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La production d'électricité au Québec

D'abord un peu de géographie.

le Québec est un immense territoire de l'Amérique du Nord.

Du sud au nord, il s’étend sur plus de 2,000 km, entre les 45ième et 63ième parallèles de latitude nord et d’est en ouest sur plus de 1,500 km, entre les 57ième et 80ième méridiens de longitude ouest.

C'est, en superficie, la plus grande province du Canada après le Nunavut (terres du Grand Nord) avec une superficie de 1 500 000 Km2.

Les terres du domaine de l'État constituent environ 92% du territoire québécois, y compris la quasi totalité des plans d'eau, lesquels forment 21% de la superficie totale.

Les terres du domaine privé représentent donc une faible part de la superficie du territoire (8 % environ) ce qui est une typologie très différente de celle rencontrée dans les pays européens entre autres.

L'exploitation du territoire terrestre, des lacs et des rivières ne se pose donc pas du tout de la même façon que chez nous en France par exemple, même si une attention importante reste de nos jours portée sur les problèmes de protection de l'environnement et de gestion des ressources en énergie, en particulier des ressources renouvelables.

Certaines zones sont particulièrement protégées : milieu marin, parcs nationaux, réserves de biodiversité, réserves fauniques, zones d'exploitation contrôlée (ZEC), etc.

Les autochtones disposent aussi de territoires traditionnels : Terres amérindiennes et Inuit par exemple.

La gestion de l'eau reste bien sûr au centre des préoccupations environnementales et énergétiques.


Québec
Production électrique
Lignes de transport
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Mais l'eau, il y en a beaucoup au Québec à tel point que de nos jours, 98 % de l'électricité produite est d'origine hydraulique ; situation tout à fait différente de la France qui satisfait 75 % de ses besoins à partir de centrales nucléaires.

Le Québec est aussi, après l'Ontario, la plus peuplée des provinces du Canada avec près de 8 millions d'habitants répartis sur un territoire grand comme 2.5 fois la France.

Mais la répartition de cette population n'est pas homogène : 80% des habitants vivent dans la partie la plus au sud, dans le triangle formé entre les villes de Montréal la métropole, de Québec la capitale et de Sherbrooke le pôle universitaire, en bordure du fleuve St-Laurent. C'est dans cette zone que prospère l'économie et l'industrie. Le reste du territoire est quasi vide de toute population hormis quelques centre miniers en Abitibi près de l'Ontario ou dans le Saguenay autour du Lac Saint-Jean.

C'est donc dans ce triangle que se situent la quasi totalité des besoins énergétiques et en particulier des besoins en électricité.

Il est facile de vérifier sur une carte du Québec que la majorité des aménagements routiers et ferrovières se situent dans cette partie du pays et que dans les zones plus au nord il n'y a plus de voies de circulations ce qui donne une idée de la faible densité de population.

Les régions proches de la baie d'Hudson ne sont de fait accessibles qu'en avion et les rares villages ou petites citées construites sont alimentées en énergie électrique par des mini réseaux locaux non interconnectés (production hydraulique et groupes diesels de secours).

L'exploitation du bois et les entreprises de transformation associées (débitage du bois, fabrication de contre-plaqué, papeteries) qui représentent souvent la seule activité industrielle de ces zones éloignées disposent aussi de centrales thermiques de production de chaleur et d'électricité qui fonctionnent en brûlant des déchets de bois ou des sciures.

La production d'électricité

Compte tenu de la spécificité de l'aménagement du territoire, les premières installations hydroélectriques ont donc été construites sur le St-Laurent ou sur des affluents proches, au plus près des agglomérations importantes.

C'est ainsi que plusieurs centrales ont été installées dès le début du 20ième siècle aux portes mêmes de Montréal telle la centrale de la Rivière-des-Prairies, mais aussi plus près d'Ottawa sur la rivière Gatineau où l'on retrouve de grandes installations comme la centrale des Rapides-Farmer ou à Sherbrooke avec la centrale de Frontenac qui reste la plus ancienne installation construite au Québec encore en exploitation.



Centrale de Rapides-Farmer
Sur la rivière Gatineau - Construction 1926
Puissance 104 MW
5 groupes Francis 90 t/min

Mais l'augmentation des besoins en électricité a conduit à examiner des projets beaucoup plus ambitieux tant sur le plan de la production que du transport en proposant d'exploiter le potentiel énergétique des régions du Nord, le Saguenay près du Lac St-Jean, le réservoir de Manicouagan et enfin le gigantesque projet de la Baie James (Réservoir Bourassa et la Grande Rivière) qui dispose d'une puissance de production d'environ 7500 MW.



