À L HEURE DES CHOIX ÉNERGÉTIQUES

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1 À L HEURE DES CHOIX ÉNERGÉTIQUES Filière énergétique : HYDROÉLECTRICITÉ L électricité qui nous vient de l eau! Avantages et inconvénients dans une perspective de développement durable Feuillet d information à l intention des jeunes et du personnel de l éducation Une réalisation : En collaboration avec : Ce feuillet d information fait partie intégrante d une série de feuillets disponibles sur le site EVB-CSQ : evb.csq.qc.net.

2 Les sources d énergie primaires en usage depuis l Antiquité De tout temps, les humains ont su utiliser les sources d énergie ambiantes pour qu elles les assistent dans leurs tâches de tous les jours. Ces sources d énergie, disponibles «gratuitement» et sans nécessiter d efforts pour les extraire, ont constitué les premières formes d énergie mises à la disposition de l homme. Par exemple, très tôt dans l histoire de l humanité, on utilisait l énergie du vent pour actionner des machines, pour pomper l eau d un site à un autre, pour moudre le grain, etc. De façon similaire, on a fait de même pour utiliser l énergie contenue dans l eau pour assister l homme dans ses besoins quotidiens. Schéma d un moulin à scie («scierie») utilisé à Hiérapolis (Asie Mineure) au 3 e siècle Ainsi, on peut comprendre que, très tôt dans l histoire de l humanité, l énergie contenue dans l eau pouvait être utilisée à des fins «mécaniques». Mais sa transformation en énergie électrique devra attendre quelques siècles La conversion de l énergie de l eau en électricité rendue possible grâce à Charles-Augustin Coulomb et André-Marie Ampère Les effets du magnétisme sont également connus depuis l Antiquité. Par exemple, la force d attraction et de répulsion entre des aimants a été constatée dès 600 av. J.-C. Ces connaissances sont demeurées élémentaires jusqu à ce que des scientifiques poussent les études beaucoup plus loin. Ainsi, au 15 e siècle, des études plus poussées ont permis de mettre en évidence l électricité, un phénomène nouveau distinct, mais qui s apparente au magnétisme. Cependant, les véritables percées en matière de connaissance et d utilisation de l électricité et du magnétisme remontent en 1750 alors que Charles-Augustin Coulomb a énoncé les premières lois de la physique se rattachant à l électricité. Ces travaux ont été poursuivis par de nombreux autres scientifiques, notamment André-Marie Ampère, qui énonce, en 1820, les premières lois de la physique reliées au magnétisme. Ainsi, sans les importants travaux menés par Coulomb, Ampère et de nombreux autres scientifiques, sans la connaissance des lois encadrant l électricité et le magnétisme, l utilisation de cette nouvelle forme d énergie permettant la conversion de l énergie contenue dans l eau en énergie électrique n aurait jamais été une réalité. Qu est-ce qu on entend par énergie hydroélectrique? L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une forme d énergie renouvelable obtenue par la conversion de l énergie hydraulique en électricité. Elle est produite par la transformation de l énergie cinétique de l'eau en énergie électrique par l'intermédiaire d'une turbine hydraulique couplée à un générateur électrique. L énergie de l eau utilisée pour entraîner de la machinerie 1

3 A. Alternateur B. Turbine 1. Stator 2. Rotor 3. Directrices 4. Aubes 5. Entrée et écoulement de l eau 6. Arbre raccordant la turbine à l alternateur Différents types de turbines hydrauliques pour différents usages Même si le principe générique de la conversion de l énergie contenue dans l eau en énergie électrique est schématisé plus haut, il n en demeure pas moins que, sur le plan de la configuration de la turbine, celle-ci doit être adaptée aux caractéristiques du milieu dans lequel opère la centrale. On trouve aujourd hui trois principaux types de turbines hydrauliques, chaque configuration étant optimisée en fonction du volume d eau qui traverse la turbine, de la hauteur de l eau dans le réservoir en amont, etc. Coupe transversale d un groupe turbine-alternateur où l eau s écoule le long des aubes de la turbine, laquelle entraîne l alternateur servant à produire l électricité En analysant le schéma reproduit ci-dessus, le principe de la conversion de l énergie contenue dans l eau en énergie électrique apparaît clairement. Ainsi, l eau contenue dans le barrage, situé en amont, emprunte des canalisations situées dans le barrage et s écoule le long des aubes de la turbine. La quantité d eau circulant dans la turbine est contrôlée par les directrices, qui agissent comme des vannes, permettant de moduler le débit d eau dans la turbine en fonction de la quantité d électricité à produire. La turbine ainsi actionnée par l eau circulant dans ses aubes entraîne à son tour un alternateur à travers l arbre reliant les deux unités. L injection d un courant électrique dans le rotor de l alternateur a pour effet de produire, au niveau des enroulements du stator, l électricité qui est acheminée à la population par le réseau électrique. Ce faisant, l énergie contenue dans l eau est transformée en énergie électrique à la sortie du stator de l alternateur, la quantité de puissance produite par l alternateur étant contrôlée par le niveau de courant électrique injecté dans le rotor et par la quantité d eau circulant dans la turbine. La quantité d eau est modulée par le degré d ouverture des directrices de la turbine. Turbine Pelton utilisée dans des barrages ayant des hauteurs de chute importantes (rendement de 90 %) Turbine Francis utilisée dans des barrages ayant des hauteurs de chute moyennes et considérables (rendement de 80 à 95 %) 2

