Énergie hydraulique
Les premières traces de roues et de moulins à eau remontent au Proche-Orient ancien au IVe siècle avant notre ère, plus précisément dans l’Empire perse avant 350 avant notre ère, dans les régions de l’Irak, de l’Iran et de l’Égypte.
Dans l’Empire romain, les moulins à eau ont été décrits par Vitruve dès le premier siècle avant notre ère. Le moulin de Barbegal avait seize roues à eau traitant jusqu’à 28 tonnes de grain par jour. Les roues à eau romaines étaient également utilisées pour scier le marbre, comme la scierie de Hiérapolis à la fin du IIIe siècle après J.-C.. Ces scieries étaient équipées d’une roue à eau qui entraînait deux bielles pour actionner deux scies. Il apparaît également dans deux scieries romaines orientales du 6e siècle, fouillées respectivement à Ephèse et à Gerasa. Le mécanisme de manivelle et de bielle de ces moulins à eau romains convertissait le mouvement rotatif de la roue à eau en mouvement linéaire des lames de scie.
En Chine, on a théorisé que ses marteaux-pilons et ses soufflets actionnés par l’eau dès la dynastie Han (202 av. J.-C. – 220 apr. J.-C.) étaient actionnés par des écopes d’eau, mais les historiens ultérieurs ont cru qu’ils étaient actionnés par des roues à eau sur la base que les écopes d’eau n’auraient pas eu la force motrice pour actionner leurs soufflets de haut fourneau. Des preuves de l’existence de roues à eau verticales sous les Han sont visibles dans deux modèles contemporains d’articles funéraires représentant des marteaux-pilons actionnés par l’eau. Les premiers textes décrivant ce dispositif sont le dictionnaire Jijiupian de 40 avant J.-C., le texte de Yang Xiong connu sous le nom de Fangyan de 15 avant J.-C., ainsi que le Xin Lun écrit par Huan Tan vers 20 après J.-C.. C’est également à cette époque que l’ingénieur Du Shi (vers 31 après J.-C.) a appliqué la puissance des roues à eau à des soufflets à piston pour forger la fonte.
La puissance d’une vague d’eau libérée d’un réservoir a été utilisée pour l’extraction des minerais métalliques dans une méthode connue sous le nom de décorticage. Cette méthode a été utilisée pour la première fois dans les mines d’or de Dolaucothi, au Pays de Galles, à partir de 75 après J.-C., mais elle avait été mise au point en Espagne dans des mines telles que Las Médulas. Le brossage a également été largement utilisé en Grande-Bretagne au Moyen Âge et plus tard pour extraire les minerais de plomb et d’étain. Il a ensuite évolué vers l’exploitation minière hydraulique lorsqu’il a été utilisé pendant la ruée vers l’or en Californie.
Dans le monde musulman, pendant l’âge d’or islamique et la révolution agricole arabe (8e-13e siècles), les ingénieurs ont largement utilisé l’énergie hydraulique ainsi que les premières utilisations de l’énergie marémotrice, et les grands complexes d’usines hydrauliques. Divers moulins industriels actionnés par l’eau ont été utilisés dans le monde islamique, notamment des moulins à foulon, des moulins à grain, des moulins à papier, des décortiqueurs, des scieries, des moulins à bateaux, des moulins à timbre, des aciéries, des moulins à sucre et des moulins à marée. Au 11e siècle, toutes les provinces du monde islamique disposaient de ces moulins industriels, d’Al-Andalus et d’Afrique du Nord au Moyen-Orient et à l’Asie centrale. Les ingénieurs musulmans ont également utilisé des turbines à eau, employé des engrenages dans les moulins à eau et les machines à élever l’eau, et ont été les premiers à utiliser des barrages comme source d’énergie hydraulique, utilisés pour fournir une puissance supplémentaire aux moulins à eau et aux machines à élever l’eau.
L’ingénieur mécanicien islamique Al-Jazari (1136-1206) a décrit les conceptions de 50 dispositifs, dont beaucoup fonctionnant à l’eau, dans son livre, The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices, y compris des horloges, un dispositif pour servir le vin, et cinq dispositifs pour soulever l’eau des rivières ou des bassins, bien que trois soient alimentés par des animaux et un peut être alimenté par un animal ou par l’eau. Il s’agit notamment d’une courroie sans fin avec des cruches attachées, d’un shadoof actionné par une vache et d’un dispositif alternatif avec des valves articulées.
En 1753, l’ingénieur français Bernard Forest de Bélidor a publié Architecture Hydraulique qui décrit les machines hydrauliques à axe vertical et horizontal. La demande croissante de la révolution industrielle allait également stimuler le développement.
Les réseaux d’énergie hydraulique utilisaient des tuyaux pour transporter l’eau sous pression et transmettre la puissance mécanique de la source aux utilisateurs finaux. La source d’énergie était normalement une tête d’eau, qui pouvait également être assistée par une pompe. Ces réseaux étaient très répandus dans les villes victoriennes du Royaume-Uni. Un réseau d’énergie hydraulique a également été développé à Genève, en Suisse. Le célèbre Jet d’Eau a été conçu à l’origine comme la soupape de décharge de surpression pour le réseau.
Au début de la révolution industrielle en Grande-Bretagne, l’eau était la principale source d’énergie pour les nouvelles inventions telles que le cadre à eau de Richard Arkwright. Bien que l’utilisation de l’énergie hydraulique ait cédé la place à l’énergie à vapeur dans de nombreux grands moulins et usines, elle était encore utilisée au cours des 18e et 19e siècles pour de nombreuses opérations plus petites, comme l’entraînement des soufflets dans les petits hauts fourneaux (par ex. le four Dyfi) et les moulins à grains, comme ceux construits à Saint Anthony Falls, qui utilise la chute de 50 pieds (15 m) du fleuve Mississippi.
Dans les années 1830, au début de l’apogée de la construction de canaux aux États-Unis, l’énergie hydraulique fournissait l’énergie nécessaire pour transporter le trafic de péniches en haut et en bas de collines escarpées à l’aide de chemins de fer à plan incliné. Comme les chemins de fer ont supplanté les canaux pour le transport, les systèmes de canaux ont été modifiés et développés en systèmes hydroélectriques ; l’histoire de Lowell, Massachusetts est un exemple classique de développement commercial et d’industrialisation, construit sur la disponibilité de l’énergie hydraulique.
Les progrès technologiques avaient déplacé la roue à eau ouverte dans une turbine fermée ou un moteur à eau. En 1848, James B. Francis, alors qu’il travaillait comme ingénieur en chef de la société des écluses et des canaux de Lowell, a amélioré ces conceptions pour créer une turbine avec une efficacité de 90 %. Il a appliqué des principes scientifiques et des méthodes d’essai au problème de la conception des turbines. Ses méthodes de calcul mathématiques et graphiques ont permis de concevoir en toute confiance des turbines à haut rendement correspondant exactement aux conditions d’écoulement spécifiques d’un site. La turbine à réaction de Francis est encore largement utilisée aujourd’hui. Dans les années 1870, à la suite d’utilisations dans l’industrie minière californienne, Lester Allan Pelton a mis au point la turbine à impulsion à roue Pelton à haut rendement, qui utilisait l’énergie hydraulique des cours d’eau de grande hauteur caractéristiques de l’intérieur montagneux de la Californie.