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L’énergie hydroélectrique : Comment ça marche?

Centrale hydroélectrique de Carillon, Saint-André-d'Argenteuil, Quebec

Centrale hydroélectrique de Carillon, Saint-André-d'Argenteuil, Quebec (P199 [CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons)

Centrale hydroélectrique de Carillon, Saint-André-d'Argenteuil, Quebec

Centrale hydroélectrique de Carillon, Saint-André-d'Argenteuil, Quebec (P199 [CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons)

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Découvre comment l’eau en mouvement peut être utilisée pour générer de l’électricité.

Au Canada, nous utilisons souvent l’eau en mouvement pour générer de l’électricité. C’est ce qu’on appelle de l’énergie hydroélectrique, souvent abrégée en hydroélectricité. Cette énergie hydraulique produit près des deux tiers de l’électricité consommée au Canada. L’hydroélectricité est une source d’énergie renouvelable. C’est parce que nous pouvons utiliser l’eau encore et encore pour produire de l’électricité.

Le savais-tu?

L’hydroélectricité génère environ 16 % de l’électricité produite dans le monde.

Comment les trois types différents de barrages hydroélectriques (de haute, moyenne ou basse chute) produisent de l'électricité (2013), une vidéo faite par CNR, un producteur français d'électricité d'origine renouvelable (4 min 1 s).

Types de production hydroélectrique

Il y a quatre façons principales de produire de l’électricité en utilisant l’eau en mouvement. Il s’agit des suivantes :

  • Hydroélectricité de stockage et de stockage par pompage
  • Hydroélectricité au fil de l’eau
  • Hydroélectricité marémotrice
  • Hydroélectricité houlomotrice

Les deux premières formes sont produites dans les rivières. Les deux autres sont produites à proximité des océans ou dans ceux-ci.

Hydroélectricité de stockage

Le stockage est l’une des façons les plus courantes de produire de l’hydroélectricité. Cela commence habituellement par la construction d’une structure appelée barrage en travers d’une rivière. Le barrage bloque l'écoulement de la rivière et stocke l’eau au-dessus de celle-ci. Cette zone de stockage est appelée réservoir.

Shown is a colour photograph of a huge cement wall holding back a large body of water.
Vue aérienne du barrage de Revelstoke à Revelstoke, en Colombie-Britannique; le bleu en haut de l’image est le réservoir (Source: Kelownian Pilot [CC BY-SA 3.0] recolorisé via Wikimedia Commons).
Image - Version texte

Une photographie en couleur montre un immense mur de ciment retenant un grand plan d’eau.

La caméra est orientée depuis le haut vers le barrage. Le barrage est construit en travers d’une étroite gorge de rivière. Le niveau de l’eau derrière le barrage est haut et d’un bleu profond. Un plan d’eau beaucoup plus bas est visible seulement devant le barrage, au premier plan de l’image.

Le barrage lui-même est grand et fait de béton gris. Six objets qui ressemblent à de longs tuyaux se projettent à l’avant. Des routes et d’autres structures en béton l’entourent.

L’eau dans le réservoir est à une hauteur plus élevée que celle de la rivière de l’autre côté du barrage. Cela signifie que l’eau dans le réservoir possède une énergie potentielle gravitationnelle. Lorsque l’eau s’écoule à travers le barrage, elle est convertie en énergie cinétique.

À l’intérieur de la structure du barrage se trouve une turbine. Une turbine est un dispositif qui convertit l’énergie cinétique en énergie mécanique. La turbine est fixée à un rotor dans le générateur. Le générateur convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. Pour ce faire, il fait tourner un fil à l’intérieur d’un puissant aimant. Lorsque davantage d’électricité est nécessaire, les travailleurs peuvent laisser plus d’eau s’écouler à travers le barrage.

 

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L’hydroélectricité de stockage présente certains avantages. Les gens peuvent utiliser l’eau dans les réservoirs comme eau potable. Ils peuvent également utiliser l’eau pour l’irrigation. Ils peuvent même l’utiliser pour les loisirs, comme la voile.

Shown is a colour photograph of a dam at the end of a lake.
Barrage du réservoir Ghost, Alberta (Source : Ingo Schwarze [CC BY 4.0] via Wikimedia Commons).
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Une photographie en couleur montre un barrage au bout d’un lac.

