Hydro turbines ou turbines hydroélectriques et micro turbines à hélice

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UNE TECHNOLOGIE A LA PORTEE DE TOUS

Dans l’esprit collectif, l'énergie hydroélectrique est généralement associée à de grandes installations industrielles de type barrages, énormes réservoirs, fleuves, grandes rivières, lac, etc. et pourtant … saviez-vous que cette énergie peut également être produite et utilisée dans le cadre d’installations et de projets individuels de petite taille.

L'énergie hydraulique est-elle une solution réaliste et envisageable pour des installations individuelles telles que maisons, chalets, habitations, fermes agricoles, locaux divers ?

La réponse est oui bien évidemment et de façon beaucoup plus triviale qu’il n’y parait.

UNE TECHNOLOGIE FIABLE A TOUTES LES ECHELLES

La technologie consistant à produire de l’électricité à partir de la force motrice de l’eau est tout à fait transposable et adaptée à de petites installations de faible et de moyenne puissance allant de quelques centaines de watts à plusieurs dizaines de milliers de watts.

Cette technologie fonctionne sur le même principe que celle des grandes installations, en utilisant des turbines hydroélectriques. La seule différence étant que ces turbines ont été miniaturisées afin de répondre aux contraintes de place, de puissance et surtout de coûts d’installation de ces projets à usage plutôt individuels ou de petit collectif.

Ces ‘petites’ turbines miniatures sont souvent désignées par le terme micro ou pico turbines électriques. Le terme micro hydro-turbine est également parfois employé.

Cette technologie de micro turbines hydroélectriques permet à chaque propriétaire de maison (disposant d’un cours d'eau à proximité) de produire sa propre énergie électrique.

Par exemple, une micro turbine hydroélectrique de seulement 500W est capable de produire suffisamment d'électricité tout au long de l'année pour couvrir la consommation annuelle d'une petite maison économe en énergie. Ce type de micro turbine hydroélectrique est relativement légère (moins de 30 kg) et peut aisément être transportée manuellement.

La question clé qui revient souvent est la suivante : quelle doit être la taille et la nature du cours d'eau pour que cela fonctionne ?

Pour y répondre, il faut tenir compte de la "hauteur d'eau", c'est-à-dire de la distance verticale entre le point le plus haut et le point le plus bas du cours d'eau, et du "débit", c'est-à-dire la quantité ou volume d'eau qui passe par un point en une seconde. Le débit est mesuré et exprimé en nombre de litres par seconde.

QUELLE PUISSANCE POUR QUEL DEBIT ET QUELLE HAUTEUR ?

Le calcul est le suivant : hauteur de chute d’eau x débit x gravité x 0,75 (afin de tenir compte des pertes du système).

Par exemple, une hauteur de chute de 5 mètres avec un débit de 14 litres par seconde donnera :

5m x 14L/s x 9,81 x 0,75 = 515 watts de puissance.

Une turbine hydroélectrique de 500W peut ne pas sembler très puissante, mais n’oubliez pas qu’elle fonctionne de façon permanente sans discontinuité 24 heures par jour, 365 jours par an. Elle produira donc environ 4 000 kWh par an sachant qu’une maison raisonnablement économe en énergie consommera environ 5 000 kWh par an. Un générateur hydroélectrique de 1 kW ou plus (turbine hydroélectrique de 1 000 W ou plus) produira d’autant plus … et couvrira très largement les besoins d’une habitation dont la consommation est ‘normale’.

Puissance = Hauteur x Débit x Gravité x 0,75

QUELS SONT LES COUTS D’UNE INSTALLATION ?

Le coût d'une installation disposant d’une turbine hydroélectrique varie énormément d'un site à l'autre. Les facteurs jouant le rôle le plus important sur le prix de l’installation sont la nature du terrain, sa topologie, la taille du cours d'eau, sa pente, le paysage, les arbres, la profondeur du sol, etc.

