2014/2015. TPE Hydroélectricité. VERNHES Romaric GUIRAUD Marc. Lycée La Trinité

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1 2014/2015 TPE Hydroélectricité VERNHES Romaric GUIRAUD Marc Lycée La Trinité

2 SOMMAIRE Introduction p3 I) Expérience p4 o a) Basse chute p7 o b) Haute chute p9 o c) Comparaison des résultats p11 II) Etude de cas p12 o a) Présentation des lieux p14 o b) Calculs p16 Conclusion p19 Bibliographie p20 Annexes p21 2

3 INTRODUCTION L'énergie hydraulique est la première des énergies renouvelables au monde. En France, la part de l hydraulique dans la production électrique s'élève à 11,7%. C'est la deuxième source de production derrière le nucléaire (74,8%). Dans notre pays, la production hydroélectrique équivaut à la consommation domestique annuelle des habitants de la région Île de France. EDF est le 1er producteur hydroélectrique de l Union Européenne avec plus de MW de puissance, installé à travers 435 sites de production hydraulique allant d une dizaine de kw jusqu à plusieurs centaines de MW. Sa souplesse de fonctionnement et sa rapidité d utilisation font d'elle un moyen d ajustement lors des pics de consommation en électricité. Pour arriver à de tels résultats, il existe trois types de production : Hautes chutes : les chutes mesurent plus de 200 m Moyennes chutes : les chutes mesurent entre 30 et 200 m Basses chutes (ou au fil de l eau) : les chutes mesurent moins de 30 m Dans le cadre de ce travail, nous étudierons le site du barrage du Laouzas ainsi que l'usine de production de Montahut. Nous allons nous demander : Quel est le type de production le plus adapté pour le site du Laouzas? Dans un premier temps, nous allons vous présenter notre modèle de turbine hydroélectrique, puis nous nous intéresserons plus précisément à l'étude de cas sur le site du barrage du Laouzas ainsi que celui de l'usine de Montahut. 3

4 I) EXPERIENCE MATERIEL UTILISE : - des pièces d'un vieux mécano pour faire la structure de la turbine - des cuillères et de la pate auto-durcissante pour faire la turbine - un tuyau - une réserve d'eau (bidon) Pour ce TPE, nous avons créé un modèle de turbine hydraulique avec des cuillères en plastique et des pièces de mécano. Les premières ont été fixées avec de la pâte auto-durcissante entre deux disques en métal. Le diamètre du tuyau est de 14 mm. Le modèle comporte un siphon qui permet de mettre l'eau en mouvement. Cette eau est stockée dans un bidon de 10 litres. Nous avons rajouté une roue avec un marqueur noir pour pouvoir calculer la vitesse de rotation de la turbine et ainsi comparer les résultats. Photo de la turbine 4

5 Photo d ensemble Schéma de l expérience 5

6 Le but de ces expériences est de comparer deux types de production : basse chute et haute chute. Le seul paramètre que nous avons modifié est la hauteur de chute. La première expérience a été réalisée avec une hauteur de chute de 74 cm et la deuxième avec une hauteur de chute de 2m 93. On peut considérer que la première expérience correspond à une basse chute et la deuxième à une haute chute. Pour ces expériences nous partons du principe que le débit reste constant. Dans la production hydraulique, en plus de la hauteur de chute, un autre facteur permet d'améliorer la production: c'est le type de la turbine. En effet il existe trois principaux types de turbines: La turbine Pelton utilisée dans les productions à haute chute. Des injecteurs placés tout autour de la turbine vont projeter l'eau sous forte pression sur les pâles. La turbine Francis utilisée dans les productions à moyenne chute. L'eau passe à grosse pression dans la turbine qui ensuite transmet son énergie aux pâles. Ensuite l'eau est décélérée par la forme du tube. La turbine Kaplan utilisée dans les productions à basse chute. Elle utilise le même principe que la turbine Francis mais elle forme une sorte d hélice de bateau et les pâles peuvent s'orienter en fonction du débit. La turbine de notre modèle est de type Pelton et ne comporte qu un seul injecteur. 6

