GENERALITE SUR LES MICROCENTRALES HYDRAULIQUES

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LES DIFFÉRENTS TYPES DES MICROCENTRALES HYDRAULIQUES

L’installation hydraulique exploite l’énergie cinétique (liée à la vitesse) et l’énergie potentielle (liée au poids) d’une masse d’eau qui s’écoule entre deux points d’altitude différente.
La puissance mise à la disposition de l’installation est proportionnelle à cette dénivellation, appelée hauteur de chute, et au débit prélevé dans le cours d’eau : plus la hauteur de chute est faible, plus le débit utilisé devra être important pour obtenir une puissance donnée.
Le moteur hydraulique, qui permet de convertir l’énergie de l’eau en énergie mécanique, est le coeur de tout aménagement hydraulique. L’énergie mécanique ainsi obtenue est directement utilisée pour l’entraînement de machines (meules, scies, métiers à tisser,…) tandis que dans une centrale électrique, elle est convertie en énergie électrique par une génératrice.
En fonction de la hauteur de chute, on distingue les aménagements suivants :
– De haute chute, de hauteur supérieure à 100[m]
– De moyenne chute, de hauteur comprise entre 15 et 100 [m]
– De basse chute, de hauteur inférieure à 15 [m]
Les limites indiquées ci-dessus sont celles données par l’ADEME (Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie). Elles n’ont rien d’absolu et peuvent différer d’un organisme ou d’un pays à l’autre.

LES MICROCENTRALES HYDRAULIQUES A HAUTE CHUTE

Mode de fonctionnement

Il s’agit de capter la force motrice de l’eau pour produire de l’électricité. L’eau accumulée dans les barrages ou dérivée par les prises d’eau est envoyée sur les aubes d’une turbine. Cette dernière entraîne un alternateur qui transforme l’énergie mécanique délivrée par la turbine, en énergie électrique. Le barrage sert à constituer une réserve d’eau. La centrale est souvent en contrebas du barrage, soit plus près ou soit plus éloignée. Dans ce cas, l’eau est conduite vers l’usine par un canal d’évacuation ou par une galerie creusée dans la montagne. L’extrémité aval est appelée la conduite forcée : c’est un gros tuyau qui descend de la vallée. La puissance de l’eau, qui fait tourner la turbine, dépend du débit d’eau et de la hauteur de la chute.
Ces roues hydrauliques sont adaptées à des chutes de 20 à 180 mètres et des débits de 0.5 à 100 litres par seconde. Ces turbines sont réalisées avec des aubes en acier inoxydable et obtenues par micro-fusion.
Les roues sont directement emboîtées dans les arbres des générateurs, afin d’améliorer les conditions globales de rendement. Toutes les parties en mécaniques sont fabriquées en acier inoxydable. De plus, des traitements anticorrosion soignés et des traitements thermiques aussi sont effectués sur toutes les surfaces.
La puissance électrique maximale disponible dépend de la hauteur de la chute et du débit d’eau. En fonction de l’emplacement et de la géographie du lieu où l’on veut faire le projet, le même principe peut varier les différentes modes de manière à obtenir un bon rendement venant de la microcentrale hydraulique.
Voici quelques types d’installations des microcentrales hydrauliques à haute chute:

Microcentrale de 30 [KW] installée en 1997 à PANGUM-NEPAL (AC4-75)

– Hauteur de chute 140 [m], débit 47 litres par seconde
– Réalisation ENERGIES NOUVELLES ENTREPRISES juin 1997
– Cette machine alimente en électricité le village de Pangum.
C’est au total une quarantaine d’habitations. L’installation se résume à un véritable réseau de distribution dont la longueur atteint plus de 2 [km]. Une distribution moyenne tension 1000 [v] a été requise, avec trois postes de transformations.

Microcentrale hydraulique DC2

– Puissance débitée : 80 [w], CC 24 [V]
– Batteries stationnaires 130 [Ah]
– Appareils installés 24 [V]
– Réfrigérateur
– Télévision
– Chute effective : 35 [m]
– Débit : 0.5 [L/s]

Microcentrale hydraulique SERIE DC 

– Puissance débitée : 80 [w], CC 24 [V]
– Batterie stationnaire : 370 [Ah]
– Convertisseur PSIN 24/220 400 [VA]
– Appareils installés : 24 [V] CC
– Eclairage et TVC 220 [V]
– Circulateur chauffage central
– Petits outils électriques
– Ferme de Pescina, Commune de Vaglia
– Chute effective : 6.5 [m]
– Débit : 4 [L/s]

