Les grandes étapes de l’hydroélectricité 
Usine de la rue Vulcan, 1882
1ère centrale hydroélectrique : La 1ère centrale hydroélectrique commerciale des États-Unis débute ses activités, à Appleton, au Wisconsin
Usine de la rue Vulcan, 1882
Près de ce site, le 30 septembre 1882, la première centrale hydroélectrique au monde est entrée en service. La station, reproduite ici, était connue sous le nom de Vulcan Street Plant et disposait d’un générateur à courant continu capable d’allumer 250 lampes de seize bougies, chacune équivalant à 50 watts. Le générateur fonctionnait à 110 volts et était entraîné par des engrenages et des courroies par une roue hydraulique fonctionnant sous une chute d’eau de dix pieds.
La plaque est visible dans le Vulcan Heritage Waterfront Park, sur W. Water St. à Appleton Wisconsin.
Lorsque la centrale de Vulcan Street est entrée en service en novembre 1882, elle a été la première centrale hydroélectrique d’Edison à desservir un réseau de clients privés et commerciaux en Amérique du Nord. Avant cette centrale, le système Edison de production de lumière à partir de générateurs alimentés par l’eau n’avait fait l’objet que de démonstrations dans le cadre d’expositions, et son application à un service commercial n’avait jamais été testée.
H.J. Rogers, président de l’Appleton Paper and Pulp Co. et de l’Appleton Gas Light Co. entendit d’abord parler de l’usine d’Edison pour sa première centrale par son ami H.E. Jacobs. Jacobs, représentant de la Western Edison Light Co. de Chicago, décrit la station à vapeur d’Edison de Pearl Street à New York, et Rogers commence à envisager une centrale à eau le long de la rivière Fox à Appleton. Enthousiaste, il convainc A.L. Smith, H.D. Smith, propriétaire d’un haut fourneau, et Charles Beveridge, banquier, de se joindre à lui pour former l’Appleton Edison Light Co.
Deux dynamos Edison de type « K » sont commandées et le premier générateur est installé de manière isolée dans la salle de battage de la papeterie d’Appleton. La nouvelle maison de Rogers, l’usine de papier d’Appleton et l’usine de papier de Vulcan sont câblées et chacune est directement connectée au générateur. Peu de détails sur l’entreprise ont été publiés à l’époque, et tant le public que les sponsors de Rogers étaient sceptiques quant aux chances de succès. Ces doutes sont aggravés par un faux départ le 27 septembre 1882, lorsque la dynamo est mise en marche mais ne parvient pas à allumer les lampes. Edward Ames, qui avait installé le générateur, est appelé pour corriger le problème. Le 30 septembre, ils essaient à nouveau. Alors que la dynamo prend de la vitesse, les filaments de bambou carbonisés passent lentement d’une lueur terne à l’incandescence. Le « miracle de l’époque » a été accompli et les journaux rapportent que l’illumination est « aussi brillante que le jour ».
Les premiers exploitants de la centrale isolée de Rogers ont rencontré de nombreux problèmes qu’ils ont rapidement résolus avec beaucoup d’ingéniosité. En raison de la charge variable des batteurs d’eau de la papeterie, le premier générateur fonctionnait de manière irrégulière, ce qui provoquait une baisse ou une augmentation irrégulière de la luminosité des lampes. Pour remédier à ce problème, la dynamo a été déplacée dans un appentis situé à côté du bureau principal, où elle a été reliée à une roue hydraulique distincte. Comme il n’y avait pas de régulateur de tension, les opérateurs se servaient de leurs yeux pour évaluer la luminosité des lampes. En raison du manque de protection contre les surtensions, lorsque des orages ou des chutes de branches provoquaient des courts-circuits, l’usine s’arrêtait jusqu’à ce que le problème soit découvert et corrigé. Et comme il n’y avait pas de compteurs, les clients devaient s’acquitter d’une redevance mensuelle en fiats par lampe. En 1882, le service était assuré du crépuscule à l’aube, et les clients laissaient souvent leurs lampes allumées toute la nuit.
