Den vandkraft eller vandkraft , er en magt vedvarende , der kommer fra konverteringen af hydrauliske energi i el . Den kinetiske energi af vandstrømmen, fysisk eller genereret af niveauforskellen, omdannes til mekanisk energi ved en hydraulisk turbine , derefter til elektrisk energi ved en synkron elektrisk generator .
I 2020 nåede den installerede kapacitet på vandkraftværker op på 1.330 GW og producerede omkring 4.370 TWh eller 70% af verdens produktion af vedvarende energi og 15,6% af den globale elproduktion i 2019. Vandkraftens styrker er dens vedvarende karakter, dens lave driftsomkostninger og dens lave drivhusgasser drivhusgasser ; Lagringskapaciteten i dets reservoirer hjælper med at kompensere for variationer i efterspørgsel såvel som for intermitterende energier (vind, sol). Men det har sociale og miljømæssige konsekvenser , især i tilfælde af dæmninger , der er installeret i ikke-bjergområder: befolkningsgrupper forskydninger , muligvis oversvømmer af agerjord , fragmentering og ændringer af akvatiske og terrestriske økosystemer , blokering af aflejringer , etc. .
De vigtigste vandkraftproducenter i 2020 var Kina (31,0%), Brasilien (9,4%), Canada (8,8%) og USA (6,7%), den centrale er blandt de mest magtfulde.
Elektrisk energi produceres ved at omdanne vandets kinetiske energi til elektrisk energi via en hydraulisk turbine koblet til en elektrisk generator . For dæmninger ved akkumulering afhænger den disponible mængde energi over en given periode i en dæmnings vandreserve af dens volumen, naturlige input og tab i løbet af perioden og faldets højde . For dæmningsløb er mængden af produceret energi direkte relateret til strømmen (m 3 / s, m 3 / h, m 3 / d, m 3 / år).
Der er fire hovedtyper af turbiner. Valget af den mest egnede type turbine foretages ved at beregne den specifikke hastighed betegnet "ns".
Mennesker har brugt vandmøller drevet af skovlhjul til at male hvede i over to tusind år. De urmager og papir industrier i Alperne gjort stor brug af det på grund af den overflod af torrents faldende i dalene. I XIX th århundrede, er løbehjul bruges til at generere elektricitet og erstattes af vindmøller.
I 1869 brugte ingeniøren Aristide Bergès det på et fald på to hundrede meter ved Lancey til at dreje sine makuleringsmaskiner og rive træet til papirmasse. Han talte om " hvidt kul " i 1878 i Grenoble , derefter på Lyon-messen i 1887 og på den universelle udstilling i Paris i 1889 .
Fra 1900'erne medførte teknologiske fremskridt inden for schweizisk vandkraft anledning til intens aktiemarkedsspekulation om vandkraftvirksomheder , hvilket gavn industrielle virksomheder i Alperne .
I 1920'erne så en hurtig udvidelse af elektricitet dagens lys i Frankrig med en otte gange stigning i hydraulisk elproduktion takket være de første dæmninger.
I 1925 organiserede Grenoble den internationale udstilling af hvidt kul .
Der er tre hovedformer for vandkraftproduktion:
Tyngdekraftværker er dem, der udnytter den potentielle energi forbundet med forskellen i niveau mellem reservoiret og kraftværket. Kraftværker kan klassificeres efter tre typer operationer, der bestemmer en anden service for det elektriske system. Denne klassificering foretages i henhold til tømningskonstanten, der svarer til den teoretiske tid, der ville være nødvendig for at tømme reserven ved at turbinere ved maksimal effekt.
Klassificering efter operationstypeVi skelner således:
Afløbskraftværker, hovedsageligt installeret i lavlandsområder, har lave reservoirer af disse grunde. De bruger strømmen af floden, som den er, uden væsentlig moduleringskapacitet ved lagring. De leverer meget billig basisenergi. De er typiske for udviklingen på større floder som Rhône og Rhinen .
"Låste" kraftværker har større søer, så de kan moduleres i løbet af dagen eller endda ugen. Deres ledelse gør det muligt at følge variationen i forbrug over disse tidshorisonter (forbrug topper om morgenen og om aftenen, forskellen mellem arbejdsdage og weekender osv. ). De er typiske for de installationer, der udføres i mellembjergene.
De "centrale søer" svarer til strukturer med de vigtigste reservoirer. Disse muliggør en sæsonbestemt opbevaring af vand og en modulering af produktionen til at passere toppene for belastning af elektrisk forbrug: sommeren for de lande, hvor forbrugstoppen bestemmes af klimaanlægget, vinteren for dem, hvor det bestemmes af opvarmning. Disse kraftværker er typiske for de installationer, der udføres i mellemstore og høje bjerge.
