ENR810 Énergies renouvelables Hydraulique

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1 ENR810 Énergies renouvelables Hydraulique Pierre-Luc Paradis Chargé de cours Patrick Belzile, ing., M.ing. Daniel Rousse, ing., M.Sc.A., PhD Stéphane Hallé, M.Sc.A., Ph.D.

2 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 2

3 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 3

4 Introduction Réf: 253d6aedf83f%7Ck7MGGvfrp8y~.html Actualité LE PLUS GRAND BARRAGE DU MONDE le fleuve Congo, deuxième de la planète pour sa puissance après l Amazone, connaît un dénivelé de 102 mètres sur une distance d à peine 15 kilomètres. Au plus fort de la saison des pluies, en novembre, son débit atteint mètres cubes par seconde. Le Grand Inga nécessiterait la déviation complète du fleuve et la construction d un barrage haut de 205 mètres comportant 52 turbines. 4

5 Introduction Réf: 253d6aedf83f%7Ck7MGGvfrp8y~.html Actualité LE PLUS GRAND BARRAGE DU MONDE le potentiel du Grand Inga est évalué à MW En comparaison, le barrage chinois des Trois-Gorges, le plus important du monde avec ses MW de puissance installée La totalité de la puissance installée d Hydro-Québec est de MW!! 5

6 Introduction Le cycle de l eau 6

7 Introduction 7

8 Introduction Principales centrales hydroélectriques au Québec 8

9 Introduction Nom Quelques unes des principales centrales hydroélectriques au Québec Bassin versant Cours d'eau Robert-Bourassa La Grande La Grande Rivière La Grande-4 La Grande La Grande Rivière La Grande-3 La Grande La Grande Rivière La Grande-2-A La Grande La Grande Rivière Beauharnois Saint-Laurent Lac Saint- François et canal de Beauharnois Manic-5 Manicouagan Rivière Manicouagan La Grande-1 La Grande La Grande Rivière Type Puissance installée (MW) Nombre de groupes Hauteur de chute (m) Mise en service Réservoir , Réservoir , Réservoir Réservoir , Fil de l'eau , Réservoir , Fil de l'eau , Churchill Falls Réservoir Hydro-Québec dispose de la quasi-totalité de la production jusqu'en Visite Oui Oui Oui Oui

10 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 10

11 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 11

12 Les centrales Principe Conversion d énergie potentielle énergie cinétique énergie mécanique (turbine) énergie électrique (alternateur). 12

13 Les centrales Composants d une centrale hydroélectrique 13

14 Les centrales Type de centrales (3 types) Centrales dites "au fil de l'eau", dont la constante de vidage est généralement inférieure à 2 heures. Faible coût, peu d impacts environnementaux, incapable d emmagasiner de l énergie. Constante de vidage: Temps nécessaire pour vider le réservoir si le débit d eau acheminé aux turbines est à son maximum. 14

15 Les centrales Type de centrales Centrales dites «au fil de l'eau» Exemple la centrale de Beauharnois 15

16 Les centrales Type de centrales (3 types) Les centrales "éclusées", dont la constante de vidage est comprise entre 2 et 200 heures. Les lacs (ou réservoirs), dont la constante de vidage est supérieure à 200 heures. 16

17 Les centrales Type de centrales Les lacs (ou réservoirs) Exemple Centrale Robert-Bourassa 17

18 Les centrales Type de centrales Classement par hauteur de chute H H 10m approximatif H 100m approximatif 18

19 Les centrales Mini-centrales Hauteur hydraulique disponible Variations d'écoulement Sédimentation Inondations Turbulence Rivière Mitis, centrale au fil de l eau, 4 MW 19

20 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 20

21 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 21

22 Les barrages Réf: Le barrage doit contrer la poussée de l'eau sur sa paroi Un barrage est soumis à une force horizontale perpendiculaire liée à la pression exercée par l'eau sur sa surface immergée La pression hydrostatique (dans un fluide au repos) Dépend uniquement de la profondeur P F gh Surface PdS P : Pression hydrostatique [Pa] g 3 : Masse volumique du fluide (eau) [kg/m ] 2 : Constante d'accélération gravitationelle 9,81[m/s ] H : Hauteur de la colonne d'eau [m] F: La force à laquelle est soumise le barage [N] S: Surface du barrage en contact avec l'eau [m ] 2 22

23 Les barrages 2 stratégies Résister aux forces avec le poids brut du barrage Reporter les forces vers les rives ou une fondation rocheuse résistante 3 types de barrages Barrage poids Barrage voûte Barrage en remblais Réf: 23

24 Les barrages Barrage poids Barrage dont la propre masse suffit à résister à la pression exercée par l'eau. Ce sont des barrages souvent relativement épais, dont la forme est généralement simple (leur section s'apparente dans la plupart des cas à un triangle rectangle) Réf: 24

25 Les barrages Barrage poids Barrage de la Trenche, Rivière St-Maurice, Québec 25

26 Les barrages Barrage voûte Un barrage voûte a une structure courbée, dont la forme est dessinée de façon à transmettre les efforts de poussée de la retenue vers les rives. Réf: 26

27 Les barrages Barrage voûte la plus grande catastrophe de barrage vécue en France (Malpasset, au dessus de Fréjus, le 2 décembre 1959) Réf: 27

28 Les barrages Barrage voûte Barrage Daniel-Johnson, Réservoir Manic 5 Plus haut barrage à voûtes multiples et à contreforts du monde Longueur de crête : 1,3 km 28

