L’histoire de l’hydroélectricité

Histoire de l'hydroélectricité

Au XIXe siècle, le charbon noir extrait du sol est devenu peu à peu une source d’énergie dominante à tel point qu’on a utilisé le mot « houille » pour désigner d’autres formes d’énergie: la houille blanche pour l’énergie dégagée des chutes d’eau et la houille bleue pour l’énergie dégagée des flots des océans.

La force de l’eau, l’hydraulique, fut une des toutes premières énergies domestiquées par les hommes. Les moulins à eau sont employés pour moudre le grain, tamiser, scier, tanner. Les roues hydrauliques sont les premières machines à faire appel à l’énergie de l’eau courante (La roue hydraulique a été probablement inspirée par les norias actionnées par les boeufs pour puiser l’eau des rivières. Les pots ou godets fixés à la roue qui tournaient se remplissaient d’eau, puis déversaient leur contenu à hauteur de la berge. La roue fut ensuite uniquement actionnée par le courant. L’eau a été la principale source d’énergie utilisée dans l’industrie pendant 4000 ans.

Les roues hydrauliques

Le recours à cette source d’énergie a commencé avec la roue à eau. L’idée de fixer une couronne de pales à la circonférence d’une roue afin d’utiliser l’énergie cinétique disponible constituait un progrès considérable.

Il est vrai que des civilisations anciennes avaient découvert le principe de la roue à eau indépendamment les une des autres. Il y eut les Indiens, mais également les Assyriens, les Egyptiens ou encore les Chinois qui exploitaient cette force. On dit aujourd’hui que c’est Alexandre le Grand qui a ramené d’Orient le principe de la roue à eau et l’a fait connaître aux pays méditerranéens.

Le principe le plus ancien de la roue à eau est la roue de poussée. Cette roue utilise exclusivement l’énergie cinétique de l’eau. Puis au cours des siècles, s’est développé un grand nombre de variantes de roues.

La machine hydraulique idéale doit donc satisfaire à deux principes :

  • L’eau doit toujours pénétrer dans la machine sans produire de choc
  •  L’eau doit avoir perdu, au cours de sa traversée de la machine, la vitesse initiale qu’elle possédait à l’entrée.

Ces deux conditions doivent être satisfaites pour qu’il n’y ait pas de perte d’énergie sous forme de turbulence, ou sous forme d’énergie cinétique résiduelle. Malheureusement, une bonne partie de l’énergie de la chute est perdue en raison de l’alimentation de la roue par un conduit ouvert. Par exemple pour la roue de dessus, les augets ne peuvent etre remplis qu’aux deux tiers maximum et la partie inférieure de la roue doit rester hors de l’eau.

Les roues verticales (ou à axe horizontale)

Les roues verticales sont classées en trois types:

  • La roue « en dessous » ou roues à aubes: quand la patrie basse d’une roue verticale est immergée, c’est la force de l’eau qui pousse les aubes pour faire tourner la roue. La vitesse de rotation de cette roue à aubes dépend de la vitesse du courant.
  • La roue « en dessus » ou à augets qui reçoit l’eau à sa partie supérieure : Mais une roue hydraulique verticale peut-être mue par une chute. Dans ce cas elle tourne plus vite. Elle est trois fois plus efficace que si elle est entraînée par le courant seul car l’eau tombe de haut et la vitesse de l’eau et son poids s’additionnent et donc accélère la rotation de l’eau. La première roue à chute d’eau connue se trouve sur une fresque dans les catacombes de Rome et date du IIIe siècle après J-C.
  • La roue « de poitrine » ou de côté de type intermédiaire. La roue mue par le milieu dans laquelle l’eau pénètre à hauteur de l’axe, était équipée d’aubes ou d’augets. La gravité y jouait un rôle prépondérant, mais les constructeurs ont vite reconnu que l’on pouvait accroître sensiblement le rendement en utilisant l’énergie cinétique de l’eau. Grâce à d’ingénieux dispositifs, ils réussirent à imprimer une vitesse accrue à l’eau injectée. Le type le plus proche de la roue de poussée est le roue à eau mue par en dessous. Bien que l’énergie cinétique de l’eau qui entraîne les aubes en est le moteur principal, l’énergie potentielle y joue également un rôle. En revanche, le fonctionnement, le fonctionnement de la roue mue par en dessus repose essentiellement sur cette énergie potentielle de l’eau. Ses augets doivent avoir une forme telle qu’ils se vident le plus près possible du niveau inférieur de l’eau. L’énergie cinétique du jet d’eau qui remplit les augets n’est pas négligeable pour autant.

Les roues horizontales

Une roue hydraulique horizontale fonctionne à plat. Elle est actionnée par l’eau qui tombe dans une conduite ou qui est projetée sous pression sur les aubes placées autour de la roue.

