La puissance mécanique des chutes d’eau est un outil séculaire. Il a été utilisé par les Grecs pour transformer les roues à eau pour moudre le blé en farine, il y a plus de 2 000 ans. La disponibilité d’une main-d’œuvre esclave et animale bon marché, cependant, a limité son application généralisée jusqu’au XIIe siècle environ. Au Moyen Âge, de grandes roues hydrauliques en bois ont été développées avec une puissance maximale d’environ 50 ch. L’énergie hydraulique moderne à grande échelle doit son développement à l’ingénieur civil britannique John Smeaton, qui a d’abord construit de grandes roues hydrauliques en fonte.
L’énergie hydraulique a joué un rôle important dans la Révolution industrielle. Il a donné une impulsion à la croissance des industries du textile, du cuir et des ateliers d’usinage au début du 19ème siècle. Bien que la machine à vapeur ait déjà été développée, le charbon était rare et le bois insatisfaisant comme combustible. L’énergie hydraulique a contribué au développement des premières villes industrielles en Europe et aux États-Unis jusqu’à ce que l’ouverture des canaux fournisse du charbon bon marché au milieu du XIXe siècle.
Des barrages et des canaux étaient nécessaires pour l’installation de roues hydrauliques successives lorsque la chute était supérieure à 5 m (16 pi). Cependant, la construction de grands barrages de stockage n’était pas réalisable, et les faibles débits d’eau en été et en automne, associés au givrage en hiver, ont entraîné le remplacement de presque toutes les roues hydrauliques par de la vapeur lorsque le charbon est devenu facilement disponible.
La première centrale hydroélectrique a été construite en 1880 à Cragside, dans le Northumberland, en Angleterre. La renaissance de l’énergie hydraulique est venue avec le développement du générateur électrique, l’amélioration de la turbine hydraulique et la demande croissante d’électricité au tournant du XXe siècle. En 1920, les centrales hydroélectriques représentaient déjà 40 % de l’énergie électrique produite aux États-Unis.
Le principe de base de fonctionnement de la plupart des grandes installations est resté le même depuis lors. Les plantes dépendent d’un grand réservoir de stockage d’eau en amont d’un barrage où le débit d’eau peut être contrôlé et un niveau d’eau presque constant peut être assuré. L’eau s’écoule à travers des conduits, appelés conduites forcées, la Centrale de stockage Pompée d’eau de mer d’Okinawa qui sont contrôlées par des vannes ou des vannes de turbine pour ajuster le débit en fonction de la demande d’énergie. L’eau pénètre ensuite dans les turbines et les sort par le soi-disant passage arrière. Les groupes électrogènes sont montés directement au-dessus des turbines sur des arbres verticaux. La conception des turbines dépend de la tête d’eau disponible, avec des turbines dites Francis utilisées pour les têtes hautes et des turbines à hélices utilisées pour les têtes basses.
Contrairement aux installations de type stockage, qui dépendent de la mise en retenue de grandes quantités d’eau, il existe quelques exemples où la goutte d’eau et le débit régulier sont suffisamment élevés pour permettre des installations dites au fil de l’eau; l’un d’eux est le projet conjoint américano-canadien de Niagara Falls power.
Dans les années 1700, les Américains ont reconnu les avantages de l’hydroélectricité mécanique et l’ont largement utilisée pour le fraisage et le pompage. Au début des années 1900, l’énergie hydroélectrique représentait plus de 40% de l’approvisionnement en électricité des États-Unis. Dans les années 1940, l’hydroélectricité fournissait environ 75% de toute l’électricité consommée dans l’Ouest et le Nord-Ouest du Pacifique, et environ un tiers de l’énergie électrique totale des États-Unis. Avec l’augmentation du développement d’autres formes de production d’énergie électrique, le pourcentage d’hydroélectricité a lentement diminué et fournit aujourd’hui environ un dixième de l’électricité des États-Unis.
Les premières centrales hydroélectriques étaient des centrales à courant continu construites pour alimenter l’éclairage à l’arc et à incandescence pendant la période allant d’environ 1880 à 1895. Les années 1895 à 1915 ont vu des changements rapides se produire dans la conception hydroélectrique et une grande variété de styles de plantes construites. La conception des centrales hydroélectriques est devenue assez bien standardisée après la Première Guerre mondiale, la plupart des développements dans les années 1920 et 1930 étant liés aux centrales thermiques et au transport et à la distribution.
Voici quelques événements importants de l’histoire de l’hydroélectricité:
1826 L’ingénieur français Benoit Fourneyron a mis au point une turbine à eau à débit sortant à haut rendement (80%) dans laquelle l’eau était dirigée tangentiellement à travers le canal de la turbine, ce qui la faisait tourner. Un autre ingénieur français, Jean V. Poncelet, a conçu une turbine à flux entrant en 1826 qui utilisait les mêmes principes. Il n’a été construit qu’en 1838, lorsque S. B. Howd a obtenu un brevet américain pour une conception similaire.1848 James B. Francis a amélioré ces conceptions pour créer une turbine avec un rendement de 90%.
