nucleaires/id-menu-69.html.

7 Efficacité relative, c’est-à-dire ne tenant pas compte de l’énergie qui sera utilisée durant la période d’entreposage des déchets radioactifs.

À L'HEURE DES CHOIX ÉNERGÉTIQUES

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Comme on le voit à la lecture du tableau précé-dent, il est difficile d’obtenir des mesures préci-ses sur l’efficacité globale de chacun des types de centrales destinées à la production d’électri-cité, puisque les données à cet effet n’incluent généralement pas l’énergie dépensée pour ex-traire la matière première ou encore l’énergie qui sera requise pour maintenir en exploitation les sites d’enfouissement des déchets radioactifs.

Afin de mieux comparer la qualité relative de cha-cune des sources d’énergie (eau, charbon, pétrole, uranium), on peut recourir au concept d’énergie nette. L’analyse réalisée par Patrick Déry8 nous informe davantage sur la valeur comparative des différentes sources d’énergie à des fins de pro-duction d’électricité. Elle permet d’apprécier la supériorité de l’hydroélectricité sur toutes les autres formes d’énergie disponibles aujourd’hui quant à l’utilisation efficace de la source d’éner-gie primaire.

Type de centrales Énergie nette

Centrale hydroélectrique 280

Centrale au gaz naturel 2

Centrale au charbon 2

Centrale au mazout 5

Centrale nucléaire < 0

Les risques liés à l’exploitation de centrales hydroélectriques On rapporte dans l’histoire peu d’exemples où des catastrophes ont été induites par la défail-lance de barrages alimentant des centrales hy-droélectriques. Toutefois, on ne saurait parler de risque zéro, puisque des perturbations sismiques peuvent toujours être à l’origine de ruptures de barrages ou encore un mauvais entretien de la structure. En cas de rupture d’un barrage, un raz-de-marée se crée et déferle dans la partie aval de la rivière, détruisant tout sur son passage.

8 DÉRY, Patrick (2008). Rapport no 3 sur l’énergie régionale

— Quel rendement sur notre investissement énergétique ?, rncreq.org/documents/rapport_energie_volet3.pdf.

La principale catastrophe liée à la rupture d’un barrage est survenue en Chine, en 1975, lors de la rupture du barrage de Banqiao, causant la mort de 26 000 personnes. On peut également noter la rupture du barrage de Vajont survenue en Italie, en 1963, et qui causa la mort de 2 000 personnes. En France, la rupture du bar-rage de Malpasset, en 1959, avait aussi causé des dommages considérables.

Rupture du barrage de Malpasset (France)

De nos jours, les risques de rupture de barrages deviennent de plus en plus minimes en raison des outils modernes permettant de mieux mesu-rer les contraintes exercées sur les barrages et des mesures de sécurité mises en place.

L’hydroélectricité dans le monde L’hydroélectricité est la source d’énergie à privi-légier dans la production d’électricité. Son effica-cité, le rendement exceptionnel que l’on obtient à partir de l’énergie contenue dans la matière pre-mière (l’eau) et la flexibilité liée au fonctionne-ment de ces centrales constituent des avantages que nulle autre forme d’énergie ne peut prétendre surpasser.

Par ailleurs, comme nous le disions, même si le Québec est avantagé à cet égard par ses res-sources abondantes, les rivières et les cours d’eau ne sont pas abondants dans d’autres ré-gions du globe.

À L'HEURE DES CHOIX ÉNERGÉTIQUES

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a. Charbon

b. Hydroélectricité

c. Nucléaire

d. Gaz

e. Pétrole

f. Éolien, géothermie,…

L’hydroélectricité représente 17 % de la production d’électricité dans le monde (2004)

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L’hydroélectricité au Québec : comment est-elle exploitée ? Par qui ? Le Québec jouit de ressources hydrauliques à nulle autre pareilles. L’abondance de rivières et de lacs, la possibilité d’aménager des réservoirs loin des lieux habités sont autant d’atouts dont peu d’endroits dans le monde peuvent se préva-loir. Nous disposons de cette ressource ici, sans devoir l’importer d’ailleurs.

Reconnaissant les mérites de l’hydroélectricité, très tôt au début du 20e siècle, des entreprises ont construit des barrages et des centrales hydro-électriques pour répondre aux besoins en électri-cité naissants dans la province. Ces premiers aménagements ont été réalisés dans des sites à proximité du bassin du Saint-Laurent, là où les coûts de construction pouvaient être minimisés. Ces centrales étaient généralement propriété d’entreprises privées qui mettaient à profit l’utili-sation des cours d’eau pour leur propre bénéfice.

