Différentes composantes d’une centrale hydroélectrique

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Grandeurs caractéristiques d’une centrale hydroélectrique

Débit

Le débit volumique de l’écoulement est l’un des paramètres le plus important pour l’hydroélectricité [9].

Débits instantanés et débits classés

La connaissance de la quantité d’eau disponible pour l’exploitation d’une centrale hydroélectrique est primordiale. Elle s’obtient par la mesure des débits instantanés. En général, une mesure par jour pendant au moins une année.

Le réarrangement de ces mesures par ordre décroissant, donne la courbe des débits classés. L’aire sous les courbes de débit instantané et débit classé est identique et représente la quantité totale d’eau s’écoulant dans le cours d’eau.

La courbe des débits classés montre le nombre de jours pendant lequel un débit donné est atteint ou dépassé sur une année.

Débits caractéristiques

Le débit de restitution Qrest

Nous l’appelons aussi débit résiduel minimal. C’est le débit qui doit être maintenu dans le tronçon du cours d’eau entre la prise d’eau et l’usine.

Le débit d’équipement Qeq

C’est le débit maximum susceptible d’être turbiné par la centrale, c’est-à-dire le débit maximum absorbé par toutes les turbines lorsque celles-ci fonctionnent ensemble à pleine puissance.

Hauteur de la chute

Chute brute Hb

La chute est donnée par la différence d’altitude entre les niveaux d’eau à la prise d’eau et à l’aval de la centrale. C’est une donnée topographique mesurée sur le terrain ou sur la carte [7].

Tout au long du trajet de l’eau en amont de la turbine, l’énergie totale, mesurée par rapport au plan d’eau en aval, se décompose comme suit: = + + 2 + ∑ (I-1) ⍴ 2

Où

Hb : chute brute ou énergie totale, en [m] ;

z : hauteur (énergie potentielle), en [m] ;

p/ρg : hauteur de pression, en [m]. (p est la pression relative, sur- ou sous pression, mesurée par rapport à la pression atmosphérique) ;

V2/2g : hauteur de vitesse (énergie cinétique), en [m] ;

g : accélération due à la pesanteur =9,81 [m/s2] ;

ρ : masse volumique de l’eau = 1000 [kg/m3] ;

ΣHL : pertes de charge, en [m].

Les pertes de charge

Les pertes de charge sont calculées en fonction de la géométrie des ouvrages et des matériaux utilisés. Elles varient avec le débit turbiné.

Elles sont de deux types :

– les pertes locales ou singulières ;

– les pertes réparties ou linéaires.

Les pertes locales ou singulières HLS

Ce sont les pertes liées aux singularités géométriques des aménagements, telles que : les entrées, les sorties, les grilles, les rétrécissements, les élargissements, les coudes, et les bifurcations. Elles varient avec le carré de la vitesse et dépendent de la géométrie de la singularité. = . (I-2)

Avec

HLS : pertes singulières, en [m] ;

K : coefficient de pertes de charge, sans unité, dépend du type de singularité et de sa géométrie ;

V : vitesse de l’écoulement, en [m/ s], à l’amont de la singularité ;

g : accélération due à la pesanteur, en [m/ s2].

Les pertes réparties ou linéaires HLF

Ce sont les pertes par frottement entre l’eau et les parois. Elles ont lieu dans les canaux, conduites d’amenée d’eau et conduites forcées. Elles varient avec le carré de la vitesse et dépendent de la géométrie de la section, de la longueur de la conduite ainsi que du matériau formant les parois.

Ouvrages de génie civil

Barrage de déviation

Cet ouvrage de prise a pour rôle de diriger l’eau dans un canal, un tunnel, une conduite forcée ou une entrée de turbine. Il est construit en enrochement, en gabion, en terre, en maçonnerie ou en béton. Aussi, Il peut accroître la hauteur de la chute ou crée une réserve d’énergie malléable sur une courte durée. Nous dérivons la quantité d’eau nécessaire pour que la turbine reçoive le débit d’eau requis pour son fonctionnement.

Canal d’amenée

Le canal d’amenée, qui peut être en terre ou bétonné, a pour rôle d’amener l’eau à l’endroit où elle est utilisée, mais sans la mettre sous pression, c’est la différence essentielle entre une conduite forcée et un canal. Il peut être à ciel ouvert ou dans une canalisation. Le canal est muni d’une grille, qui retient les corps solides charriés par le cours d’eau.