Evacuateur de crues du réservoir Robert-Bourassa appelé "l'escalier des géants"
Chacune des 10 marches fait 10 m de hauteur et environ 120 m de largeur
Capacité d'évacuation : 2 fois le débit du St-Laurent à Montréal - presque 20,000 m3/s

Parmi les grands défits techniques à résoudre, on peut citer le développement de lignes de transports en 735 KV pour joindre les centres de productions éloignés des centres de consommations de 1500 Km mais aussi la mise au point de systèmes d'interconnexion avec les régions voisines (Ontario, USA, ...) de type High Voltage Direct Current - back to back - convertisseurs HVDC dos à dos ou tête-bêche compte tenu de l'impossiblité technique à mettre en phase les différents réseaux pour les coupler ensemble.



Convertisseurs HVDC
Le poste de Radisson près de la Baie James
En médaillon le poste d'interconnexion de l'Outaouais à la frontière de l'Ontario
Photo Hydro Québec - L'électricité de la Centrale à la Maison

Rappelons que ces dispositions techniques ont permis par exemple à Hydro-Québec de maintenir le service pendant la panne nord-américaine de l'été 2003.

On ne peut pas bien sûr passer sous silence les prouesses techniques de construction à mettre en oeuvre pour construire des barrages gigantesques dans les zones particulièrement inhospitalières du Grand Nord.

Des dispositions constructives particulières sont aussi prises sur les lignes à Haute Tension pour éviter des ruptures de conducteurs en hiver et la chute de pylônes par "effet domino". On se souvient que la presse française avait rapporté les incidents majeurs survenus dans la région de Montréal au cours de l'hiver 1998 suite à une tempête de verglas sans précédent.



Lignes à Haute tension 735,000 V
Arrivée des lignes du Grand Nord sur Montréal
Pylône nappe avec conducteurs sur un même plan horizontal


Lignes à Haute tension 735 kV
Notez les dimensions imposantes des chaines d'isolateurs
les fils composés de 4 conducteurs séparés par des croisillons
et au sommet du pylone, le fil de garde qui protège la ligne contre la foudre

L'ELECTRIUM

L'ELECTRIUM, le centre d'interprétation de l'électricité d'HYDRO-QUEBEC de Montréal, permet de se familiariser avec l'électricité et les champs électromagnétiques. Inauguré en 1990, ce musée est un lieu très fréquenté par les jeunes écoliers et les personnes moins jeunes intéressées par les sciences.

Dans cet univers magique où des guides-animateurs refont quelques expériences fondamentales d'électrostatique et d'électrodynamique, il est aussi possible de voir de près, les énormes dispositifs qui composent les lignes à Haute Tension comme les conducteurs de cuivre ou d'aluminium, les chaînes d'isolateurs, les systèmes complexes de fixation. Une occasion unique de voir de près ces composants, dont vue de loin, il est difficile de se faire une idée de la taille réelle.



Composants pour lignes à Haute tension
à gauche conducteurs de cuivre - diamètre du conducteur environ 2 cm
au sol, protection anti-foudre
pendues au plafond, chaînes d'isolateurs en verre


Salle d'expérience de l'Electrium
au premier plan à droite morceau de conducteur en aluminium
au milieu, générateur Haute Tension de Van de Graff
en médaillon, Expérience d'Electricité Statique

La centrale de Beauharnois


La centrale de Beauharnois, située à environ 40 kilomètres au sud-ouest de Montréal, au Québec est sûrement encore aujourd'hui l’une des plus grandes centrales hydroélectriques au fil de l'eau du monde.


Centrale de Beauharnois
Vue extérieure d'une partie de la salle des machines
Puissance 1,900 MW
38 groupes Francis et Hélice 75 t/min

Centrale de Beauharnois
Salle des machines

Avec ses 38 groupes turbines-alternateurs alignés dans un gigantesque bâtiment de près de 1 km de longueur, elle produit, tout au long de l'année, par turbinage de l'eau du Saint-Laurent 11.7 TWh pour une puissance moyenne de plus de 1,600 MW (puissance un peu supérieure à celle d'un réacteur nucléaire français actuel). Cette puissance peut aller jusqu'à 1,900 MW en pointe.

Les premiers travaux d’aménagement du canal de Beauharnois qui permet de dévier une partie de l'eau du St-Laurent remonte à plus de 75 ans.

Après la seconde guerre mondiale, le gouvernement du Quebec nationalise la production d'électricité.

La première centrale de Beauharnois qui comportait alors seulement 14 groupes pour une puissance totale installée d'environ 530 MW est acquise par Hydro-Québec à la Montreal Light, Heat and Power.