Un lac bleu grisâtre à la surface ondoyante occupe la majeure partie de la photographie. À droite se trouvent deux petits voiliers. Au loin, on aperçoit un mur de béton large et bas. Il est plat sur le dessus, avec des piliers visibles près de l’eau en dessous. Au centre se trouve une structure plus haute qui ressemble à un portail, avec des poutres métalliques verticales qui descendent jusqu’au mur en contrebas.

Cette méthode a aussi des inconvénients. Les systèmes hydroélectriques de stockage affectent les systèmes d’eau naturels. Ils modifient les lieux et la façon dont l’eau s’écoule, et ils affectent souvent les plantes et les animaux qui vivent dans l’eau. Cela signifie que les populations locales peuvent perdre le poisson et la faune dont elles dépendent pour se nourrir.

La construction de réservoirs entraîne souvent des inondations. Si les terres sont inondées, les gens ne peuvent pas les utiliser pour l’agriculture, la chasse ou les habitations. Les inondations peuvent également endommager les écosystèmes le long des rives en les recouvrant d’eau. Parfois, les barrages cèdent. Cela peut causer beaucoup de dommages aux environnements humains et naturels à proximité.

Les terres des communautés autochtones du Canada ont souvent été inondées sans leur consentement. Les collectivités ont perdu les terres dont elles dépendent pour la chasse, la pêche, la cueillette et les besoins culturels. Les scientifiques ont également constaté que les plantes en décomposition et le sol sous l’eau peuvent libérer des toxines. Celles-ci s’accumulent dans les poissons et les oiseaux que les gens consomment, entraînant des conséquences sur la santé. De nombreux Autochtones et leurs partisans protestent contre la construction de projets hydroélectriques près de leurs communautés.

Hydroélectricité de stockage par pompage

Le stockage par pompage (ou pompage-turbinage) est une variante du stockage traditionnel. Dans ce cas, il y a deux réservoirs d’eau. L’un est à une hauteur plus élevée et l’autre est à une plus faible hauteur.

Lorsque davantage d’électricité est nécessaire, l’eau peut s’écouler du réservoir supérieur vers le réservoir inférieur. La production d’électricité se fait de la même manière que celle de l’hydroélectricité de stockage standard.

Une illustration en couleur montre une section transversale d’un barrage de stockage par pompage durant la journée.
Stockage par pompage pendant la journée (Parlons sciences utilise une image de bubblea via Getty Images).
Image - Version texte

Une illustration en couleur montre une section transversale d’un barrage de stockage par pompage durant la journée.

Le barrage est construit sur le flanc d’une colline verte. À gauche, au sommet de la colline, se trouve un plan d’eau bleu vif étiqueté « Réservoir supérieur ». Une flèche étiquetée « Écoulement de l’eau » montre que l’eau coule à travers une ouverture dans le barrage. L’eau s’écoule ensuite vers le bas dans un tuyau, à travers une chambre contenant une turbine, puis ressort dans un plan d’eau dans le coin inférieur droit de l’image, étiqueté « Réservoir inférieur ».

Au milieu du barrage, au-dessus de la turbine, se trouve une illustration d’un générateur. Une flèche jaune étiquetée « Flux d’électricité » pointe en s’éloignant de celui-ci. Elle mène le long de lignes électriques, à travers le paysage, à une ville au loin.

Lorsque moins d’électricité est nécessaire, comme la nuit, une pompe déplace l’eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur. Ces pompes sont alimentées par d’autres formes d’énergie renouvelable.

Une illustration en couleur montre le même barrage que ci-dessus, avec de l’eau qui est pompée vers le haut de la colline durant la nuit.
Stockage par pompage durant la nuit (Parlons sciences utilise une image de bubblea via Getty Images).
Image - Version texte

Une illustration en couleur montre le même barrage que ci-dessus, avec de l’eau qui est pompée vers le haut de la colline durant la nuit.

L’illustration présente le même paysage, mais plus sombre et éclairé par la lune. Ici, les flèches montrent que l’eau coule du réservoir inférieur, à travers les tuyaux du barrage, vers le réservoir supérieur. Les flèches jaunes indiquent le flux d’électricité provenant de la ville, le long de lignes électriques, vers le générateur.

L’avantage des systèmes de stockage par pompage est qu’ils ne nécessitent pas d’être installés sur une rivière. Ils ne requièrent que deux plans d’eau à différentes hauteurs.