4 Au Québec, ce type de centrales a été privilégié pour l aménagement de centrales hydroélectriques, les exemples les plus probants étant les centrales Manic-5, LG-2 On trouve plusieurs variantes de tels barrages : les barrages-poids, les barrages-voûtes, les barrages à contreforts («multivoûtes») ainsi que les barrages en remblai. Turbine Kaplan (turbine à hélice) utilisée pour des centrales hydroélectriques «au fil de l eau», c est-à-dire à faible hauteur de chute et à fort débit d eau (rendement de 90 à 95 %) Une centrale hydroélectrique avec ou sans barrage? On distingue deux types de centrales correspondant aux conditions imposées par l environnement où est située la centrale. Dans les endroits éloignés où les impacts entourant la création d un réservoir sont minimes, on privilégiera la construction de centrales avec un barrage, créant ainsi un réservoir en amont. Dans ce type de centrales, on installera généralement des turbines de type Pelton ou Francis choisies en fonction de la hauteur de l eau dans le réservoir en amont. Barrage-poids (Aussois, Suisse) Barrage multivoûte Daniel-Johnson (Manic-5, Québec) A. Barrage et réservoir d eau B. Centrale hydroélectrique C. Bâche spirale D. Groupe turbinealternateur E. Prise d eau F. Canal d acheminement de l eau G. Transformateur H. Canal de déversement Barrage-voûte (Monteynard, France) Schéma d un barrage avec réservoir amont 3

5 Pour les barrages au fil de l'eau, la quantité d'énergie disponible est directement liée au débit (m³/s, m³/h, m³/j, m³/an). Barrage en remblai (Caniapiscau, Québec) Le long des cours d eau navigables ou dans les endroits où la construction d un barrage aurait des impacts négatifs sur l environnement, on privilégie la construction de centrales hydroélectriques avec des barrages créant une faible hauteur d eau dans le réservoir en amont. Les centrales de Beauharnois et de Carillon illustrent ce que l on qualifie de «centrale au fil de l eau». Efficacité de la production d électricité par l aménagement de centrales hydroélectriques Le choix d une filière énergétique dépend principalement de la disponibilité, du coût et de l efficacité globale de la source d énergie utilisée. À cet égard, peu de filières énergétiques peuvent se comparer à l hydroélectricité en matière d efficacité globale. On peut certes affirmer que la filière hydroélectrique est, de loin, la plus efficace pour produire de l électricité et qu elle constitue la ressource à privilégier pour combler nos besoins de tous les jours, à la condition, bien sûr, de disposer de suffisamment de ressources hydrauliques sur le territoire. Type de centrales Efficacité globale Centrale hydroélectrique > 90 % 1 Centrale au gaz naturel 2 < 60 % 3 Centrale au charbon 4 < 45 % 5 Centrale au mazout n/d Centrale nucléaire 6 25 à 30 % 7 Centrale au fil de l eau (Chief Joseph, États-Unis) Dans ce type de centrales, l énergie produite par le fort volume d eau circulant dans la turbine sera équivalente à l énergie contenue dans la hauteur de chute que l on trouve dans les centrales avec de hauts niveaux d eau en amont. Une centrale au fil de l eau aura plutôt pour effet de convertir en électricité l énergie cinétique de l eau qui s écoule, contrairement à une centrale avec barrage ayant de hauts niveaux d eau en amont, où l énergie potentielle contenue dans l eau, due à sa hauteur, sera la composante énergétique utilisée pour produire de l électricité. Ainsi, pour les barrages par accumulation ayant de hauts niveaux d eau en amont, la quantité d'énergie disponible dépend du volume d eau retenu, des afflux et pertes naturels et de la hauteur de chute. 1 Efficacité dérivée à partir de l efficacité du groupe turbinealternateur (90 %). 2 RADIO-CANADA (2004). Québec déroge à ses propres règles à Bécancour, nouvelles/200407/07/001-becancour-centrale.shtml. 3 Efficacité relative, c est-à-dire ne tenant pas compte de l énergie utilisée pour l extraction et le transport jusqu au site d utilisation. 4 WIKIPÉDIA. Centrale électrique, fr.wikipedia.org/wiki/ Centrale_%C3%A9lectrique#Centrale_conventionnelle_. C3.A0_chaudi.C3.A8res. 5 Efficacité relative, c est-à-dire ne tenant pas compte de l énergie utilisée pour l extraction et le transport jusqu au site d utilisation. 6 JE COMPRENDS ENFIN (2011). Efficacité énergétique des centrales nucléaires, je-comprends-enfin.fr/index.php?/ L-energie-nucleaire-civile/efficacite-energetique-descentrales-nucleaires/id-menu-69.html. 7 Efficacité relative, c est-à-dire ne tenant pas compte de l énergie qui sera utilisée durant la période d entreposage des déchets radioactifs. 4