Microcentrale AC 2

– Puissance débitée : 1.8 [KW] CA monophasé
– 220 [V] 50 [Hz]
– Appareils installés 220 [V]
– Eclairage
– Chauffe-eau
– Trayeuse
– Réfrigérateur
– Commune de LIVIGNO
– Chute effective : 60 [m]
– Débit : 5.5 [L/s]

Microcentrale AC4-38

– Puissance débitée : 3.5 [KW] CA monophasé
– 220 [V] 50 [Hz]
– Appareils installés 220 [V]
– Lampes éclairage
– Réfrigérateur
– Chauffe-eau
– Petits appareils électroménagers
– Restaurant la Pineta, Lorenzago
– Chute effective : 142 [m]
– Débit : 3.8 [L/s]

Microcentrale AC4-75

– Puissance débitée : 30 [KW] CA triphasé
– 220-380 [V], 50 [Hz]
– Appareils installés 220 [V]
– Lampes éclairages (plus de 400)
– Réfrigérateur
– 8 Chauffes eaux
– Petits appareils électroménagers
– Village de PANGUM-NEPAL
– Chute effective : 142 [m]
– Débit : 45 [L/s]

LES MICROCENTRALES HYDRAULIQUES A MOYNNE CHUTE

L’installation d’une microcentrale nécessite une dérivation de la rivière (canal d’amenée et de fuite), ainsi qu’une espace suffisant pour les accès, l’installation du bâtiment et du dégrilleur.
Ces contraintes d’espace sont prépondérantes, et de plus, le canal d’amenée doit être construit le plus court possible, pour limiter les pertes de charges qui lui sont associées.
Selon la configuration des lieux, la construction d’une microcentrale dans un site isolé du barrage pourrait être très chère et abaisser sa productivité.
Une certaine compacité du complexe barrage-centrale peut être obtenue, si la construction du barrage. Aussi l’ajout d’une microcentrale sur un site existant sans modifier le barrage peut s’avérer très délicat.
En revanche, lors de la modification du barrage, ou de sa reconstruction, l’espace nécessaire peut être dégagé en modifiant :
– Le profil de la rivière (élargissement local),
– Le rapport hauteur/largeur du débouché du barrage (réduction de la largeur et augmentation de la hauteur), ce qui est rendu possible par l’emploi des nouvelles bouchures qui sont moins limitées en hauteur que les anciens dispositifs (aiguilles, hausses). Il est aussi possible de tirer parti de la configuration courante qui voit le barrage et l’écluse séparés par une île. Dans le cas du barrage des quatre cheminées, le canal d’amenée est très réduit et prend son origine dans la dérivation menant à l’écluse. De même, le canal de fuite est réduit, se déversant idéalement sur l’aval radié protégé du barrage.

LES MICROCENTRALES HYDRAULIQUES A BASSE CHUTE

Mode de fonctionnement :

Dès l’ouverture de la vanne, l’eau entre dans la conduite. Elle entraîne la turbine.
Cette dernière fait tourner l’alternateur ou la génératrice en produisant ainsi le courant électrique identique à celui du réseau. Un système de régulation permet d’adapter la turbine aux conditions de débit. L’arrêt de l’installation se fait manuellement ou automatique.
Les débits nécessaires pour le fonctionnement de ces machines sont de l’ordre de 250 à 500 [L/s] au minimum. Donc on a besoin beaucoup d’eaux. La hauteur de chute se mesure entre le niveau de l’eau en amont (surface de l’eau dans le barrage) et celui en aval.
Ce type de microcentrale s’adapte bien à la majorité des sites, chambres d’eau, barrages, vannages, en ne demandant que des travaux de génie civil simplifiés. La hauteur de chute Varie de 1.8 à 5 mètres et d’un débit de 150 à 4000 litres par seconde. La puissance obtenue aussi varie de 5 à 100 *KVA+. C’est un système idéal d’électrification des sites isolés.

