Contexte historique et origines des forces marines
Contexte historique des énergies hydrauliques
L'énergie hydraulique est une énergie cinétique liée au déplacement de l'eau ; c'est l'énergie fournie par le mouvement de l'eau, sous toutes ses formes : chute d'eau, cours d'eau, courant marin, marée, vague... Ce mouvement peut être utilisé directement pour des fins agricoles comme par exemple avec un moulin à eau, ou bien, plus couramment être converti en énergie électrique dans une centrale hydroélectrique. L'énergie cinétique du courant d'eau est transformée en énergie mécanique par une turbine hydraulique, puis en énergie électrique par un alternateur. L'énergie hydroélectrique est une énergie électrique renouvelable obtenue par conversion de l'énergie hydraulique des différents flux d'eau naturels, en électricité.
L'exploitation de la force motrice de l'eau remonte à l'Antiquité. Les premières roues à palettes et à augets, ancêtres des turbines modernes, datent du deuxième siècle avant Jésus-Christ. Quant aux moulins hydrauliques, ils auraient été inventés dans le Croissant fertile. Les premiers moulins étaient à roue horizontale. C'est grâce aux moulins hydrauliques et à l'arbre à cames que les manufactures se sont mécanisées au Moyen Age.
Vers l’an 260, une des plus anciennes usines françaises a été construite près d'Arles, ville du Sud de la France. L'ouvrage primitif comportait deux branches convergeant vers un bassin d'où partait un conduit unique alimentant Arles. Sa branche orientale fut détournée pour alimenter la meunerie de Barbegal, tandis que la branche occidentale continua à alimenter la ville d'Arles. L'eau actionnait deux séries de huit roues verticales à augets disposées de part et d'autre d'une allée centrale. Elles fournissaient l'énergie à des moulins à farine. En plus d'une succession de moulins à eau, cette usine comportait un aqueduc de dix kilomètres et une chute de dix-huit mètres.
Plus tard, à partir du Moyen Age, la puissance de l'eau était de plus en plus sollicitée par les scieries, les moulins à céréales, etc. à tel point qu'en en 1086, on recensait 5624 moulins en Angleterre.
Vers 1300, les premiers moulins à papier mus par l'énergie hydraulique sont apparus en France. Le moulin Richard-de-Bas, dernier témoin de ce que fut le berceau de la papeterie française, date de 1326. En Afrique orientale, les moulins ont été introduits par les coolies indiens venus construire le chemin de fer de Mombassa en Ouganda. C'est à cette époque, au 20ème siècle, qu'a commencé l'exploitation de la force des marées, par l'utilisation de moulins marémoteurs. Mais une pièce centrale manquait encore au puzzle hydraulique: la turbine.
C'est au 19ème siècle que Benoist de Fourneyron a inventé la première turbine. Il a utilisé l'effet de la pression pour entraîner une roue à eau. Il a donc aménagé, en 1837, une chute de 112 mètres; l'eau est arrivée alors à une vitesse de 46 m.s-1 sur une roue qui délivrait une puissance de 45 kW. Les dynamos, les alternateurs, mis au point par Gramme entre 1869 et 1877, le coulage entre alternateurs, étudié par Boucherot et Blondel en 1892, ont enfin permis de produire industriellement de l'électricité à partir de l'énergie mécanique. Enfin, l'invention du transformateur électrique par Gaulard et Gibbs en 1885 permet de transporter l'électricité sur de longues distances.
Par la suite, l'hydroélectricité a connu un développement spectaculaire. Ainsi, entre 1920 et 1940, plus de cinquante barrages sont édifiés. La naissance de l'Electricité de France en 1946 a permis de dégager des moyens financiers considérables et de planifier l'aménagement hydraulique du pays. En 1994, il n'y a plus que 17 % de la production française d'électricité qui est d'origine hydraulique contre 56 % en 1960.