Pour donner un ordre de grandeur, un système de production d’électricité fonctionnant à l’aide d’une turbine hydroélectrique "typique" de 1 kW coûtera entre 5 000 et 20 000 Euros, mais en réalité, il n'existe pas de site "typique".

La puissance de l'hydro-générateur (hydro-turbine de 1 kW, hydro-turbine de 2 kW, etc.) n'aura qu'une faible incidence sur le coût global de l’installation – sachant que la majorité des dépenses proviendra, dans la plupart des cas, des travaux d’aménagement à réaliser.

Trouver un installateur peut s’avérer délicat voire parfois difficile. Ce point est d’ailleurs souvent le seul véritable obstacle à la réalisation d’un tel projet. Heureusement, cet obstacle n’est pas systématique et surtout il reste parfaitement surmontable. Cette pénurie d’installateurs professionnels qualifiés est liée à la singularité de ce marché et surtout à la faible puissance de telles installations. Les entreprises qualifiées dans ce domaine préfèrent généralement travailler sur des projets de type industriel de plusieurs dizaines voire centaines de kilowatts plutôt que sur des petites installation individuelles de 0,5 ou 1 ou 2 kW. Dans ce domaine les petits installateurs sont tellement sollicités qu’ils ont généralement du travail réservé sur plusieurs mois voire plusieurs années à l’avance.

Ce problème commence à être abordé et traité avec l'apparition de cours de formation pour les installateurs potentiels. Il semblerait que certaines régions françaises commencent à voir naître un savoir-faire dans ce domaine car elles possèdent un excellent potentiel pour les petits systèmes hydroélectriques à faible coût.

RACORDEMENT AU RESEAU OU STOCKAGE DE L’ENERGIE DANS DES BATTERIES ?

Bien qu'une turbine hydroélectrique de 1 kW produise presque deux fois plus d'électricité que la quantité d’électricité nécessaire au fonctionnement de la maison au cours de l'année, elle ne produira jamais assez de puissance pour faire fonctionner une bouilloire, un four à micro-ondes ou tout autre appareil électrique dont la puissance est supérieure à 1 000 Watts. La puissance maximale instantanée délivrée par la turbine hydroélectrique est de 1 kW alors que la bouilloire peut nécessiter de disposer de 2 ou 3 kW. La solution pour contourner ce problème qui n’en est pas un en réalité consiste généralement à stocker dans des batteries l’énergie produite par la turbine hydro-électrique. Cette énergie pourra être consommée à la demande et les batteries pourront fournir autant de puissance que nécessaire en fonction du système de conversion qui aura été installé. Si les batteries sont pleines alors le surplus d’énergie produit par la turbine hydroélectrique pourra être injecté dans le réseau électrique de l’opérateur (si la maison est raccordée) afin d’être revendu pour pouvoir générer des revenus financiers.

Cette option n’est valable que dans le cas de maisons raccordées au réseau électrique de l’opérateur national.

Si la maison n’est pas raccordée au réseau électrique de l’opérateur national, alors il conviendra de bien dimensionner la capacité du parc des batteries afin que ce dernier soit adapté au niveau de consommation de la maison.

L’emploi d’un parc de batteries augmente certes, le coût de l’installation, mais il apporte une souplesse et une flexibilité particulièrement appréciables dans la façon de pouvoir gérer les pics de consommation exceptionnels.

Il est également important de préciser que les batteries nécessitent un espace de stockage et que leur durée de vie est plus courte que celui de la turbine hydraulique. Il faudra donc prévoir de les remplacer tous les 5 à 7 ans pour des batteries au plomb et jusqu’à 10 ans pour des batteries au lithium - en fonction de l’usage qui en est fait.

Le raccordement au réseau électrique de l’opérateur national est donc généralement l'option la plus rentable et la plus économique lorsqu’elle est possible. L'utilisation du réseau électrique présente également un avantage en termes de coûts. Avantage que la législation semble vouloir améliorer. La tendance actuelle du marché est de favoriser le rachat d’énergies renouvelables par les opérateurs et fournisseurs d’électricité. Récemment des opérateurs et fournisseurs d’énergie tels que Total et Engie ont axé leur stratégie de communication sur ce modèle.

