Etudier le fonctionnement d'une centrale hydraulique Problème

Au sein de la centrale hydraulique, l'énergie électrique est produite de la manière suivante :

• La retenue de l'eau : la création d'un barrage empêche l'écoulement naturel de l'eau si bien que de grandes quantités d'eau s'accumulent et forment un lac de retenue.
• La conduite forcée de l'eau : lorsqu'il y a suffisamment d'eau accumulée, des vannes sont ouvertes pour que l'eau s'engouffre dans de longs tuyaux appelés conduites forcées. Ces conduites acheminent l'eau vers la centrale hydraulique située en contrebas.
• La production d'électricité : dans la centrale, la force de l'eau fait tourner une turbine qui, à son tour, entraîne un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif.
• L'adaptation de la tension : un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes haute tension.

Une fois passée dans la turbine, l'eau a perdu de sa puissance et rejoint la rivière par un "canal de fuite".

Une chaîne énergétique illustre le principe de conservation d'énergie : la somme des énergies entrant dans le système est égale à la somme des énergies qui en sortent.

• D'après la question précédente, c'est la force de l'eau qui fait tourner la turbine. Elle lui transmet donc une énergie mécanique.
• La turbine, à son tour, fait fonctionner un alternateur par transmission de son mouvement au rotor de l'alternateur par le biais de l'arbre mécanique. Il s'agit donc encore d'un transfert d'énergie mécanique.

On peut alors représenter de manière schématique la chaîne énergétique. On représente les sources ou convertisseurs d'énergie dans des encadrés et on indique le mode de transfert énergétique entre eux par des flèches :

Comme dans la question précédente, une chaîne énergétique doit illustrer le principe de conservation d'énergie : la somme des énergies entrant dans le système doit être égale à la somme des énergies qui en sortent.

• D'après la question précédente, c'est le mouvement de la turbine qui fait tourner le rotor de l'alternateur par le biais d'un arbre. Elle lui transmet donc une énergie mécanique.
• L'alternateur produit alors de l'électricité par le mouvement du rotor dans le stator. Il transférera donc de l'énergie électrique.

On représente de manière schématique la chaîne énergétique. Les sources ou convertisseurs d'énergie sont figurés par des encadrés et les modes de transferts énergétiques, par des flèches :

La relation entre énergie utile et fournie donne le rendement :

n = \dfrac{E_{utile}}{E_{absorbée}}

Avec :

• n, le rendement sans unité (compris entre 0 et 1)
• E_{utile}, l'énergie véritablement utilisée (en J)
• E_{absorbée}, l'ensemble de l'énergie absorbée (en J)

Dans le cas présent, il s'agit d'un rendement de conversion mais le principe est le même. L'énergie absorbée est reçue par l'alternateur donc il s'agit de l'énergie en provenance de la turbine tandis que l'énergie utile est celle qui a bien été convertie en énergie électrique.

Cela donne :

Les rendements successifs se multiplient donc le rendement total de la turbine est donné par la formule suivante :

n_{total} = n_{1} \times n_{2}

En effectuant l'application numérique, on obtient :

n_{total} = 0{,}55 \times 0{,}80

n_{total} = 0{,}44

Les réserves des ressources énergétiques non renouvelables diminuent au fur et à mesure que l'Homme les exploite. Il est donc nécessaire d'utiliser davantage de sources d'énergie qui sont moins nocives pour l'environnement que celles basées sur l'énergie fossile (la combustion de pétrole ou de charbon rejette des gaz à effet de serre) ou fissile (la fission nucléaire produit des déchets radioactifs).

Les ressources énergétiques renouvelables sont celles dont les réserves ne diminuent pas malgré leur exploitation par l'Homme. À l'échelle humaine elles sont donc exploitables sans limitation de durée.