Les centrales hydroélectriques (Travaux Pratiques Encadrés - Espaces pédagogiques interactifs)

« changer d'orientation selon le sens de la marée et elle peut donc turbiner aussi bien au moment du remplissage du bassin que de son vidage .

Du fait des contraintes requises, il n'existe que quatre centrales marémotrices dans le monde (Russie , Chine, Canada et France) mais la seule qui fonctionne à Quelle que soit la turbine , elle comporte toujours une partie fixe ou réglable -le distributeur -et une partie mobile -la roue .

Le distributeur a pour fonction de diriger dans les meilleures conditions l'eau sur la roue de la turbine .

La roue , portée par un arbre, transforme l'énergie hydraulique en provenance du distributeur en énergie mécanique .

Ces turbine s entraînent des alternateurs qui sont en groupes verticaux ou horizontaux pour les centrales de haute chute et généralement en groupes verticaux pour les centrales de moyenne et basse chutes .

La configuration de la roue et du distributeur ainsi que la forme des aubes déterminent les différents types de turbines.

Il en existe deux catégories : les turbines à action (turbine Pelton) , dont la pression de l'eau est égale à l'entrée et à la sortie de la roue , et les turbines à réaction (turbine Francis , turbine Kaplan , groupe bulbe) , dont la pression de l'eau à l'entrée de la roue est supérieure à la pression de sortie.

Tur b ine l'elt on Inventée par l'ingénieur américain Lester Allen Pelton (1878} , ce type de turbines est surtout utilisé pour les usines de haute chute.

La turbine Pelton est constituée d'une roue qui tourne le plus souvent autour d 'un axe vertical.

On dit qu'elle est à veine libre , car la roue n'est pas immergée .

Sur le périmètre de cette roue se trouvent fixées des séries de doubles godets métalliques appelés augets séparés par une échancrure médiane .

L'eau sort à très grande vitesse de la conduite forcée et frappe l'échancrure, pour ensuite se partager en deux et finalement arriver dans les augets.

Le système de distribution est assuré par un ou plusieurs injecteurs qui dirigent le jet perpendiculairement à l'axe de la turbine .

Ces injecteurs sont conçus pour produire un jet cylindrique aussi homogène que possib le avec un minimum de dispersion et donc un meilleur rendement.

C'est la seule énergie cinétique du puissant jet qui entraîne les augets.

TURBIN E fRANCIS Du nom de l'ingénieur américain James Bicheno Francis qui l'a conçue en 1849 , la turbine Francis est particulièrement destinée aux chutes moyennes .

Dans ce type de turbines, la roue est immergée et l'axe est presque toujours vertical.

Cette turbine est montée avec une bâche spirale, un conduit métallique en forme de colimaçon qui entoure la turbine et assure l'arrivée régulière de l'eau sur sa périphérie.

La roue se trouve à l'intérieur d'un distributeur constitué d'aubes rotatives appelées directrices.

De par la forme de la bâche et du distributeur , cette eau s'écoule selon un mouvement circulaire et se dirige vers le cœur de la turbine où elle glisse sur les aubages fixes de la roue .

Ensuite , l 'eau est évacuée le long de son axe vers le canal de fuite de la machine par le biais d 'un diffuseur.

Comme pour une aile d'avion , la force portante résulte d'une différence de pression entre les deux faces du profil.

Lorsqu 'une aube se déplace dans l'eau, il se produit sur une des faces (intrados) une zone de surpression et sur l'autre (extrados) une zone de dépression .

L'énergie mécanique est ainsi obtenue à la fois par l'énergie cinétique et la pression de l'eau.

TUR BINE KAP LAN Adapté pour les centrales de basse chute, ce type de turbine a été inventé en 1919 par l'ingénieur autrichien Viktor Kaplan .

Comme pour les turbines Francis à axe vertical , ce sont les aubes du distributeur qui amènent l'eau sur la roue .

Les turbines Kaplan se caractérisent par leur roue dont la forme est celle d'une hélice de bateau.

Ses performances sont importantes sur une large variation de hauteur et de charge car les pales sont à pas variable, ce qui permet d'ajuster l'angle entre les pales et la chute d'eau ainsi que la vitesse d'écoulement.

GROUP E BULB E Les groupes bulbes ont été spécialement conçus pour l'usine marémotrice de la Rance mais ils ont, à ce jour , presque supplanté les turbines Kaplan pour les centrales de basse chute .

Si la roue est semblable à celle des turbines Kaplan, les groupes bulbes n 'ont pas de bâche spirale ni de diffuseur.

Leur axe est horizontal , dans le sens de l'écoulement de l'eau, et ils sont totalement immergés dans le conduit hydraulique reliant les biefs amont et aval de l'aménagement au travers du barrage de retenue .

De plus , les groupes bulbes peuvent fonctionner dans les deux sens d 'écou lement et cela non seulement en turbine mais également en pompe .

L'alternateur se trouve à l'intérieur d'un conteneur étanche en forme de bulbe .

Les barrages jouent un rôle essentiel pour les centrales hydroélectriques : retenir une énorme masse d'eau pour la turbiner quand cela est nécessaire .