UTILISATION DES COURS D’EAU ET RESPECT DE L’ENVIRONNEMENT

Un cours d'eau, quelle que soit sa taille, est un écosystème en soi et il serait dommageable, voire illégal, de détourner toute l'eau, de façon abusive, vers une turbine hydroélectrique.

La quantité et la proportion d'eau qui peut être utilisée en toute sécurité varie en fonction du type et de l'état du cours d'eau. Dans tous les cas, il est recommandé de consulter l'Agence pour l'environnement afin qu’elle puisse émettre un avis sur ce qui peut être fait ou non.

Les turbines hydroélectriques n'introduisent aucun polluant dans les cours d’eau, mais il est possible que votre cours d'eau abrite une faune particulièrement sensible alors il convient de se renseigner au préalable.

LES PRINCIPAUX AVANTAGES DES TURBINES HYDROELECTRIQUES

Un très haut rendement (70-90%) - la meilleure de toutes les technologies renouvelables.

Les systèmes hydroélectriques peuvent durer environ 50 ans - beaucoup plus longtemps que les autres technologies en énergies renouvelables.

POURQUOI CETTE TECHNOLOGIE EST-ELLE SI PEU REPANDUE ?

Pourquoi ne le faisons-nous pas tous ? De toute évidence, parce que nous n'avons pas tous un cours d’eau à proximité de notre maison. Mais également parce que la plupart des personnes qui ont un cours d'eau à proximité pensent, souvent à tort, que :

a) le cours d’eau n'est pas assez grand ou puissant,

b) l'énergie hydroélectrique sera trop chère. Le fait que le cours d'eau soit assez puissant ou non ne peut être établi qu'au moyen d'une étude de site. Cette étude peut (ou non) coûter quelques centaines d’euros, mais l’investissement peut s’avérer extrêmement rentable.

Est-ce trop cher ? Non si l’on considère qu'un investissement de 15 000 Euros dans une installation avec une turbine de 1 kW fixera le prix de votre électricité à environ 6 centimes d’euro par kWh pour les 30 prochaines années. De plus, vous augmenterez la valeur de votre propriété, vous serez à l'abri des fluctuations du prix de l'énergie et vous réduirez de plus de 100 tonnes l’émission de CO² de votre habitation.

Le ROI (retour sur investissement) d’une installation est presque toujours garanti

DEFINITIONS ET RAPPELS

Energie hydroélectrique

L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique obtenue par conversion de l'énergie hydraulique des différents flux d'eau (fleuves, rivières, chutes d'eau, courants marins...) L'énergie cinétique du courant d'eau est transformée en énergie mécanique par une turbine, puis en énergie électrique par un alternateur.

L'énergie hydroélectrique est une énergie renouvelable. Elle est aussi considérée comme une énergie propre.

Hydro turbine ou turbine hydroélectrique

Une turbine (ensemble mécanique situé autour de la roue motrice) est un moteur rotatif (pâles) entraîné par la pression de l’eau guidée jusqu’à la turbine par la conduite forcée. Il transforme la plus grande partie de l’énergie hydraulique en énergie mécanique. L'énergie électrique est produite par la transformation de l'énergie cinétique de l'eau, par l'intermédiaire d'une roue entraînant un rotor d'alternateur.

Il existe 2 familles de turbines : les turbines à action (Pelton, Cross-flow) et les turbines à réaction (Francis, Kaplan, pompes inversées). Chaque type de turbine est adaptée aux différentes exigences des cours d’eau et des caractéristiques du site : hauteur de chute disponible sur le site, débit et variabilité du débit.