La deuxième dynamo « K » est placée dans son propre bâtiment le long de Vulcan Street. Cette première station centrale commença à éclairer les maisons de A.L. et H.D. Smith le 25 novembre 1882. Pendant ce temps, la dynamo de l’usine de Rogers continue de fonctionner et, en décembre, cinq ou six usines, un haut fourneau et au moins trois maisons sont éclairées par les ampoules Edison. Au début de l’année suivante, la Waverly House fut câblée, devenant ainsi le premier hôtel de l’Ouest à disposer d’un éclairage électrique. À partir de là, les progrès sont rapides. En 1886, deux plus gros générateurs furent achetés et placés dans une nouvelle centrale, et les dynamos originales de modèle « K » furent également déplacées à cet endroit, donnant à Appleton son premier système de distribution à trois fils.
La centrale de Vulcan Street fut le précurseur de nombreux projets à venir, dans lesquels des ingénieurs civils, mécaniques et électriques coopérèrent pour fournir de l’énergie hydroélectrique aux États-Unis.
Histoire hydroélectricité
L’hydroélectricité est utilisée aux États-Unis depuis la fin des années 1800 et les origines de cette technologie remontent à des milliers d’années. Les cultures anciennes, des Grecs à la Rome impériale en passant par la Chine, utilisaient des moulins à eau pour des activités essentielles telles que la mouture du blé.
Le précurseur de la turbine hydraulique moderne a été mis au point au milieu du XVIIIe siècle. Cent ans plus tard, les inventeurs n’ont cessé d’améliorer l’efficacité de ces technologies. En 1849, un ingénieur nommé James Francis a mis au point la turbine Francis, le type de turbine le plus utilisé aujourd’hui.
Les grandes étapes de l’hydroélectricité
1849 : Invention de la turbine Francis.
1882 : La première centrale hydroélectrique au monde est mise en service à Appleton, dans le Wisconsin, sur la rivière Fox.
1887 : La première centrale hydroélectrique ouvre en Occident, à San Bernadino, en Californie.
1907 : L’hydroélectricité représente 15 % de la production d’électricité aux États-Unis.
1920 : L’hydroélectricité représente 25 % de la production d’électricité aux États-Unis.
1931 : La construction du barrage Hoover commence, employant au total plus de 20 000 travailleurs pendant la Grande Dépression. 1937 : Le barrage Hoover commence à produire de l’électricité sur le fleuve Colorado.
1941–1945 : Les barrages du Bureau of Reclamation augmentent leur production d’électricité pour soutenir les efforts des États-Unis pendant la Seconde Guerre mondiale, produisant suffisamment d’électricité pour fabriquer 69 000 avions et 5 000 navires et chars d’assaut pendant une période de cinq ans.
1980 : La capacité hydroélectrique conventionnelle est presque triplée par rapport au niveau de 1920.
Aujourd’hui : Une vaste expansion du potentiel de l’hydroélectricité est possible grâce à de nouvelles technologies pour les projets conventionnels, de pompage-turbinage, marins et hydrocinétiques, à la modernisation des installations hydroélectriques existantes et à l’augmentation de la production des barrages non alimentés en énergie.
Première centrale hydroélectrique 30 septembre 1882
Le premier pont hydroélectrique sur la rivière Fox à Appleton, Wisconsin
Le 30 septembre 1882, la première centrale hydroélectrique entre en service sur la rivière Fox à Appleton, dans le Wisconsin. L’usine, plus tard baptisée Appleton Edison Light Company, a été lancée par le fabricant de papier d’Appleton H.J. Rogers, qui s’était inspiré des plans de Thomas Edison pour une centrale de production d’électricité à New York. À l’origine, l’usine ne pouvait produire que suffisamment d’énergie pour éclairer la maison de Rogers, mais au fil du temps, elle a commencé à produire beaucoup plus d’énergie. Cela a déclenché la multiplication de ces usines à travers les États-Unis et a créé de l’énergie pour beaucoup.
Centrale hydroélectrique – 1882
La première centrale hydroélectrique, connue sous le nom de Vulcan Street Plant, était alimentée par la rivière Fox à Appleton, dans le Wisconsin.
