Etat de l’art sur les centrales hydroélectriques

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Description d’une centrale hydroélectrique

Une centrale hydroélectrique converti l’énergie hydraulique, généralement contenue dans un barrage, en énergie électrique. Une masse d’eau en mouvement possède une énergie hydraulique. Le principe de l’hydroélectricité est de capter et de convertir cette énergie en énergie mécanique puis en énergie électrique: l’eau entraîne la rotation d’une turbine qui, accouplée mécaniquement à un alternateur mis en rotation afin de produire de l’électricité.
Le processus commence à partir de la prise d’eau du barrage. Une quantité d’eau nécessaire au fonctionnement de l’installation y est prélevée. Un canal de dérivation muni de filtre de décantation dirige l’eau vers la conduite forcée. Ce dernier relie la prise d’eau avec la turbine de la centrale dans laquelle l’énergie potentielle obtenue sera transformée en énergie électrique. Avec une certaine régulation, on obtient l’électricité voulue. Des transformateurs élévateurs assureront l’élévation de la tension pour le transport, pour éviter les pertes d’énergie en ligne. Arrivée à destination la tension est rabaissée avant d’être distribué aux différents abonnés grâce au réseau de distribution.
Pour exploiter au mieux les possibilités hydrauliques d’une région, il a été nécessaire d’adapter chaque centrale au site en fonction de sa la hauteur de chute et du débit d’eau, pour définir le type : haute chute, moyenne chute ou au fil de l’eau. L’évaluation de ces caractéristiques doit faire l’objet d’études préalables pour déterminer le projet d’aménagement.

Centrale en haute chute

Un lac artificiel en haute montagne, retenu par un barrage, constitue une réserve d’eau. Cette eau est amenée par une ou plusieurs conduites forcées jusqu’à l’usine souvent éloignée de quelques kilomètres du barrage (figure 5). Les hauteurs de chute varient de 500 à 2000m, mais les débits moyens ne sont que de quelques dizaines de [5].
A l’arrivée, la vitesse de l’eau est très élevée, les turbines adoptées sont de type Pelton (Chapitre 2.3.4). L’axe de l’alternateur, horizontal, dépasse de chaque côté des paliers et aux extrémités, une roue Pelton est calée en porte-à-faux.

Chambre de mise en charge et bâtiment central

La chambre de mise en charge, en amont de la conduite forcée alimente en eau le réservoir après avoir filtré les éléments indésirables qui pourraient nuire au fonctionnement de la turbine. Donc cette chambre est munie de grille fine.
La centrale sera implantée près de la rivière à une hauteur ℎ67 des plus hautes eaux. L’ossature, la fondation et la couverture seront adaptée à l’utilisation. En général on peut trouver : une salle de machine, un local transformateur si nécessaire, un magasin de stockage, une salle de contrôle, une salle d’exploitation pour le personnel éventuel.

Les équipements hydrauliques

Ces équipements guident l’énergie potentielle de l’eau pour le rendre exploitable sous forme d’énergie mécanique. Leurs types ainsi que leurs dimensions sont fonction de la chute brute et du débit nominal exploité. On distingue surtout les organes d’isolement, la turbine et les conduites.

Organe d’isolement et de coupure de débit

Ces organes ont pour fonction d’arrêter ou de diminuer l’alimentation en eau venant de la conduite forcée grâce à l’isolement du canal, ils protègent également les équipements hydroélectriques contre les crues, et enfin fournissent une isolation de la turbine. Cet isolement est donc nécessaire pour :
– pouvoir arrêter le groupe et mettre la turbine hors d’eau pour sa maintenance.
– limiter ou éviter sa marche en survitesse .
– mettre la turbine hors d’eau pour sa maintenance.
On peut trouver différents types de batardeaux et vannes selon la taille, la fonction, l’obstacle employé et le système de commande. Dans les MCH on utilise surtout les vannes papillon et guillotine à actionnement manuel (figure 9) qui sont plus simple et moins chers.