Types d’installations des microcentrales hydrauliques :

On peut réaliser de manières différentes cette installation de ce type de microcentrale hydraulique. Voici donc quelques types d’installations :
 Les centrales de lac :
Elles constituent les centrales sur retenues d’eau les plus importantes créées par un barrage. L’eau, captée dans les bassins versants en amont de la retenue puis stockée derrière le barrage, est acheminée jusqu’aux turbines de la centrale situées en contrebas, avec un dénivelé important. Avec un remplissage saisonnier du stockage (torrents, fonte des neiges et des glaciers ou saison des pluies), ces sites présentent des hauteurs de chutes importantes : de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de mètres.
Les centrales hydroélectriques de lac sont capables de fournir en quelques minutes d’importantes quantités d’énergie. Souples et faciles à télécommander, elles servent d’ajustement pour répondre à la demande électrique de pointe (matin et soir en période de grand froid), ou pour faire face aux incidents du réseau électrique.
Atout majeur pour l’équilibrage de l’offre et de la demande.
Figure 5 : Schéma de coupe du barrage et du déversoir.
 Les centrales au fil de l’eau :
Centrales sans réservoir régulateur de stockage, elles fournissent une énergie de base non modulable, produite au «fil de l’eau». Principalement installées dans les zones de plaines avec remplissage quotidien par des apports réguliers, elles présentent des retenues de faible hauteur.
 Fonctionnement au fil de l’eau :
L’installation utilise une partie du débit instantané du cours d’eau. La production d’énergie suit par conséquent les variations saisonnières de ce débit. En période d’étiage, si le débit disponible devient inférieur au minimum exploitable par le moteur hydraulique, l’activité de l’installation cesse.
 Les centrales d’éclusée :
Centrales sur réserve d’eau plus importante, elles sont utilisées en période de pointe. Le stock d’eau, correspondant à une période d’accumulation assez courte (moins de 400 heures de débit), est restauré aux heures les moins chargées. Avec une modulation dans la journée, voire la semaine, influencée par la saison (saison des crues), ces centrales ont des hauteurs de chutes moyennes.
 Fonctionnement par éclusées :
L’installation est associée à une retenue d’eau, par exemple un étang, qui joue le rôle de réservoir. La centrale peut ainsi exploiter ponctuellement un débit nettement supérieur à celui du cours d’eau pour répondre à un besoin important de puissance, par exemple pour réduire de l’électricité aux heures de forte consommation.
Ce mode de fonctionnement peut engendrer des variations brutales et de forte amplitude de débit et du niveau en aval de l’aménagement, voire entraîner un important transport de sédiments, en cas de vidange poussée. Comme ces variations répétitives sont préjudiciables à l’ensemble de la faune, aquatique, ce mode de fonctionnement n’est pas recommandé pour une installation qui se veut exemplaire sur le plan environnemental.
 Remarque :
L’énergie produite par les Stations de Transfert d’Énergie par Pompage (STEP) n’est pas considérée comme renouvelable du fait de la consommation d’énergie importante des pompes de relevage.