1870 le premier projet hydroélectrique au monde à Cragside, Rothbury, en Angleterre, fournissait de la lumière électrique.1880 la première utilisation industrielle de l’hydroélectricité pour produire de l’électricité a eu lieu à Grand Rapids au Michigan lorsque 16 lampes à arc en brosse ont été alimentées à l’aide d’une turbine à eau à l’usine Wolverine Chair de Grand Rapids, au Michigan.1881 à Niagara Falls, New York. une dynamo à brosse a été connectée à une turbine du moulin à farine de Quigley pour allumer des réverbères de la ville.1882 à Appleton, dans le Wisconsin, la première centrale hydroélectrique à utiliser le système Edison est l’usine de Vulcan Street.
1887 la station High Grove de San Bernadino, en Californie, a été la première centrale hydroélectrique à l’ouest des États-Unis 1889 à Oregon City, Oregon, la station Willamette Falls a été la première centrale hydroélectrique à courant alternatif. Il a transmis une puissance monophasée de 13 miles à Portland à 4 000 volts, abaissée à 50 volts pour la distribution.
1891 à Frankfort sur le Main, en Allemagne, le premier système hydroélectrique triphasé a été utilisé pour une ligne de démonstration de 175 km et de 25 000 volts à partir de l’usine de Lauffen.
1895 la première centrale hydroélectrique publique de l’hémisphère Sud a été achevée à Duck Reach, en Tasmanie, et a fourni de l’électricité à la ville de Launceston pour l’éclairage public.
1898 Decew Falls 1, St. Catherines, Ontario, Canada a été achevé. Appartenant à Ontario Power Generation, quatre unités sont toujours opérationnelles. Le 25 août 1898, cette station transmettait de l’énergie à 22 500 Volts, 66 2/3 Hz, en deux phases, sur une distance de 56 km jusqu’à Hamilton, en Ontario. L’utilisation de la tension plus élevée permettait une transmission efficace sur cette distance. (Reconnu comme une étape importante de l’IEEE en génie électrique & Informatique par le Comité exécutif de l’IEEE en 2002)
1901 à Trenton Falls, New York, a vu la première installation de turbines à réaction à haute tête conçues et construites aux États-Unis 1905 à Sault Ste. Marie, Michigan, la première usine à tête basse avec turbines et générateurs à arbre vertical raccordés directement a été construite
1906 à Ilchester, Maryland, une centrale hydroélectrique entièrement submergée a été construite à l’intérieur du barrage d’Ambursen.1911 R. D. Johnson invente le réservoir de surtension différentiel et la vanne de conduite forcée hydrostatique Johnson.
1912 à Holtwood, en Pennsylvanie, il y a eu la première installation commerciale d’un palier de butée vertical Kingsbury dans une centrale hydroélectrique.
1914 S.J. Zowski a développé le coureur de turbine à réaction à vitesse spécifique élevée (Francis) pour les applications à faible tête.
1916, il y a eu la première installation commerciale de turbine à hélice à pales fixes conçue par Forrest Nagler.
1917 le tube de tirage en hydracone a été breveté par W. M. White.
1919 Viktor Kaplan a présenté un coureur de turbine à hélice à pales réglables à Podebrady, en Tchécoslovaquie.
1922 a été la première fois qu’une centrale hydroélectrique a été construite spécifiquement pour la puissance maximale.
1929 l’usine de Rocky River à New Milford, Connecticut, fut la première centrale hydroélectrique de stockage par pompage.
Pour plus d’informations: Une ressource recommandée détaillant l’histoire de l’hydroélectricité est l’ensemble en deux volumes du développement hydroélectrique aux États-Unis 1880-1940, préparé pour le Groupe de travail sur la gestion des ressources culturelles, Edison Electric Institute, Duncan Hay, New York State Museum, 1991. Ce livre détaille le développement hydroélectrique américain depuis la première utilisation de l’énergie hydroélectrique vers 1880 jusqu’en 1940, époque à laquelle il y avait plus de 1500 installations hydroélectriques en ligne produisant environ un tiers de l’énergie électrique des États-Unis. Cela se compare à aujourd’hui où moins d’un dixième de l’énergie est hydroélectrique.
Histoire des centrales hydroélectriques et électriques dans la région de Niagara
Le système des montagnes Enneigées, en Nouvelle-Galles du Sud, en Australie, est l’un des systèmes intégrés d’énergie hydraulique et hydroélectrique les plus complexes au monde, dont la construction a pris 25 ans. Des informations sur le développement sont disponibles sur le site Web de Snowy Hydro.
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