énergie d`un barrage - Energies Sans Frontières

Transformations énergétiques s’opérant dans un barrage
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 Introduction
 I] Les barrages
 II] Énergie potentielle
 III] Énergie cinétique
 IV] Énergie mécanique
 V] Énergie électrique
 Conclusion
Compléments
 Schéma récapitulatif
 Expérience turbine
 Video expérience turbine
 Sources Web
 Bibliographie
Introduction
Lorsqu'on entend "énergie d'un barrage", l'image qui est souvent évoquée est simplement celle d'eau qui passe dans des turbines,
mais la réalité est bien évidemment beaucoup plus complexe: quatre différents types d'énergies différentes peuvent êtres
constatées aux différents stages de l'exploitation d'énergie dans un barrage hydroélectrique. Il est donc effectivement intéressant
d'étudier les étapes qui mènent d'une énergie stockée dans l'eau, c'est-à-dire potentielle, à une énergie qui allume nos ampoules et
fait marcher nos fours, une énergie donc électrique. Cette évolution sous-entend une multitude de phénomènes physiques
potentiellement observables, et comprendre le pourquoi du comment sera donc quelque chose de nécessaire dans l'exposé du
fonctionnement d'un barrage.
Effectivement, dans le TPE nous observerons qu'à quatre moments distincts dans l'exploitation d'énergie d'un barrage
hydroélectrique, correspondent quatre types différents d'énergie : l'énergie potentielle, l'énergie cinétique, l'énergie mécanique et
enfin l'énergie électrique. Bien entendu, nos remarques ne peuvent être appliquées pour des anciens barrages, comme ceux de
l'Antiquité, qui n'utilisaient pas des systèmes aussi complexes que ceux décrits ici. Aujourd'hui, les barrages sont construits en
fonction de la forme et de la nature du relief, ce qui a conduit à l'élaboration de différents types de constructions (cf. généralités
sur les barrages), mais le principe de production d'électricité reste globalement identique, même s'il existe des usines
hydroélectriques au fonctionnement un peu atypique que l'on trouve dans certains types de barrages bien particuliers, par exemple
les usines marémotrices, dont nous ne traiterons pas ici de la spécificité.
Problématique : Par quelles transformations énergétiques peut-on produire de l'électricité utilisable dans nos foyers à partir de la
masse d'eau contenue dans un barrage ?
I- Les barrages
Principaux types d'ouvrages
Il existe plusieurs types de barrages, tous adaptés à une certaine situation; il s'agira donc d'abord d'expliquer les contraintes, puis
d'exposer les 3 types de barrages les plus courants, ainsi que les raisons pour lesquelles sont-ils plus adaptés à leur situation de
référence.
La force la plus significative à laquelle le barrage doit faire résistance est évidemment la pousée de l'eau sur la paroi, pousée qui
peut être décomposée en deux forces différentes:
- la poussée hydrostatique exercée par l'eau sur son parement exposé à la retenue d'eau
- les sous-pressions (poussée d’Archimède), exercées par l'eau percolant dans le corps du barrage ou la fondation
Cette dernière est moindre comparée à la poussée hydrostatique, mais doit nécessairement être prise en compte lors de
l'élaboration des caractéristiques du barrage. Il existe aussi des forces hypothétiques causées par les mouvements sismiques, qui
dépendent surtout de la localisation du barrage.
Pour résister à ces forces, deux stratégies sont utilisées :
- Résister aux forces avec le poids brut du barrage, généralement construits en béton (barrages poids) ou en matériaux meubles
(barrages en remblai).
- Reporter les forces vers les rives ou une fondation rocheuse résistante, afin d'avoir un barrage moins volumineux mais tout aussi
résistant (barrages voûte)
Par la suite, nous nous focaliserons sur ces trois types de barrages, qui sont les plus répandus dans le monde: les barrages poids,
les barrages voûtes et les barrages en remblai.