Au début des années 60, un changement radical vient bouleverser le paysage énergétique du Québec : la nationalisation des entreprises d’élec-tricité et la création d’Hydro-Québec10, qui en assure la gestion et l’exploitation depuis ce temps. C’était l’époque du « Maîtres chez nous »

9 SCIENCE ET DÉCISION (2005). Énergie : production,

consommation, où en est-on ?, documents.irevues.inist.fr/ bitstream/handle/2042/31243/ENP.pdf?sequence=1.

10 Hydro-Québec a été créée en 1944 sous l’administration d’Adélard Godbout, alors premier ministre du Québec. À cette époque, et jusqu’au début des années 60, elle exploitait les centrales hydroélectriques acquises par la nationalisation de la Montreal Light Heat & Power, desservant principalement les clients établis à Montréal.

et le début d’une grande épopée dans la cons-truction de nouvelles centrales hydroélectriques partout sur le territoire du Québec.

Les besoins croissants en électricité ont amené Hydro-Québec à lancer de grands chantiers hydro-électriques qui ont considérablement augmenté la production d’électricité. Soulignons à cet égard la construction du complexe Manic-Outardes du-rant les années 60 et la construction du com-plexe de la Baie-James durant les années 70.

Intérieur de la centrale Robert-Bourassa LG-2

(Baie-James, Québec)

Évacuateur de crues de la centrale Robert-Bourassa LG-2

(Baie-James, Québec)

Aujourd’hui, Hydro-Québec figure parmi les plus grandes entreprises de production d’électricité dans le monde, alors que plus de 97 % de l’élec-tricité consommée au Québec11 provient de la fi-lière hydroélectrique. Ces centrales appartiennent à la collectivité et servent, par les profits liés à l’ex-portation d’électricité en Ontario et aux États-Unis, à maintenir de bas tarifs d’électricité et à subven-tionner les programmes sociaux dont s’est doté le Québec pour mieux servir sa population.

11 Depuis la mise hors service récente de la centrale nucléaire

de Gentilly-2, ce pourcentage excède 97 %.

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Débats sur l’énergie hydroélectrique : pourquoi certains remettent-ils en question cette filière de production d’électricité ? Les débats sur les avantages, les dangers et les inconvénients de l’utilisation de l’énergie hydroé-lectrique sont peu fréquents et tiennent essentiel-lement à des considérations environnementales et aux incidences sur la population locale.

En effet, lors de la construction d’une centrale et du barrage qui retient les eaux en amont, de grandes surfaces sont inondées, et la matière végétale ainsi noyée dans le réservoir émet des gaz à effet de serre tout au long de sa période de décomposition, phénomène qui peut durer jusqu’à vingt ans après la mise en eau du réservoir.

A contrario, les partisans de l’hydroélectricité mettent en évidence le fait que, tout au long de la croissance de la matière végétale, celle-ci absorbe du CO2 contenu dans l’atmosphère nécessaire à sa croissance et que, lors de sa décomposition dans le réservoir, on ne fait que restituer dans l’atmosphère le CO2 utilisé par la matière végéta-le durant sa croissance.

On trouve également des opposants au dévelop-pement de centrales hydroélectriques dans des régions où habitent des populations importantes. Citons le cas le plus récent de l’aménagement de la centrale hydroélectrique des Trois-Gorges, en Chine, aménagement qui a requis le déplace-ment de plus de 1,4 million de personnes et qui a été fortement contesté par la population locale.

La centrale hydroélectrique des Trois-Gorges (Chine),

la plus grande centrale hydroélectrique au monde

Quels sont les avantages et les inconvénients du développement de cette industrie au Québec sur le plan environnemental ? Les avantages Sur le plan environnemental, la plupart des spé-cialistes et des acteurs dans le domaine de l’éner-gie estiment que les centrales hydroélectriques mettent en valeur une ressource renouvelable et qu’elles n’ont que de faibles incidences sur l’environnement de leur milieu.

De plus, le fait que la production d’électricité, à partir de la ressource hydraulique, n’entraîne aucune émission de gaz à effet de serre ajoute aux bénéfices qui découlent de la mise en valeur de cette filière.

Les inconvénients Les seuls inconvénients rapportés par les oppo-sants à la filière de l’hydroélectricité résultent de l’émission de CO2 libéré dans l’atmosphère par la décomposition de la matière organique noyée dans le réservoir. À cela s’ajoutent les effets né-fastes que les retenues d’eau peuvent avoir sur les habitats fauniques.