Parmi toutes les énergies renouvelables, l'hydroélectricité est la seule à être exploitée à grande échelle, et ceci dans le monde entier. En effet, elle représente entre 16 % de la production électrique mondiale contre 62 % pour les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz, etc.), 13 % pour le nucléaire et 0,3 % pour les centrales géothermiques.
L’hydroélectricité constitue la troisième source de production électrique mondiale, derrière le charbon et le gaz. Cependant, nous n'utilisons qu'une infime partie de ses capacités (En France, il s'agit de la deuxième forme de production derrière l’énergie nucléaire. L’hydroélectricité représente 13 % de la production électrique française.). En effet, a peu près 3300 TWh sont produits mondialement grâce aux stations hydroélectriques sur un potentiel total de la planète estimé à environ 15 000 TWh.
A la différence de l'électricité que l'on ne peut pas stocker, l'eau, en revanche, peut être accumulée (EDF accumule ainsi 7 milliards de m3, soit les trois quarts des réserves d'eau en France). Cette énergie accumulée est facilement mobilisable : il suffit, par exemple, de deux minutes à l'usine de Grand'Maison dans les Alpes pour fournir 1800 MW. Cette souplesse de fonctionnement permet d'ajuster en permanence la production aux variations de la demande et fait de l'hydroélectricité le régulateur du réseau électrique français, indispensable lors de brusques variations de la consommation globale.
Origines des marées
Si la Terre était isolée dans l’espace, seule la gravité agirait sur l’épaisseur de la couche d’eau qui la recouvre. Quant à la rotation de la Terre sur elle-même, elle ne joue pas sur l’épaisseur de cette couche d’eau mais sur sa circulation autour du globe. Les marées que nous pouvons observer sur les littoraux sont donc le résultat de deux forces.
D'un côté, on retrouve l'attraction gravitationnelle (intéraction physique qui amène à une attraction entre deux objets ayant une masse) exercée par la Lune et le Soleil sur la Terre. La marée correspond à la variation du niveau de la mer due à l’action gravitationnelle de la Lune et du Soleil. Parce que la lune gravite autour de la Terre et que le couple Terre-Lune gravite autour du Soleil, les forces gravitationnelles mises en jeu se combinent et modifient la surface déformable de l’océan. Bien que la Lune soit beaucoup plus petite que le Soleil, sa proximité fait qu’elle influe de façon prépondérante (2,5 fois plus que le soleil) sur les phénomènes de marées.
En s'inspirant de la loi des mouvements des planètes du Système solaire de Kepler, et de celle de Christiaan Huygens sur la force centrifuge, Newton conclut que la force agissant entre deux corps s’exerce en ligne droite entre les deux corps et est
proportionnelle à 1/d^2. Il suppose alors que la force est proportionelle à la la masse et obtient:
Avec:
F, la norme de la force de gravitation,
G, la constante gravitationnelle
M1 et M2 les masses des deux corps considérés
d, la distance séparant les deux corps.
D'un autre côté, une autre force entre en jeu et contrecarre l’influence gravitationnelle de la Lune car si l’on considère habituellement que la Lune tourne autour de la Terre, c’est une simplification du comportement réel du système Terre/Lune. Non seulement la Lune tourne autour de la Terre, mais l’ensemble Terre/Lune tourne autour du centre de masse de ce système, c'est-à-dire que le centre de la Terre ne reste pas au centre du système. Cette notion est importante car elle implique qu’une force centrifuge existe au niveau de la Terre, dans le sens opposé à la direction de la Lune. Le système, en tournant, repousse l’eau vers l’extérieur et permet d'expliquer le décalage quotidien de 50 minutes entre les marées.
On observe alors deux principaux types de marées :
-
Marée diurne :
Deux pleines mers et deux basses mers d'importance sensiblement égale par jour. La Lune n'étant en général pas dans le plan équatorial, les deux bourrelets ne sont pas symétriques. Le bourrelet situé au nadir est plus faible que celui au zénith.
