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Technologie

Il ne faut que de l’eau et le tour est joué!

01-02-2019

Centrale hydroélectrique Jean-Lesage au Québec, autrefois connue sous le nom de Manic 2 Photo: Wikimedia Commons

Ce texte a été écrit par des élèves de 4e secondaire du Pensionnat du Saint-Nom-de-Marie à la suite d’un atelier sur la communication scientifique offert par l’équipe de Québec Science.

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Un texte de Michaële Aubourg Juliette Deschamps

La turbine Francis permet d’utiliser l’énergie hydraulique, une énergie renouvelable dans plusieurs barrages hydroélectriques que l’on retrouve notamment au Canada.

Depuis longtemps, l’énergie est au coeur de nos sociétés. Grâce à elle, il est possible d’accroître nos capacités ainsi que nos performances dans divers domaines. Cependant, plusieurs sources d’énergie ne se renouvellent pas et dégradent la planète bleue. Pour contrecarrer ce problème, de nouvelles technologies fonctionnant à partir d’énergies vertes ont été élaborées. À l’échelle du Québec, territoire riche en cours d’eau, des barrages hydroélectriques contenant des turbines Francis ont été mis en place. La création des turbines Francis est le fruit d’un travail qui s’étend sur plus d’un siècle. Elle est aussi constituée de plusieurs mécanismes lui permettant de produire de l’électricité. Bien que cette technologie soit écologique, elle est le point tournant d’un enjeu environnemental et sociétal sur lequel on mérite de se pencher pour trouver des solutions.

Un peu d’histoire…

La turbine hydraulique du Moyen âge au début des années 1800
La turbine hydraulique prend naissance au Moyen âge en Europe. La force de l’eau était utilisée pour faire fonctionner des moulins afin de moudre du grain, scier du bois, foulonner du tissu… Ces moulins hydrauliques étaient le résultat d’un assemblage complexe d’engrenages permettant d’effectuer des rotations. Étant donné que l’efficacité des moulins pouvaient être améliorée, des recherches ont été réalisées à la Renaissance pour perfectionner cette technologie qui tendait à devenir populaire (Battiau, 2008).

Après la création de la machine à vapeur ayant marqué le début de l’ère industrielle, le moulin hydraulique est délaissée. En effet, l’utilisation de la machine à vapeur s’avérait plus efficace parce que le rendement du moulin hydraulique était influencé par le débit de l’eau qui n’est pas constant. Par contre, les pays pauvres en charbon mais riches en cours d’eau tel que la France avaient intérêt à utiliser les rivières à fort débit pour en tirer l’énergie. C’est alors que Benoît Fourneyron, ingénieur français, mit au point en 1827 la première turbine hydraulique offrant un rendement remarquable (Battiau, 2008).

Invention de la turbine hydraulique Francis en 1844
Né en 1815 en Angleterre, James Bicheno Francis commence à travailler dans l’ingénierie dès l’âge de 16 ans. En 1834, Francis va au Massachusetts afin de travailler sur l’amélioration de la turbine hydraulique. Il devient ingénieur en chef d’une compagnie appelée Proprietors of the Locks and Canals on Merrimack River corporation. C’est en 1844, que la compagnie de Francis améliore la turbine de Fourneyron en collaboration avec une autre entreprise. Par la suite, l’entreprise de Francis achète les droits de la nouvelle turbine et continue de la développer, d’où vient le nom de la turbine Francis (Shortridge, 1989).

Création de Hydro-Québec au début des années 1900
Les barrages hydroélectriques contenant des turbines Francis sont les plus utilisés par Hydro Québec, la compagnie qui fournit de l’hydroélectricité aux Québécois.

Le 14 mai 1906, Adam Beck, homme d’affaire ontarien, fait adopter par l’assemblée législative une loi qui crée la Hydro Electric Power Commission of Ontario (HEPCO) ou Ontario Hydro. Au départ, c’était les compagnies privées qui faisaient la production d’électricité, le transport était assuré par la Commission et la distribution par les municipalités. En 1944, le gouvernement libéral adopte une loi qui établit la Commission d’hydroélectricité au Québec. Cette loi donne également naissance à Hydro-Québec. En 1963, la compagnie Hydro-Québec fait une offre d’achat à l’HEPCO pour municipaliser les services d’électricité. Grand nombre de villes acceptent l’offre, mais certaines d’entre elles comme Alma, Sherbrooke ou Westmount ont préféré conserver leur réseau municipal. (Hydro-Québec, S.d.)

Fonctionnement de la turbine Francis actuelle

La turbine hydraulique utilise l’énergie cinétique que génère l’eau pour tourner. Comment le mouvement de l’eau fait-il tourner les pales de la turbine?

