LES MICRO-CENTRALES HYDRAULIQUES LES ÉNERGIES RENOUVELABLES LES MICRO-CENTRALES HYDRAULIQUES Réalisé par Denis KEIFLIN – Lycée Louis ARMAND de MULHOUSE

Sommaire Principe de fonctionnement Les turbines. Législation relative aux micro centrales Statistiques Les tarifs

La microcentrale : bâtiment qui abrite la turbine, le générateur, les systèmes de contrôle et de régulation. Le barrage : dévie une partie du débit de la rivière vers la microcentrale                                                                  Les ouvrages de dérivation : • la prise d’eau prélève le débit nécessaire au fonctionnement. Une grille retient les débris charriés par l’eau ; • le canal de dérivation amène l’eau à la conduite forcée; • la conduite forcée relie la prise d’eau à la turbine ; • le canal de fuite (ou de restitution) ramène l’eau à la rivière.

Principe de fonctionnement L’eau qui traverse l’hélice ou frappe les augets de la turbine la fait tourner. Une fois mise en mouvement, la turbine entraîne un générateur de courant qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. Celle-ci est soit utilisée directement, soit stockée dans des accumulateurs. Un dénivelé de 2m suffit souvent entre la prise d’eau et la turbine. L’eau retourne à la rivière à l’aval de l’installation.

Principe de base d ’une installation hydraulique Puissance mécanique brute : Pm(W)= g(m/s²)  (kg/m3) * Q(m3/s)  h(m) Puissance électrique nette : Pe = g(m/s²)  T  G  Q(m3/s)  h(m) Rendement de la turbine hydraulique : T = 0.85…0.92 Rendement du générateur électrique : G = 0.9…..0.97 Exemple: Centrale de Pierre Blanche H=105 m Q=1600 l/s Pm=9,81 1000 1,6 105 Pm = 1 648 kW T = 0.90 G = 0.96 Pe = 1 424 kW -Turbine FRANCIS, axe horizontal, 750tr/mn, -Génératrice asynchrone à axe horizontal, tension 5000 V aux bornes, -Transformateur : Puissance 2000 kVA tension 500/20 000V

Vitesse de l'eau Choc d'un jet Section d'injection

Classification des centrales La France a développé son potentiel hydraulique avec la réalisation d'installation de " Grande Hydraulique ", qui représente plus de 90 % de la puissance installée, soit 23 500 MW. La Petite Hydraulique dépasse tout juste les 2 000 MW installés.

Centrale de basse chute : h< 30 m pas de possibilité d ’accumulation (au fil de l ’eau). Turbine à réaction à pales orientables (Kaplan). Centrale de chute moyenne : 30 m < h < 300 m accumulation journalière ou hebdomadaire. Turbines à réaction à pales fixes (Francis). Centrale de haute chute : h > 300m accumulation saisonnière. Turbines à action (Pelton).

Les turbines Selon le débit et la hauteur de chute, les turbines proposent des conceptions différentes avec des profils de pales donnant le rendement optimum. Pour les faibles hauteurs d'eau avec des débits importants (barrages sur une rivière), on prendra des turbines à axe vertical de type (Kaplan ou Francis). Pour des chutes de grande hauteur et de faible débit (torrent ou cascade déviés en conduites forcées), on prendra des turbines à axe horizontal de type (Pelton ou Francis).

Les turbines à action Les pressions à l’entrée et à la sortie de la roue sont égales, la turbine est dite à action. Ce sont les turbines Pelton et Crossflow. Ces turbines sont les plus simples d’utilisation et de conception mais également les moins efficaces.                                Turbine Pelton. L'eau est envoyée sous pression par des injecteurs. Turbine adaptéé pour les très grandes chutes à faible débit. 500  n(tr/mn) < 1500.

Turbine Banki-Mitchell (ou Crossflow) Turbine Banki-Mitchell (ou Crossflow). Le fluide agit de façon centripète à l'entrée et de façon centrifuge à la sortie de la turbine. Turbine adaptée pour les hauteurs de chute de 1 à 200 m, et pour les débits de 20 à 10 000 l/s. 50  n(tr/mn) < 2000. Il y a 2 problèmes avec cette turbine: la couronne d'aubage est très fragile La production est inférieure à 1 MW.

Les turbines à réaction Lorsque la pression à l’entrée de la roue est supérieure à la pression de sortie, on parle de turbine à réaction. Ce sont les turbines Kaplan et Francis. Ces turbines sont complexes et ont de bons rendements. Turbine Kaplan. Adaptée pour les faibles chutes jusqu'à 10m en hauteur, et pour les très grands débits de 5000 à 100 000 l/s.

