Розділ IV
- дика гідравлічна потужність (у Вт);
H - висота найвищої точки землі (в м);
g - прискорення сили тяжіння (в м/с 2);
r - густина води (в кг/м 3);
Q (h) - сукупний потік всіх наземних річок на висоті h (м 3/с).
Минуло трохи більше двох тисяч років з тих пір, як люди почали використовувати цю дику енергію. Спочатку завдяки лопатевим колесам або ковшам, що приводили в дію млини, лісопильні, різальні верстати, потужність яких не перевищувала кількох кіловат. На початку минулого століття, з введенням турбіни, потужності значно зросли, але вироблену енергію в механічному вигляді все одно довелося використовувати на місці. Лише на початку цього століття перетворення в електричну енергію, що транспортується на великій відстані, механічної енергії, що виробляється турбінами, повинно дати величезний поштовх до використання того, що називалося білим вугіллям (Cavailles, 1929).
Сьогодні у всьому світі трохи менше 10% енергії дикої води фактично відновлюється у вигляді роботи та/або електроенергії. Досягнення варіюються від невеликої гідроенергетики (мікроелектростанції потужністю декілька кВт), до якої нещодавно збільшення витрат на енергію викликало відновлений інтерес (Monition, Le Nir and Roux, 1981; Cuinat and Roussel, 1981), до гігантських подій Grand Coule в США, Братськ в СРСР або Джеймс Бей у Квебеку, розробки, встановлена потужність яких вимірюється мільйонами кВт, а виробництво вимірюється мільярдами кВт-год (1 кіловат-годину - це робота, яку виконує джерело енергії потужністю 1 кіловат протягом 1 години, або 3600 кілоджоулів). Виробництво гідравлічної електроенергії залежить від гідравлічності, тобто в кінцевому рахунку від кількості опадів. Для того, щоб дати порядок величини, у Франції у 1975 р. Вона становила 60 000 ГВт-год (1 гігават-година дорівнює 1 млн. Кіловат-годині) та 48 000 ГВт-год у 1976 р. При середньому дикому потенціалі близько 270 000 ГВт-год. Це виробництво складає в середньому 400 мільярдів кубічних метрів турбін на рік, тобто більш ніж удвічі більше потоку (De Beauregard, 1970).
Гідроелектрична установка дозволяє відновити в механічній, а потім в електричній формі частину енергії, яка зазвичай розсіюється між двома точками, високою і низькою точками водотоку. Відновлювана енергія між верхньою і нижньою точками пропорційна добутку їх різниці у висоті H (падіння) на течію річки Q. Схематично така установка включає:
Структура водозбору вище за течією. Ця структура, як правило, дає можливість підняти водойму і часто виконує функцію накопичення (дамба);
Водопостачання, де тиск знижується до мінімуму, що веде відведену воду до місця, вибраного для використання наявного жолоба;
Ручка, де потенційна енергія води внаслідок падіння перетворюється в енергію тиску;
Турбіна, найчастіше з'єднана з генератором змінного струму, перетворюючи потенційну енергію тиску води в механічну, потім в електричну;
Структура для повернення турбінованої води в природне середовище.
Ця діаграма, очевидно, повинна бути адаптована, і залежно від обставин той чи інший елемент може бути атрофований або гіпертрофований.
Установки промислового масштабу, очевидно, зацікавлені в родовищах, які можуть постачати велику кількість енергії, тобто тих, де продукт Q H витрати напором достатньо великий. Для того, щоб ця умова була виконана, необхідно, щоб був принаймні один із цих двох факторів. Тому ми спостерігатимемо два крайні типи фабрик, усі проміжні рішення очевидно можливі.
Якщо потік великий або вміщує низький напор. Це низинні заводи, чиї складські потужності, скромні або навіть нульові через відсутність відповідних майданчиків (заводські заводи чи заводи), будуть управлятися у часовому масштабі. Щогодини або щодня.
Якщо висота падіння важлива, ми можемо бути задоволені незначним потоком. Це гірські фабрики, які через характер місць, як правило, можуть супроводжуватися великими обсягами зберігання (озерні заводи), що управляються щорічно. Останній тип установок можна порівняти з насосними установками, обсяг накопичення яких не забезпечується стоком з його вододілу, а водою, що перекачується нижче за течією в річку чи водосховище. Така установка дозволяє поглинати в періоди або сезони, коли попит низький, надлишкове виробництво з джерел, які важко відрегулювати, таких як атомні електростанції, та відновлювати його, якщо попит високий з урахуванням специфічної гнучкості озерних рослин.