Tunnels et conduite

Ce canal ou une conduite forcée permet l’acheminer en permanence le débit d’équipement du bassin de décantation vers la chambre de mise en charge. On le choisit selon les caractéristiques hydrologique et géographique du lieu d’implantation du MCH.
Quand la centrale se trouve à une certaine distance de la prise d’eau ceux sont les tunnels ou la conduite forcée qui y amène l’eau. Les conduites peuvent être aériennes ou enterrées suivant la morphologie et l’accès à ce site. Les tunnels sont souterrains et creusés par forage, tandis que les canaux sont généralement excavés et suivent les contours du terrain.
Les conduites aériennes sont apparentes, et reposent sur des massifs d’ancrage en béton ou en maçonnerie. Cette disposition présente les inconvénients de nécessiter un grand nombre de massifs d’ancrage à implanter le long de la conduite. On devrait prévoir des moyens de protection contre les risques de rupture en cas d’éboulements ou de déformations dues à la température. Cet aspect est jugé grossier dans certains sites touristiques. L’avantage de cette disposition concerne l’entretien et la visite aisé des conduites.
Quant aux conduites souterraines, elles sont placées dans une tranchée et recouvertes par un remblai. Cette disposition permet d’éviter les inconvénients signalés ci-dessus. Par ailleurs, les conduites forcées ne nécessitent quasiment pas de maintenance. Quant aux matériaux, ils sont sélectionnés selon les conditions de sol, l’accessibilité, le poids, le système de jonction, la hauteur de chute et le coût. Les divers matériaux pouvant convenir sont : l’acier, le polyéthylène, le béton armé, le fer, la fibre de verre, la plastique, ou en bois.

Analyse de la valeur

Pour compléter la démarche classique, l’analyse de la valeur sera utilisée. Cette méthode permet de concevoir un produit ou un projet de telle sorte qu’il assure au mieux la satisfaction du client et la rentabilité du produit [25, 26].
La valeur d’un produit est une grandeur qui croit lorsque la satisfaction du besoin augmente et/ou que le coût du produit diminue. La valeur peut donc être considérée comme le rapport entre l’aptitude aux fonctions divisée par le coût des solutions [26].
En d’autre terme l’AV est une « approche méthodique, organisée, visant à faire assurer à un produit ou un service les fonctions demandées par l’utilisateur, avec le niveau de qualité recherché, au moindre coût ».
Dans notre cas, cette méthode sera utilisée dans le but de concevoir un MCH suivant l’état de l’art pour satisfaire tous les acteurs du projet : la population bénéficiaire, le maître d’ouvrage.
L’analyse de la valeur est pratiquée au sein du groupe de travail représentatif des principaux métiers concernés, par :
– la prise en compte des besoins qu’il y a lieu de satisfaire et des fonctions qui les traduisent .
– la mise en œuvre du savoir-faire et des ressources mobilisables, afin d’obtenir la définition optimale de la fourniture et de ses modes de réalisation.
L’analyse de la valeur vérifie la correspondance des besoins réels avec les fonctions créées par le projet. Elle intègre :
– une conception partant du besoin du marché .
– une recherche exhaustive des fonctions à assurer .
– une recherche logique et complète des solutions.
La norme NFX 50-152 propose 7 phases dans le plan de travail illustrées par la figure suivante [25, 26], dans le but de guider la progression du projet dans le temps.

Orientation et recherche d’information

Ces premières phases constituent une préparation du projet. Elles découlent d’une réunion définissant le projet d’une façon sommaire. Elles consistent à :
– orienter l’action en donnant une définition initiale des besoins, des contraintes par rapport aux moyens accordés. Ainsi les hypothèses initiaux seront déterminer : la zone à électrifier, le type d’abonnée et leurs pouvoirs d’achat, la densité de la population, l’environnement socio-culturel de la région, les exigences, les interdits formels et le type de production attendu.
– définir les ressources : matérielles, financières et humaines à allouer durant la vie du projet.
– définir la situation socio-économique de la région et la demande en énergie.
Ces orientations définiront le tableau de bord qui permettra au chef de programme de définir une base et suivre l’évolution du projet. Des outils d’organisation comme le tableau RACI, la rosace, le WBS et le PERT [Annexe 3], sont développés pour faciliter la gestion du projet.

Etude socio-économique de l’énergie

Cette étude dresse une évaluation du type de consommateur d’énergie et son évolution dans le temps. Il s’avère important de définir les besoins en consommation d’énergie, de chaque foyer, de chaque quartier afin de mieux apprécier les véritables besoins en électricité pour la prévision de la centrale à installer. Le modèle équivalent nécessitera les données suivantes:
– l’évaluation du nombre d’abonnés à l’année N noté 8( ) .
– la définition de l’ensemble de la zone à raccorder donc tous les infrastructures à raccorder tels que les ménages, les bâtiments administratifs, les éclairages publics .
– la situation administrative : nombre d’habitant .
– la prévision de la croissance démographique définie par le taux de croissance .
– la potentialité de développement économique : capacité à payer .