Après avoir introduit l’ampoule à incandescence aux États-Unis, Thomas Edison a dû trouver un moyen de fournir de l’électricité à une clientèle de plus en plus nombreuse. Il a construit sa première centrale électrique commerciale à New York en 1882. La vapeur alimente la station de Pearl Street, mais d’autres sources d’énergie sont rapidement explorées. L’eau, utilisée pour produire de l’énergie mécanique depuis l’époque de la Rome antique, était un choix logique. Après tout, à la fin du XIXe siècle, de nombreuses usines utilisaient déjà de grandes roues hydrauliques pour actionner leurs machines.
Quelques semaines seulement après l’ouverture de la centrale de Pearl Street, une centrale hydroélectrique a été mise en service à Appleton, dans le Wisconsin. Connue sous le nom de Vulcan Street Plant, elle exploite l’énergie de la rivière Fox à l’aide d’une roue hydraulique. En descendant la rivière, l’eau poussait contre les palettes de la roue, la faisant tourner. Un système de courroies et d’engrenages reliait la roue en mouvement à un générateur, une dynamo Edison de type « K ». Le générateur convertissait l’énergie mécanique en électricité, qui alimentait initialement l’éclairage de deux papeteries et d’une maison.
La maison appartenait à un homme d’affaires du nom de H.J. Rogers, à l’origine de l’usine de Vulcan Street. Rogers était président de l’Appleton Paper & Pulp Company et de l’Appleton Gas Light Company. Lorsqu’il entendit parler du projet de centrale électrique à vapeur d’Edison pour New York, Rogers pensa qu’un projet similaire pourrait profiter à ses entreprises. Cependant, au lieu de la vapeur, Rogers espérait tirer parti de la proximité de la rivière Fox. Il soumet l’idée à quelques dirigeants de la communauté et, avec A.L. Smith, H.D. Smith et Charles Beveridge, il fonde l’Appleton Edison Light Company.
Les habitants d’Appleton considèrent la jeune société avec scepticisme. Le 27 septembre 1882, lors de l’inauguration, un gros accroc vient aggraver la situation. Après la mise en marche du générateur, les lampes reliées à celui-ci par des fils de cuivre ne s’allument pas. Après quelques retouches, l’Appleton Edison Light Company fait une nouvelle tentative. Le 30 septembre, les filaments des lampes de ses moulins et de sa maison s’allumèrent vivement tandis que la dynamo ronronnait. Dans les semaines qui suivent, les habitants de la ville visitent les bâtiments alimentés en électricité et admirent les lumières qui, comme le rapporte le journal local, sont « aussi brillantes que le jour ».
Malgré l’enthousiasme, la centrale électrique a connu de nombreuses difficultés à ses débuts. La tension, qui varie en fonction du débit d’eau alimentant le générateur, ne peut être régulée. Lorsqu’elle est trop élevée, les lumières s’éteignent et les courts-circuits sont fréquents. Il n’y avait aucun moyen de connaître la tension, si ce n’est de l’estimer en fonction de la luminosité des lampes. Comme il n’y avait aucun moyen de mesurer la quantité d’électricité consommée par un client particulier, tout le monde payait une redevance mensuelle forfaitaire. Au fil du temps, ces problèmes et d’autres ont été résolus et le succès de l’entreprise de Rogers s’est confirmé.
En novembre 1882, une deuxième dynamo appartenant à l’Appleton Edison Light Company commença à fournir de l’électricité à deux autres maisons près de Vulcan Street. Avant la fin de l’année, plusieurs autres maisons, des moulins et même un haut-fourneau sont éclairés à l’électricité. Peu après, un hôtel local est éclairé par des ampoules électriques. En 1886, de nouveaux générateurs plus puissants sont nécessaires pour fournir suffisamment d’électricité aux clients de la société Appleton, qui change alors l’emplacement de sa centrale électrique. L’électricité devenant de plus en plus populaire, l’Appleton Edison Light Company s’est transformée en une entreprise plus importante, la Wisconsin Michigan Power Company.
