Techniques

Une installation hydroélectrique comporte deux éléments principaux :

1. une roue appelée turbine qui transforme l’énergie hydraulique de l’eau en énergie mécanique

2. une génératrice qui transforme l’énergie mécanique issue de la turbine en énergie électrique

L’eau est amenée par une conduite forcée ou un canal (bief) provenant d’une retenue ou d’un piquage sur une canalisation existante. La force de l’eau actionne la turbine qui entraîne soit directement des machines (meules, scies, etc.) pour une exploitation mécanique, soit un générateur électrique. L’eau est ensuite restituée à son milieu par un canal de restitution.

La puissance électrique d’une installation hydraulique est déterminée à partir :

• du débit d’eau
• et de la hauteur de chute Ces deux éléments sont donc à mesurer précisément pour analyser le potentiel d’un site.

La règle de calcul simplifiée utilisée est la suivante :

P = 7 x Q x H

P : puissance maximale brute en kilowatts (kW)
Q : débit maximum en m3/s
H : hauteur nette de chute en m (hauteur entre le point de la prise d’eau et le niveau le plus bas de l’eau rendue à la rivière)
7 est un coefficient tenant compte de l’accélération de l’apesanteur (9,81 N/m²) et des divers rendements des machines

Attention : plus la chute d’eau est basse, plus le débit d’eau nécessaire est important. Or plus le débit d’eau est grand plus la machine à installer est grosse, donc chère. Par conséquent un projet hydraulique est réalisable si la hauteur de chute est supérieure à 2 ou 3 mètres de chute.

Les différentes turbines

Le type de turbine à utiliser dépend des caractéristiques du site : hauteur de chute disponible sur le site, débit et variabilité du débit.

  Petites chutes (<10 m)

• roue à aube : c’est la plus ancienne des turbines, celle 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 m. Elle nécessite l’ajout de matériel de multiplication avec un fort coefficient.
• turbine Kaplan ou de type hélice : Elle est utilisée lorsque le débit d’eau est compris entre 300 et 10 000 l/s et pour des hauteurs de chute jusqu’à 15 à 20 m. Elle se sert de la force d’écoulement de l’eau pour tourner et fournit une puissance de quelques kW à plusieurs centaines.

  Chutes moyennes (10 à 100 m)

• turbine Francis (roue à pale) : Elle est utilisée pour des débits de 100 à 6 000 l/s. Son prix est élevé mais son rendement est excellent si le débit varie de 60 à100 % du débit nominal. Elle fonctionne sans multiplicateur.
• turbine Banki-Mitchell ou à flux traversant : Elle est utilisée jusqu’à 200 m de chute, pour des débits allant de 20 à 7 000 l/s. 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.

  Chutes de haute montagne

• turbine Pelton (50 à 1000m et +) : Elle s’utilise avec des débits de 20 à 1 000 l/s et fournit une puissance de plusieurs centaines de kW. Elle peut être liée directement avec la génératrice.
• turbine Turgo (entre 30 et 300 m de chute) : Son petit diamètre lui permet d’être directement couplée au générateur.

Quelle turbine choisir ?

Source AJENA

Les différentes génératrices

• Génératrice asynchrone : C’est la génératrice la plus répandue car simple de construction, robuste et au coût avantageux. Elle est essentiellement utilisée pour l’injection de l’électricité sur le réseau. Son rendement est moins intéressant que celui de l’alternateur.
• Génératrice synchrone ou alternateur : Elle est généralement utilisée pour de l’autoconsommation sur le site de production, sans raccordement au réseau. Son rendement est excellent mais son prix n’est pas intéressant pour des installations de faible puissance.
• Génératrice à courant continu ou dynamo : Elle doit être exclue si l’électricité produite est injectée sur le réseau et doit être réservée aux utilisations sur le site, d’autant plus que le stockage en batterie est facilité. Son prix est abordable.

Stockage d’énergie

La plupart des petites installations hydroélectriques fonctionnent « au fil de l’eau », c’est-à-dire sans stockage : elles ne modifient pas le régime des eaux et vivent au rythme des saisons, des pluies et de la fonte des neiges.

A l’inverse une grande centrale hydroélectrique stocke l’eau dans un réservoir : le barrage hydraulique.