Recherche de solutions et évaluations

Cette quatrième étape de l’analyse de la valeur consiste à rechercher un maximum d’idées. Effectuer fonction par fonction, elle évite toute censure, toute sélection prématurée. On utilisera les techniques de créativité issues des différents modèles : emplacement, type de technologie, matière première de conception, forme, dimensions. Il convient également d’examiner les solutions qui ont été proposées dans d’autres domaines pour des problèmes analogues.
Cette recherche proprement dite est suivie d’un premier tri par des critères adaptés notamment l’impact environnemental, risques, coûts, délais, faisabilité, maintenabilité. Dans une ingénierie de projet de MCH, cette phase compare les différentes zones favorables pour une installation de micro ou mini centrale, par rapport aux études cartographiques, géologiques avec ses zones d’emprunts (sables, gravier), des matériaux de construction. Elle est jugée en fonction des matériaux connus, des principales caractéristiques du projet (capacité installée, type d’aménagement), de l’estimation des coûts et de l’identification des incidences environnementales possibles.
(1) Un limnimètre ou station limnimétrique est un équipement qui permet l’enregistrement et la transmission de la mesure de la hauteur d’eau (en un point donné) dans un cours d’eau. Les hauteurs sont souvent exprimées soit en mètres, soit en centimètres.
Le but est de tirer quelques solutions et d’éliminer celles présentant des inconvénients importants et évidents, de retenir celles où les avantages sont les plus marqués et où les technologies employées sont les plus sûres.

Bilan prévisionnel et décision de choix

La décision finale consiste à optimiser les projets retenus par:
– une analyse de fondation, avec une détermination des résistances nominales et maximales aux séismes .
– une conception suffisamment détaillée de toutes les structures pour connaître les quantités de tous les composants .
– une délimitation et la mise à l’essai de toutes les zones d’emprunt.
– une simulation des niveaux possibles de crue avec une conception de dérivation en cas d’inondation ou dans le cas d’assèchement.
– une détermination du potentiel hydroélectrique pour diverses hauteurs de barrage et les capacités installées en vue d’optimiser le projet .
– une optimisation du projet considérant le délai d’exécution des travaux et l’estimation des coûts du projet.
– une évaluation économique et financière du projet incluant la détermination du niveau d’investissement .
– une évaluation de l’impact environnementale du projet ainsi qu’un rapport détaillé sur la faisabilité du avec obtention des permissions et permis nécessaires des services des eaux compétents, des administrations locales ou régionales et de la protection de l’environnement.

Suivi de la réalisation

La réalisation est du ressort de l’entreprise qui en est chargées. Elle est effectuée sur instruction du décideur. La phase du plan de travail associée consiste au seul suivi de la réalisation. Cette étape d’ingénierie est effectuée avec le plan définitif du projet, et vise son exécution proprement dit. Le mode d’exploitation est précisé et suivi des plans et devis, des appels d’offres, de l’analyse des soumissions, du plan détaillé du projet enfin des paramètres électriques : charges, raccordements, coopération avec le réseau.

Energie renouvelable disponible

On calcul cette énergie par méthode numérique et utilise les courbes précédentes. L’énergie renouvelable évaluée en %#$ &, est la surface délimitée par la courbe de puissances classées et l’axe des abscisses. On peut rapprocher sa valeur par la méthode des trapèzes [Partie II I.3], d’où la formule : EQR< > EQ dMnF¤  » N O S . . 876091 A PM…: (2.26).
2 QU< PM… : pertes annuelles évaluées en %.

Modèles des équipements hydrauliques

L’abaque défini par la figure 23 permet de trouver le type de turbine adapté à un site d’implantation. Elle est fonction de la chute nette en ordonnée et du débit en abscisse. Quant aux dimensionnements caractéristiques le tableau 8 défini les dimensions des turbines suivant les caractéristiques du site ci-dessus. Chaque type a ses paramètres spécifiques mais les dimensions communs sont : les vitesses spécifiques, le diamètre de la roue et la largeur de la roue.

Modèle mécanique

Les équipements électromécaniques sont les organes intermédiaires entre les équipements hydrauliques et ceux électriques. En général, ils se comportent comme un multiplicateur de vitesse par un facteur k. Le modèle mécanique est défini par la vitesse d’entrée, la vitesse de sortie et par la puissance mécanique.