Ils doivent pour cela être capables de résister à la poussée des plusieurs millions de mètres cube d'eau.

La pression dépend de la hauteur de l'eau et non du volume ou de la surface du lac.

De plus, cette pression varie sur toute la hauteur du barrage : elle diminue à mesure que l'on se rapproche de la surface.

Le type de barrages est choisi selon la nature du terrain et l'importance du débit d'eau .

LE BARRAGE- POID S Bien adapté aux vallées larges ayant une fondation rocheuse , le ba"age · poids oppose sa masse à la poussée de l'eau.

Son profil est un triangle rectangle : la paroi se trouvant du côté réservoir est verticale, ou presque, alors que son parement aval est incliné .

Ce type de barrages est très stable et sollicite très peu la résistance des berges, mais son inconvénient est qu'il nécessite une quantité considérable de béton .

Pour pallier ce problème, la structure a été allégée en supprimant du béton superflu , grâce à la création d 'arcades ou de niches sur le parement aval , en réduisant la surface d'assise au sol.

Il existe d'autre part des barrages­ poids qui ne sont pas en béton mais en matériaux meubles ; il s'agit soit de barrages en terre soit de barrages en enrochements.

Les premiers sont constitués d 'un seul matériau meuble assez imperméable pour assurer à la fois l'étanchéité et la résistance .

Les deuxièmes sont en général constitués d'éléments rocheux dont on assure l'étanchéité par un organe placé soit dans le remblai de pierres , il est alors appelé écran , soit sur le parement amont , alors appelé masque.

L E BA RRAGE·VO ÛTE Utilisé surtout dans des sites étroits dotés de bons appuis, le barrage -voûte repose sur un principe similaire à celui des voûtes des cathédrales.

En elfe~ grâce à une forte courbure horizontale et parfois une faible courbure verticale, le barrage -voûte reporte les efforts de poussée de l'eau sur les flancs de la vallée .

Le côté convexe est orienté vers la retenue d 'eau.

La base du barrage est plus épaisse et doit être plus avancée que le sommet afin de concentrer davantage la pression de l'eau.

Cette structure permet d 'utiliser moins de matériau et d'utiliser au mieux la résistance du béton à supporter les efforts de compression .

LE BARRAGE À CONTREFORTS Le bam1gt .; contnforts est plutôt réservé aux vallées larges et quand le terrain d'appui n'est pas de qualité .

Il est constitué de contreforts, c'est-à -dire de murs triangulaires parallèles orientés dans le sens de la vallée, et de bouchures entre contreforts pour leur transmettre la poussée de l'eau .

Les contreforts , en général très inclinés, reportent directement l'effet de la poussée de l'eau sur le sol.

L'essentiel du poids du barrage est réduit aux contreforts mais bien qu'ils utilisent 35 à 50 % en moins de béton que les barrages-poids , leur coût est grevé par l'installation en acier nécessaire pour les consolider .

DES CENTRALES À FONCTIONS MULTIPLES Contrairement à la plupart des autres sources d 'énergie, les aménagements des centrales hydroélectriques sont susceptibles d'être multi-usages .

Les réserves d'eau des hauts barrages peuvent, par exemple, être utilisées pour l'irrigation des terres cultivées , en particulier en période de sécheresse , ainsi que pour l'approvisionnement de certaines villes en eau potable .

En France , trois quarts des réserves d'eau de surface sont stockés dans les retenues de barrage .

Quelques fois, l'objectif principal n 'est pas la production d'électricité mais le contrôle des crues .

En régulant le niveau de certains fleuves, l'imp lantation d'équipements hydroélectriques a aussi amélioré la navigation fluviale avec, dans ce cas, la construction d'écluses pour le passage des bateaux .

Enfin, ces réservoirs d'eau ont constitué une opportunité pour d'autres activités économiques, en particulier les sports nautiques et la pèche.

!:IMPACT SUR !:ENVIRONNEMENT L'hydroélectricité est considérée comme une source d'énergie propre car elle ne rejette pas de gaz à effet de serre et ne produit pas de déchets .

Néanmoins , l'installat ion d 'un barrage hydroélectrique et les opérations d'entretien peuvent occasionner des effets dommageables sur la faune (en particulier les poissons) et la flore .

La création d'un lac de retenue nécessite donc une étude définissant les espèces vivantes dans cette zone afin de ne pas faire disparaître d'espèces endémiques .

De plus, certains barrages sont devenus des obstacles infranchissables pour les poissons migrateurs .

Ce problème est en train d'être résolu grâce à différents types de passes à poisson adaptés selon les espèces migratrices , la topographie et l'hydrologie.

En ce qui concerne les vidanges périodiques des retenues , indispensables pour l'entretien et le contrôle de la sécurité des barrages, elles sont accompagnées de mesures telles la récupération des poissons et la vérificat ion de la qualité de l 'eau.

Enfin, pour préserver les poissons aux différents stades de développement (alevins , juvéniles, adultes et fraies), on détermine un débit minimum, appelée débit réserve, à l'aval de chaque barrage .

Les trois principaux types de turbines turbine PELTO N tu rb in e FRA NCIS turbine KAPLAN. »