Histoire des roues hydrauliques

Dans l’Antiquité, les Egyptiens ont été les premiers à utiliser des roues hydrauliques. Ces roues à palettes et à augets, ancêtres de nos turbines modernes, datent du 2ème siècle avant Jésus-christ. Véritable révolution(1ère révolution), cette invention permettrait de se servir de la force de l’eau pour accomplir des tâches essentielles à l’existence. Mais on doit la première description précise d’un moulin à aubes à l’architecte romain Virtruve, qui écrivait en 27 av. J.-C. que ce type de roue était alors couramment utilisé et avait été inventé par des ingénieurs grecs. Le géographe grec Strabon fit le description d’une roue utilisant l’énergie hydraulique en 24 av. J.-C. dans la région du Pont-Euxin, la Turquie actuelle. La plupart de ces premiers moulins faisaient tourner de meules pour faire de la farine, mais ils ont aussi été utilisés pour d’autres tâches, comme actionner des marteaux ou des soufflets dans les forges.

Deux inconvénients majeurs ont mis un terme au développement des roues à eau : pour obtenir un bon rendement, il fallait que la vitesse de rotation soit ramenée à quelque 12 tours par minute (toutes ces roues avaient comme particularité de tourner assez lentement à environ 10 tours/minute).En outre, ces roues ne pouvaient utiliser que des chutes relativement faibles, dont la limite supérieure n’excédait pas 12 mètres. Si l’on voulait exploiter de plus hautes chutes, il fallait alors installer plusieurs roues les unes derrière les autres, en l’occurrence les unes au-dessous des autres. L’alimentation en eau des roues était assurée par des canaux ouverts. Vers le milieu du 18ème siècle, des chercheurs allemands, hongrois et anglais eurent , indépendamment les uns des autres, l’idée d’utiliser des chutes plus élevées en amenant l’eau sous pression, grâce à des conduites fermées, dans des cylindres à parois épaisses. L’eau y déplaçait un piston en un mouvement alternatif, comme dans les machines à vapeur. Ces machines à colonne d’eau -appelées plus tard moteurs à pression hydraulique- entraînaient des pompes, des grues et des élévateurs, avant d’être supplantées par les moteurs électriques et à explosion. Johann Andreas von sSegner, médecin à Göttingen, fit construire en 1753 un moulin à huile mu par une machine fonctionnant selon un tout autre principe. Elle exploitait l’effet de réaction de l’eau s’échappant sous pression. Cette invention, conservée par l’histoire des sciences sous le nom de « roue à réaction de Segner », peut être considérée comme la première turbine. Toutes ces roues avaient comme particularité de tourner assez lentement (environ 10 tour/minute). Ce qui présente , comme déjà précisé, un désavantage lorsque l’on veux faire de l’électricité car il faut multiplier très fortement la vitesse. La plus part du temps les roue hydrauliques entraînaient directement des machines lentes tel que meule de moulin, scie, soufflet de forge. Pour palier à ce problème, de vitesse, différents inventeurs, ont développés des turbines hydrauliques.

Les moulins flottants

Ils auraient été inventés, en 537, lors du siège de Roma par les Goths. Ceux-ci ayant coupé l’alimentation en eau par les aqueducs et presque tous les moulins romains étant mus par l’eau des aqueducs, le défenseur de la ville, le général byzantin Bélisaire, imagina d’installer des moulins à roues à aubes sur le Tibre, pour assurer l’alimentation de farine de la ville. Quelques siècles plus tard, on pouvait voir des moulins flottants à Venizia et à Bagdad. Au douzième, on en construisit trois sous les arches du Grand Pont de Paris. Au dix-huitième, on pouvait encore voir à Köln, plusieurs exemplaires de ceux qui avaient été installés au quinzième siècle sur le Khein.

Les moulins à marée

Les moulins à roues qui fonctionnaient grâce à la force motrice de l’eau ne pouvaient fonctionner à n’importe quel endroit car là où le courant des rivières n’était pas assez puissant pour faire tourner une roue, il était nécessaire de trouver une autre méthode. Les ingénieurs du Moyen-Âge eurent l’idée d’utiliser le marnage comme source d’énergie. La force de la marée montante n’était pas assez puissante, mais on stockait l’eau pour s’en servir ensuite. Les eaux de la marée montante étaient retenues par des portes en bois, qui se fermaient sous la poussée de la marée descendante. A marée basse l’eau retenue était libérée pour faire tourner la roue du moulin. Ces moulins à marée présentait des inconvénients car les moulins à marées ne fonctionnaient que quelques heures par jours ŕ marée basse. Comme les heures de marée changent tous les jours et donc ces heures pendant lesquelles le meunier peut travailler varient aussi. Au 19e siècle, des moulins à marée furent construit sur l’ Adour près de Bayonne, on en construisit un en 1130 dans l’Adour en France, et dans l’estuaire de la Deben dans le Suffolk, en Angleterre. Leur nombre a augmenté jusqu’au XIXe siècle pour atteindre la centaine en Europe. Un siècle plus tard, on en vit plusieurs près de Venezia. Ce n’est qu’au 20ème siècle que l’énergie marémotrice sera utilisée industriellement avec la centrales de l’estuaire* de la Rance en Bretagne.