Pour les petites chutes (hauteur < 10 mètres)

• La roue à aube est la plus ancienne des turbines, c’est elle qui équipait les moulins à aube. Elle se sert du poids de l’eau pour créer de l’énergie et est utilisée pour des chutes de 1 à 10 mètres. Elle nécessite l’ajout de matériel de multiplication avec un fort coefficient.
• La turbine Kaplan ou turbine de type hélice : Elle est parfaitement adaptée aux basses chutes et aux forts débits, avec une roue de type hélice, comme celle d'un bateau. Viktor Kaplan a mis au point une roue à hélice dont les pales peuvent s'orienter en fonction des débits utilisables. Elle est utilisée lorsque le débit d’eau est compris entre 300 et 10 000 litres /seconde et pour des hauteurs de chute jusqu’à 15 à 20 mètres. Elle se sert de la force d’écoulement de l’eau pour tourner et fournir de l’énergie électrique.

A noter : les micro turbines hydroélectriques à hélice en vente sur notre site, sont faites pour fonctionner avec une hauteur de chute à partir de 2 mètres et un débit d’eau de l’ordre de 40 à 45 litres/seconde. Cliquez sur le lien pour accéder au rayon concerné.

Pour les chutes moyennes (hauteur supérieure à 10 mètres)

• La turbine Francis (roue à pale) : Elle est utilisée pour des débits de 100 à 6 000 litres/seconde. Son prix est plus élevé mais son rendement est excellent si le débit varie de 60 à100 % du débit nominal. Elle fonctionne sans multiplicateur.
• La turbine Banki-Mitchell ou à flux traversant (crossflow) : Elle est utilisée jusqu’à 200 mètres de chute, pour des débits allant de 20 à 7 000 litres/seconde. Son rendement est inférieur aux autres mais elle offre une bonne souplesse d’utilisation car elle supporte de forts changements de débit. Un important multiplicateur est à prévoir avant de brancher la génératrice.

Pour les chutes de montagne (hauteur de chute importante)

• La turbine Pelton (50 à 1000 mètres et plus) : Elle s’utilise avec des débits de 20 à 1 000 litres/seconde et fournit une puissance pouvant atteindre plusieurs centaines de kW. Elle peut être liée directement avec la génératrice.

A noter : les hydro-turbines de type "Pelton" en vente sur notre site, sont faites pour fonctionner avec une hauteur de chute à partir de 8 mètres et un débit d’eau de l’ordre de 5 à 12 litres/seconde. Cliquez sur le lien pour accéder au rayon concerné.

• La turbine Turgo (entre 30 et 300 mètres de chute) : Son petit diamètre lui permet d’être directement couplée au générateur.

Turbine Pelton

Une turbine Pelton est un type de turbine hydraulique utilisée dans les centrales hydroélectriques. Elle a été inventée en 1879 par Lester Allan Pelton, en Californie.

Principe

Cette turbine est du type « à action » car l’énergie potentielle de l’eau venant d’une conduite forcée est transformée en énergie cinétique, par l’action d’un jet d’eau sur les augets de la roue.

Ce type de turbine ne dispose pas de diffuseur (ou aspirateur) en sortie d’eau, car celle-ci s’écoule librement à la pression atmosphérique. D’après le calcul de la vitesse spécifique, ces turbines sont adaptées à des chutes dites « hautes chutes », 10 à 500 mètres avec un faible débit d’eau (20 à 1000 litres par seconde).

Elle est équipée d’augets en forme de cuillère qui sont placées autour de la roue et reçoivent l’eau par l’intermédiaire d’un ou plusieurs injecteurs

Ces injecteurs permettent de régler l’arrivée de l’eau même en cas de fortes variations du débit et de conserver à l’ensemble un très bon rendement.

Sa vitesse de rotation est comprise entre 500 et 1 500 tr/min permettant une liaison directe entre la turbine et la génératrice et offrant ainsi un encombrement réduit.

La conception de cette turbine permet d’obtenir un rendement exceptionnel de l'ordre de 90%.

Constitution

Une turbine Pelton comporte une roue mobile, munie d'aubes appelées « augets » sur sa périphérie, et un ou plusieurs injecteurs fixes qui envoient, à très grande vitesse, l'eau sur les augets. Le tout est entouré d'une bâche en tôle d'acier destinée à protéger la roue et à évacuer l'eau.