7 a) Basse chute lien de la vidéo: Cette première expérience consiste à reproduire une centrale à basse chute. La hauteur de chute y est seulement de 74 cm. Lieu de la première expérience Nous avons utilisé environ 5,5 litres d'eau, avec un débit moyen de 36 cm 3 /s (3.6 x 10-5 m 3 /s). Pour calculer le débit nous avons mesuré le volume d'eau utilisé (5488 cm 3 ) et nous l'avons divisé par le temps que le bidon a mis à se vider (2 min 30s). A l'aide du logiciel Aviméca, nous avons calculé le temps que mettait la turbine pour faire un tour entier. Cette dernière met 0.88s pour faire un tour. Elle fait donc 68 tours/min. 7 Capture d écran d Aviméca pour la basse chute

8 A l aide du logiciel Regressi, nous avons tracé la courbe représentant la fréquence de la roue. Pour améliorer les performances de la turbine, nous avons émis deux hypothèses complémentaires. La première serait de modifier l arrivée d eau de façon à avoir une quantité plus importante : beaucoup d eau avec un débit continu, un petit peu comme l écoulement d un fleuve (toutes proportions gardées). Cela permettrait de compenser la faible chute. La deuxième hypothèse serait de modifier la turbine. Celle-ci devrait ressembler plus à une hélice de bateau. Elle serait donc du type Kaplan. 8

9 b) Haute chute lien de la vidéo: Cette deuxième expérience consiste à reproduire une centrale à haute chute avec une conduite forcée. La hauteur de chute est de 2m93. Lieu de la deuxième expérience Nous avons utilisé 10 litres d'eau, avec un débit moyen de 102 cm 3 /s (1.02x10 4 m3/s) : cm3 en 1 min 38s. Comme précédemment, nous avons mesuré le temps que met la turbine pour faire un tour à l'aide du logiciel Aviméca. Nous avons trouvé que la turbine met 0,70 secondes pour faire un tour. Elle fait donc 85 tours/min. 9 Capture d écran d Aviméca pour la haute chute

10 A l aide du logiciel Regressi, nous avons tracé la courbe représentant la fréquence de la roue. Pour améliorer les performances de la turbine pour cette expérience, nous aurions pu rajouter des injecteurs tout autour de la turbine pour augmenter la puissance de l eau. Mais compte tenu de la masse de la turbine qui est faible cela n aurait pas eu beaucoup d impact. 10

11 c) Comparaison des résultats Après nos expériences, nous avons observé que dans la simulation au fil de l'eau, la turbine tourne à 68 tours/min et celle de la haute chute tourne à 85 tours/min. Nous en déduisons donc que la turbine de la simulation à haute chute tourne plus vite que la turbine de la simulation à basse chute. Or plus une turbine tourne vite plus elle produira d électricité si l alternateur est suffisamment puissant. Nous pouvons donc en conclure qu'avec une même quantité d'eau, la turbine de la simulation à haute chute produira plus d'électricité que celle à basse chute. Il faut toute fois noter que la quantité d eau utilisée pour ces deux expériences n est pas la même car dans la première expérience la faible hauteur de chute ne permettait pas d exercer une force nécessaire pour vider le bidon. 11

12 II) ETUDE DE CAS Localisation du barrage et de l'usine Pour cette étude de cas, nous avons fait une demande de visite à l'usine de Montahut qui nous a reçus le 22 octobre Nous avons pu visiter les deux turbines qui composent l'usine ainsi que les différents matériels de contrôle et le réseau électrique. Ensuite, nous avons pu poser nos questions à M. CRE, un employé travaillant sur le site. 12

13 Questions posées le jour de la visite du site - quel est le débit d'eau à l'usine de Montahut? 20 m 3 /s dans la conduite forcée et 2m 3 /s par injecteur (il y en a ) - quelles sont les caractéristiques de la conduite forcée? (diamètre, longueur, largeur,...) Sa longueur est de 16 km, sa hauteur de 600 m et sa largeur de 2,10 m. - quelle est sa production? 100 MW (2x50), il faut 3 min pour activer la production - Quelle est la retenue d'eau? Elle est de 45 millions de m 3 - Quelle est la date de construction du site?

