II Le fonctionnement des barrages

    On peut classer les barrages en fonction de leur hauteur de chute, c'est-à-dire de la différence d'altitude entre le miroir théorique du réservoir plein et la turbine. Cette hauteur de chute détermine les types de turbines utilisées.

On distingue ainsi:

    Les barrages qui entrent dans cette catégorie sont ceux dont la hauteur de chute (dénivellation de la conduite forcée) est de plus de 200 mètres. Ils se trouvent surtout en haute montagne, sur des rivières à petit débit (fort dénivelé sur de courtes distances).

L’eau est retenue par le barrage et évacuée par des conduites forcées vers la turbine qui se trouve souvent dans une centrale éloignée du barrage. Ces barrages sont en général de type voûte.

   Les turbines associées à ce type de centrales sont nommées Pelton.

    Les centrales de moyennes chutes sont caractérisées par une hauteur de chute comprise entre 50 et 200 mètres. Elles se trouvent généralement en moyenne montagne et utilisent les réserves d'eau accumulées sur de courtes périodes. Ces centrales d'éclusée servent pour la régulation journalière ou hebdomadaire de la production.

   Les usines de moyenne chute sont équipées de turbine Francis, qui permettent l'utilisation de l'eau à moyenne pression.

    Les centrales au fil de l'eau sont caractérisées par un débit très important, mais avec une faible hauteur de chute : inférieur à 50 mètres. Elles se trouvent sur les grands fleuves et fonctionnent au fil de l'eau, en produisant de l'électricité sans interruption.

   Les barrages de basse chute sont équipés de turbines à réactions de type Kaplan, avec des pales s'orientant en fonction du débit.

Entre ces trois types de classement, il n'existe pas d'équivalence stricte mais une forte corrélation. Les centrales au fil de l'eau ont en général un remplissage quotidien avec des apports réguliers, et de faible hauteur de chute ; les éclusées ont un remplissage quotidien ou hebdomadaire influencé par la saison (saison de crues) et des hauteurs de chute moyenne, plus rarement haute ; enfin les lacs ont des remplissages en général saisonniers (fonte des neiges ou saison des pluies) et des hauteurs de chutes importantes.

     La turbine est un des éléments clés des barrages hydroélectriques. En effet, située en aval du barrage, c'est elle qui, actionnée par l'écoulement de l'eau, va activer un alternateur, pour produire l'électricité.

Elle peut utiliser principalement la pression de l'eau (de type Francis), la vitesse de l'eau (type Pelton), ou encore un gros débit (type Kaplan).

On distingue deux grandes familles de turbines :

• Les turbines à action (ou impulsion), qui sont préférentiellement utilisées sur des sites de moyennes et hautes chutes. Elles peuvent générer de l'énergie avec des hauteurs d'eau importantes. Elles transforment l'énergie cinétique d'un jet d'eau à très haute vitesse et la transmettent à une turbine.

• La seconde famille est celle des turbines à réaction, c'est-à-dire les turbines qui combinent la puissance cinétique de l'écoulement du fluide et l'apport de la pression pour les transformer en énergie mécanique et par la suite, en énergie électrique. Ce type de turbine est généralement utilisé pour les barrages de basses chutes.

    Dans une installation employant une turbine hydraulique, on trouve toujours un réservoir, qui permet à l’eau de s’écouler jusqu’à l’entrée de la turbine. C’est un distributeur, qui dirige convenablement le jet d’eau pour qu’il arrive sur la roue mobile avec le minimum de perte. La roue de la turbine, équipée d’augets (ou ailettes), est mise en rotation par la force centrifuge de l’eau sous pression. C'est la puissance de l'eau qui fait tourner la turbine, elle dépend donc du débit, de la hauteur de la chute et aussi de la différence de hauteur entre la turbine et le barrage.

    Un transformateur élève alors cette tension produite par l'alternateur pour qu'elle puisse être facilement transportée dans les lignes à haute et très haute tension. A la sortie de la turbine, l'eau qui a perdu son énergie est rejetée dans la rivière via un canal de fuite.

Il existe beaucoup de modèles de turbine, voici les plus utilisées :

     Les turbines Francis sont des turbines à réaction, adaptées pour des barrages de moyennes chutes, pour des puissances et débits moyens.

    Actuellement, ces machines sont toutes montées avec une bâche spirale qui alimente le distributeur. C'est une conduite en forme de colimaçon de section progressivement décroissante reliée, d'une part à l'extrémité aval de la conduite forcée, et d'autre part à la section d'entrée du distributeur. La bâche est tracée de telle façon que le débit passant à travers chaque arc de cercle de la section d'entrée du distributeur soit constant.
Le distributeur est constitué par une série de directrices (aubes rotatives) entraînées par des biellettes liées à un cercle de vannage.
Celui-ci est mis en rotation par la tige de commande du distributeur qui l'entraîne par deux tirants.
La roue de la turbine est placée à l'intérieur des distributeurs. L'arbre, qui la relie à la génératrice ou à un multiplicateur de vitesse, est guidé par le palier principal de la turbine.