De sidste to typer søer muliggør ved vandretention en vis energilagring ( potentiel faldenergi ), hvilket gør det muligt i det mindste delvist at udjævne produktionen af elektricitet.
Klassificering efter type påfyldningDet er også muligt at klassificere kraftværkerne i henhold til fyldningsegenskaberne i deres reservoir, hvilket betinger den elektriske anvendelse, der kan gøres af dem.
For eksempel kan fyldning af visse reservoirer statistisk opnås ugentligt, sæsonbestemt, årligt eller endda flerårigt, i tilfælde af meget store vandområder såsom Caniapiscau-reservoiret , oprettet som en del af James Bay-projektet . , i Quebec . Det er indlysende, at fyldningshastigheden har en direkte indvirkning på anvendelsesfleksibiliteten.
Klassificering efter faldhøjdeEndelig kan vi klassificere strukturer efter deres faldhøjde, det vil sige forskellen i højden mellem det fulde tankes teoretiske spejl og turbinen. Denne faldhøjde bestemmer de anvendte mølletyper.
Vi skelner således:
Mellem disse tre typer klassificering er der ingen streng ækvivalens, men en stærk sammenhæng:
Produktionen af et vandkraftværk afhænger af bidragene fra de floder, der fodrer det, svinger efter årstiderne og fra år til år efter nedbør. Brasiliens vandkraftproduktion faldt med 16% mellem 2011 og 2015 på grund af en række år med tørke på trods af idriftsættelse af flere nye dæmninger. I Spanien observeres endnu mere ekstreme variationer: + 56,1% i 2010, -27,7% i 2011, -26,6% i 2012, + 69,9% i 2013; -47,1% i 2017 og + 74,4% i 2018.
Reservoirer i søkraftværker er et middel til opbevaring, der kan hjælpe med at udligne sæsonvarigheden af nedbør såvel som efterspørgsel. De har sjældent tilstrækkelig volumen til at kompensere for variationer fra år til år.
Pumpet energioverførselsstationer (WWTP'er) inkluderer, ud over deres produktion af energi fra naturlig strømning, en pumpetilstand, der gør det muligt at lagre den energi, der produceres af andre typer kraftværker, når forbruget er lavere end produktionen, f.eks. det, i turbintilstand, under forbrugstoppe.
Disse anlæg har to bassiner, en øvre tank og et nedre bassin, mellem hvilke en reversibel vandkraftmaskine er placeret : den hydrauliske del kan fungere både i pumpe , i turbine og den elektriske del begge motor, der er generator ( maskinsynkron ). I akkumuleringstilstand bruger maskinen den tilgængelige strøm på netværket til at hæve vandet fra det nedre bassin til det øverste bassin, og i produktionstilstand konverterer maskinen gravitationens potentielle energi til vandet.
Effektiviteten (forholdet mellem forbrugt elektricitet og produceret elektricitet) er i størrelsesordenen 82%.
Denne type anlæg er af økonomisk interesse, når de marginale produktionsomkostninger varierer betydeligt over en given periode (dag, uge, sæson, år osv. ). De gør det muligt at lagre tyngdekraftenergi i perioder, hvor disse omkostninger er lave, at have den tilgængelig i perioder, hvor de er høje.
Dette er f.eks. Tilfældet, hvis der er betydelige tilbagevendende variationer i efterspørgsel (mellem sommer og vinter, dag eller nat osv. ), "Fatale" produktioner i store mængder, som ellers ville gå tabt ( vindenergi ) eller lav- modulerbar produktion af basenergiproduktion (kul, flodløbshydraulik).
Et tidevandskraftværk er et vandkraftværk, der bruger tidevandsenergien til at generere elektricitet. Den Rance tidevandsenergi kraftværk, bestilt i 1966, for at kompensere for den lave produktion af elektricitet i Bretagne, er et eksempel på dette.
Fra bølgerneDe japanske blev interesseret først i ressource svulme fra 1945 efterfulgt af Norge og Storbritannien .
I begyndelsen af månedenAugust 1995, Ocean Swell Powered Renewable Energy ( OSPREY), det første kraftværk, der bruger bølgeenergi, ligger i det nordlige Skotland . Princippet er som følger: bølgerne kommer ind i en slags nedsænket kasse, åbner ved basen, skubber luft ind i turbinerne, der driver generatorerne, der genererer elektricitet. Sidstnævnte transmitteres derefter med ubådskabel til kysten omkring 300 meter væk. Kraftværket havde en effekt på 2 MW , desværre blev dette arbejde beskadiget af bølgerne ødelagt af orkanen Felix 's hale i 2007. Dets skabere er ikke modløse, og en ny maskine, billigere og mere effektiv, er i øjeblikket i fokus . Det skal gøre det muligt at levere elektricitet til små øer, der mangler det, og at levere et afsaltningsanlæg til havvand .