Vannes

Dans une installation hydroélectrique, il peut y avoir beaucoup de vannes posées depuis l’ouvrage de retenu, le long de tout le parcours jusqu’à l’avant de l’entrée du turbine. Une vanne permet de faire entrer l’eau dans une conduite forcée, dans un canal ou directement dans la turbine, selon le type de centrale. Il est nécessaire de disposer de vannes adaptées à différentes installations :
– protection contre les crues ;
– isolation du canal ou d’un circuit ;
– isolation de la turbine.

Chambre de mise en charge

Une chambre de mise en charge est nécessaire si le canal d’amenée est à écoulement libre. Mais s’il s’agit d’une conduite en charge, dans ce cas la chambre de mise en charge est remplacée par une cheminée d’équilibre.

Conduite forcée

Les conduites forcées amènent l’eau sous pression jusqu’à la turbine. Ce sont un assemblage de tuyaux fixés ou enterrés, généralement en acier ou en polyéthylène. Les pertes de charges dans cette conduite sont liées à la vitesse d’écoulement de l’eau, à la rugosité de la conduite, à sa longueur et à son diamètre.

Grilles, dégrilleurs, dessableurs

La grille sert à protéger la turbine contre les corps charriés par la rivière ou des débris qui pourraient l’endommager ; le nettoyage peut se faire manuellement ou par l’intermédiaire d’un dégrilleur de conception simple. Un dessableur permet aux particules fines de se déposer avant l’entrée dans l’installation.

Centrale

La centrale est un bâtiment qui contient un ou plusieurs turbines et la plupart des équipements sont mécaniques et électriques. La centrale est construite en béton et en d’autres matériaux locaux. Afin de limiter les coûts, nous avons mis l’accent sur une conception simple, pratique et facile de construction et d’entretien. Le bâtiment abrite toutes les installations de production et les tableaux de commande qui peuvent être contrôlés sur place ou pilotés à distance.

Equipement de production

Turbine

Généralité

La puissance hydraulique doit être transformée en puissance mécanique qui sera utilisée directement (moulins, pompes, etc.) ou sera à son tour transformée en puissance électrique. Le passage de puissance hydraulique à la puissance mécanique se fait grâce à une turbine qui est mise en rotation par le flux de l’eau [9]. Il existe quatre types principaux de turbines : Pelton, Kaplan, Francis, banki.

Standardisation

La standardisation est la transformation d’un facteur en une variable centrée et réduite.

Généralités sur l’analyse de sensibilité

Objectifs

L’objectif principal de l’analyse de sensibilité pour un modèle à plusieurs variables est de connaître l’effet des variables d’entrées sur les variables de sorties. L’analyse de sensibilité est donc un outil mathématique qui permet de :
– identifier un jeu de paramètres importants pouvant servir au calibrage d’un modèle ;
– juger la qualité d’un modèle en essayant de repérer les fausses hypothèses posées lors de l’interprétation des phénomènes ;
– identifier parmi plusieurs modèles celui ou ceux qui décrivent mieux un système réel donné ;
– étudier l’influence des paramètres sur le modèle : connaître les paramètres influents ; les paramètres non influents et les paramètres qui interagissent entre eux ; et
– réduire un modèle.

Catégories d’analyse de sensibilité

Pour effectuer l’analyse de sensibilité d’un modèle mathématique, il existe différentes méthodes, les unes plus complexes que d’autres. Les trois principales utilisées sont : l’analyse de sensibilité locale ou “ Local Sensivity Analysis ” (LSA), l’analyse de sensibilité globale ou
“ Global Sensivity Analysis ” (GSA) et la méthode de criblage ou « Screening Designs (SD) ». Ces méthodes vont être passées en revue brièvement dans le cadre de notre étude [13], [16].

La méthode LSA

L’analyse de sensibilité locale s’attache à déterminer l’impact local des facteurs d’entrée sur le modèle. Elle repose sur le principe consistant à calculer les dérivées partielles des fonctions de sortie par rapport aux variables d’entrée.
Ces calculs se font numériquement en faisant varier les entrées du modèle dans un intervalle très restreint autour d’une valeur nominale. L’avantage de cette méthode est la simplicité et la rapidité. Par contre il s’avère insuffisant pour caractériser la sensibilité de modèles complexes. De plus, l’étude se fait en un point particulier mais pas dans un intervalle de variation.