6 Comme on le voit à la lecture du tableau précédent, il est difficile d obtenir des mesures précises sur l efficacité globale de chacun des types de centrales destinées à la production d électricité, puisque les données à cet effet n incluent généralement pas l énergie dépensée pour extraire la matière première ou encore l énergie qui sera requise pour maintenir en exploitation les sites d enfouissement des déchets radioactifs. Afin de mieux comparer la qualité relative de chacune des sources d énergie (eau, charbon, pétrole, uranium), on peut recourir au concept d énergie nette. L analyse réalisée par Patrick Déry 8 nous informe davantage sur la valeur comparative des différentes sources d énergie à des fins de production d électricité. Elle permet d apprécier la supériorité de l hydroélectricité sur toutes les autres formes d énergie disponibles aujourd hui quant à l utilisation efficace de la source d énergie primaire. La principale catastrophe liée à la rupture d un barrage est survenue en Chine, en 1975, lors de la rupture du barrage de Banqiao, causant la mort de personnes. On peut également noter la rupture du barrage de Vajont survenue en Italie, en 1963, et qui causa la mort de personnes. En France, la rupture du barrage de Malpasset, en 1959, avait aussi causé des dommages considérables. Type de centrales Énergie nette Centrale hydroélectrique 280 Centrale au gaz naturel 2 Centrale au charbon 2 Centrale au mazout 5 Centrale nucléaire < 0 Les risques liés à l exploitation de centrales hydroélectriques On rapporte dans l histoire peu d exemples où des catastrophes ont été induites par la défaillance de barrages alimentant des centrales hydroélectriques. Toutefois, on ne saurait parler de risque zéro, puisque des perturbations sismiques peuvent toujours être à l origine de ruptures de barrages ou encore un mauvais entretien de la structure. En cas de rupture d un barrage, un razde-marée se crée et déferle dans la partie aval de la rivière, détruisant tout sur son passage. Rupture du barrage de Malpasset (France) De nos jours, les risques de rupture de barrages deviennent de plus en plus minimes en raison des outils modernes permettant de mieux mesurer les contraintes exercées sur les barrages et des mesures de sécurité mises en place. L hydroélectricité dans le monde L hydroélectricité est la source d énergie à privilégier dans la production d électricité. Son efficacité, le rendement exceptionnel que l on obtient à partir de l énergie contenue dans la matière première (l eau) et la flexibilité liée au fonctionnement de ces centrales constituent des avantages que nulle autre forme d énergie ne peut prétendre surpasser. Par ailleurs, comme nous le disions, même si le Québec est avantagé à cet égard par ses ressources abondantes, les rivières et les cours d eau ne sont pas abondants dans d autres régions du globe. 8 DÉRY, Patrick (2008). Rapport n o 3 sur l énergie régionale Quel rendement sur notre investissement énergétique?, rncreq.org/documents/rapport_energie_volet3.pdf. 5