Ces systèmes présentent un inconvénient. Ils consomment davantage d’électricité qu’ils n’en génèrent. Alors, pourquoi les utilisons-nous? L’électricité qu’ils produisent lorsque les gens en ont le plus besoin peut être vendue à un prix élevé. Et l’électricité pour pomper l’eau en montée est achetée à un prix inférieur, car la pompe fonctionne la nuit, quand moins de gens ont besoin d’électricité. Ainsi, les systèmes de stockage par pompage peuvent générer un profit.

Hydroélectricité au fil de l’eau

L’hydroélectricité au fil de l’eau tire son énergie cinétique de l’écoulement naturel d’une rivière. Ces systèmes n’utilisent habituellement pas de réservoirs. Cela signifie que les systèmes au fil de l’eau ne peuvent pas stocker beaucoup d’énergie.

Parfois, la rivière traverse un système de turbine. Tu peux le voir sur la photo ci-dessous. À gauche se trouve la centrale hydroélectrique, à droite, l’écoulement naturel de la rivière.

Shown is a colour photograph of water flowing through and beside a dam in a mountain river.
La centrale hydroélectrique de Lower Bonnington sur la rivière Kootenay, en Colombie-Britannique (Source: AmyBFortisBC [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons).
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Une photographie en couleur montre de l’eau qui coule au travers et à côté d’un barrage dans une rivière de montagne.

Une large rivière à débit rapide occupe la majeure partie de la photographie. Au centre, l’eau blanche se déverse à travers un barrage qui traverse la moitié gauche de la rivière, et par-dessus une forte dénivellation. Une brume s’élève au-dessus. L’eau plus calme le long du bas de l’image est d’un vert profond. Le paysage environnant est bas, rocheux et couvert d’une forêt à feuilles persistantes. Le ciel au-dessus est bleu vif avec quelques nuages blancs.

D’autres fois, l’eau est détournée d’une rivière par le système de turbine, puis elle est retournée à la rivière, en aval.

L’avantage des systèmes au fil de l’eau est qu’ils perturbent moins les rivières. Ils ont moins d’effets sur l’écoulement de l’eau. Et il n’est pas nécessaire d’inonder les terres pour constituer des réservoirs.

Les systèmes au fil de l’eau présentent des inconvénients. Ils ne peuvent généralement pas produire autant d’électricité que les systèmes hydroélectriques de stockage. Et ils ne peuvent pas fonctionner sans eau courante. Si le débit de la rivière diminue, la production d’électricité diminue aussi. C’est un problème parce que les changements climatiques entraînent moins de précipitations dans certaines régions. Enfin, les systèmes au fil de l’eau nécessitent des conditions fluviales spécifiques.

Hydroélectricité marémotrice

L’hydroélectricité marémotrice utilise la montée et la descente naturelles des océans, appelées marées. L’hydroélectricité marémotrice est présente le long des côtes dans le monde. Pour que ces systèmes fonctionnent, le niveau d’eau doit changer d’au moins 5 mètres. C’est beaucoup!

Énergie marémotrice 101 (2023) par Student Energy (2 min 24 s)

L’énergie marémotrice requiert des structures semblables à celles des systèmes hydroélectriques sur terre. Par exemple, un barrage à marée est comme un système au fil de l’eau. Et les turbines marémotrices s’apparentent aux turbines éoliennes.

L’un des avantages de l’hydroélectricité marémotrice réside dans le fait que les marées sont très prévisibles. Cela en fait une source d’énergie fiable.

Il y a des inconvénients à l’hydroélectricité marémotrice. Premièrement, la plupart des endroits n’ont pas de marées assez hautes pour que cela fonctionne. L’hydroélectricité marémotrice peut également affecter la vie marine. Enfin, l’eau salée de l’océan peut être dure pour les pièces mécaniques. Tous ces facteurs signifient que l’hydroélectricité marémotrice n’a pas encore été beaucoup utilisée.

Hydroélectricité houlomotrice

Les vagues dans l’océan ont aussi beaucoup d’énergie. Les gens cherchent à exploiter cette énergie de différentes façons. Les ingénieurs et ingénieures ont essayé d’utiliser différents types d’objets qui se déplacent avec les vagues. Ce mouvement est utilisé à diverses fins. Certains systèmes utilisent le mouvement pour pousser de l’air ou d’autres fluides à travers une turbine connectée à un générateur. D’autres systèmes utilisent le mouvement ascendant et descendant des vagues pour déplacer un aimant à l’intérieur d’un générateur, ce qui peut générer de l’électricité.