Roue à augets

Les turbines Pelton utilisent la roue dite « à augets ». Cette roue ressemble à un disque équipé d’augets ressemblant à des demi coquilles de noix, placés en circonférence. La forme de ces augets est très évoluée et permet au jet d’eau qui les frappe de se séparer en 2 jets déviés sur les côtés de la roue.

Construite le plus souvent d’une seule pièce, les roues Pelton sont moulées par coulage, avec des matériaux ferreux fortement alliés en chrome et nickel. Le moulage de ces roues est une opération complexe et délicate, nécessitant des contrôles métallurgiques nombreux et coûteux.

La surface intérieure des augets, appelée « intrados », doit avoir un état de surface poli pour optimiser l’écoulement de l’eau. La partie extérieure (extrados) des augets est parfois nervurée pour augmenter la tenue mécanique de l’auget.

L'axe de la roue est habituellement horizontal. L'alternateur peut être commandé par une ou deux roues, avec les dispositions suivantes :

1. Une roue : l'alternateur et la roue sont placés côte à côte.
2. Deux roues : l'alternateur est placé entre les deux roues.

Injecteur

L’injecteur a pour rôle d'alimenter la roue en eau et de permettre le réglage du débit. L'eau pénètre dans l’injecteur à faible vitesse et en sort à grande vitesse. Il y a donc dans l’injecteur transformation de l'énergie de pression en énergie cinétique, l'eau agissant essentiellement sur la roue par son énergie cinétique. La vitesse de l'eau à la sortie de l’injecteur ne dépend que de la hauteur de chute.

L’injecteur est composé :

• d'un corps, se terminant du côté de la sortie d'eau par un trou d’ajutage appelé « buse »,
• d'une aiguille, se déplaçant dans le corps et servant au réglage du débit d’eau,
• d'un vérin hydraulique de manœuvre.

Le corps ressemble à un tube creux, monté en bout de la conduite forcée. Fabriqué en acier coulé, il est rectiligne ou coudé. A la sortie du corps, la buse est soumise à une forte érosion de l’eau et comporte une partie démontable appelée «bec de buse». Cette pièce réalisée en acier inoxydable peut être donc remplacée suivant son usure.

L’aiguille sert d’obturateur et de régleur du débit d’eau en se déplaçant longitudinalement dans le corps de l’injecteur. A l’extrémité de l’aiguille, le pointeau (en forme de radis) est une pièce en acier inoxydable parfaitement usinée et polie, venant en contact avec le bec de buse.

La manœuvre de l’aiguille est assurée par un vérin placé en bout de l’aiguille et fixé sur le corps de l’injecteur. La présence de ce vérin oblige à concevoir une forme coudée pour le corps de l’injecteur. Le guidage de l’aiguille est assurée par un croisillon côté buse (sortie d’eau) et par un presse-étoupe côté vérin. La conception fait que l’aiguille a tendance à se fermer sous la pression d’eau amont pour assurer la sécurité de la fermeture. Le vérin ne sert qu’à la manœuvre d’ouverture et au réglage du jet d’eau.

Déflecteur

Le déflecteur a pour rôle de dévier le jet d’eau, en cas d'incident grave sur la turbine ou sur l'alternateur, sans arrêter l'écoulement de l'eau et d'éviter ainsi les coups de bélier dans la conduite amont ou l’emballement de la turbine.

Le déflecteur est composé :

• d'un étrier en acier, pivotant perpendiculairement devant la sortie du jet d’eau de l’injecteur,
• d'un vérin hydraulique de manœuvre.

Après une manœuvre du déflecteur, la roue n’est plus entraînée par le jet, et ce dernier peut être diminué lentement par l’injecteur sans risque. L’efficacité du déflecteur est assurée par sa position tangente au jet d’eau en position normale. Le déflecteur est une pièce le plus souvent forgée, à cause des contraintes importantes qu’il subit.