Illustration: Wikimedia Commons

  1. L’eau est dirigée du réservoir à la bâche spirale par un canal nommé conduite forcée.
  2. La bâche spirale dirige l’eau afin de bien la répartir autour de  la turbine. (Schwenke, 2012)
  3. L’eau s’infiltre dans les aubes directrices qui sont réglables selon l’intensité du flux et dirigent l’eau vers la turbine.
  4. Les pales de la turbine (5) étant placées dans le sens contraire des aubes directrices seront poussées par l’eau dans le sens horaire. (Chowdhury, 2016)
  5. Après avoir fait tourner la turbine, l’eau se dirige vers le bas. Par la suite, le liquide tombe dans un tuyau nommé aspirateur qui dirige l’eau toujours vers le bas pour qu’elle puisse finalement sortir et continuer son chemin en rivière (learn engineering, 2013).

Maintenant, comment l’électricité est-elle produite? Elle est produite grâce à un système turbo-alternateur.

  1. La turbine est reliée à un arbre. Ce dernier est un poteau de métal qui tourne grâce à la transmission de mouvement de rotation par la turbine. (D. et &, 2012) La turbine peut faire 1000 tours par minute. (Énergie douce, s.d.)
  2. 2. L’arbre est relié à son tour à l’alternateur, machine qui permet la production d’électricité. L’alternateur est composé d’un rotor (2) et d’un stator (1). Le rotor est une pièce en forme de roue reliée à l’arbre (6) ce qui permet une transmission de mouvement de rotation de l’arbre au rotor (Kidiscience, sans date).

Le rotor est un électroaimant, car il est fabriqué d’un métal dont les atomes sont bien organisés. Il est entouré par le stator, une pièce fixe faite de fils de cuivre, un métal qui a de la facilité à conduire l’électricité (Cité de l’énergie, 2010). Grâce à l’organisation de ses atomes que l’on pourrait qualifier de petits aimants, l’électroaimant possède un champ magnétique qui va du pôle nord au sud. Ce champ permet l’attraction et la répulsion d’autres matériaux (Kidiscience, s.d.).

Lorsque le rotor tourne, grâce à son magnétisme, il peut attirer ou repousser les électrons du cuivre qui composent le stator. Le mouvement induit par le rotor des électrons dans le cuivre créer un courant électrique (Kidiscience, 2014). En fait, les collisions induites entre les électrons du cuivre permettent une transmission d’énergie sous forme de chaleur calculée en Watt, ce qui créer un courant électrique (métier-électricité, s.d.). Plus le rotor est gros et tourne rapidement, plus l’intensité du courant électrique est grande. Ce phénomène se nomme l’induction électromagnétique. L’alternateur est appelé ainsi, car il produit un courant alternatif, c’est-à-dire que dépendamment des pôles de l’aimant qui fait face au cuivre, les électrons voyage d’un sens ou l’autre (Kidiscience, 2014).

Finalement, le courant électrique est transmis au transformateur qui règlera la tension de l’électricité pour qu’il puisse être dirigé par les pylônes jusqu’aux différents établissements (Cité de l’énergie, 2010).

Turbine de Fourneyron et Francis, le changement dans la continuité

Si on compare le modèle de turbine de Fourneyron à celui de type Francis actuel, on remarque que les deux turbines sont conçues pour une dénivellation assez élevée d’environ 100 mètres pour l’originale (Philippe, s.d.) et entre 10 et 300 mètres pour la turbine Francis (Cité de l’énergie, 2010). Quant au fonctionnement de la turbine de Fourneyron, l’eau fait tourner les pales dans le sens anti-horaire (Philippe, s.d.) alors que les pales de la turbine Francis tournent dans le sens horaire (chowdhury, 2016). Enfin, il y a quelques différences en ce qui concerne les matériaux qui composent les turbines. En effet, le modèle de Fourneyron est composé notamment de bois, de cuivre, de fer, de laiton ainsi que d’acier (Philippe, s.d.), tandis que la Francis est surtout faite d’acier (s.n., s.d.). Au final, la turbine Francis est une version amélioré de celle de Fourneyron puisqu’elle fournit une meilleure performance.

Les impacts environnementaux et sociaux des barrages hydroélectriques au Québec et au Canada, un vrai enjeu

Lors de l’implantation des barrages hydroélectriques au Québec à la fin du 19ème siècle, la principale préoccupation n’était pas la faune vivant dans les rivières, mais plutôt les fermes et les industries situées près du fleuve St-Laurent qui avaient le potentiel de faire fleurir l’économie (musée virtuel, 2016). Bien que les barrages fonctionnent à l’énergie renouvelable, ils peuvent avoir des effets pervers sur la nature et par conséquent, sur les peuples qui vivent près des barrages.