Accouplement direct

Ce système permet l’accouplement direct entre les arbres de la turbine et du générateur. Il est réalisé lorsque la vitesse de la turbine permet d’avoir directement une vitesse normalisée au niveau générateur : 1000 ou 1500tr/mn.
Dans ce cas, la turbine et le générateur sont placés de sorte que leurs arbres soient alignés. Les constructeurs de turbine proposent soit un accouplement rigide, soit un accouplement élastique, permettant de corriger les désalignements possibles [5]. Cette solution permet entre autre d’éviter les pertes mécaniques dues au multiplicateur et de réduire la maintenance en évitant un organe de transmission. On utilise ce type d’accouplement pour les turbines à vitesse élevé comme les Pelton. Ici les vitesses sont liées par la formule : = — (2.74)

Multiplicateur de vitesse

Les multiplicateurs de vitesse sont utilisés lorsque la vitesse de la turbine et celle de l’alternateur sont différentes et que l’on veut délivrer un courant alternatif de fréquence : 50Hz. On les utilise surtout dans les aménagements à basse chute ou de petite puissance. Dans ce cas, = #.— (2.75) si # < 1 : réducteur de vitesse si # > 1 : multiplicateur de vitesse.

Table des matières

Partie 1: Partie introductive
Chapitre 1: Situation énergétique à Madagascar
1.1. Situation énergétique à Madagascar
1.2. Ressources exploitées et exploitables à Madagascar
1.3. Grand axe de la politique énergétique
Chapitre 2: Etat de l’art sur les centrales hydroélectriques
2.1. Description d’une centrale hydroélectrique
2.1.1. Centrale en haute chute
2.1.2. Centrale en chute moyenne
2.1.3. Centrale en basse chute ou au fil de l’eau
2.2. Ouvrages en génie civil
2.3. Les équipements hydrauliques
2.3.1. Organe d’isolement et de coupure de débit
2.3.2. Tunnels et conduite
2.3.3. Turbine
2.4. Classification des centrales hydroélectriques utilisées
Partie 2: Méthodologie
Chapitre 3: Ingénierie de projet suivant la méthode de l’analyse de la valeur
3.1. Généralités
3.1.1. Démarche classique d’ingénierie de projet
3.1.2. Analyse de la valeur
3.2. Etapes du projet
3.2.1. Orientation et recherche d’information
3.2.2. Recherche de solutions et évaluations
3.2.3. Bilan prévisionnel et décision de choix
3.2.4. Suivi de la réalisation
Chapitre 4: Modélisation du système
4.1. Modèles relatifs au site d’implantation
4.1.1. Modèle topographique et cartographique
4.1.2. Modèle géotechnique
4.1.3. Modèle hydrologique
4.2. Modèles relatifs aux équipements
4.2.1. Modèle hydraulique et bilan énergétique
4.2.2. Puissance classée
4.2.3. Changements de caractéristiques
4.2.4. Modèles des équipements hydrauliques
4.2.5. Modèle « ouvrages génie civil »
4.2.6. Modèle mécanique
4.2.7. Modèles électriques
Chapitre 5: Etudes économiques
5.1. Etude financière
5.1.1. Plan de financement du projet
5.1.2. Compte de résultat prévisionnel du projet
5.1.3. Compte de trésorerie prévisionnel du projet
5.1.4. Calcul des variables financières
5.2. Critères de choix d’un projet
5.3. Modèle financier
Partie 3: Applications et résultats
6.1. Etude de cas
6.1.1. Fiche technique du projet
6.1.2. Dimensionnement des ouvrages
6.1.3. Plan de financement
6.1.4. Compte de résultat
6.1.5. Compte de trésorerie
6.1.1. Etude financière
6.2. Outils d’organisation de projet
6.2.1. Rosace
6.2.2. WBS
6.2.3. Diagramme de responsabilité RACI
6.2.1. Diagramme de GANTT
6.3. Synthèses des résultats techniques
6.3.1. Données générales
6.3.2. Caractéristiques des ouvrages
6.3.3. Hydrologie
6.3.4. Structure hydraulique
6.3.5. Equipements électriques
6.3.6. Rentabilité du projet
6.4. Discussions
Partie 4: Etude environnementale
1. L’étude d’impact environnemental
2. Analyse des impacts sur le milieu physique
2.1. Pollution atmosphérique
2.2. Hydrologie et physico-chimique des eaux
2.3. Hydrogéologie et géomorphologie
2.4. Patrimoine culturel et cadre de vie
2.5. L’impact économique et social
2.6. Impact humain
2.7. Impacts des obstacles sur la faune piscicole
3. Mesures réductrices ou compensatoires sur le milieu physique
3.1. Passe à poisson
3.2. L’appréciation du débit réservé
3.3. Le bruit
Conclusion et perspectives
Bibliographie

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