L’énergie hydraulique
L’énergie hydraulique, est l’énergie renouvelable , qui résulte du mouvement de masses d’eau coulant le long des pentes naturelles.
L’installation hydroélectrique
Pour pouvoir transformer cette énergie en travail utile, il est nécessaire de la concentrer, soit en tirant parti de chutes naturelles, soit par l’aménagement d’un barrage de manière à obtenir une hauteur de chute et un débit suffisant pour installer une centrale.
Un aménagement hydroélectrique classique est composé d’amont en aval des éléments indiqués sur la figure ci-dessous.
La prise d’eau est constituée par une dérivation dont l’entrée est limitée par un seuil et qui dirige le débit ainsi dérivé vers le canal d’amenée. Le contrôle du débit s’effectue le plus souvent ,soit par un barrage mobile dans la rivière, soit par une vanne dans le canal d’amenée.
Il relie la prise d’eau à l’entrée de la centrale. Il est habituellement en écoulement libre à ciel ouvert.
Vannes d’isolation généralement rectangulaires, dont le fonctionnement est similaire à celui d’une guillotine, et qui permettent d’isoler la microcentrale de la rivière en cas de nécessité (entretien de l’installation, protection contre les crues,…)
La grille protège la turbine contre les corps charriés par la rivière, tandis que le dégrilleur, sorte de peigne ou de râteau, débarrasse la grille des éléments flottants accumulés.
La conduite forcée est un tuyau qui relie l’extrémité du canal d’amenée (au sommet de la pente) à la turbine (au pied de la pente). Elle supporte à son extrémité inférieure une pression de service voisine de la hauteur de chute.
Dans certains cas, par exemple les anciennes turbines Francis à axe vertical, la conduite forcée est remplacée par une chambre de mise en charge.
Principe de fonctionnement
La turbine
La turbine transforme l’énergie de l’eau en énergie mécanique. La turbine a remplacé la roue à aubes qui était utilisée jusqu’au 19ème siècle dans les moulins à eau. Le rendement d’une turbine (de l’ordre de 70%) est nettement supérieur à celui de la roue hydraulique (20%). Une turbine comprend des organes fixes, des organes de réglage et une partie mobile (roue).
Les organes fixes et de réglage ont pour rôle essentiel de diriger l’eau sur la roue dans les meilleures conditions possibles; la partie mobile est destinée à produire un couple moteur sur l’arbre en transformant en puissance mécanique la plus grande fraction possible de la puissance disponible.
La régulation
La régulation synchronise la vitesse de rotation de la turbine avec l’alternateur. Elle permet aussi le démarrage et l’arrêt de la turbine en actionnant le distributeur.
L’alternateur permet de transformer l’énergie mécanique en électricité. Il comporte un induit fixe (stator) et un inducteur tournant (rotor).
Les alternateurs peuvent être classifiés suivant l’excitation du rotor.
En ce qui concerne l’alternateur synchrone, l’excitation est produite par une petite génératrice annexe qui produit un courant créant un champ magnétique dans le rotor.
Dans le cas de l’alternateur asynchrone, la fréquence et le voltage du courant sont imposés par le réseau. Il n’y a pas d’excitation du rotor. Cet alternateur est plus simple et plus robuste mais n’est utilisable que lorsque la puissance de la microcentrale est largement inférieure à la puissance du réseau, c’est-à-dire de la charge, qu’il alimente. L’énergie produite peut être autoconsommée par le producteur (éclairage, matériel électrique, chauffage,…) ou être revendue au réseau. Ce canal relie la sortie des turbines au lit du cours d’eau aménagé.
L’énergie marémotrice
Les technologies hydroélectriques peuvent aussi tirer parti de l’énergie des marées, bien que dans ce cas, on ne peut plus dire qu’il s’agisse de microhydraulique.
Tout le monde connaît le phénomène de marée par lequel le niveau de la mer monte et descend environ toutes les 12 heures selon une amplitude variable dans le temps et dans l’espace. Ces variations de niveau provoquent la formation de courants périodiques, dits courants de marée.
Les marées sont provoquées par l’attraction exercée par le soleil et la lune sur les océans et sont de plus influencées par la forme du relief des fonds marins (phénomène de résonance).