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Marée semi-diurne :
Il y a une pleine mer et une basse mer par jour. L'alternance de la pleine mer et de la basse mer deux fois par jour vient de la rotation de la Terre sur elle même et non de la rotation de la Lune autour de la Terre (effet principal de la lune qui crée marée semi diurne). Durant l'équinoxe (durée du jour égale à celle de la nuit), la position solaire est alors optimale pour amplifier les marées de type semi-diurne. C'est le cas deux fois par an: autour du 21 mars et du 23 septembre.
Les faibles et forts coefficients :
On remarque des marées de fort coefficient (vive-eaux) et des marées de faible coefficient (mortes-eaux) expliquées par la combinaison des effets lunaire et solaire.
En effet lorsque la Lune et le Soleil sont alignés, les deux forces s'ajoutent: les deux forces sont dans la même direction mais peuvent avoir des sens opposés, on a donc un marnage important, et à l'inverse, lorsque les deux astres ne sont pas alignés, le marnage faible constitue les marées de morte-eaux.
Origines des courants marins
Le débit d'un courant est beaucoup plus important que celui d'un fleuve. Un courant marin est un déplacement d'eau de mer caractérisé par sa direction, sa vitesse et son débit. On distingue deux types de courants: courant de surface causé par l'action du vent (10% du volume d’eau des océans est ici concerné) et les courants de profondeur (au delà de 800 mètres). La Terre reçoit de façon inégale l'énergie solaire : elle n'est pas la même selon que l'on se trouve aux pôles (car les rayons arrivent de manière très inclinée) ou à l'équateur. La zone intertropicale reçoit ainsi autant d'énergie que le reste de la planète. Ce déséquilibre met en mouvement l'atmosphère et les océans qui vont rééquilibrer thermiquement l'ensemble. Il génère aussi les vents qui sont les facteurs principaux des courants de surface. Ces mouvements sont influencés par une force due à la rotation de la Terre, appelée force de Coriolis. Ce déséquilibre entraîne également des différences de température suivant la latitude. Cette différence de température entraîne une différence de salinité de l'eau et donc de densité, créant ainsi les courants de profondeur. Les courants proches de la surface transportent la chaleur reçue du Soleil aux basses latitudes en direction des hautes latitudes. Les courants profonds, appelés courants thermohalins, se déplacent lentement, de seulement quelques mètres par jour.
Courants de surface:
Les vents qui soufflent à la surface des mers et des océans entraînent les eaux de surface dans leur direction. L’effet direct du vent se fait ressentir jusqu’à une profondeur d’une centaine de mètres. Les vents à l’origine des courants de surface sont principalement les vents dominants : les vents d’est subtropicaux (les alizés), les vents d’ouest aux moyennes latitudes, ou les vents d’est polaires. Le courant du Gulf Stream et celui du Labrador sont des exemples de courants de surface. Les courants marins, toujours très locaux, peuvent être extrêmement rapides (jusqu’à environ 3 mètres par seconde pour le Gulf Stream). L’ensemble des courants marins de surface constitue à l’échelle du globe la circulation océanique de surface. La carte de ces courants marins de surface est d’ailleurs connue depuis plusieurs siècles par les navigateurs marins.
Courants de profondeur:
Les vents n’ont plus aucune influence sur les mers et les océans en dessous d’environ 800 mètres de profondeur. Au-delà de cette profondeur, les mouvements d’eau se créent en raison de la différence de densité entre les diverses couches de l’océan. Cette différence de densité est fonction de la température (l’eau plus froide est plus dense, et donc descend plus en profondeur) et de la salinité (l’eau plus salée est plus dense que l’eau douce) des masses d’eau. À l’échelle du globe, les courants marins de profondeur constituent la circulation océanique profonde (ou circulation thermohaline). Ces courants profonds, appelés courants thermohalins, se déplacent lentement, de seulement quelques mètres par jour.