Quels sont les avantages et les inconvénients du développement de cette industrie au Québec sur le plan économique ? Les avantages Les avantages économiques que tire une popula-tion d’un aménagement hydroélectrique sont très importants. Contrairement à la production d’élec-tricité par d’autres filières (gaz, mazout, charbon), l’aménagement d’un complexe hydroélectrique nécessite de forts investissements lors de sa cons-truction et, par la suite, de faibles frais d’exploita-tion, l’eau qui actionne les turbines étant gratuite.

Ainsi, la construction d’un barrage, d’une centrale et des équipements électriques (turbine, alterna-teur…) qui la composent requiert des investisse-ments financiers importants et amène de grandes retombées économiques pour la population. Tout cela se traduit par des emplois sur le site même de la centrale ainsi que des emplois manufactu-riers pour les entreprises qui fabriquent les équi-pements de la centrale.

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Par exemple, la construction des complexes Manic-Outardes et, ultérieurement, de la Baie-James a amené des investissements colossaux dans l’éco-nomie du Québec, résultant en une croissance importante du produit intérieur brut (PIB) et des emplois pour des milliers de travailleuses et tra-vailleurs affectés à de tels projets.

Les inconvénients Sur le plan économique, le seul inconvénient lié au développement d’une centrale hydroélectrique tient au risque d’une mauvaise planification des besoins futurs en électricité pour la population à desservir ou pour les marchés à l’exportation.

En effet, la construction de telles centrales requiert des investissements massifs qui sont généralement financés par des emprunts réalisés à l’étranger. Or, la durée de construction de tels ouvrages a pour effet qu’il faut plusieurs années avant que la centrale ne soit mise en service. Ainsi, si entre-temps les conditions du marché se sont modifiées (marchés à l’exportation en diminution, baisse dans la demande locale en électricité, surabondance temporaire d’électricité produite à partir d’une source d’énergie autre ayant un effet sur les prix de l’électricité, etc.), les risques financiers d’être en défaut de paiement et de ne pas pouvoir res-pecter les échéances imposées par les financiers peuvent affecter grandement la situation écono-mique de l’entreprise (ou de l’État, si celui-ci est propriétaire de la centrale) et avoir des incidences financières très sérieuses.

À cet égard, une estimation prudente de la crois-sance de la demande en électricité et des condi-tions à l’exportation qui prévaudront lors de la mise en service de la centrale s’avèrent des conditions essentielles pour garantir la rentabilité de tels investissements.

Quels sont les avantages et les inconvénients du développement de cette industrie au Québec sur le plan social ? Les avantages Sur le plan social, les forts investissements requis pour l’aménagement de centrales et de com-plexes hydroélectriques, avec comme corollaire les nombreux emplois qui en découlent, assurent un niveau de prospérité économique important et une création d’emplois qui se matérialisent bien au-delà du site même de construction du barrage et de la centrale.

Les aménagements réalisés pour rendre ces régions accessibles ont contribué à mieux les faire connaître et ont favorisé l’essor du tourisme dans ces régions.

Les inconvénients En ce qui a trait aux inconvénients, rappelons les incidences qui résultent de la construction de tels aménagements, si la construction des centrales et des barrages oblige le déplacement de la popu-lation. Il s’agit là d’une réalité qui doit être prise en compte par les gestionnaires et qui peut ame-ner, dans certains cas, les autorités à annuler de tels projets.

De plus, les risques de rupture des barrages pour la population vivant en aval doivent être pris en compte ; des mesures d’atténuation et des mesures d’urgence adéquates doivent être im-plantées dès la mise en service de ces centrales.

Recherche et rédaction : Jean-Marc Pelletier, MCN21

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Références : Relativement aux barrages fr.wikipedia.org/wiki/Barrage

Relativement aux turbines hydrauliques fr.wikipedia.org/wiki/Turbine_hydraulique

Relativement à l’histoire de l’électricité fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectricit%C3%A9

Relativement à l’hydroélectricité fr.wikipedia.org/wiki/Hydro%C3%A9lectricit%C3%A9

Relativement au barrage des Trois-Gorges fr.wikipedia.org/wiki/Barrage_des_Trois-Gorges

Relativement aux plus grandes centrales dans le monde fr.wikipedia.org/wiki/Liste_des_plus_grandes_centrales_au_monde

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