Le savais-tu?

Le premier système hydroélectrique commercial utilisant l’énergie des vagues a été construit sur l’île d’Islay, en Écosse, en 2000. Il a été fermé en 2011. Mais les ingénieurs et ingénieures en ont tiré suffisamment d’enseignements pour construire une autre usine plus grande en Espagne.

Bien que l’hydroélectricité houlomotrice ait beaucoup de potentiel, il y a aussi beaucoup de défis à relever. Tout comme l’énergie marémotrice, l’eau de mer est dure pour les dispositifs mécaniques. Et contrairement aux marées, la taille et la vitesse des vagues sont imprévisibles. Cela signifie qu’il est difficile de concevoir un système approprié. Enfin, les objets sur ou dans l’océan peuvent affecter la vie marine. Ils peuvent également constituer un danger pour les navires.

Malgré les défis, les gens sont désireux de concevoir des moyens innovants pour exploiter la puissance des vagues.

Comment la mer peut-elle produire de l'élèctricité? (2014) par J'apprends l'Energie (1 min 28 s)

 

  • Un producteur d’électricité planifie d’ériger un barrage de centrale hydroélectrique dans ta région. Qu’en penses-tu? Serais-tu d’accord ou pas avec ce projet?
  • As-tu déjà vu une centrale hydroélectrique de près? Si oui, où était-elle située et à quoi ressemblait-elle?
  • On dit souvent que l’énergie hydroélectrique est l’un des types de production d’électricité les plus propres. Es-tu d’accord avec ça? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Quels sont les impacts environnementaux et sociaux lors de la construction d’un barrage de centrale hydroélectrique?
  • La construction d’une centrale hydroélectrique pose-t-elle des préoccupations éthiques? Explique.
  • Si une étude environnementale d’une région donnée indique qu’un barrage de centrale hydroélectrique aurait des répercussions négatives sur l’écosystème, le projet devrait-il toujours être poursuivi? Explique.
  • Qu’est-ce que l’hydroélectricité?
  • Généralement, quel serait le meilleur emplacement pour construire un barrage ou une installation hydroélectrique?
  • Comment l’électricité est-elle générée dans une centrale hydroélectrique?
  • Comment l’énergie produite par une centrale hydroélectrique est-elle transportée vers nos maisons, nos écoles et notre région?
  • Les scientifiques devraient-ils aider la population à prendre une décision éclairée afin d’appuyer ou de s’opposer à la construction de nouvelles centrales hydroélectriques? Explique.
  • Lorsqu’une nouvelle centrale hydroélectrique est prévue dans une région, penses-tu que les reportages médiatiques sont de nature plutôt positive, négative ou neutre? Explique.
  • Cet article peut être utilisé pour l’enseignement et l’apprentissage des sciences et de la physique en ce qui a trait à l’électricité, à la production d’électricité et aux transformations énergétiques. Les concepts présentés incluent : installations hydroélectriques, électrons, électricité, bief d’amont ou retenue, canal d’amenée, turbine, rotor, électroaimants, stator, tension, transformateurs, lignes de transport, bief d’aval ou canal de fuite, énergie renouvelable.
  • Avant de visionner cette vidéo, la stratégie d’apprentissage Discussion écrite sur un thème pourrait être utilisée afin de présenter le sujet des sources d’énergie renouvelable. Téléchargez les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Avant de visionner cette vidéo, les enseignants pourraient aussi proposer aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire afin de les aider à acquérir et consolider une nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Après avoir visionné la vidéo, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Organisateur du pour et du contre afin d’évaluer les avantages et les inconvénients des barrages de centrales hydroélectriques. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour approfondir le sujet, les enseignants pourraient prolonger l’activité Organisateur du pour et du contre en fournissant aux élèves des ressources complémentaires ou en leur demandant d’effectuer leurs propres recherches afin d’approfondir leurs connaissances sur les particularités positives et négatives des barrages hydroélectriques, pour les rajouter dans les colonnes des avantages et des inconvénients de l’Organisateur.
  • Pour conclure, l’enseignant ou enseignante pourrait animer une discussion sur les avantages et les inconvénients de la production hydroélectrique en mettant l’accent sur la question « Les avantages l’emportent-ils sur les inconvénients? ».

