Etude de la chaine de conversion Hydraulique

L’organisation générale Pico et micro centrales Les turbines Les génératrices

Retenue, prise d’eau, Débit réservé, échelle à poisson Turbine et générateur Canal d’amenée, Dégrilleur, dessabler, trop plein Chambre de prise en charge, anti coup de bélier Conduite forcée Réseau de distribution

Bâtiment de la centrale Canal de dérivation Prise d’eau Retenue Echelle à poisson Débit réservé Canal de fuite

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 électrique 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.

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 adoptentt 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 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.

Hauteur de chute: 200 - 2000 mètres Turbine Pelton(1880) Hauteur de chute: 200 - 2000 mètres Débit 4 - 15 m3/s

Hauteur de chute: 200 - 2000 mètres Turbine Pelton(1880) Ce type de turbine convient particulièrement bien aux applications haute chute à débit variable, son rendement étant peu sensible à sa variation. Les petites turbines Pelton peuvent atteindre un rendement mécanique à l'accouplement de 90%. Hauteur de chute: 200 - 2000 mètres Débit 4 - 15 m3/s

Turbine Pelton(1880)

Turbine Francis (1868) Hauteur  de chute: 10 - 700 m Débit 4 - 55 m3/s

Turbine Francis (1868) C’est une machine à réaction. Sa roue est immergée et elle exploite aussi bien la vitesse de l'eau, qu'une différence de pression. Elle se rencontre régulièrement dans les vieux aménagements basse chute (moins de 10 m) où elles sont généralement à chambre d'eau, c'est à dire sans bâche spirale. Leurs vitesses de rotation étant très lentes et leur adaptabilité aux variations de débit étant relativement mauvaise, elles ont été remplacées par les petites Kaplan, arrivées sur le marché dans les années 1930-1940. Actuellement, le domaine d'utilisation des Francis est idéalement situé entre 20 et 100 m. Pour des chutes supérieures à 60 m, elles sont préférées aux Pelton lorsque le débit est important. Le rendement mécanique des petites Francis issues de développements en laboratoire est de l'ordre de 92%

Turbine Francis (1868)

Turbine Kaplan (1912) Hauteur  de chute: 0 - 30 mètres    Débit 1 - 350 m3/s

Turbine Kaplan (1868) Les turbines axiales regroupent les Kaplan, les bulbes et les hélices (turbines à réaction). La turbine Kaplan est une turbine hélice à pales mobiles. Cela permet un meilleur fonctionnement de la turbine sur une plus grande gamme de débits.  De multiples possibilités d'installations existent en fonction de l'aménagement  ces machines sont peu sensibles aux variations de débit. Leur niveau de rendement mécanique est de l'ordre de 92 % en petite hydraulique

Turbine Banki (1903)

Turbine Banki (1903) 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.

a Hélice b Turbine Francis c Turbine Kaplan  d Turbine Pelton

Pelton Francis Turgo Banki Kaplan

[W]= [m/s²]  [kg/m3]  [m3/s]  [m] Puissance mécanique brute : Pm= g    Q  H [W]= [m/s²]  [kg/m3]  [m3/s]  [m] g accélération de la pesanteur  masse volumique Q Débit H hauteur de chute Puissance électrique nette : Pe = Pm  T  G Rendement de la turbine hydraulique : T = 0.85…0.92 Rendement du générateur électrique : G = 0.9…..0.97

Vitesse de l'eau F=Q(V-v) Choc d'un jet Q=SV  S= Q/V V vitesse de l’eau [m/s] g accélération de la pesanteur 9,81[m/s2] H Dénivelé [m] F=Q(V-v) [N]=[kg/m3])[m3/s][m/s] V vitesse de l’eau v vitesse de recul Choc d'un jet Q=SV  S= Q/V [m2]= [m3/s]/[m/s] V vitesse de l’eau Section d'injection

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

Depuis les années 1970 : groupes réversibles Turbines Francis pour les grandes hauteurs : Turbines multi-étages : Francis + Pelton (en turbinage)

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.