Turbine Francis. Elle est adaptée pour les hauteurs de chute entre 1 et 100 m et pour les débits jusqu'à 30 000 l/s. Vitesse de rotation : entre 250 et 1000 tr/mn.

Les générateurs Le choix du générateur dépend de l'utilisation de l'énergie produite. Pour des problèmes de régulation, on emploie une génératrice synchrone lorsque l'installation est prévue pour de l'auto-consommation, et une génératrice asynchrone quand la centrale est montée en parallèle avec le réseau. Pour limiter les investissements des petites puissances on préfère acheter dans le cas d'une autoconsommation une génératrice asynchrone. La génératrice de courant continu est envisageable uniquement pour des besoins de chauffage et d'éclairage. Une source de courant pour alimenter une maison nécessite l'achat d'un onduleur ou de matériel fonctionnant en courant continu.

Exemples Micro-centrale de Névache Hautes Alpes Micro-centrale d'Aydius Pyrénées-Atlantiques Micro-centrale de Névache Hautes Alpes Débit d’équipement : 1100 l/s Hauteur de chute brute : 301 m Puissance maximum injectée sur le réseau : 2 800 kW Production électrique moyenne : 9.500.000 kWh/an Débit d’équipement : 1600 l/s Hauteur de chute brute : 101 m Puissance maximum injectée sur le réseau : 1 300 kW Production électrique moyenne : 6.600.000 kWh/an                                Turbine PELTON, axe horizontal, 2 injecteurs, 750 tr/mn, 1 alternateur synchrone à axe horizontal,tension 5,5 kV puissance aux bornes 3 MVA, Transformateur : 3,6 MVA, 5,5/20 kV 2 Turbines FRANCIS, axe horizontal,1000 tr/mn, 2 génératrices asynchrones à axe horizontal, puissance aux bornes 740 kV, Transformateur : 1,6 MVA, 500/20 kV

Législation relative aux microcentrales Dépôt du dossier en préfecture Servitudes éventuelles Désignation du commissaire enquêteur Consultation des services -DRIRE -Police des eaux -DDE -DDAF -DDAS -SDIS -DIREN -CSP Fédération départ. de pêche. (Avis 2 mois) Consultation du conseil général Ouverture de l’enquête publique: -10 à 15 j selon la puissance -Affichage (mairie,voisinage et journaux) Avis des conseillers municipaux -8j après l’enquête, le commissaire communique les observations au demandeur. -le demandeur établit un mémoire en réponse dans les 22j Le commissaire adresse au préfet le dossier et ses conclusions dans 15 j Conseil départemental d’Hygiène Arrêté d’autorisation Le projet d’arrêté est porté au demandeur Envoie des plans par le demandeur pour avis Début des travaux Mise en exploitation

Statistiques Production hydroélectricité 2003

Production électrique EnR en 2006

Objectifs de la France pour les EnR   2000 2010 Consommation d’électricité 450 TWh 550 TWh (hyp : croissance de 1-2% par an de la consommation d’électricité) Part de l’énergie renouvelable (21%) 77,4 TWh 115 TWh Hydraulique (grande, petite et pompage) 73,6 TWh 70 TWh Petite hydraulique Env. 5 TWh  

Les tarifs l’arrêté du 25 juin 2001 prévoit des contrats de 20 ans et fixe les tarifs d’achat de l’électricité produite par des installations hydroélectriques. 6,10 c€/kWh puissance max installée 500 kVA. 5,49 c€/kWh puissance max installée  600 kVA. Prime comprise entre 0 et 1,52 c€/kWh en hiver, selon la régularité de la production

Coût de l’installation Les grandes installations. le coût du kWh produit est de l'ordre de 2,2 c€/kWh en moyenne, mais il peut monter jusqu’à 10 c€/kWh pour les pico-centrales (puissance inférieure à 100 kW). centrales Puissances Hauteurs Débits Coût de l’installation Micro 20 kW 5 m 550 l/s 30 000 et 90 000 € Pico 2 kW 100 m 2,5 l/s 5 000 et 15 000 € Il faut rajouter le coût des études environnementales, qui peuvent faire doubler le prix de l'installation.

Avantages : Production d'énergie durant les heures de fortes consommations d'électricité. Pompage durant les heures creuses (reconstituer la réserve d'eau dans le bassin). Démarrage et arrêt des centrales très rapides. Aucune pollution durant la production d'électricité. Haut niveau de rendement des machines (90%). Inconvénients : Modification du débit et du niveau de l'eau. Perturbation de la faune et de la flore. Surcoût lié à la nécessité d'installer des passes à poissons. Risque pour les personnes en aval lié au barrage.

Fin