Faire des liens

  • Un producteur d’électricité planifie d’ériger un barrage de centrale hydroélectrique dans ta région. Qu’en penses-tu? Serais-tu d’accord ou pas avec ce projet?
  • As-tu déjà vu une centrale hydroélectrique de près? Si oui, où était-elle située et à quoi ressemblait-elle?

Relier la science et la technologie à la société et à l’environnement

  • On dit souvent que l’énergie hydroélectrique est l’un des types de production d’électricité les plus propres. Es-tu d’accord avec ça? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Quels sont les impacts environnementaux et sociaux lors de la construction d’un barrage de centrale hydroélectrique?
  • La construction d’une centrale hydroélectrique pose-t-elle des préoccupations éthiques? Explique.
  • Si une étude environnementale d’une région donnée indique qu’un barrage de centrale hydroélectrique aurait des répercussions négatives sur l’écosystème, le projet devrait-il toujours être poursuivi? Explique.

Explorer les concepts

  • Qu’est-ce que l’hydroélectricité?
  • Généralement, quel serait le meilleur emplacement pour construire un barrage ou une installation hydroélectrique?
  • Comment l’électricité est-elle générée dans une centrale hydroélectrique?
  • Comment l’énergie produite par une centrale hydroélectrique est-elle transportée vers nos maisons, nos écoles et notre région?

Nature de la science et de la technologie

  • Les scientifiques devraient-ils aider la population à prendre une décision éclairée afin d’appuyer ou de s’opposer à la construction de nouvelles centrales hydroélectriques? Explique.

Littératie médiatique

  • Lorsqu’une nouvelle centrale hydroélectrique est prévue dans une région, penses-tu que les reportages médiatiques sont de nature plutôt positive, négative ou neutre? Explique.

Suggestions pour l’enseignement

  • Cet article peut être utilisé pour l’enseignement et l’apprentissage des sciences et de la physique en ce qui a trait à l’électricité, à la production d’électricité et aux transformations énergétiques. Les concepts présentés incluent : installations hydroélectriques, électrons, électricité, bief d’amont ou retenue, canal d’amenée, turbine, rotor, électroaimants, stator, tension, transformateurs, lignes de transport, bief d’aval ou canal de fuite, énergie renouvelable.
  • Avant de visionner cette vidéo, la stratégie d’apprentissage Discussion écrite sur un thème pourrait être utilisée afin de présenter le sujet des sources d’énergie renouvelable. Téléchargez les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Avant de visionner cette vidéo, les enseignants pourraient aussi proposer aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire afin de les aider à acquérir et consolider une nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Après avoir visionné la vidéo, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Organisateur du pour et du contre afin d’évaluer les avantages et les inconvénients des barrages de centrales hydroélectriques. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour approfondir le sujet, les enseignants pourraient prolonger l’activité Organisateur du pour et du contre en fournissant aux élèves des ressources complémentaires ou en leur demandant d’effectuer leurs propres recherches afin d’approfondir leurs connaissances sur les particularités positives et négatives des barrages hydroélectriques, pour les rajouter dans les colonnes des avantages et des inconvénients de l’Organisateur.
  • Pour conclure, l’enseignant ou enseignante pourrait animer une discussion sur les avantages et les inconvénients de la production hydroélectrique en mettant l’accent sur la question « Les avantages l’emportent-ils sur les inconvénients? ».

Hydroélectricité 101 (2023)
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Visite d’un barrage hydroélectrique en réalité virtuelle (2019)
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ENERGIES DE LA MER : des océans au courant ! (2013)
Cette vidéo (26 min 16 s) par C’est pas sorcier explique quelques différentes manières de générer les énergies marines.

Références

Burrows, L. (2016, November 16). Human health risks from hydroelectric projects. The Harvard Gazette.

Canadian Geographic. (2016). Canadian hydropower interactive map.

Energy BC. (2016). Run of River Power.

Energy Sage. (2021, July 8). Hydropower: What You Need To Know.

International Hydropower Association. Types of Hydropower.

Kassam, A. (2016, Aug. 9). Construction of giant dam in Canada prompts human rights outcry. The Guardian.

Natural Resources Canada. (2017, December 13). About renewable energy

Ontario Power Generation. (n.d.). Powering the next generation.

Rutledge, K. et al. (2022, May 20). Tidal Energy. National Geographic Education.