Fra havstrømmeEt projekt fra det britiske selskab Marine Current Turbines (in) planlægger at implementere turbiner, der bruger havstrømme svarende til en bådpropeller til at generere elektricitet.
Det vand, der er kilden til vandkraft, kan lagres: Elproduktion kan derfor lagres i off- peak timer til brug i spidsbelastningsperioder , det vil sige når efterspørgslen er størst på nettet. det kan også opbevares i weekenden for at blive turbineret i løbet af ugen eller endda opbevares om foråret under snesmeltet for at blive turbineret om vinteren. Produktionen af vandkraft er begrænset af strømmen og de tilgængelige vandreserver; disse reserver afhænger af klimaet , af pumpningen udført opstrøms for reservoirerne (f.eks. til kunstvanding ) og af størrelsen af vandreservoirerne (dæmninger).
Vandkraftkapaciteten installeret i verden nåede 1.330 GW ved udgangen af 2020, en stigning på 1,6%, og vandkraftproduktionen blev estimeret til 4.370 TWh , en stigning på 1,5%. Nye kapacitetsudvidelser nåede 21 GW i 2020 mod 15,6 GW i 2018. Næsten to tredjedele af disse tilføjelser blev foretaget i Kina: 13,8 GW ; blandt de lande, der har installeret ny kapacitet, oversteg kun Tyrkiet megawatt: 2,5 GW . Kina dominerer stort set placeringen af lande efter installeret kapacitet med 370,2 GW eller 27,8% af verdens samlede, efterfulgt af Brasilien (109,3 GW ). De pumpede lageranlæg har i alt 160 GW installeret kapacitet og 9.000 GWh lagerkapacitet. Nye installationer i 2020 nåede 1,5 GW, inklusive 1,2 GW i Kina.
I 2019 nåede nye kapacitetsudvidelser 15,6 GW mod 21,8 GW i 2018. De lande, der har installeret den største kapacitet, er Brasilien: 4,92 GW , Kina: 4,17 GW og Laos: 1,89 GW .
Andelen af vandkraft i den globale elproduktion i 2019 anslås af BP til 15,6%. Dens produktion steg med 0,8% i 2019 og 22,5% siden 2009.
Ifølge The World Factbook repræsenterede hydraulik 18,7% af verdens elektriske kraft i 2012 og 10,7% i Europa i 2011.
Andelen af vandkraft i produktionen er mindre end dens andel i installeret kapacitet: 15,9% af verdens elproduktion i 2017 (mod 20,9% i 1973), men den spiller en særlig vigtig rolle for at sikre øjeblikkelig balance mellem produktion og forbrug af elektricitet; faktisk er vandkraft takket være sin fleksibilitet (kan mobiliseres på få minutter) en væsentlig justeringsvariabel, fordi elektrisk energi er meget vanskelig at opbevare i store mængder.
Område |
Samlet kraft ved udgangen af 2020 ( GW ) |
hvoraf GW pumpede lager |
2020 GW-tilføjelser |
2020 produktion ( TWh ) |
Del 2020 |
Afrika | 38.2 | 3.4 | 0,94 | 139,5 | 3,2% |
Syd- og Centralasien | 154.4 | 7.8 | 1,61 | 498 | 11,4% |
Østasien og Stillehavet | 501,5 | 69,5 | 14.47 | 1643 | 37,6% |
Europa | 254,5 | 54.9 | 3.03 | 674 | 15,4% |
Nord- og Mellemamerika | 204,8 | 23,0 | 0,53 | 724 | 16,6% |
Sydamerika | 176,8 | 1.0 | 0,48 | 690 | 15,8% |
Verden | 1330.1 | 159,5 | 21 | 4.370 | 100% |
Hovedproducerende lande | |||||
Kina | 370,2 | 31.5 | 13,76 | 1.355 | 31,0% |
Brasilien | 109.3 | 0,03 | 0,21 | 409,5 | 9,4% |
Canada | 82,0 | 0,2 | 0,27 | 383 | 8,8% |
Forenede Stater | 102,0 | 22.9 | 0,02 | 291 | 6,7% |
Rusland | 49.9 | 1.4 | 0,38 | 196 | 4,5% |
Indien | 50,5 | 4.8 | 0,48 | 155 | 3,5% |
Norge | 33,0 | 1.4 | 0,32 | 141.7 | 3,2% |
Japan | 50,0 | 27.6 | 0,11 | 89.2 | 2,0% |
Kalkun | 31.0 | - | 2,48 | 77.4 | 1,8% |
Venezuela | 15.4 | - | - | 72,0 | 1,6% |
Sverige | 16.5 | 0,1 | - | 71,6 | 1,6% |
Frankrig | 25.5 | 5.8 | - | 64,8 | 1,5% |
Vietnam | 17.1 | - | 0,08 | 52,0 | 1,2% |
Paraguay | 8.8 | - | - | 49.3 | 1,1% |
Italien | 22.6 | 7.7 | - | 47,7 | 1,1% |
Colombia | 11.9 | - | 0,02 | 45.8 | 1,0% |
Østrig | 14.6 | 5.6 | - | 42,5 | 1,0% |
Schweizisk | 16.9 | 3.0 | - | 40,6 | 0,9% |
Datakilde: International Hydropower Association. |
Den installerede kapacitet på pumpekraftværker nåede 159.494 MW , inklusive 31.490 MW i Kina (19,7%), 27.637 MW i Japan (17,3%) og 22.855 MW i USA (14,3%); disse tre lande tegner sig for 51,3% af verdens samlede.