Les turbines

En 1822, un ingénieur militaire français Claude Burdin soumet à l’académie de sciences une communication intitulée  » les turbines hydraulique ou machine rotatoire à grande vitesse  » dans lequel il décrit l’engin qui sera réaliser et testé par son élève monsieur Fourneyron en 1827. Sa machine appelée turbine (mot inventé par son maître Burdin, du latin turbo qui signifie toupie ou tourbillon), annonçait un rendement d’au moins 80% !. Néanmoins, à certaines vitesses des turbulences se produisaient lorsque l’eau quittait les aubes directrices. La première turbine Fourneyron fut installée vers 1835 à Saint Blaise (Forêt Noire).En 1837, il aménage ainsi à Saint Blaise , dans le Duché de Bade en Allemagne, une chute de 112 mètres. L’eau arrive à 46 m/s sur une roue de 316 mm de diamètre qui délivre une puissance de 45 Kw. Le succès est éclatant et toute l’Europe accourt pour découvrir cette installation. En 1837, ses machines sont concurrencées par des turbines conçues par Jonval et fontaine. Ces machines présentant l’avantage d’avoir un meilleur rendement sur une plus grande plage de débit. Une trentaine d’années plus tard, en 1869, Aristide Bergès équipe à Lancy, près de Grenoble, la première chute de 200 mètres de hauteur. Il branche une génératrice sur une chute de 200 mètres. L’énergie quelle fourni devient une richesse, on la compare au charbon en l’appelant « houille »blanche. La puissance de cette installation est de 700 Kw et servira à entraîner les machines d’une papeterie. Une telle puissance ne s’était jamais vue ! Les dynamos, puis les alternateurs mis au point par Gramme*, entre 1869 et 1877, le couplage entre alternateurs* étudiée par Boucherot et Blondel en 1892 permettent enfin de produire industriellement de l’électricité à partir de l’énergie mécanique. En 1849, l’ingénieur américain, James Francis met au point une turbine centripète qui se répand rapidement dans son pays. Vers 1870, un groupe d’ingénieurs Californiens, dont Lester Pelton, ingénieur des mines en Californie, réalise une turbine destinées à l’exploitation des chutes de grande hauteur. Celui-ci avait observé l’accélération, jusqu’à l’éclatement, d’une roue hydraulique à aubes incurvées frappée, accidentellement, par un jet d’eau. Pelton vint à la conclusion qu’ont pouvait mieux exploiter la puissance d’un jet en inversant la direction de l’aube. Il redessina l’aube en y créant deux poches accolées formant une arrête médiane dans l’auge divisant ainsi le jet en deux et le déviant complètement. Cette turbine convient particulièrement aux hautes chutes à débit modérées ou faible. Sa fabrication industrielle commença dans les années 1880. En 1917, Donat Banki, professeur d’université de Budapest, invente une turbine a double passage de fluide dans la roue. En 1910, pour répondre à la nécessité d’obtenir des vitesses élevées avec de faible chutes d’eau et pour répondre au rendement médiocre de la turbine Francis dans le cadre de faibles charges, l’autrichien Victor Kaplan construisit une turbine à hélice. Cette turbine à axe vertical et à rotor en hélice avait des aubes à pas variables. La première turbine Kaplan fut installée en 1919, dans une usine textile de Velm (Osterreich). Sa puissance était de 25.8 ch pour une hauteur de chute de 2.3 m. Jusqu’ en 1926, le développement des turbines Kaplan fut arrêté par un phénomène de cavitation. La turbine à bulbe : variante de la turbine Kaplan où la rotor est placé dans une enveloppe fuselée installée horizontalement dans le tunnel de la centrale. La première a été conçue en Allemagne dans les années 1940. L’usine marémotrice de la Rance en France compte 24 groupes bulbes de 10 MW. Les perfectionnements apportés depuis ont eu principalement pour but d’accroître les dimensions, les puissances et les rendements. Les turbines modernes dérivent de ces modèles et portent souvent le nom de leurs inventeurs constructeurs : Francis, Pelton, Banki, Kaplan.

Transporter l’électricité

En 1883, intervient un événement technique majeur : Marcel Desprez réussit pour la première fois à « transporter » 5 Kw sur les 14 kilomètres qui séparent Vizille de Grenoble (2ème révolution de l’énergie). Dés lors, la force motrice de l’eau va pouvoir agir à distance, sous forme d’énergie électrique et l’utilisateur de la force hydraulique ne sera plus prisonnier du site de production. Pour que le règne de l’hydroélectricité commence, il ne manque plus que de pouvoir la transporter sur de très longues distances. C’est ce que rendra possible l’invention du transformateur électrique par Gaulard et Gibbs en 1885.

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