Le système hybride de production d’énergie révolutionne l’approvisionnement électrique, avec une capacité de production significative pour le CETIC de Ngang. En combinant énergie solaire et hydraulique, cette recherche répond à la demande croissante en zones rurales, tout en réduisant les émissions de CO2.
Taille des centrales électriques
La classification des centrales électriques se fait aussi par la quantité de l’électricité produite. Nous avons :
- Les centrales de grande puissance : 10MW<P;
- Les centrales de petite puissance : 1MW<P<10MW ;
- Les centrales de mini puissance : 10kW<P<1MW ;
- Les centrales de micro puissance : P<10kW.
La plus grande usine hydroélectrique au monde se trouve en Chine (le barrage des 3 gorges) produisant 356 GW.
Types de centrales hydroélectriques
Les centrales hydroélectriques se distinguent par leur hauteur de chute d’eau. Nous avons [62] [63] [66] [69] [71] [79] :
- Les centrales de haute chute ;
- Les centrales de moyenne chute ;
- Les centrales de basse chute ;
- Les centrales marémotrices.
Centrales de haute chute
Ce sont les centrales dont la hauteur de chute est supérieure à 200 m (H > 200 m). Il s’agit de centrale située en montagne (forte pente sur de courtes distances). L’eau est retenue par des barrages et est évacuée par des conduites forcées vers la turbine. L’unité de production est éloignée barrage et elles utilisent turbines Pelton.
du les
Figure I. 26: Structure générale d’une centrale de haute chute
[62] [63] [66]
Centrales de moyenne chute
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Figure I.28: Structure générale d’une centrale de moyenne chute [62] [63] [66]
Ce sont les centrales dont la hauteur de chute est comprise entre 30m et 200m (30m<H<200m). Il s’agit de centrale située montagne (forte pente r en de courtes distances). L’eau est retenue par des barrages et est évacuée par des conduites forcées vers la turbine. L’unité de production est à proximité de la retenue du barrage et elles utilisent les turbines Francis. Elles sont alimentées par des barrages appelés « réservoirs d’éclusée ».
Centrales de basse chute
Ce sont les centrales dont la hauteur de chute est inférieure à 30m (H<30m). On les appelle aussi centrales au fil de l’eau avec un très fort débit. L’eau est retenue par des barrages et est évacuée par des conduites forcées vers la turbine. L’unité de production est à proximité de la retenue du barrage et elles utilisent les turbines Kaplan.
Figure I. 27: Structure générale d’une centrale de basse chute [62] [63] [66]
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Centrales marémotrices
Ce sont les centrales qui exploitent l’énergie des marrées montantes et descentes pour faire tourner les turbines dont les pales sont orientées selon l’écoulement de l’eau elles utilisent les turbines de types Bulbe.
Figure I. 28: Structure générale d’une centrale marémotrice : marée montante
(gauche) et marée descendante (droite) [62] [63] [66]
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Centrales de pompage et de turbinage
Le système de turbinage : l’alternateur produit de l’énergie électrique.
Le système de pompage : l’alternateur ou une moto-pompe consomme de l’énergie pour remonter l’eau d’un bassin inférieur à un bassin supérieur [101].
Les stations de transfert d’énergie par pompage fonctionnent sur le principe du recyclage de l’eau par turbinage-pompage [63].
Figure I. 29: Structure générale d’une centrale de pompage et de turbinage (STEP)
[62] [63] [66]
Types de turbines
Il existe quatre grands types de turbines. Le choix du type de turbine le plus adapté est fait par le calcul de la vitesse spécifique notée ns [62] [63] [64] [66] [69] [71] [80].
La turbine Pelton
Cette turbine est du type « à action » car l’énergie potentielle de l’eau s’écoulant dans une conduite forcée est transformée en énergie cinétique par l’intermédiaire d’un jet d’eau qui agit directement sur les augets de la roue.
Elle est adaptée aux hautes chutes, avec une roue à augets, inventée par Lester Allan Pelton en 1879. Elle est conçue pour les hauteurs de chute de plus de 200 mètres. D’après le calcul de la vitesse spécifique, ces turbines sont adaptées à des chutes dites « hautes chutes » (> 400 m) avec un faible débit d’eau (< 15 m³/s).La vitesse maximale du jet en sortie de l’injecteur satisfait la relation : VM= 2gh
Figure I. 30: Coupe d’une turbine Pelton (gauche) et photo (droite)
[62] [63] [64] [66] [69] [71] [80]
La turbine Francis
La turbine Francis a été conçue par James B. Francis en 1868. Elle est une turbine dans laquelle le fluide rentre sous une grande pression et transmet son énergie aux pales solidaires au rotor. A la sortie le fluide a une vitesse faible et peu d’énergie. La forme du tube de sortie est conçu pour décélérer le fluide et le faire remonter en pression. Elle est prévue pour des chutes moyennes, voire hautes.
Les caractéristiques habituelles des turbines Francis sont les suivantes : le diamètre de la roue est de quelques décimètres à environ 10 mètres, la vitesse de rotation est de 70 à 3 000 tr/min et le rendement énergétique : de 80 % à 95 %.
Figure I. 31: Coupe d’une turbine Francis (gauche) et photo (droite) [62] [63] [64] [66] [69] [71] [80]
La turbine Kaplan
La turbine Kaplan a été inventée en 1912 par Viktor Kaplan. Elle est adaptée pour les faibles chutes de 10 à 30 m de hauteur, et les très grands débits de 5 à 100 m3/s. La vitesse de rotation varie de 50 à 250 tr/min. La turbine Kaplan se différencie des autres turbines à hélices par ses pales dont on peut faire varier l’angle en opération. Cela lui permet d’avoir un rendement énergétique élevé pour plusieurs conditions de débit d’eau. Son rendement atteint normalement entre 90 % et 95 %.