7 a. Charbon b. Hydroélectricité c. Nucléaire d. Gaz e. Pétrole f. Éolien, géothermie, L hydroélectricité représente 17 % de la production d électricité dans le monde (2004) 9 L hydroélectricité au Québec : comment est-elle exploitée? Par qui? Le Québec jouit de ressources hydrauliques à nulle autre pareilles. L abondance de rivières et de lacs, la possibilité d aménager des réservoirs loin des lieux habités sont autant d atouts dont peu d endroits dans le monde peuvent se prévaloir. Nous disposons de cette ressource ici, sans devoir l importer d ailleurs. Reconnaissant les mérites de l hydroélectricité, très tôt au début du 20 e siècle, des entreprises ont construit des barrages et des centrales hydroélectriques pour répondre aux besoins en électricité naissants dans la province. Ces premiers aménagements ont été réalisés dans des sites à proximité du bassin du Saint-Laurent, là où les coûts de construction pouvaient être minimisés. Ces centrales étaient généralement propriété d entreprises privées qui mettaient à profit l utilisation des cours d eau pour leur propre bénéfice. Au début des années 60, un changement radical vient bouleverser le paysage énergétique du Québec : la nationalisation des entreprises d électricité et la création d Hydro-Québec 10, qui en assure la gestion et l exploitation depuis ce temps. C était l époque du «Maîtres chez nous» 9 SCIENCE ET DÉCISION (2005). Énergie : production, consommation, où en est-on?, documents.irevues.inist.fr/ bitstream/handle/2042/31243/enp.pdf?sequence=1. 10 Hydro-Québec a été créée en 1944 sous l administration d Adélard Godbout, alors premier ministre du Québec. À cette époque, et jusqu au début des années 60, elle exploitait les centrales hydroélectriques acquises par la nationalisation de la Montreal Light Heat & Power, desservant principalement les clients établis à Montréal. et le début d une grande épopée dans la construction de nouvelles centrales hydroélectriques partout sur le territoire du Québec. Les besoins croissants en électricité ont amené Hydro-Québec à lancer de grands chantiers hydroélectriques qui ont considérablement augmenté la production d électricité. Soulignons à cet égard la construction du complexe Manic-Outardes durant les années 60 et la construction du complexe de la Baie-James durant les années 70. Intérieur de la centrale Robert-Bourassa LG-2 (Baie-James, Québec) Évacuateur de crues de la centrale Robert-Bourassa LG-2 (Baie-James, Québec) Aujourd hui, Hydro-Québec figure parmi les plus grandes entreprises de production d électricité dans le monde, alors que plus de 97 % de l électricité consommée au Québec 11 provient de la filière hydroélectrique. Ces centrales appartiennent à la collectivité et servent, par les profits liés à l exportation d électricité en Ontario et aux États-Unis, à maintenir de bas tarifs d électricité et à subventionner les programmes sociaux dont s est doté le Québec pour mieux servir sa population. 11 Depuis la mise hors service récente de la centrale nucléaire de Gentilly-2, ce pourcentage excède 97 %. 6

8 Débats sur l énergie hydroélectrique : pourquoi certains remettent-ils en question cette filière de production d électricité? Les débats sur les avantages, les dangers et les inconvénients de l utilisation de l énergie hydroélectrique sont peu fréquents et tiennent essentiellement à des considérations environnementales et aux incidences sur la population locale. En effet, lors de la construction d une centrale et du barrage qui retient les eaux en amont, de grandes surfaces sont inondées, et la matière végétale ainsi noyée dans le réservoir émet des gaz à effet de serre tout au long de sa période de décomposition, phénomène qui peut durer jusqu à vingt ans après la mise en eau du réservoir. A contrario, les partisans de l hydroélectricité mettent en évidence le fait que, tout au long de la croissance de la matière végétale, celle-ci absorbe du CO 2 contenu dans l atmosphère nécessaire à sa croissance et que, lors de sa décomposition dans le réservoir, on ne fait que restituer dans l atmosphère le CO 2 utilisé par la matière végétale durant sa croissance. On trouve également des opposants au développement de centrales hydroélectriques dans des régions où habitent des populations importantes. Citons le cas le plus récent de l aménagement de la centrale hydroélectrique des Trois-Gorges, en Chine, aménagement qui a requis le déplacement de plus de 1,4 million de personnes et qui a été fortement contesté par la population locale. La centrale hydroélectrique des Trois-Gorges (Chine), la plus grande centrale hydroélectrique au monde Quels sont les avantages et les inconvénients du développement de cette industrie au Québec sur le plan environnemental? Les avantages Sur le plan environnemental, la plupart des spécialistes et des acteurs dans le domaine de l énergie estiment que les centrales hydroélectriques mettent en valeur une ressource renouvelable et qu elles n ont que de faibles incidences sur l environnement de leur milieu. De plus, le fait que la production d électricité, à partir de la ressource hydraulique, n entraîne aucune émission de gaz à effet de serre ajoute aux bénéfices qui découlent de la mise en valeur de cette filière. Les inconvénients Les seuls inconvénients rapportés par les opposants à la filière de l hydroélectricité résultent de l émission de CO 2 libéré dans l atmosphère par la décomposition de la matière organique noyée dans le réservoir. À cela s ajoutent les effets néfastes que les retenues d eau peuvent avoir sur les habitats fauniques. Quels sont les avantages et les inconvénients du développement de cette industrie au Québec sur le plan économique? Les avantages Les avantages économiques que tire une population d un aménagement hydroélectrique sont très importants. Contrairement à la production d électricité par d autres filières (gaz, mazout, charbon), l aménagement d un complexe hydroélectrique nécessite de forts investissements lors de sa construction et, par la suite, de faibles frais d exploitation, l eau qui actionne les turbines étant gratuite. Ainsi, la construction d un barrage, d une centrale et des équipements électriques (turbine, alternateur ) qui la composent requiert des investissements financiers importants et amène de grandes retombées économiques pour la population. Tout cela se traduit par des emplois sur le site même de la centrale ainsi que des emplois manufacturiers pour les entreprises qui fabriquent les équipements de la centrale. 7

