Introduction

Au niveau des cours d’eau, l’énergie hydraulique est prélevée sur le cycle de l’eau. Il s’agit d’une forme indirecte de l’énergie solaire qui se trouve sous la forme d’énergie potentielle sur les hauteurs du relief et sous la forme d’énergie cinétique dans les écoulements des cours d’eau.

Lorsque la configuration du terrain s’y prête, on peut envisager la construction d’ouvrages d’art qui permettent de capter cette énergie et de la transformer en une énergie utile. Dès l’antiquité, les moulins à eau servaient à moudre le grain ou encore à relever l’eau d’irrigation. Plus récemment, avec des roues modernes, les turbines couplées à des génératrices électriques produisent de l’électricité. C’est l’hydroélectricité.

Les mers et les océans sont le terrain de courants marins et de phénomènes périodiques de variation du niveau de la mer dont l’origine provient de l’attraction exercée par la lune et le soleil (marées) et de l’effet du vent (vagues). Ces énergies hydrauliques sont transformables en énergie utile par des centrales marines et des centrales marémotrices.

 


Cours d'eau Moulin à eau, Centrale hydroélectrique Travail ou électricité
Marée - Vague - Courant marin Centrale marémotrice, Centrale marine

 

 


Ces informations s’appuient sur les ouvrages de référence consultables dans notre centre de documentation.

 

La source d'énergie

Le cours d'eau est une source d'énergie renouvelable dont la ressource découle de son débit et de sa déclivité. Ainsi, le relief et le débit d’eau sont les paramètres à connaître pour mesurer les caractéristiques énergétiques d’un site.

Q : Débit d’eau (l/s)
H : Hauteur de chute (m)

Le débit est une donnée essentielle à connaître. Il varie selon le régime hydrique d’un bassin versant. Celui-ci dépend de sa surface, du régime de précipitation, du cycle de fonte (glace, neige) et de l’intensité de l’évapotranspiration.

Pour connaître le débit d'un cours d'eau en Wallonie, la Direction des Cours d'Eau non navigables a développé un réseau de mesures en continu des hauteurs d'eau et des débits sur l'ensemble de la Wallonie.

Ce réseau de mesures comporte actuellement 175 stations limnimétriques qui enregistrent les hauteurs d'eau au pas de temps de 10 minutes. Les données de hauteur d'eau sont ensuite converties en débit à partir des courbes de tarage (relation hauteur - débit).

 

Au niveau des courants d'eau (eau douce ou courants marins), la puissance dépend de la vitesse de l’eau et de la surface traversée :


Densité de l’eau : ρ = 1000 à 1025 kg/m³
Vitesse de l’eau : v (m/s)
Surface traversée : S (m²)

 

Au niveau des marées, l’énergie potentielle résultant de la surélévation du niveau de l’eau peut être transformée en utilisant un système barrage-turbine.


A = Surface du bassin (m²)
H = hauteur marée (m)

 

L’énergie des vagues comporte une composante de type cinétique et une composante de type potentielle.


h : hauteur de la vague (m)
λ : distance entre deux vagues (m)

 

Ressource énergétique en Belgique

 

Cours d'eau

La ressource énergétique hydraulique des cours d’eau est déjà bien exploitée en Belgique. Le parc hydroélectrique actuel représente une puissance installée de l’ordre de 110 MW. Sans construction de grands bassins de retenue, celui-ci pourrait atteindre une puissance installée de 150 MW.

L’énergie fournie par un site hydroélectrique dépend principalement des volumes d'eau qui le traversent et des caractéristiques de fonctionnement des turbines (courbe de charge).  Selon la variation du débit, la turbine fonctionnera à différents niveaux de puissance. Sur une période donnée, on caractérise la production d’un site hydroélectrique par son taux de charge. Celui-ci dépend de la combinaison du dimensionnement de la turbine avec le régime d'écoulement du cours d'eau.

Taux de charge : Pour un intervalle de temps déterminé, le taux de charge (TC) est le rapport de l'énergie effectivement fournie par la centrale à l’énergie qui pourrait être produite si la centrale fonctionnait en régime continu à pleine puissance. On observe que le taux de charge annuel des centrales hydroélectriques en Belgique se situe selon les cours d'eau entre 35 et 60%. Les données de pluviométrie et les informations sur les indisponibilités de centrales sont également considérées dans l'estimation.

 

Courants marins et vagues

Nous ne disposons pas des données suffisantes pour estimer la ressource annuelle des courants marins et des vagues qui pourrait être valorisée. Les technologies de conversion sont toujours à l’étape de recherche et développement.


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Système de conversion

Centrales hydroélectriques sur les cours d'eau

Les centrales hydroélectriques produisent de l’électricité en transformant l’énergie hydraulique d’une rivière. L’énergie hydraulique est présente là où il y a de l’eau en mouvement sous la forme d’énergie cinétique ou au droit d’une chute d’eau sous la forme d’énergie gravitationnelle nommé aussi énergie potentielle. Elle est proportionnelle au débit d’eau et à la hauteur de chute.

Une centrale hydroélectrique valorise un débit d’eau sur une hauteur de chute. Elle se situe idéalement aux endroits de forte déclivité du cours d’eau afin de pouvoir disposer d’une hauteur de chute suffisante. Celle-ci sera créée à l’aide d’un barrage permettant l’alimentation d’un canal de dérivation vers une conduite forcée.

Le parc hydroélectrique existant en Belgique est essentiellement composé de centrales au fil de l’eau, c'est-à-dire sans réservoir d’accumulation d'eau (barrage créant un lac artificiel). La plupart des centrales hydroélectriques se situent sur les cours d’eau qui présentent une déclivité exploitable, au droit des écluses des voies navigables ou sur des ouvrages d’art comme les barrages de régulation des cours d’eau.

D'un point de vue technique, la transformation énergétique est opérée par une turbine couplée à une génératrice électrique. Les pales de la turbine transforment l’énergie du débit d’eau en une énergie mécanique de rotation. Celle-ci actionne l’axe d’une génératrice électrique. Comme c’est le cas avec la dynamo d’un vélo, le mouvement tournant du rotor crée un couple électromagnétique, qui engendre un courant électrique.

 

 

 

Centrales marémotrices

En mer, la hauteur de chute peut être créée par l'effet des marées. L’énergie potentielle résultant de la surélévation du niveau de l’eau peut être transformée en utilisant un système barrage-turbine. C’est par exemple le cas de la centrale de la Rance en France.

 

Centrales marines exploitant les courants marins

En mer, l’énergie cinétique des courants marins peut être transformée en utilisant une hydrolienne. C’est une technologie qui exploite le même principe de conversion qu’une éolienne, mais avec un flux d’eau au lieu du vent. Des systèmes de ce type sont actuellement en cours d’étude.

 

Centrales marines exploitant les vagues

L’énergie du mouvement des vagues peut être valorisée par un système mécanique. Des systèmes de ce type sont actuellement en cours d’étude.

 

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