29 Les barrages Réf: Barrage en remblai 29

30 Les barrages Réf: Barrage en remblai Manic 3, Rivière Manicouagan, Québec 30

31 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 31

32 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 32

33 Calcul de puissance Ligne de courant A-B A B 33

34 Calcul de puissance Équation de Bernoulli (en mètre d eau) Entre un point A et B avec échange d énergie (présence d une pompe ou d une turbine) v 2 2 A A B B ha p v h p P B hf 2g g 2g g g Q Q 3 : Débit [m /s] P : Puissance disponible à la turbine [W] p : Pression [Pa] v : Vitesse de l'écoulement [m/s] h : Hauteur [m] g h f 2 : Constante gravitationelle 9,81 [m/s ] 3 : Masse volumique, eau: 1000 [kg/m ] : Pertes de charges m 34

35 Calcul de puissance Pertes dans les conduits h f Pertes de charge totale en mètre d eau [m] 2 l v Relation de Darcy-Weisbach h f f D 2g f Coefficient de friction D Diamètre du conduit [m] l Longueur du conduit ou longueur équivalente du coude, etc. [m] Perte de charge [Pa] p gh f 35

36 Calcul de puissance 36

37 Calcul de puissance Puissance disponible [W] Or p p p A B atmosphérique On néglige la variation avec l altitude 2 ( v ) P g h g hf Q gq h 2 Puissance électrique produite [W] Si on néglige la variation de vitesse de l'écoulement et les pertes de charge P P gq h e conduit turbine alternateur conduit turbine alternateur 37

38 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 38

39 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 39

40 Les turbines Réf: Définition: Appareil de transformation de l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique. 2 types Action Réaction 40

41 Les turbines Réf: Les turbines à action Les turbines à action transforment la pression hydraulique en énergie cinétique par un dispositif fixe (injecteur), avant d'actionner la partie mobile (roue) créant de l'énergie mécanique. C'est le cas des turbines Pelton. 41

42 Les turbines Réf: Les turbines à action 42

43 Les turbines Pelton D 43

44 Les turbines Pelton Turbine à «action». Fonctionne à pression atmosphérique. Conversion d énergie cinétique en travail sous forme de couple. Contrôle de la vitesse relativement aisé. max 95 % 44

45 Les turbines Turgo 45

46 Les turbines Réf: Les turbines à réaction Dans le cas d'une turbine à réaction, la partie mobile provoque au contraire une différence de pression entre l'entrée et la sortie, tel la turbine Francis ou la turbine Kaplan à écoulement axial. L'énergie cinétique de l'eau est pratiquement réduite à zéro, à cause du changement de vitesse que lui fait subir la turbine, et est transformée en énergie mécanique avec la mise en mouvement de la turbine. 46

47 Les turbines Réf: Les turbines à réaction 47

48 Les turbines Francis 48

49 Les turbines Francis Turbine de type «réaction». Complètement submergé. Axe horizontal ou vertical. Diamètre de 30 cm à 10 m (approximatif). RPM de 70 à 1000 (approximatif). Puissance transmise max 80% à 90% Puissance disponible 49

50 Les turbines Kaplan Génération d un couple à partir d une faible hauteur hydraulique 50

51 Les turbines Kaplan Turbine de type «réaction». Fonctionne à faible hauteur hydraulique et à un débit élevé. Plusieurs variantes existent. Variation de la charge par changement de l angle d incidence des pales. 51

52 Les turbines Facteur influençant le choix d un type de turbine: Hauteur (Δh) et débit d écoulement. Coût d entretient. Coût en capital. Sensibilité aux débris en suspension. Contrôle de la vitesse 120 f N p : Vitesse de rotation tours / s f N : Fréquence du réseau p Hz : Nombre de pôles de l'alternateur (14, 16, etc.) 52

53 Les turbines Vitesse spécifique ( sp ): Permet le dimensionnement! la vitesse idéale d'une turbine, qui produirait une unité de puissance pour une unité de hauteur de chute. La vitesse spécifique d'une turbine est donnée par les fabricants (parmi d'autres caractéristiques), et se réfère toujours au point d'efficacité maximum. La vitesse spécifique est le critère le plus important pour trouver la turbine correspondant à un site hydraulique. P sp ( h ) 5/4 53

54 Les turbines Pour un ordre de grandeur Type de turbine Vitesse spécifique Ω sp Hauteur Δh Pelton 10 à à 1300 Turgo 20 à à 250 Francis 30 à a 350 Kaplan 200 à à 40 54

55 Les turbines 55

56 Les turbines Efficacité vs. charge Cavitation 56

57 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 57

58 Plan de la présentation Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L hydroélectricité 58

59 L hydroélectricité Avantages Source d énergie renouvelable avec une efficacité élevée. Sans émission de GES significative. Coûts de maintenance et d exploitation relativement faibles comparés à une centrale thermique ou nucléaire. Probabilité de défaillance faible. Stockage possible. Modulation de la production en fonction de la demande. Échelonnable de 10 kwe à MWe. Durée de vie élevée: 50 ans. Contrôle des inondations et du débit. 59

60 L hydroélectricité Inconvénients Les sites les plus intéressant sont déjà exploités. Impacts sociaux et environnementaux des barrages et des réservoirs. Ex: Complexe des Trois Gorges, Chine Perte de terre cultivable. Faune aquatique (migration des espèces, teneur en O 2 ). Coûts initiaux très élevés. Présence de méthylmercure dans la chair des poissons. Le niveau des réservoirs est influencé par les chutes de pluie et de neige annuelle. 60