De største producenter af vandkraft i 2017 var Kina (28,3%), Canada (9,4%), Brasilien (8,8%) og USA (7,7%). Men stedet for denne vedvarende energi i national elproduktion er meget varierende, og fem lande skiller sig ud med andele på 95,7% i Norge, 62,9% i Brasilien, 59,6% i Canada, 44,8% i Vietnam og 39,7% i Sverige.
På trods af generelt høje implementeringsomkostninger er vedligeholdelsesomkostningerne rimelige, faciliteterne er designet til at vare i lang tid, der er ingen brændstofomkostninger, og vandenergi kan fornyes, hvis den administreres korrekt. Omkostningerne pr. KWh varierer betydeligt afhængigt af den udførte installations egenskaber; at gigantiske dæmninger i store floder kan være ekstremt lave og tiltrække elektrointensive industrier såsom aluminium; men høje omkostningsanlæg kan være meget rentable på grund af deres fleksibilitet i driften og deres evne til at regulere den samlede produktion.
Vandkraft betragtes som vedvarende energi i modsætning til olie eller naturgas .
Nogle undersøgelser rejser tvivl om drivhusgasbalancen i vandkraftanlæg. Den bakteriologiske aktivitet i dæmningenes vand, især i tropiske regioner, frigiver store mængder methan (gas med en drivhuseffekt 20 gange kraftigere end CO 2). I dæmningsprojekter supplerer produktionen af vandkraft ofte, andre formål såsom kontrol med oversvømmelser og deres konsekvenser, forbedring af vandløbets sejlbarhed, tilførsel af vand til kanaler, oprettelse af vandlager til kunstvanding, turisme. ..
Siden oprettelsen af Three Gorges Dam ved Yangzi- floden i Kina i 2014 har dette land været førende inden for produktion af vandkraft i Asien, men også i Afrika og Sydamerika. De økonomiske spørgsmål i sådanne konstruktioner såvel som kampen mod den globale opvarmning viser sig at være fremherskende over andre økologiske problemer.
De miljømæssige konsekvenser afhænger af den type og størrelse af strukturen på plads: de er lave, når det kommer til at udnytte naturlige vandfald, havstrømme, bølger, men de bliver meget vigtigt, hvis det er et spørgsmål om at udnytte naturlige vandfald, havstrømme, Det handler om at skabe dæmninger og kunstige vandreservoirer. I sidstnævnte tilfælde kritiserer man generelt forsvinden af landbrugsjord og landsbyer (hvilket fører til befolkningsforskydninger) såvel som forstyrrelsen af bevægelsen af fauna (ikke kun vandlevende) og generelt hele det omgivende økosystem.
Nogle bemærkelsesværdige eksempler på større miljøpåvirkninger er:
Ud over konsekvenserne på grund af vandreservoirer som kollaps af deltaer, jordskælv kan katastrofer skyldes selve konstruktionerne. Således kollapsede i 2018 en dæmning på Pian-floden, en biflod til Mekong, der blev bygget, ligesom mange dæmninger i Laos , uden nogen egentlig konsekvensundersøgelse, 6.600 mennesker hjemløse og gjorde mere end hundrede ofre. Katastrofen ramte farvandet i Mekong-floden , som opslugte 17 landsbyer i Cambodja .