Barrages poids
Un barrage poids est un barrage dont la propre masse suffit à résister à la pression exercée par l'eau. Ce sont des barrages
souvent relativement épais, dont la forme est généralement simple (leur section s'apparente dans la plupart des cas à un triangle
rectangle).
Barrage poids en béton classique d’Aussois (Savoie) Modélisation de la coupe d'un barrage poids lambda
On compte deux grandes familles de barrage-poids, les barrages poids-béton, et les barrages en remblai (cf. plus bas)
Les barrages poids sont très utilisés de nos jours, car beaucoup moins exigeants au niveau des conditions de construction qu'un
barrage voûte, et plus simple. Le rocher du site (vallée, rives) doit absolument être suffisamment résistant pour supporter un tel
ouvrage (les barrages poids sont très massifs), le choix d'utiliser ce barrage est donc avant tout géologique : une assez bonne
fondation rocheuse est nécessaire, mais pas aussi pointilleuse que pour un barrage voûte, et il faut également disposer des
matériaux de construction (granulats, ciment) à proximité. Suite aux avancées dans l'élaboration du béton, le prix de ces
ouvrages décroît au fil du temps.
Barrages voûte
Un barrage voûte a une structure courbée, dont la forme est dessinée de façon à transmettre les efforts de poussée de la retenue
vers les rives. La poussée de l’eau est reportée sur les flancs qui bordent le barrage au moyen d'un mur de béton arqué
horizontalement, et parfois verticalement (on la qualifie alors de voûte à double courbure). Du fait de cette courbure, lla pression
de l'eau resserre le mur et la voûte transmet aux berges les efforts colossaux qu'elle reçoit. L'épaisseur du barrage peut donc être
grandement diminuée, comparé à un barrage-poids, et donc une économie considérable de matériaux et de main d'oeuvre pourra
être réalisée.
Vue du ciel Vue latérale Modélisation d'un barrage voûte classique
La technique de barrage voûte nécessite une vallée plutôt étroite (même si des barrages voûtes ont été parfois construits dans
des vallées assez larges, poussant cette technologie à ses limites) et un bon rocher de fondation. Par le peu de matière utilisée,
c'est évidemment une technique très satisfaisante économiquement.

Cependant, la plus grande catastrophe de barrage vécue en France (Malpasset, au dessus de Fréjus, le 2 décembre 1959)
concernait un barrage-voûte en cours de mise en eau ; c'est la fondation (et non pas le barrage lui-même) qui n'a pas supporté
les efforts appliqués par la retenue, la solidité de l’assise de l’ouvrage sur les rochers était insuffisante. Néanmoins, c'est la seule
rupture connue d'un barrage voûte en France.
Les photographies suivantes illustrent le barrage de Malpasset avant et après sa rupture en décembre 1959.
Barrage en remblai
On appelle barrages en remblai tous les barrages hydroélectriques constitués d'un matériau meuble, qu'il soit très fin (argile) ou
très grossier (enrochements).
Cette famille regroupe plusieurs catégories, très différentes. Les différences proviennent des types de matériaux utilisés, et de la
méthode employée pour assurer l'étanchéité.
Le barrage homogène est un barrage en remblai construit avec un matériau suffisamment étanche (argile, limon). C'est la
technique la plus ancienne de barrages en remblai.
Le barrage à noyau argileux comporte un noyau central en argile (qui assure l'étanchéité), épaulé par des recharges constituées

de matériaux plus perméables. Cette technique possède au moins deux avantages sur le barrage homogène : les matériaux de
recharge sont plus résistants que les matériaux argileux, on peut donc construire des talus plus raides et on contrôle mieux les
écoulements qui percolent dans le corps du barrage.
Quelques cousins des barrages à noyau : les barrages en remblai à paroi centrale étanche (paroi moulée en béton, paroi en
béton bitumineux).
Plus récente, la famille des barrages à masque amont. L'étanchéité est assurée par un "masque", construit sur le parement amont
du barrage. Ce masque peut être en béton armé, en béton bitumineux, ou constitué d'une membrane mince (les plus fréquentes
: membrane PVC, membrane bitumineuse).
Le barrage de Mattmark en Suisse est un exemple de ce type de barrage.
Barrage en remblai de Mattmark (Suisse)
Éléments de calcul de la résistance d'un barrage
Un barrage est soumis à une force horizontale perpendiculaire liée à la pression exercée par l'eau sur sa surface
immergée. La pression hydrostatique p en un point sur la paroi du barrage dépend proportionnellement de la hauteur d'eau au-
dessus de ce point, on peut déduire sa formule:
P = ρ.g.h
avec : ρ la masse volumique de l'eau (1000 kg/m3)
g l'accélération de la gravité (9,81 m/s2)
h la hauteur d'eau au-dessus du point considéré (en mètres)
La force F résultante est la somme de l'ensemble des pressions hydrostatiques s'exerçant sur chaque point de la surface
immergée du barrage, c'est donc l'inverse de la résistance minimale nécessaire au barrage. Si l'on considère un barrage construit
avec des matériaux rigides (béton, maçonnerie...), quel que soit son type (poids, voûte, contreforts), on peut déduire cette
équation:
F =
Cette formule basique ne peut s'appliquer à des barrages dont la forme, le fonctionnement diffère du barrage poids classique;
d'autres formules, prenant en compte les critères spécifiques au type de barrage, par exemple dans le cas d'un barrage voûte la
répartition de l'effort sur les berges, devront être exploitées. En revanche, une expression analytique simple peut être obtenue
pour un barrage poids (et uniquement un barrage poids), si l'on considère seulement un élément de son ensemble, formant un
triangle rectangle.