Il est cependant possible pour une petite centrale hydraulique de réaliser un stockage d’énergie grâce à une retenue d’eau, un étang par exemple.

Impact sur la vie aquatique

Lorsque cela est nécessaire (selon les espèces de poissons vivant dans le cours d’eau et selon si le cours d’eau est une voie de migration), les poissons des cours d’eau franchissent la installation hydraulique grâce à une passe spécialement aménagée et appelée échelle à poisson.

Echelle à poisson

Source ADEME

Par ailleurs un débit réservé minimal garantissant un bon développement des animaux aquatiques est dorénavant établi : ce débit minimal ne doit pas être inférieur à 1/10ème du débit annuel du cours d’eau. L’impact d’une installation hydroélectrique s’avère souvent positif pour la vie aquatique car l’arrêt des déchets flottants par une drome et une grille permet de diminuer la pollution des cours d’eau.

Utilisation de l’électricité produite

  Autoconsommation de l’électricité sur le site de production

L’énergie électrique récupérée peut par exemple permettre l’alimentation d’unités de production d’eau potable ou de centrales de traitement des eaux usées.

Pour un usage domestique, tout appareil électrique économe peut fonctionner grâce à une installation picohydraulique : réfrigérateurs, ampoules, petit électroménager, Hi-Fi et vidéo, appareils de télécommunication, etc. Une vigilance particulière est à apporter à l’Utilisation Rationnelle de l’Energie (URE), afin d’éviter les dépenses inutiles d’énergie. On choisira ainsi des ampoules économes, des réfrigérateurs à isolation renforcée, des prises munies d’interrupteurs pour éviter la veille des appareils, etc.

L’installation électrique du site peut être réalisée

• soit en courant continu : des appareils électriques spécifiques existent pour cet usage et il s’agit en général d’appareils particulièrement économes
• soit en courant alternatif : les nombreux appareils électriques de la grande consommation sont alors utilisables. Dans ce cas, un onduleur est installé pour transformer le courant continu en courant alternatif.

L’électricité produite peut éventuellement être stockée dans des batteries d’accumulation, si des besoins importants sont concentrés sur une courte durée.

  Injection sur le réseau public de distribution

La production électrique peut être injectée sur le réseau et vendue à EDF (ou la régie) à un tarif réglementé. L’électricité produite participe ainsi à l’alimentation des consommations locales et présente ainsi une alternative à la production de l’électricité nucléaire.

Le raccordement au réseau va entraîner des exigences techniques spécifiques pour les systèmes hydrauliques à prendre en compte dans leur coût global, notamment une bonne gestion de l’énergie réactive produite ou consommée par les machines et l’installation d’une protection de découplage adéquate.

Cette protection de découplage est un élément de sécurité important qui permet de supprimer tout risque d’électrocution lorsque des techniciens font une opération de maintenance sur le réseau. Elle déconnecte automatiquement l’unité de production hydraulique du réseau lorsque ce dernier est mis hors tension (coupure de courant de cause accidentelle ou pour travaux).

L’électricité produite et injectée sur le réseau est comptabilisée par un compteur de production électrique préalablement installé par EDF (ou la régie) et est acheté à un tarif fixé par le gouvernement.

Au niveau de l’interface avec le réseau, deux options de branchement sont possibles :

• l’injection de la totalité de la production sur le réseau : dans ce cas, l’intégralité de la production est vendue au tarif réglementé. Un point de branchement spécifique à la production est alors créé par EDF (ou régie). Toute votre consommation est par ailleurs comptabilisée par votre compteur de consommation existant comme auparavant.
• l’injection des excédents (ou surplus) de la production sur le réseau : dans ce cas, la production électrique consommée sur place par les appareils en cours de fonctionnement (appelée autoconsommation) n’est pas comptabilisée par le compteur de production, mais vient réduire le décompte de la consommation. Seul le surplus de la production par rapport à vos consommations instantanées est vendu.