Les barrages modifient le débit de l’eau afin qu’il puisse rester constant. Pour ce faire, l’eau est accumulée dans un réservoir avant de passer dans les turbines. Cela crée une stagnation de l’eau qui n’est pas sans conséquence. Premièrement, des sédiments s’accumulent ce qui provoque de l’érosion donc l’approfondissement et l’élargissement de la rivière. Deuxièmement, la stagnation de l’eau engendre l’accumulation de métaux lourds comme le mercure ce qui la rend imbuvable. Il y a parfois même des inondations causées par une rupture du barrage. De plus, les barrages empêchent certains poissons de passer, comme le saumon (Grandi et &, sans date). Conséquemment, les poissons ne peuvent pas aller aux endroits où ils se reproduisent et cela pourrait mener à la disparition de l’espèce dans la région (Futura Planète, sans date).

Au Canada, les peuples autochtones sont les plus touchés par les impacts négatifs qu’apportent les barrages hydroélectriques puisqu’ils habitent près des cours d’eau et vivent des poissons qui y circulent. Par exemple, en 2015, des autochtones ont été consultés pour la construction du nouveau barrage sur la rivière Stewart au Yukon. Les autochtones étaient en désaccord parce que la disparition des poissons affecterait la pêche, un moyen de subsistance qui fait partie de leur culture. De plus, ils ne veulent pas que des inondations détruisent leur territoire. Détruire leur territoire, c’est détruire leur histoire et leur mode de vie (Radio-Canada, 2015). Pourtant, l’association canadienne de l’hydroélectricité pense que les implantations de barrages hydroélectriques est une bonne chose pour les premières nations puisque cela leur donne des emplois, des revenus à long terme ainsi qu’une meilleure qualité de vie. De plus, l’association soutient que les barrages peuvent contrôler les inondations (s.n., 2018).

À la lumière de nos recherches, les barrages hydroélectriques nous apparaissent une bonne option en ce qui attrait à la production d’électricité de masse étant donné que l’eau est renouvelable. Cependant, nous ne qualifirerions pas l’hydroélectricité d’énergie totalement verte puisque sa production a des impacts négatifs sur les espèces vivantes et les populations vivant à proximité des barrages.

Hydroélectricité, ange ou démon?

La turbine Francis créé en 1844 permet de faire fonctionner de nombreux barrages au Québec et au Canada qui produisent de l’électricité et ce, avec une énergie renouvelable : l’eau. Malheureusement, les barrages empêchent la circulation des poissons, contaminent l’eau, créent parfois des inondations et est la source de conflits entre communautés. Au moins, l’utilisation de turbines hydrauliques a des conséquences mineures comparé aux impacts que peuvent avoir l’utilisation de centrale nucléaire en cas d’accident.

L’hydroélectricité est donc une source d’énergie mi ange, mi démon. Il faut se rappeler que pour la turbine Francis, il ne faut que de l’eau et le tour est joué tandis que les barrages peuvent, eux, nous jouer des tours.

Bibliographie

Battiau, M. (2008). L’énergie: un enjeu pour les sociétés et les territoires. (1ère édition). Paris : ellipses

Belzanne, E. Dittly, L. Foltete, J. (s.d.). Le Nucléaire-TPE.

Centrale Jean-Lesage. (2018, 7 août). Dans Wikipédia l’encyclopédie libre. Repéré le 27 septembre 2018.

Chowdhury, R. (2016, 22 mai). Francis turbine lecture. [Vidéo en ligne].

Cité de l’énergie. (2010). Les composantes d’une centrale électrique.

D., E. L., R. V., E. (2012). Le fonctionnement des barrages.

Dictionnaire visuel. (2018). Groupe turbo-alternateur.

Energie douce. (s.d.). Hydro turbines ou turbines hydroélectriques et micro turbines à hélice.

File : water turbine.svg. (2015). Dans WikiCommons. Repéré le 27 septembre 2018.

Futura Science. (2018). Barrages : quels sont leurs avantages et leurs inconvénients? 

Grandin, L. C.M. (s.d.). TPE Barrages hydroélectriques.

Hydro-Québec. (1996). Chronologie: Histoire de l’électricité au Québec.

Laboratoire de machines hydraulique de l’Université Laval. (s.d.). Turbine Francis.

Kidiscience. (2014). Comment produit-on l’életricité?

Learn Engineering. (2013, 24 juillet). Working of the Francis Turbine. [Vidéo en ligne].

Musée Virtuel du Canada. (2016). Les barrages hydroélectriques.

Philippe, M-C. (s.d.). Modèle : Turbine hydraulique.

Radio-Canada. (2015). Yukon : des Autochtones consultés sur un futur barrage hydroélectrique.

R. W. Shortridge. (1989). Francis and his turbine. Hydro Review. (February 1989) p. 24-26-28

Schwenke, T. (2012, 11 février). Fonctionnement d’une turbine Francis. [Vidéo en ligne].

Syndicat des entreprises de génie électrique et climatique. (s.d.). L’électricité, comment ça marche? Quelques principes et définitions [pdf].

s.n. (s.d.). The choice of materials for turbines [pdf].

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