Bâche

La bâche est la partie enveloppant la roue, contenant ainsi les projections d’eau (valable uniquement pour les turbines à axe horizontal)

Cette bâche est composée :

• d'un bâti fixe en partie basse, ancré dans le béton,
• d'une capote démontable, permettant l’accès à la roue pour les contrôles et réparations.

Le plan de joint entre le bâti et la capote est donc horizontal et passe par l’axe de rotation de la roue. Après chaque démontage, l’étanchéité de ce plan de joint est refaite, par application de pâte d’étanchéité ou par remplacement du joint torique placé dans une gorge du bâti.

D’autre part, des boucliers métalliques appelés « renvois d’eau » sont fixés dans la partie inférieure du bâti. Ces pièces permettent de récolter l’eau projetée et de la guider vers la fosse d’évacuation.

La turbine Banki-Mitchell ou Crossflow

Turbine de faible et moyenne chute, de 1 à 150 et de débit faible à moyen, de 20 à 7000 l/s.

Cette turbine à action est dite à flux traversant car l’eau traverse deux fois la roue.

Elle est constituée de trois parties principales :

• un injecteur de section rectangulaire et dont le débit est réglé à l’aide d’une aube profilée rotative, similaire à une vanne papillon. Afin d’assurer un arrêt de la turbine sans énergie d’appoint, la fermeture est souvent réalisée à l’aide d’un contrepoids et l’ouverture par un vérin hydraulique ;
• une roue en forme de tambours, dotée d’aubes cylindriques profilées ;
• un bâti enveloppant la roue sur lequel sont fixés les paliers de la turbine.

Elle possède l’inconvénient d’avoir une vitesse de rotation assez lente ce qui nécessite la présence d’un multiplicateur (courroie) pour accélérer la vitesse de rotation de la génératrice et donc un rendement assez moyen mais constant (de l’ordre de 70%).

Cependant, son dimensionnement et sa construction sont très simples et elle est robuste : même pour les petites puissances sa construction peut être envisagée au stade artisanal par un bon bricoleur. En effet cette roue ne possède aucun élément de fonderie, les aubes sont des portions de surface cylindrique circulaire. On peut donc les découper dans un tube, en acier, laiton, ou même plastique. Ceci en fait une solution de choix pour les pays en voie de développement.

La turbine Francis

Les turbines Francis sont généralement utilisées pour des moyennes chutes (10 à 100 m) et des débits moyens (100 à 6 000 l/s) et peuvent développer des puissances très importantes.

La roue fixe est montée au centre d’une "bâche spirale" à l’intérieure de laquelle ce trouve le distributeur. Cette "bâche" est une conduite en forme de colimaçon de section progressivement décroissante reliée, d’une part à l’extrémité aval de la conduite forcée, et d’autre part à la section d’entrée du distributeur. La bâche est dimensionnée de façon à ce le débit passant à travers reste constant.

Le distributeur est constitué par une série de directrices (aubes rotatives) qui dirigent l’eau de la bâche vers la roue.

Sa vitesse de rotation est rapide (jusqu’à 1 000 tr/min) et elle a de bons rendements : pour des débits variant de 60 à 100 % du débit nominal, il dépasse 80 %. Cependant ce matériel n’est pas recommandé lorsque le débit est susceptible de varier au delà de ces limites.

Les turbines Kaplan et hélices

Les turbines Kaplan et turbines à hélice

Elles sont les plus appropriées pour le turbinage des faibles chutes (moins de 10 mètres) et des débits importants (300 à 10 000 litres/seconde).

Elles se caractérisent par leur roue qui est similaire à une hélice de bateau dont les pales sont réglables en marche (Kaplan) ou fixes (hélices).

L’eau est dirigée vers le centre de la roue par un distributeur orientable ou fixe. A la sortie un aspirateur permet de limiter les effets de turbulence.

Ces turbines dont la vitesse de rotation est faible présentent l’avantage d’avoir de très bons rendements.

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