14 a) Présentation des lieux Barrage du Laouzas : Le barrage du Laouzas a été construit de 1961 à Il a fallu près de m3 de béton. Le barrage mesure 50 m de haut et 295 m de long. Il est de type voûte (c'est à dire qu'il a une forme arquée) et a une capacité de 45 millions de m3 d'eau. Le barrage a été construit sur la Vèbre sous affluant de la Garonne dans le département du Tarn. Il prend aussi de l'eau des ruisseaux du Pradas, Ramières et Rieufrech. L'eau du lac est pompée par la prise d'eau de Laouzas, située sous le lac. Ainsi l'eau est acheminée par une conduite, qui traverse la montagne pour arriver à l'usine de Montahut. Notons que l'eau du barrage de Fraïsse est également acheminée vers le lac du Laouzas par la galerie d'amenée. Lors de nos recherches, nous avons trouvé un témoignage d un ouvrier datant de la construction du barrage : "Avec Jean qui pilotait la bétonnière nous formions une équipe solidaire. Parfois, le travail durait jusqu'à 1 heure voir 2 heures du matin. Ma plus longue prestation a duré 36h d'affilées." Témoignage de Jean Guiraud et Santo Feraco Usine de Montahut : L'usine de Montahut a été mise en service en Elle a une puissance maximale de 100 MW, cela équivaut à la consommation d'une ville d'une centaine de milliers d'habitants. L'usine est composée d'une partie souterraine qui comprend les groupes de production et d'une partie à l'air libre qui est constituée de bâtiments de service et d'un poste de transformation. 14

15 Galerie d'amenée et conduite forcée : La conduite reliant la prise de Laouzas à l'usine de Montahut est composée : d'une galerie d'amenée souterraine qui traverse la montagne (elle fait passer l'eau du versant atlantique au versant méditerranéen) et mesure approximativement 15 km. d'une conduite forcée qui est sur la continuité de la galerie souterraine a pour but d'acheminer l'eau et de la mettre sous pression. Elle a une partie aérienne avec un dénivelé moyen de 30 % et une longueur de 1500 m et une partie souterraine avec un dénivelé de 83 % et une longueur de 150 m. Cette conduite a un diamètre de 2,10 m et la pression maximale supportée est de 52 bars. Puits de Fraïsse : Le puits de Fraïsse permet de relier la prise d'eau de Fraïsse à la première partie de la galerie d'amenée, longue de 4700 m et pouvant être utilisée dans les deux sens. La prise d'eau de Fraïsse étant plus haute que celle de Laouzas, lorsque l'usine ne produit pas, on utilise l'eau du barrage de Fraïsse pour remplir le lac du Laouzas. Cheminée d'équilibre : La cheminée d'équilibre non déversante (dite de Tirecos) est un puits vertical situé en amont de la vanne, tête de la conduite forcée. Elle joue un rôle d'amortisseur qui neutralise les variations de débit de la galerie d'amenée afin d'éviter des coups de bélier lors du démarrage ou de l'arrêt de l'usine. 15

16 b) Calculs Énergie potentielle de l eau en haut de la chute: La formule de l'énergie potentielle est : Epp = mgh Epp en joule (J) g: l'intensité de la pesanteur = 9,81 N/kg m: la masse en kilogramme (kg) h: le dénivelé = h2 (altitude du barrage)-h1 (altitude au niveau de la turbine) h2=775m; h1 =158m donc = 617 m Le débit étant de 20m 3 /s nous utilisons un volume de 20 m 3 et 1m³ d'eau = kg donc 20m 3 = kg Epp= x 9,81 x 617 = 121x10 6 J Epp = 121x10 6 J 16