Curieusement, le succès de la centrale de Vulcan Street et des autres premières centrales électriques a eu un impact négatif sur le destin de l’homme qui en était à l’origine, Thomas Edison. Les personnes dont les maisons et les entreprises étaient de plus en plus éloignées des centrales voulaient elles aussi de l’électricité. Mais les systèmes à courant continu d’Edison n’étaient pas adaptés à la transmission de l’électricité sur de longues distances. Le courant alternatif s’est finalement avéré être la solution, et c’est à Nikola Tesla et à son partenaire George Westinghouse qu’il est revenu de la fournir au peuple américain.
Aujourd’hui, l’hydroélectricité est la forme d’énergie renouvelable la plus utilisée, fournissant 20 à 25 % de l’électricité mondiale. Bien entendu, une telle quantité d’énergie ne provient pas de simples roues hydrauliques. La plupart des centrales hydroélectriques modernes sont équipées de grands barrages et dépendent de l’énergie potentielle de l’eau retenue pour actionner des turbines et des générateurs électriques
L’hydroélectricité
L’hydroélectricité est l’énergie de l’eau en mouvement
Les gens utilisent depuis longtemps la force de l’eau qui coule dans les ruisseaux et les rivières pour produire de l’énergie mécanique. L’hydroélectricité a été l’une des premières sources d’énergie utilisées pour la production d’électricité et, jusqu’en 2019, elle était la principale source de production annuelle totale d’électricité renouvelable aux États-Unis.
En 2022, l’hydroélectricité représentait environ 6,2 % de la production totale d’électricité à l’échelle des services publics1 aux États-Unis et 28,7 % de la production totale d’électricité renouvelable à l’échelle des services publics. La production d’hydroélectricité varie chaque année et sa part dans la production totale d’électricité aux États-Unis a généralement diminué entre les années 1950 et 2020, principalement en raison de l’augmentation de la production d’électricité à partir d’autres sources. La part en pourcentage de l’hydroélectricité dans la production annuelle totale d’électricité aux États-Unis entre 2001 et 2022 était en moyenne d’environ 6,7 %.
L’hydroélectricité repose sur le cycle de l’eau
Il est important de comprendre le cycle de l’eau pour comprendre l’hydroélectricité. Le cycle de l’eau se déroule en trois étapes :
L’énergie solaire chauffe l’eau à la surface des rivières, des lacs et des océans, ce qui provoque l’évaporation de l’eau.
La vapeur d’eau se condense dans les nuages et tombe sous forme de précipitations (pluie et neige).
Les précipitations s’accumulent dans les ruisseaux et les rivières, qui se déversent dans les océans et les lacs, où elles s’évaporent et recommencent le cycle.
La quantité de précipitations qui s’écoulent dans les rivières et les ruisseaux d’une zone géographique détermine la quantité d’eau disponible pour la production d’énergie hydroélectrique. Les variations saisonnières des précipitations et les changements à long terme des régimes de précipitations, tels que les sécheresses, peuvent avoir des effets significatifs sur la disponibilité de la production d’énergie hydroélectrique.
L’énergie hydroélectrique est produite par de l’eau en mouvement
La source de l’énergie hydroélectrique étant l’eau, les centrales hydroélectriques sont généralement situées sur ou à proximité d’une source d’eau. Le volume de l’écoulement de l’eau et le changement d’élévation – ou de chute, souvent appelé hauteur de chute – d’un point à un autre déterminent la quantité d’énergie disponible dans l’eau en mouvement. En général, plus le débit d’eau est important et plus la hauteur de chute est élevée, plus la centrale hydroélectrique peut produire d’électricité.
Dans les centrales hydroélectriques, l’eau s’écoule dans un tuyau, ou conduite forcée, puis pousse contre les pales d’une turbine qui tournent pour actionner un générateur et produire de l’électricité.
Les installations hydroélectriques conventionnelles comprennent
Les systèmes au fil de l’eau, où la force du courant de la rivière exerce une pression sur une turbine. Les installations peuvent être équipées d’un déversoir dans le cours d’eau pour détourner le flux d’eau vers les turbines hydrauliques.