Figure I. 32: Coupe d’une turbine Kaplan (gauche) et photo (droite) [62]
[63] [64] [66] [69] [71] [80]
La turbine Cross Flow ou Banki
Elle a été développée par Anthony Michell, Donát Bánki et Fritz Ossberger. Ces turbines ont l’avantage de fonctionner sur une large plage de débit. Les hauteurs de chute possibles vont de 2 à 200 m. Les débits sont le plus souvent inférieurs à 10 m3/s [67] [81].
Figure I. 33: Coupe d’une turbine Cross Flow ou Banki (gauche) et photo (droite) [67] [81]
Les turbines de Turbiwatt
Turbiwatt propose quatre gammes de turbines à usage professionnel, conçue autour de trois diamètres différents qui permettent de couvrir la quasi-totalité du potentiel hydroélectrique pour des basses et très basses chutes d’eau [83].
Léopard T400 de 3 à 10 kW : 1,20 à 6 m et 90 à 250 L/s ;
Lion T800 de 6 à 60 kW : 1,20 à 8,00 m et débit de 250 à 1400 L/s ; Tigre T1300 de 24 à 120 kW : 1,20 à 7 m et débit de 700 à 3600 L/s ; Lynx T250 de 400 à 800 W : 1,20 à 2,00 m et débit de 50 à 70 L/s.
La turbine Wells
Figure I. 34: De gauche à droite-turbine Lynx, Léopard, Lion et Tigre [84]
La turbine Wells est assez peu connue. Elle utilise le mouvement de l’air provoqué par le mouvement des vagues à travers un tube vertical pour produire de l’électricité. Ce principe a été développé par Alan Wells. Mais, le principal inconvénient est l’impossibilité d’auto-démarrage. Pour lancer la turbine, la génératrice doit être momentanément utilisée comme moteur ; ce qui consomme de l’énergie.
De manière générale, les turbines hydrauliques sont classées en deux grandes familles
[64] [81]:
Les turbines à action ; Les turbines à réaction.
Sélection d’un ou plusieurs types de turbines
La puissance hydraulique doit être transformée en puissance mécanique qui sera utilisée directement (moulins, pompes, etc.) ou sera à son tour transformée en puissance électrique. Le passage puissance hydraulique – puissance mécanique se fait grâce à une turbine qui est mise en rotation par le flux de l’eau.
La sélection d’un type de turbine va être fonction non seulement de la hauteur de la chute nette et du débit, mais aussi des données spécifiques du site sur lequel la machine sera installée. La hauteur de la chute nette peut varier :
en fonction du débit (pertes de charge) ;
en fonction des conditions hydrologiques extrêmes (par exemple élévation du niveau aval en cas de crue) ;
en fonction du concept de l’aménagement (hauteur de chute variable dans un réservoir d’accumulation par exemple).
Il est donc utile d’établir le plus exactement possible les conditions d’exploitation en gardant en mémoire qu’une turbine à réaction de type Francis ou Kaplan s’adapte mieux à des fortes variations de chute relative qu’une turbine à action Pelton ou Crossflow. Dans la figure I.37, on présente le domaine d’utilisation des différents types de turbines (chutes nettes, débits, puissances) en fonction de chute nette et débit d’eau [62] [64].
Il existe quatre types principaux de turbines : Pelton
Francis Kaplan
Crossflow
Hauteur de la chute nette Hn
Figure I. 35: Domaine d’utilisation des différents types de turbines [62] [64]
Le débit à disposition et sa variation annuelle va également influencer le choix de la turbine :
débit constant (eau excédentaire en permanence) turbine à ouverture fixe, par exemple pompe inversée, turbine hélice à pales fixes, Pelton à injecteur fixe ;
débit peu variable, la turbine fonctionne peu d’heures par année à faible charge.
Dans ce cas, une turbine Francis ou une turbine Kaplan à distributeur fixe avec un excellent rendement au débit nominal et défavorable en dessous de 40 % de ce débit peuvent présenter un meilleur bilan économique qu’une turbine Crossflow qui est moins chère, mais avec un moins bon rendement de pointe ;
débit très variable : la turbine fonctionne souvent à faible débit.
Dans ce cas, une turbine Crossflow peut être plus favorable qu’une turbine Francis malgré son rendement maximum inférieur. Une turbine Pelton à jets multiples est supérieure à une turbine Francis, une turbine Kaplan à double réglage meilleure que des machines à simple réglage de prix inférieur. Dans certains cas, l’installation de deux turbines peut constituer la solution énergétiquement et économiquement la plus favorable (2 turbines accouplées à un générateur ou 2 groupes indépendants). La forme des courbes de rendement, ainsi que les valeurs maximum indiquées à la figure I.38 permettent une comparaison entre les divers types de turbines.
1
4
3
2
Rendement
des
turbines
Débit relatif Q/Qmax Figure I. 36: Forme des courbes de rendement de différentes turbines
pour des débits variables [62] [64] [76]
Questions Fréquemment Posées
Quels sont les types de centrales hydroélectriques?
Les centrales hydroélectriques se distinguent par leur hauteur de chute d’eau : les centrales de haute chute, de moyenne chute, de basse chute et les centrales marémotrices.
Quelle est la différence entre une centrale de haute chute et une centrale de basse chute?
Les centrales de haute chute ont une hauteur de chute supérieure à 200 m et utilisent des turbines Pelton, tandis que les centrales de basse chute ont une hauteur de chute inférieure à 30 m et utilisent des turbines Kaplan.
Comment fonctionne une centrale de pompage et de turbinage?
Le système de turbinage produit de l’énergie électrique, tandis que le système de pompage consomme de l’énergie pour remonter l’eau d’un bassin inférieur à un bassin supérieur.