Très rapidement, dès 1950, la société d'État québécoise décide de mettre en chantier une extension qui permettra la mise en service de 12 nouveaux groupes turbines et portera, en 1953, la puissance totale de l'installation à près de 1,000 MW.

Dans les années 1960, Hydro-Québec profitera de la construction de la voie maritime du Saint-Laurent pour installer 10 groupes supplémentaires, qui porteront la puissance de la centrale à près de 1,600 MW.

Des travaux de rénovation réalisés il y a une quinzaine d'années ont permis d'améliorer le rendement des machines et de porter la puissance maximale de la centrale à 1,900 MW.

La centrale de Beauharnois joue un rôle majeur dans le système d'alimentation électrique du Québec.

Par sa situation géographique, elle sécurise l'alimentation de Montréal en cas de panne majeur du réseau et assure les liaisons avec les réseaux voisins, en particulier le réseau américain tout proche.

Des travaux importants de réhabilitation , de reconstruction et d'aménagement du canal font parti d'un processus continu d'amélioration des équipements et de préservation de l'environnement.

La construction d'une nouvelle passe à poissons permet par exemple le passage annuel de plusieurs dizaines de milliers d'anguilles qui peuvent ainsi poursuivre leur course.

Le réaménagement des bassins et le dragage du canal de Beauharnois permet une meilleure utilisation de l'eau à des fins agricoles et maintient des étendues maracageuses propices à la nidation de plusieurs espèces et à l'alimentation d'oiseaux migrateurs.

Un ensemble complexe qui fait appel à des métiers forts différents et qui s'inscrit dans un programme multi-disciplinaire visant à assurer une production électrique maximale tout en préservant le plus possible l'environnement.



Centrale de Beauharnois
Maquette de la centrale de Beauharnois
Débit du Saint-Laurent : 10,500 m3/s
Débit turbinable du canal de beauharnois : 8,200 m3/s

Le dessin ci-dessous montre la structure de la centrale sur la coupe d'un groupe de production hydraulique.

La turbine est de type FRANCIS, technologie bien adaptée aux centrales au fil de l'eau, à forts débits et à moyenne hauteur de chute.

La hauteur de chute de la centrale de Beauharnais est de 24 m et chaque groupe turbine environ 200 m3 d'eau à la seconde pour une puissance électrique produite de 50 MW (Voir calcul ci-après). La vitesse de ces groupes reste assez basse de 75 t/min. La fréquence étant de 60 Hz, les alternateurs devraient être des machines à 48 paires de pôles, ce qui donne une idée du grand nombre de bobines installées sur le rotor de ces machines.


ooOoo

Pour les physiciens en herbe, rappelons que la puissance théorique d'une installation hydraulique est proportionnelle à la hauteur de chute nette du barrage et au débit de la turbine :

Ph=ρ.g.Hn.Q

Ph=puissance hydraulique en W
ρ=masse volumique de l'eau en Kg.m-3
g=accélération de la pesanteur en m.s-2
Hn=hauteur de chute nette en m
Q=débit turbiné en m3.s-1.


Pour une hauteur de chute d'environ 24 m et un débit de 200 m3.s-1 en prenant la masse volumique de l'eau égale à 1000 Kg.m-3 et une accélération de 9,81 m.s-2, on trouve bien une puissance hydraulique théorique un peu inférieure à 50,000,000 kW soit 50 MW.

Pour avoir une valeur pratique de la puissance électrique que l'on peut produire avec une telle source hydraulique, il conviendrait de tenir compte du rendement global de l'installation qui peut varier suivant le type de turbine, l'implantation et la longueur des tuyauteries d'amenée d'eau, de leur nature (béton, acier, plastique) et de bien d'autres facteurs. Ce rendement reste toutefois très élevé sur ce type d'installations et on peut compter sur un rendement global supérieur à 80% (rendement tenant compte de l'hydraulique de l'installation, du système de couplage mécanique s'il y en a un et de la génératrice électrique).

Allez, avec ces éléments, vous pouvez construire votre micro-centrale !


ooOoo

La tension de sortie des alternateurs de la Centrale de Beauharnois est de 13.8 kV, triphasé. Cette tension est élevée à 120 kV par 36 transformateurs reliés au réseau.



Centrale de Beauharnois
Section de la centrale
Vue en coupe d'une turbine Francis
Image Hydro Québec - Centre d'information de la centrale

Sources :

  1. - Documentation Hydro Québec
  2. - L'ELECTRIUM - Sainte-Julie en Montérégie - 25 min du centre de Montréal

© 2008-2012 Pierre Dessapt