Anatomie d`une petite centrale hydro-électrique

Anatomie d’une petite centrale hydro-électrique
Un article de N. Packer, Université de Staffordshire, Royaume-Uni, juin
2011.
Résumé
L’énergie solaire fait évaporer l’eau de mer ce qui produit des nuages ; lorsque les
gouttelettes d’eau atteignent une masse suffisante, la gravité les entraîne nouveau vers
l’océan sous la forme de pluie. Quand la pluie tombe sur le sol et qu’elle s’écoule dans des
ruisseaux ou rivières ayant un fort courant, on peut en extraire de l’énergie en faisant
transiter une partie de cette eau par un dispositif de turbine/génératrice et produire ainsi de
l’électricité.
Même s’il existe différentes définition des petites centrales hydro-électriques, on peut
subdiviser celles-ci en mini-centrales (< 1 MW) et en microcentrales (< 300 kW).
Composantes d’une centrale hydro-électrique
Pour alimenter l’installation hydro-électrique, il faut dériver une partie du cours d’eau via un
système de retenue ou de barrage (1). Voir le schéma ci-dessous.
Le canal de dérivation (2) est généralement appelé « canal d’amenée » ou « canal de
prise ».
A l’extrémité de celui-ci se trouve un bassin de décantation (3) également appelé « bief
d’amont ».
Composantes génériques d’une petite centrale hydro-électrique
Débit réservé
Le canal d’amenée peut comporter des déversoirs (4) en vue de dériver le trop-plein
d’eau dans la rivière.
Après le canal d’amenée, l’eau pénètre dans une canalisation (5) généralement appelée
« conduite forcée » et entame alors la dernière étape du transport vers la turbine
hydroélectrique. Si la topographie du site est complexe ou si l’environnement est sensible,
on peut se passer de canal d’amenée et c’est une conduite forcée prolongée qui amène
l’eau du point de dérivation de la rivière jusqu’à la station hydro-électrique.
La turbine hydraulique et la génératrice se trouvent dans la centrale électrique (6).
[Dans le cas d’un barrage, il n’y a pas de canal d’amenée ni de conduite forcée, la centrale
électrique étant située sur le trajet du cours d’eau.]
Après être passée par la turbine, l’eau est à nouveau dirigée dans le cours d’eau via une
conduite (7) appelé « canal de fuite ».
Production d’énergie et d’électricité
Les deux principaux paramètres associés à la puissance produite par une centrale hydroélectrique sont le débit et la hauteur de chute. Le débit est le volume d’eau Q (m /s) qui
passe par la turbine et la hauteur de chute H (m) est la distance verticale que l’eau
parcourt entre le point d’entrée (c.-à-d. le début de la conduite forcée) et la turbine.
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Les turbines hydrauliques sont des dispositifs relativement efficaces convertissant l’énergie
d’un liquide en énergie mécanique (par rotation), avec une efficacité de 70 à 90 %.
L’efficacité globale dépend de la performance de la génératrice électrique, les valeurs
s’échelonnant habituellement de 50 à 70 %.
Pour illustrer l’influence de la hauteur de chute et du débit, on peut exprimer de façon
simplifiée le principe de puissance électrique produite P (kWe) d’une centrale hydroélectrique ayant un taux d’efficacité général de 60 % par la formule suivante :
P = 5.9 x Q x H (kWe)
En accroissant la hauteur de chute (H) et le débit d’eau (Q), on augmente forcément la
production d’énergie.
Pour optimiser le captage d’énergie en période de basses eaux, la plupart des turbines
hydrauliques sont conçues pour pouvoir fonctionner avec des débits inférieurs au débit
nominal. Dans ces cas, la production d’énergie sera inférieure à ce qui est présenté cidessus. Ainsi, l’estimation de l’énergie produite annuellement sera calculée par équivalence
par rapport à la pleine puissance sur l’année. Cette variation est prise en compte par le
biais d’un paramètre appelé coefficient de charge. Pour les centrales hydro-électriques,
les coefficients de charge s’échelonnent entre 40 à 70 %.
Si l’on reprend l’exemple ci-dessus, pour une turbine hydraulique ayant un coefficient de
charge de 55 %, la production annuelle d’énergie électrique estimée (kWhe/an) serait
de :
E = 5.9 x Q x H x 0.55 x 8760
= 28426 x Q x H (kWhe/an)
Conclusions
La hauteur de chute est plus ou moins fixe ; elle peut être déterminée de façon fiable par
des mesures sur le site ou de façon plus aléatoire, aux fins d’études préliminaires, à partir
de cartes topographiques.
En revanche, le débit disponible pour alimenter la turbine est variable et dépend d’un
certain nombre de facteurs.
On utilise généralement des hydrogrammes (variation du débit d’un cours d’eau dans le
temps) et des courbes de débits classés (débit par centile ou unité de temps écoulé) pour
évaluer la torrentialité (variabilité du débit) d’un cours d’eau.
L’un des critères essentiels est que la quantité d’eau prélevée aux fins de production
d’énergie ne perturbe pas l’équilibre écologique de la portion de rivière en débit réservé ; il
convient donc d’effectuer des études hydrologiques et biologiques approfondies avant de
dimensionner la centrale hydro-électrique.
Unités et abréviations
Volume : m – mètre cube
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Débit-volume : Q – m3/s
Note : 1 m = 1000 litres
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Hauteur de chute : mètres (distance verticale)
Energie : kWh (kilowatt-heure)
Puissance : W – watt
kW (kilowatt) – millier de watts MW (mégawatt) – million de watts
Autres documents sur le sujet
« Le b.a.-ba de l’énergie et de la puissance », N. Packer, Université de Staffordshire,
Royaume-Uni
Articles RETS, février 2011.
www.esha.be
www.microhydropower.net
www.british-hydro.org
www.cat.org.uk
www.environment-agency.gov.uk
Neil Packer est ingénieur agréé et maître de conférence à la faculté d’informatique, d’ingénierie et
de technologie de l’Université de Staffordshire, Royaume-Uni. Il enseigne l’ingénierie
environnementale et les thermofluides depuis près de 20 ans, conseillant en outre les entreprises
commerciales et industrielles ainsi que les collectivités locales dans le domaine des faibles émissions
de carbone.
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Ces informations sont présentées dans le cadre du projet Renewable Energies Transfer System
(RETS) financé via le programme INTERREG IVC par le Fond européen de développement régional. Ce
projet court de janvier 2010 à décembre 2012. Pour plus d’informations ou pour participer à la
communauté en ligne, consultez : http://www.rets-community.eu/