9 Par exemple, la construction des complexes Manic- Outardes et, ultérieurement, de la Baie-James a amené des investissements colossaux dans l économie du Québec, résultant en une croissance importante du produit intérieur brut (PIB) et des emplois pour des milliers de travailleuses et travailleurs affectés à de tels projets. Les inconvénients Sur le plan économique, le seul inconvénient lié au développement d une centrale hydroélectrique tient au risque d une mauvaise planification des besoins futurs en électricité pour la population à desservir ou pour les marchés à l exportation. En effet, la construction de telles centrales requiert des investissements massifs qui sont généralement financés par des emprunts réalisés à l étranger. Or, la durée de construction de tels ouvrages a pour effet qu il faut plusieurs années avant que la centrale ne soit mise en service. Ainsi, si entretemps les conditions du marché se sont modifiées (marchés à l exportation en diminution, baisse dans la demande locale en électricité, surabondance temporaire d électricité produite à partir d une source d énergie autre ayant un effet sur les prix de l électricité, etc.), les risques financiers d être en défaut de paiement et de ne pas pouvoir respecter les échéances imposées par les financiers peuvent affecter grandement la situation économique de l entreprise (ou de l État, si celui-ci est propriétaire de la centrale) et avoir des incidences financières très sérieuses. À cet égard, une estimation prudente de la croissance de la demande en électricité et des conditions à l exportation qui prévaudront lors de la mise en service de la centrale s avèrent des conditions essentielles pour garantir la rentabilité de tels investissements. Quels sont les avantages et les inconvénients du développement de cette industrie au Québec sur le plan social? Les avantages Sur le plan social, les forts investissements requis pour l aménagement de centrales et de complexes hydroélectriques, avec comme corollaire les nombreux emplois qui en découlent, assurent un niveau de prospérité économique important et une création d emplois qui se matérialisent bien au-delà du site même de construction du barrage et de la centrale. Les aménagements réalisés pour rendre ces régions accessibles ont contribué à mieux les faire connaître et ont favorisé l essor du tourisme dans ces régions. Les inconvénients En ce qui a trait aux inconvénients, rappelons les incidences qui résultent de la construction de tels aménagements, si la construction des centrales et des barrages oblige le déplacement de la population. Il s agit là d une réalité qui doit être prise en compte par les gestionnaires et qui peut amener, dans certains cas, les autorités à annuler de tels projets. De plus, les risques de rupture des barrages pour la population vivant en aval doivent être pris en compte ; des mesures d atténuation et des mesures d urgence adéquates doivent être implantées dès la mise en service de ces centrales. Recherche et rédaction : Jean-Marc Pelletier, MCN21 8

10 Références : Relativement aux barrages fr.wikipedia.org/wiki/barrage Relativement aux turbines hydrauliques fr.wikipedia.org/wiki/turbine_hydraulique Relativement à l histoire de l électricité fr.wikipedia.org/wiki/%c3%89lectricit%c3%a9 Relativement à l hydroélectricité fr.wikipedia.org/wiki/hydro%c3%a9lectricit%c3%a9 Relativement au barrage des Trois-Gorges fr.wikipedia.org/wiki/barrage_des_trois-gorges Relativement aux plus grandes centrales dans le monde fr.wikipedia.org/wiki/liste_des_plus_grandes_centrale s_au_monde 9 D