La méthode GSA

L’analyse de sensibilité globale est une méthode quantitative basée sur l’estimation de la contribution de chaque paramètre d’entrée d’un modèle à la variance observée dans les sorties ; elle étudie aussi l’interaction entre ces différentes variables d’entrée [14].
Trois techniques principales sont largement utilisées : Monte Carlo (MC), “ Response Surface Methodology ” (RSM) et FAST. L’avantage de ces techniques est l’exploration totale de l’espace de paramètre et en plus cette méthode est indépendante de la nature du modèle. Par contre, le coût en temps de calcul est élevé.

La méthode de criblage ou SD

La méthode de criblage est la méthode la plus simple pour effectuer une analyse de sensibilité. Son but est d’isoler les facteurs les plus importants parmi tant d’autres pouvant affecter une sortie particulière d’un modèle donné.
Elle est très efficace quand le modèle à analyser a un nombre considérable de paramètres d’entrée. Trois types de technique peuvent être utilisés pour effectuer une analyse de sensibilité par cette méthode : le “ One-Factor-At-A-Time ”, le “ Factorial Experimentation ” et l “ Fractional Factorial Experiment ”.

L’indice de sensibilité

Les indices de sensibilité sont les différents indicateurs d’importance d’un facteur sur la sortie d’un modèle. La représentation polynomiale d’un modèle est comme suit : = ∑ =1 + ∑ =1 ∑ =1 + ⋯ (II-2)
avec : y et x sont les variables standardisées ;
βi est le coefficient de régression du 1er ordre ;
βij est le coefficient de régression du 2ème ordre ;
Ces indices de sensibilité reposent sur le concept de la variance.

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Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I : NOTIONS GÉNÉRALES SUR LES CENTRALES HYDROÉLECTRIQUES
I- Hydroélectricité
1) Définition d’une centrale hydroélectrique
2) Cycle de l’eau
3) Classification des centrales hydroélectriques
4) Type de centrales hydroélectriques
II- Grandeurs caractéristiques d’une centrale hydroélectrique
1) Débit
2) Hauteur de la chute
3) Puissance hydraulique
III- Différentes composantes d’une centrale hydroélectrique
1) Ouvrages de génie civil
2) Equipement de production
3) Ouvrages de restitution
CHAPITRE II : L’ANALYSE DE SENSIBILITE
I- Définitions
1) Analyse de sensibilité
2) Modèle
3) Variables d’entrée et sortie
4) Simulation
5) Echantillonnage
6) Normalisation
7) Standardisation
II- Généralités sur l’analyse de sensibilité
1) Objectifs
2) Catégories d’analyse de sensibilité
3) L’indice de sensibilité
III- Les méthodes d’analyse de sensibilité
1) Méthode de Morris
2) Méthode de Sobol
3) Méthode FAST
4) La méthode EFAST (Extend Fourier amplitude Sensitivity Test)
CHAPITRE III : APPLICATION DE L’ANALYSE DE SENSIBILITE SUR UNE CENTRALE HYDROELECTRIQUE ET OPTIMISATION DU MODELE
I- Modélisation de la puissance hydraulique
1) Perte de charge
2) Présentation de la modèle
3) Caractéristique de chaque paramètre
I- Simulation et identification des paramètres influents par la méthode FAST
1) Normalisation
2) Choix des fréquences
3) Résultat et interprétation de la méthode FAST
II- Optimisation du modèle
1) Détermination de la hauteur brute de la chute
2) Optimisation du diamètre intérieur de la conduite forcée
CHAPITRE IV : DIMENSIONNEMENT D’UNE CENTRALE HYDROELECTRIQUE
I- Dimensionnement des ouvrages d’amenée et de mise en charge
1) Dimensionnement de la conduite forcée
2) Dimensionnement du canal d’amenée
3) Dimensionnement de la chambre de mise en charge
II- Choix du type d’une turbine
III- Application sur le site d’Amboasary
1) Description du site
2) Caractéristiques
3) Dimensionnement des ouvrages de génie civil
4) Calcul des pertes de charge
5) Choix des turbines
6) Puissance électrique obtenue
7) Interprétation des résultats obtenus
8) Rendement de l’aménagement
IV- Validation de notre étude sur le site hydroélectrique de Tolongoina
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIES
WEBOGRAPHIES