L’énergie hydraulique de la marée peut être transformée en énergie électrique au moyen d’un aménagement comprenant
- un barrage en travers d’un estuaire ou formant une baie qui crée ainsi un bassin isolé dans lequel le niveau est de celui de la mer; ce barrage comporte des ouvertures dont l’obturation est commandée par des vannes permettent d’établir une communication entre le bassin et la mer;
- une usine équipée de groupes turbo-alternateurs qui fonctionnent grâce à la différence de niveau existant bassin et la mer.
L’énergie disponible, E, est proportionnelle à la surface du bassin et au carré de l’amplitude moyenne des marées, c’est-à-dire la différence de niveau entre une marée haute et une marée basse consécutive.
Pour un bassin de surface donnée, le coût d’investissement est fonction de la longueur, L, des digues de fermeture à construire. Les sites les plus favorables se situent dans des zones à marée de forte amplitude et correspondent aux faibles valeurs des rapports L/S et L/E
Le remplissage du bassin peut être réalisé par passage de l’eau à travers les turbines ou à travers les ouvertures ménagées dans le barrage.
Le passage à travers les turbines peut avoir lieu, soit dans un seul sens: cycle à simple effet, soit dans les deux sens » cycle à double effet.
Pratiquement, les perfectionnements apportés aux caractéristiques des turbines ont rendu possible la réalisation de cycles à double effet dans des conditions satisfaisantes.
Panorama des techniques
Aujourd’hui, plus de cinquante centrales hydroélectriques tournent en Wallonie. Les techniques à mettre en œuvre pour équiper des sites à rénover ou améliorer sont connues et maitrisées depuis de longues années.
PERSPECTIVES ET DÉVELOPPEMENT
L’exploitation de l’énergie hydraulique remonte à de nombreux siècles. Les principes techniques sont anciens. Certaines nouvelles technologies, à savoir l’électronique, l’automation et les commandes à distance, le dessin assisté par ordinateur, les plastiques à haute résistance sont actuellement étudiées pour être utilisées dans les centrales hydroélectriques. Dans le domaine des turbines, le plastique à haute résistance peut remplacer l’acier et la fonte pour certaines pièces et ainsi diminuer les coûts de fabrication.
Au chapitre de la production d’électricité en réseau isolé, de nouveaux composants électroniques permettent l’excitation de l’alternateur asynchrone sans avoir recours au réseau. Cette technique réduit considérablement le coût de l’alternateur et de la régulation.
Parmi les innovations récentes dans le domaine du génie civil, citons les prises de type Coanda, le système de vannage Serpent, les conduites basse pression en plastique ondulé, les géotextiles pour le revêtement et les barrages gonflables. Ces différentes techniques améliorent le fonctionnement de l’aménagement et réduisent le coût du génie civil.
C’est ainsi que le système «Serpent» de chasse des sédiments facilite l’enlèvement efficace et fiable des dépôts de vase, de sable, de gravier et de cailloux dans les aménagements hydrauliques sur des cours d’eau chargés. Le principe de ce système est d’installer un canal de chasse qui est relié au bassin de sédimentation par une rainure longitudinale recouverte d’un élément flottant, le serpent. L’écart de pression entre le bassin et la sortie de la chasse fourni est l’énergie potentielle utilisée pour la chasse.
De même, les barrages gonflables permettent d’augmenter la hauteur de chute ainsi que la capacité du réservoir. Ancrés dans une fondation en béton, ils sont constitués d’un tube gonflable en caoutchouc rempli d’eau ou d’air. Une régulation, basée sur le principe des vases communicants, maintient constant le niveau amont en vidant et remplissant le barrage gonflable en fonction de la crue et de la décrue.
Au chapitre de l’exploitation des microcentrales, de nombreux efforts sont en cours pour rendre plus fiable la gestion automatique des équipements.
Dans le domaine de la conception, l’utilisation de la microinformatique réduit les frais d’études et de conception des machines tout en améliorant leur fiabilité. Cette approche permet l’adaptation aisée du matériel standard aux spécificités de chaque site.
Les autres énergies renouvelables
L’énergie solaire –L’énergie éolienne – La biomasse– Les pompes à chaleur– La géothermie