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : PRESENTATION D’UNE MICROCENTRALE HYDRAULIQUE
Chapitre 1 : GENERALITE SUR LES MICROCENTRALES HYDRAULIQUES
A. Généralité
1.Notion sur les aménagements des microcentrales hydrauliques
2. Les différents types des microcentrales hydrauliques
2.1. Les microcentrales hydrauliques à haute chute
a) Mode de fonctionnement
b) Microcentrale de 30 [kw] installée en 1997 à PANGUM-NEPAL (AC4-75)
c) Microcentrale hydraulique DC2
d) Microcentrale hydraulique SERIE DC8
e) Microcentrale AC2
f) Microcentrale AC4-38
g) Microcentrale AC4-75
2.2. Les microcentrales hydrauliques à moyenne chute
2.3. Les microcentrales hydrauliques à basse chute
a) Mode de fonctionnement
b) Types d’installations des microcentrales hydrauliques
 Les centrales de lac
 Les centrales au fil de l’eau
 Fonctionnement au fil de l’eau
 Les centrales d’éclusée
 Fonctionnement par éclusée
 Remarque
Chapitre 2 : LES ENERGIES RENOUVELABLES
A. Généralité
1. Energie solaire
1.1. Types d’installations
a) Type village solaire
b) Type centrale hybride
2. Energie éolienne
 Types d’installation
3. Energie hydraulique
 Types d’installation
4. Constituants d’une microcentrale hydraulique
a) Une prise d’eau
b) Une conduite forcée ou un canal d’amenée
c) La turbine
d) Un canal de fuite
Chapitre 3 : CLASSIFICATION DES TURBINES
A. Introduction
1. Légende
2. Fonctionnement normal
3. Essais sur modèles réduits d’une turbine
a) Légende
b) Mesures
B. Classification des turbines
1. Eléments constitutifs d’une turbine hydraulique
2. Turbines à action
a) Principe de fonctionnement
b) Composants
c) Paramètres
d) Turbine Pelton
e) Turbine Crossflow
3. Turbines à réaction
a) Principe de fonctionnement
b) Turbine Francis
c) Turbine hélice et Kaplan
CONCLUSION
DEUXIEME PARTIE : DIMENSIONNEMENT, TRACÉ ET SIMULATION D’UNE PETITE TURBINE HÉLICE
Chapitre 1 : GENERALITE SUR LA TURBINE HÉLICE
1. Introduction
2. Les turbines
3. Détermination du débit turbinable
a) Mesure du débit par la méthode d’Allen
b) Mesure du débit par mélange de solution saline
c) Mesure du débit par la méthode de Gibson
d) Mesure du débit par la méthode du flotteur
e) Mesure du débit par la méthode du déversoir
4. Mesure de la charge à l’entrée de la turbine
5. Mesure de la puissance mécanique recueillie sur l’arbre de la turbine
6. Mesure directe du rendement d’une turbine par simple lectures thermométriques
Méthode de Poirson
7. Métaux utilisés dans les turbines
8. Phénomène de la cavitation dans les turbines
a) Nature du phénomène
b) Manifestation de la cavitation dans les turbines
c) Les dispositions à prendre pour éviter les méfaits de ce phénomène
 Hauteur de calage f
 La pression limite P2 à la sortie des roues
 Détermination de la marge de sécurité à prendre
 Cas spécial des turbines à axe horizontal
9. Les pertes d’énergie
10. Similitude des turbines hydrauliques
 Similitude mécanique
 Similitude géométrique
 Similitude cinématique
11. Dispositifs employés pour empêcher l’emballement des turbines
Chapitre 2 : DIMENSIONNEMENT DE LA TURBINE HELICE
1. Introduction et description du site
2. La hauteur de chute nette Hn
3. Puissance délivrée par la turbine
4. La vitesse spécifique en fonction de la puissance et du débit
 Vitesse spécifique en fonction de la puissance
 Vitesse spécifique en fonction du débit
5. Vitesse angulaire spécifique
6. Dimensionnement de la roue
a) Diamètre extérieur de la roue
b) Diamètre du canal d’enceinte
c) Diamètre du moyeu de la roue
d) Calcul de la vitesse à la sortie de la roue
7. Dimensionnement et réalisation des pales
a) Les lignes du courant
b) Détermination du coefficient de portance
c) Réalisation des pales
INTERPRETATION
Chapitre 3 : DIMENSIONNEMENT DU DISTRIBUTEUR ET DE L’ASPIRATEUR
A. Dimensionnement du distributeur
1. Hauteur du distributeur
2. Vitesse à la sortie du distributeur
3. Vitesse à l’entrée du distributeur
4. Angle d’injection α
5. Forme des ailettes mobiles
6. Nombre d’ailettes ZD
7. Dimensionnement de la bâche semi-spirale
a. Largeur du canal d’entrée de la bâche semi-spirale
b. Section de la volute
B. Dimensionnement de l’aspirateur
1. Vitesse de l’eau à la sortie de la roue
2. Diamètre de l’aspirateur
3. Longueur de l’aspirateur-diffuseur
4. Hauteur de calage f
CONCLUSION
TROISIEME PARTIE : ESTIMATION DU COUT D’UNE PETITE TURBINE HELICE ET ETUDE ENVIRONNEMENTALE
Chapitre 1 : ESTIMATION DU COUT D’UNE MICROCENTRALE HYDRAULIQUE
1. Rentabilité financière et évaluation socio-économique du projet
a) La rentabilité financière
b) Les évaluations socio-économiques
2. Coût d’une petite centrale hydroélectrique
3. Estimation du coût de la microcentrale hydraulique
4. Avantage d’une microcentrale hydraulique
5. Estimation du coût d’une petite turbine hélice
Chapitre 2 : IMPACT ENVIRONNEMENTAL
1. Définition
2. Développement durable
3. Importance de la gestion de l’eau
4. Remarque
5. L’aspect environnemental
6. Les impacts négatifs
7. Les impacts positifs
Chapitre 3 : LES PRINCIPAUX IMPACTS SUSCEPTIBLES D’ȆTRE CAUSÉS PAR LE PROJET ET MESURE
D’ATTENUATION
1. Débit de restitution
2. Exigences de la pêche
3. Installation dans le paysage
4. Exploitation
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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