17 Énergie cinétique de l'eau au pied de la chute: La formule de l'énergie cinétique est : Ec= (1/2) mv² Ec en joules (J) m: la masse en kilogramme (kg) = kg V: la vitesse de l'eau en m/s or qv = V x S donc V= qv/s qv : le débit volumique en (m 3 /s) = 20 m 3 /s V : vitesse du fluide en (m/s) S : section de passage en (m²) S= π x r² = π x 1.05² = 3.46 m² V= 20 / 3.46 = 69.2 m/s Ec= 1/2 (20000x 69.2²) = 47x10 6 J Ec = 47x10 6 J Pertes: La formule pour calculer les pertes entre l énergie potentielle et l énergie cinétique est: Em = Em 2 - Em 1 Em représente les pertes (J) Em1 : l'énergie mécanique en haut de la chute (J) Em2 : l'énergie mécanique de l'eau en bas de la chute (J) Em1= Epp1+Ec1 or en haut de la chute V=0 donc l énergie cinétique est nulle. Em1=Epp1=121x10 6 Em2= Epp2+Ec2 or au pied de la chute h=0 donc l énergie potentielle est nulle. Em2= Ec2=47x10 6 J Em = 47x x10 6 Em = -74x

18 Puissance théorique de l eau: La formule de la puissance est : P=Epp/t P est la puissance en watt (W) Epp est l énergie potentielle en haut de la chute en joules (J) t est le temps pour réaliser la mise en mouvement Epp = 121x10 6 Le débit est de 20m 3 /s donc 20m 3 met 1 seconde pour se mettre en mouvement. donc P= Epp/t P = 121x10 6 /1= 121x10 6 W P= 121 MW Grâce à notre visite nous savons que l usine a une puissance de 100 MW. Or dans nos calculs nous trouvons 121 MW. Cette différence est due au fait que dans le calcul les pertes ne sont pas prises en compte. 18

19 CONCLUSION Durant notre TPE et pour répondre à notre problématique nous nous sommes intéressés à la production hydroélectrique d'une part grâce à un modèle qui nous a servi pour plusieurs expériences, et d'autre part en étudiant le complexe hydroélectrique de Montahut. Le barrage et l'usine sont distants de 16 km avec un dénivelé de 617 m. D'après nos calculs et nos expériences nous en avons conclu que le système de production à haute chute était le mieux adapté. En effet avec une faible quantité d'eau il produit plus d'électricité que le système à basse chute grâce à la hauteur de chute qui permet à l'eau de prendre de la vitesse et permet de compenser la faible quantité d'eau. Bien qu étant classée comme énergie renouvelable l énergie hydraulique n est pas sans conséquences sur l environnement. La construction d un barrage provoque l immersion d une surface importante et modifie l écosystème local. Récemment la construction du barrage de Sivens dans le Tarn a été interrompue en partie à cause de ce facteur. De ce fait d'autres énergies renouvelables sont préférées dans le monde comme l'énergie éolienne en France ou solaire en Allemane. En effet les allemands ont comme projet de fermer toutes leurs centrales nucléaires avant 2022, ils doivent donc développer un système de production électrique de substitution. 19

20 BIBLIOGRAPHIE Introduction: -energie.edf.com -jeunes.edf.com -PDF de EDF: "Notre énergie hydraulique" -Document EDF: "Les barrages et centrales hydrauliques" Expériences: -"Mini- centrales hydroélectriques " de Pierre Lavy -Document EDF: "Les barrages et centrales hydrauliques" -ceyreste.free.fr -PDF de EDF: "Le complexe hydroélectrique EDF de Laouzas-Montahut" Etude de cas: - Livre de physique de 1er S, collection Sirius, édition Nathan - xpair.com - Service de la production hydraulique, groupe régional de production hydraulique Languedoc : chute de Montahut : document interne EDF -PDF de EDF: "Le complexe hydroélectrique EDF de Laouzas-Montahut" -"Mini- centrales hydroélectriques " de Pierre Lavy - fr.topographic-map.com - Google maps 20

21 Annexes Annexe 1 : Certificat de visite 21

22 Annexe 2 : profil en long de l aménagement de Montahut 22

23 23 Annexe 3 : Plan de l aménagement de Montahut

24 24 Annexe 4 : Barrage du Laouzas

25 25 Annexe 5: Usine de Montahut