Le raccordement au réseau public de distribution impose quelques démarches administratives particulières, à savoir :

• La déclaration de votre système au niveau du ministère avant sa mise en service
• La contractualisation avec EDF (ou la régie) d’un raccordement et d’un accès au réseau : vous signez alors un contrat de raccordement . Des charges annuelles d’accès au réseau vous seront facturées par EDF (ou la régie) en échange de la mise à disposition du réseau.
• L’assurance responsabilité civile du système de production
• La signature avec EDF (ou la régie) d’un contrat d’obligation d’achat pour bénéficier de la vente de l’électricité au tarif réglementé et facturer l’électricité produite chaque année

  raccordement au réseau en site sécurisé

Pour certains sites raccordés particuliers au réseau, il est souhaité que le système photovoltaïque puisse apporter un secours d’alimentation en cas de défaut réseau : c’est le cas des sites installés en bout de ligne ou dans les zones non interconnectée (DOM par exemple) où les chutes de tension peuvent endommager les appareils électroniques utilisés et altérer le confort de l’installation électrique.

Pour ces sites, il est possible de combiner les éléments d’un site raccordé au réseau et ceux d’un site isolé, il s’agit du site « sécurisé ». En cas de coupure réseau, la protection de découplage stoppe l’injection de l’électricité produite sur le réseau et la production est basculée sur un circuit électrique de secours parallèle alimenté par batteries d’accumulation.

Cas spécifique du turbinage sur canalisation

Une technique récente est le turbinage de la pression excédentaire des canalisations en eaux usées ou potables, particulièrement en zone montagneuse. La différence d’altitude entre le captage et le réservoir, ou entre deux réservoirs, ou le débit du trop plein d’un réservoir, génèrent de l’énergie exploitable.

L’avantage considérable de cette technique est de valoriser énergétiquement des canalisations déjà existantes, tout en limitant au maximum l’impact sur l’environnement.

• Turbiner l’eau des canaux d’irrigation

Ces installations de taille limitées sont rapidement rentables et quasiment sans impact sur l’environnement.

Exemple : A 20 km de Gap (05) les terrains de la commune de Bénévent-Charbillac sont en partie irriguée par un réseau de canaux. Dans le cadre d’un projet relatif aux économies d’énergie partiellement financé par l’Union Européenne, la commune a décidé de rénover et d’étendre le système d’irrigation en remplaçant un canal de 3 km par une conduite en béton qui alimente au passage un système picohydraulique. La vente de l’énergie à EDF rapporte à la commune une recette annuelle de l’ordre de 150 000 €.

• Turbiner l’eau potable

Cette solution est intéressante pour les villes de montagne qui sont alimentées en eau potable via des conduites forcées avec brise-charge installée le long d’une pente : dans ce cas les frais sont réduits puisque la conduite est déjà existante. A noter qu’un système hydroélectrique peut faire office de brise-charge.

Quelques contraintes sont à respecter :

• La fiabilité de distribution de l’eau passe avant la récupération d’énergie. C’est-à-dire qu’une panne, même courte et sans conséquence, de l’installation hydroélectrique ne doit jamais entraîner une coupure d’eau pour le consommateur. Ce système est résolu facilement en installant une vanne « by-pass » fiable : en cas de coupure de courant et d’arrêt de la turbine, l’eau est immédiatement déviée de manière à alimenter le réseau de distribution
• Utilisation de graisses alimentaires de manière à éliminer le risque de contamination de l’eau par des lubrifiants
• Joints étanches, montages des paliers à l’extérieur de la machine, collecteur de sortie démontable, etc... permettent d’éviter une pollution due à la présence de corps étrangers dans l’eau : partie mécanique tombant dans l’eau lors d’une vérification par exemple
• Eventuellement filtration de l’air aspiré par la turbine

Exemple : plusieurs villes ont déjà choisi ce genre d’équipement dont Domène et Vif près de Grenoble, Marseille, Grasse, Châteauneuf-de-Grasse, etc.

• Turbiner les eaux usées

Selon la configuration des lieux deux solutions existent :
1. turbiner l’eau à l’entrée de la station d’épuration avant son épuration (station située en aval de la ville). Dans ce cas il faut prendre des précautions avant le passage de l’eau dans la turbine afin de la débarrasser de tous les déchets solides qui pourraient abîmer la roue ou boucher l’ensemble
2. turbiner l’eau à la sortie de l’usine d’épuration (station d’altitude) ; solution plus facile qui fait l’économie de dégrilleurs, tamiseurs, etc...

Publié le 11 avril 2006.