У контексті інтегрованих систем, таких як Electricité de France, ці різні типи мають певні функції. Участь у основі діаграми навантажень для проточних рослин, на піку для шлюзових рослин, у критичні сезони та на піку для озерних рослин і для насосних установок.
Це останнє зауваження повинно звернути нашу увагу на той факт, що раціональність розвитку та управління енергетичними ресурсами водних шляхів виявляється на рівні всієї національної системи виробництва та розподілу електричної енергії. Ця раціональність є економічною та фінансовою. З економічної точки зору гідроелектростанція виправдана лише в тому випадку, якщо вартість виробленої кВт-год нижче, ніж вартість кВт-год базової теплової станції, здатної забезпечити ту саму енергію якісно та кількісно. На фінансовому рівні слід зазначити, що гідроелектростанція повинна практично оплачуватися заздалегідь на рівні інвестицій, експлуатаційні витрати є низькими, тоді як значна частина вартості електроенергії теплового походження, вартість палива, оплачується як і коли це виробляється. Саме на основі цієї проблеми не так давно, викликаючи падіння ціни на паливо, яке тоді було актуальним, можна було б замислитися про корисність певних гідроелектростанцій (Тіболд, 1970).
Раціональність виробника електроенергії апріорі не має підстав погоджуватися з інтегрованим управлінням гідрологічним комплексом, яке повинно мати справу з усіма часто суперечливими вимогами до навколишнього середовища, в тому числі з його збереженням! На відміну від розробок, орієнтованих лише на гідроелектростанції, такі як дві Верхні Дордонь, які стали гідравлічними сходами, здійснення багатоцільових робіт, подібних до робіт Серре Понсона, є спробою врахувати та подолати ці суперечності.
Вище ми підкреслювали, що біле вугілля надходить з ділянки та з потоку, тобто з середовища. Це слід пам’ятати перед обговоренням наслідків використання гідравлічної енергії. Насправді, по суті, це середовище, а не сама вода. Проходження води через турбіну не змінює її хімічних характеристик. У цьому відношенні використання гідравлічної енергії не забруднює. Але ця експлуатація передбачає розріз між течією та течією, що стосується і видів тварин, таких як риби (Bachelier, 1970), і соціальних видів діяльності, таких як судноплавство. Іноді робляться спроби пом'якшити наслідки цього відсікання за допомогою спеціальних додаткових механізмів, таких як риб'ячі драбини або замки. Фактом залишається факт, що з природного середовища ми створюємо два штучні середовища. Ці перетворення особливо очевидні у випадку озерних заводів.
Навколишнє середовище фізично не змінюється, але режим потоку та температури водного потоку ризикує бути глибоко модифікованим (Cuinat and Demars, 1982), що може мати наслідки для його фізичного та біологічного функціонування, але також і для використання. Періодичне спорожнення водойм, необхідне для проведення основних інспекцій безпеки та евакуації відкладень, спричинює порушення в нижній течії, які можуть набути масштабу катастрофи. Це було у випадку з полюванням на дамбу Генісіат у Верхній Роні в 1978 році. Середовище вгорі повністю порушено, оскільки замість річки чи потоку зараз є водосховище. Це передбачає насамперед втрату землі та часто переміщення населення, що може бути болючим. Окрім цього, цей тип середовища схильний до особливих ризиків (евтрофікація) та експлуатаційних обмежень (діапазон припливів, тобто зміна рівня води), які необхідно контролювати як з точки зору використання води нижче за течією (різного вилучення ...) ), ніж використання самого озера (катання на човнах, риболовля, ...) (Бенедетті-Крузе та Дуссарт, 1979).
На завершення цієї презентації використання гідравлічної енергії ми хотіли б сказати кілька слів про її законодавчу базу, яка не позбавлена впливу на рівні водного господарства. Використання гідроенергетики розвивалося на початку 20 століття і дуже швидко це було врегульовано. У Франції закон від 16 жовтня 1919 р. Принципово встановлює, що ніхто не може розпоряджатися енергією припливів і відливів, озер і річок, незалежно від їх класифікації, без поступки або дозволу держави. Режим дозволу на префектуру застосовується до об'єктів малої потужності, а режим концесії, який є набагато складнішим, застосовується до об'єктів промислового масштабу. Обмеження між цими двома типами установок було збільшено з 500 кВт до 4500 кВт у 1980 році.
Стаття 21 має лише місцеве поширення, але статті 5 і 50 стосуються всього басейну, нижче або вище за течією. Їх застосування може призвести до обмежень, які можуть бути суворими, щодо використання водотоку як водного ресурсу. Це важливий момент, до якого ми повернемось у зв'язку з виявленням та оцінкою ресурсів у водному середовищі.
Рис. 4.1. Схема гідроелектростанції.