F = ρ.g.L
d'où: F = ρ.g.L.1/2.h2
avec : h la hauteur totale du barrage en contact avec l'eau.
L la largeur totale du plot considéré.
La poussée exercée par l'eau ne dépend donc aucunement du volume d'eau stocké dans le lac de retenu, mais de la hauteur de
la partie du barrage immergée. Concrètement, cela s'illustre dans le fait qu'un barrage de 150 mètres de haut retenant
5000 m3 d'eau devra être plus résistant qu'un barrage de 75 mètres de haut retenant 107 m3 d'eau !
En revanche, en ce qui concerne les barrages en matériaux meubles (sol, terre, enrochements, remblais…), les calculs sont
apparentés à des calculs de stabilité de pente des talus qui doivent prendre en compte l'état saturé ou non de ces remblais.
Généralités sur les centrales hydrauliques
Il existe une grande diversité de centrales hydrauliques suivant la configuration du cours d’eau, du relief, ou de la hauteur de la
chute d’eau (Le terme « usine » est souvent utilisé pour désigner un type de centrale hydraulique) :
- Usines de lac, généralement situés en montagne avec un dénivelé important (comme la centrale du Portillon dans les
Pyrénées (1420 m de chute dans une conduite forcée)), ce sont des centrales de hautes chutes placées au pied d'un barrage
retenant un lac artificiel de grande superficie. Elles servent à la régulation saisonnière de la production d'électricité.
- Usines d'écluse, ce sont des centrales de moyennes chutes situées aussi en montagne. Elles servent à la régulation
journalière ou hebdomadaire de la production d'électricité. Elles ont généralement aussi un débit plus élevé que les usines de lac.
- Usines au fil de l’eau, avec un dénivelé faible (10-15 m) mais un débit très important comme sur les grands cours d’eau
(Rhin, Rhône, Isère, Durance…), elles se caractérisent par l'absence de réservoir, ainsi qu'une garantie de produire de l'électricité
toute l'année.
- Stations de transfert d’énergie par pompage, turbinant vers l’aval aux heures de forte consommation et pompant l’eau
vers l’amont aux heures creuses, afin de réguler l'apport en électricité, car des gros générateurs telles les centrales nucléaires ne
pouvant être arrêtées en période creuse (l'électricité n'étant pas stockable), il s'agit de réguler le débit national selon la demande.
- Usine marémotrice, comme celle de la Rance en Ille-et-Vilaine, turbinant le flux des marées.
Selon la nature du barrage (barrage voûte, poids, contrefort, en enrochement ou en terre, mobile…), haute, moyenne ou basse
chute, on utilise trois types principaux de turbine : Pelton, Francis ou Kaplan.
A titre d'exemple pour le nombre mondial de barrages et centrales hydroélectriques, le parc EDF (l'un des plus vastes au monde)
comporte en Europe 447 centrales hydrauliques (dont le potentiel de génération d'électricité varie entre quelques dizaines de Kw
à 1800 Kw), dont 220 barrages; en tout 7 milliards de m3 d’eau sont stockés dans l’ensemble des barrages d’EDF.