Les systèmes de stockage, où l’eau s’accumule dans des réservoirs créés par des barrages sur les cours d’eau et les rivières et est libérée par des turbines hydrauliques en fonction des besoins pour produire de l’électricité. La plupart des installations hydroélectriques américaines sont équipées de barrages et de réservoirs de stockage.
Les centrales hydroélectriques à accumulation par pompage sont un type de système de stockage hydroélectrique dans lequel l’eau est pompée d’une source d’eau jusqu’à un réservoir de stockage situé à une altitude plus élevée. L’eau est libérée du réservoir supérieur pour alimenter les turbines hydroélectriques situées en dessous du réservoir supérieur. Ces systèmes pompent généralement l’eau pour la stocker lorsque la demande d’électricité et les coûts de production, ou lorsque les prix de gros de l’électricité sont relativement bas, et libèrent l’eau stockée pour produire de l’électricité pendant les périodes de pointe de la demande d’électricité, lorsque les prix de gros de l’électricité sont relativement élevés. Les systèmes hydroélectriques de pompage-turbinage consomment généralement plus d’électricité pour pomper l’eau vers les réservoirs de stockage supérieurs qu’ils n’en produisent avec l’eau stockée. Par conséquent, les installations de pompage-turbinage ont des bilans de production d’électricité nets négatifs.
L’hydroélectricité a une longue histoire
L’hydroélectricité est l’une des plus anciennes sources d’énergie pour la production d’énergie mécanique et électrique. Jusqu’en 2019, elle représentait la plus grande source de production annuelle totale d’électricité renouvelable aux États-Unis. Il y a des milliers d’années, les hommes utilisaient l’énergie hydraulique pour faire tourner les roues à aubes sur les rivières afin de moudre le grain. Avant que la vapeur et l’électricité ne soient disponibles aux États-Unis, les moulins à grains et à bois étaient alimentés directement par l’énergie hydraulique. La première utilisation industrielle de l’énergie hydraulique pour produire de l’électricité aux États-Unis a eu lieu en 1880 pour alimenter 16 lampes à arc en brosse à la Wolverine Chair Factory de Grand Rapids, dans le Michigan. La première centrale hydroélectrique américaine à vendre de l’électricité a ouvert ses portes sur la rivière Fox, près d’Appleton, dans le Wisconsin, le 30 septembre 1882.
Il y a environ 1 450 centrales hydroélectriques conventionnelles et 40 centrales hydroélectriques à accumulation par pompage en activité aux États-Unis. La plus ancienne centrale hydroélectrique américaine est celle de Whiting, dans le Wisconsin, qui a été mise en service en 1891 et dont la capacité de production totale est d’environ 4 mégawatts (MW). La majeure partie de l’hydroélectricité américaine est produite par de grands barrages situés sur les principaux cours d’eau. La plupart de ces barrages hydroélectriques ont été construits avant le milieu des années 1970 par des agences du gouvernement fédéral. La plus grande installation hydroélectrique des États-Unis, et la plus grande centrale électrique américaine en termes de capacité de production électrique, est le barrage hydroélectrique de Grand Coulee sur le fleuve Columbia dans l’État de Washington, avec une capacité de production totale de 6 765 MW.
La première centrale hydroélectrique américaine
En 1882, la première centrale hydroélectrique au monde a été ouverte aux États-Unis sur la rivière Fox, à Appleton, dans le Wisconsin. Alimentée par une roue hydraulique, une seule dynamo fournissait 12,5 kilowatts, suffisants pour alimenter 180 lumières de dix bougies chacune. Le fabricant de papier d’Appleton, H.F. Rogers, s’était inspiré des projets de Thomas Edison pour une centrale de production d’électricité à vapeur à New York. Il bénéficiait du soutien financier d’un ami personnel d’Edison et de deux autres hommes, tous originaires d’Appleton. Rogers a commencé à construire la centrale électrique de son usine de papier au bord de la rivière au cours de l’été 1882. Plus tard connue sous le nom d’Appleton Edison Light Company, elle produisait suffisamment d’électricité pour éclairer la maison de Rogers, l’usine elle-même et un bâtiment voisin.
https://www.eia.gov/energyexplained/hydropower/