    Les turbines Pelton sont des turbines à action. En effet, 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. Elles ont été conçues pour les hautes chutes avec un faible débit.

    Ce type de turbine ne dispose pas de diffuseur (ou aspirateur) en sortie d’eau, car celle-ci s’écoule librement à la pression atmosphérique dès l'instant où elle quitte l'injecteur sous forme de jet. Plus précisément, le jet se partage en deux au moment où il atteint l'auget, chaque demi-jet est ensuite dévié par la forme concave de l'auget dans lequel il s'écrase (transmettant ici son énergie cinétique au mouvement de la roue). Puis l'eau s'échappe latéralement de la roue avec une vitesse résiduelle faible. Elle est finalement récupérée par la bâche, le long de laquelle elle s'écoule par gravité.

    Les turbines Kaplan sont des turbines à hélices de type « à réaction ». Elles conviennent particulièrement aux faibles hauteurs de chute et forts débits.

Les turbines Kaplan et hélices se différencient 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.

Il y a donc les turbines :

• à hélice, pâles fixes et directrices fixes pour un débit fixe ou très peu variable.

• semi Kaplan, pâles fixes directrices mobiles pour un débit variable.

• Kaplan, pâles et directrices mobiles pour un débit très variable.

   Pour mieux nous rendre compte du fonctionnement des turbines hydroélectriques, et plus globalement, des barrages nous avons réaliser une turbine hydroélectrique. Nous avons donc pus calculer les paramètres essentiels d'une installation (hauteur de chute, débit,...) que nous allons developper dans la prochaine partie.

Vidéo expérience 1 : Turbine hydroélectrique

    La puissance disponible résulte de la conjonction de deux facteurs : la hauteur de la chute (vue précédemment) et le débit.

Potentiel théorique brut : D'une façon très générale, le potentiel hydroélectrique d'un bassin peut être défini comme la somme de toute l'énergie brute de ruissellement, que l'on pourrait théoriquement obtenir par le produit suivant :

Pt = Q*h

c'est-à-dire le débit Q, dont l'unité est le m³/s, multiplié par la dénivellation, la hauteur de chute h, en mètres.

Il faut multiplier alors le produit Q*H par g = 9.8 N.kg^-1pour obtenir la puissance P en kilowatts. L'équation théorique est donc :

P = g*Q*h

 Un barrage est soumis à de nombreuses forces. Ces forces sont dues, en grande partie à la pression de l'eau exercée sur ses parois.

   L'eau en mouvement agit sur les pales de la turbine. On va en fait exprimer le travail en Joules effectué en une seconde (le travail sera donc en Watts) par le poids de l'eau tombant d'une hauteur de chute. On considère en effet que l'unité du travail sera le Watt, car le Watt est le Joule par unité de temps. La force en Newtons exercée par l'eau de masse m en kg sur les pales de la turbine est son poids P, dont l'intensité est : P = m*g N (g = 9.8 N.kg-1). C'est pourquoi on parle d'énergie de pesanteur.
Le travail moteur W effectué par l'eau sur la hauteur de chute h en mètres est : W(P) = P*h Joules.

Or on peut utiliser le débit de l'eau pour exprimer l'intensité de son poids : Le débit exprime un volume d'eau qui peut s'écouler par unité de temps. On considère que la masse volumique μ (μ = m / v) de l'eau en question est 1 000 kg.m³. Donc la masse d'1 m³ d'eau est 1 000 kg. Revenons au débit : un débit de 1 m³/s par exemple sera l'équivalent d'un « débit » de 1 000 kg.s-1, de 1 tonne.s-1.

    Pour obtenir l'intensité du poids de l'eau, on doit donc multiplier le débit en tonne.s-1, qui représente une masse par unité de temps mille fois supérieure à l'unité du système international, par g (on obtient alors des kN.s-1). Enfin, pour obtenir le travail effectué par l'eau, on multiplie le dernier résultat par la hauteur de chute (on obtient des kilowatts).
On peut donc dire que la puissance (ou le travail qui peut être effectué en une seconde) de l'eau dépend de la force exercée, liée au débit, et de la hauteur de chute d'où elle tombe.

 Mais il existe des pertes, qui diminuent le rendement égal à 1 dans une situation idéale et le ramène à 0,7 environ.

   Il est impossible de stocker l'électricité, il faut donc que celle fournie par les turbines soient presque instantanément utilisée dans les foyers. C'est pourquoi les ingénieurs ne font fonctionner les usines que pendant les « heures de pointe ».

  Dans l'expérience 1, nous utilisons le robinet comme source d'eau. Nous avons calculé sa puissance maximale.

 Pour remplir 2,5 Litres, il nous a fallu 8 secondes. Ce qui nous amène au calcul suivant :

g = 9.8 N.kg^-1

Q = (2,5/8)/1000

Q = 0,00032 m³/s

h = 10 cm soit 0,01 mètre

P = g*Q*h

P = 9,8*3,2*10^-4*0,01

P = 3,1392*10^-5 kW