Les Turbines Hydrauliques (ex:Barrages)

Introduction

Actuellement dans le monde, les êtres humains consomment de plus en plus d’énergie. En effet l’énergie est le moteur de l’ensemble de notre système de production, et par conséquent, un enjeu économique de la plus grande importance. Une partie importante de cette énergie est consommée sous forme d’électricité, en effet, il ne se passe pas un jour sans que nous n’utilisions l’énergie électrique : les appareils fonctionnant à base d’électricité sont de plus en plus nombreux. L’électricité peut être fabriquée de différentes façons. Par exemple, des centrales électriques utilisent les énergies fossiles telles le gaz, le charbon ou le pétrole. Ces centrales sont appelées centrales thermiques. L’énergie nucléaire est également utilisée, de même que les énergies renouvelables comme le vent, le soleil ou l’action de l’eau. .........lire la suite

Mais les réserves en énergies fossiles sont limitées et elles ont des concéquences néfastes sur l'environnement (effet de serre, pluies acides, ...), et les scientifiques s’accordent à dire qu’elles seront probablement épuisées dans quelques décennies. De plus, l’énergie nucléaire peut s’avérer particulièrement dangereuse et provoquer des accidents dramatiques (comme à Tchernobyl en 1986), et le stockage des déchets radioactifs à long terme pose problème... C’est pourquoi l’utilisation des énergies renouvelables, qui sont inépuisables et respectueuses de l’environnement, doit être développée pour être plus utilisée dans l’avenir. Actuellement en France, l’énergie hydroélectrique est l’énergie renouvelable la plus utilisée, c’est pourquoi (entre autre) que nous l’avons choisi comme sujet pour notre TPE.

Nous étudierons donc plus particulièrement les barrages de retenues d’eau, ceux-ci utilisent l’énergie mécanique de l’eau pour produire de l’électricité.
Un petit peu d'Histoire

Le premier barrage officiellement recensé est celui du Nil, qui fut construit vers 4000 ans avant J-C, pour dévier l’eau afin de pouvoir construire la ville de Memphis. De plus, pendant l’Antiquité, plusieurs barrages bâtis en terre permirent l’irrigation de terres infertiles. Une des civilisations antiques les plus reconnues fut celle des Babyloniens qui héritèrent des Sumériens un génie civil impressionnant pour leur époque. Ensuite on a eu l’idée d’utiliser la force de l’eau d’une rivière qui entraînerait une roue ; c’était le moulin, il permettait de moudre le grain des céréales pour faire de la farine et donc de se nourrir. Peu de ces constructions ont laissé de traces à cause de l’érosion constante du globe, néanmoins nous pouvons maintenant, grâce à l’architecture et des moyens modernes, construire des édifices beaucoup moins limités ainsi nous comptons aujourd’hui plus de 35000 barrages et 1500 en construction dans le monde.
I) Fonctionnement et Caractéristiques

La première fonction du barrage est simple, elle est de retenir une importante quantité d'eau dont la principale raison est de produire de l'électricité et pour cela il suffit d'ouvrir les vannes pour que l'eau s’engouffre dans d'un canal pour être par la suite dirigée vers une centrale hydraulique qui est située en contre-bas pour augmenter la hauteur de la chute. A la sortie de la conduite, la pression et/ou la vitesse entraîne la rotation d’une turbine qui est reliée à un alternateur qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. L'énergie produite dépend de la puissance de l'eau qui dépend du débit et de la hauteur de la chute. L'eau est ensuite relâché pour reprendre le cours normal de la rivière.

Pour produire de l'électricité on utilise l’énergie cinétique de l’eau. L'énergie cinétique provient de la force de gravitation (la force de gravitation dépend de la hauteur de la chute de l'eau). L'énergie cinétique provient de l'énergie potentielle, c'est lorque l'eau descend des conduits que l'énergie potentielle est transformée en énergie cinétique. Au niveau de la centrale presque toute l'énergie potentielle est transformée.
Il suffit d'utiliser cette formule pour savoir la puissance de la centrale : P=Ec/T( P = puissance, Ec= énergie cinétique, T = temps ).

Em=Ec+Ep
Em = énergie mécanique

Ec=1/2*m*v²
-m = masse de l'eau
-v = vitesse de l'eau

Epp=m*g*h
- m=masse de l’eau
- g=gravitation terrestre
- h=hauteur de chute

Les différents types de Barrages

Ils existent plusieurs types de barrages, ces barrages sont choisis en fonction de l'environnement et des moyens à disposition.

1) Barrage à poids

Le barrage-poids est un barrage dont la propre masse suffit à résister à la pression exercée par l'eau. Ils sont encore très utilisés de nos jours. Le barrage-poids en béton est souvent choisi lorsqu' il sollicite peu la résistance des berges. Dans certains terrains, c’est un avantage. Par contre, il utilise beaucoup de béton.

Exemple : le barrage de la Grande-Dixence en Suisse:

2) Barrage en voûte

Le barrage a pour principe de repousser la pression de l'eau sur sur les flancs de la vallée au moyen d'un mur de béton arqué horizontalement. La technique de barrage-voûte nécessite une vallée plutôt étroite et un bon rocher de fondation.

Exemple : barrage de Tignes, en Savoie:

3) Barrage en contreforts ou multivoûtes

Le mur en voûte ou dalle plate qui retient l’eau, est doublé de contreforts qui transmettent la force de l’eau vers le sol. Il nécessite moins de béton pour sa construction, il doit reposer sur un sol résistant et n’est pas nécessairement dans les vallées étroites.

Exemple : le barrage de la Girotte, en Savoie:

4) Le barrage en matériaux meubles

Il a les mêmes caractéristiques que le barrage poids mais il n’est pas réalisé en béton mais en enrochement de blocs de pierre ou en terre compacte, sans élément de liaison particulier. Il possède une base très large, et il comporte sur toute la hauteur un élément assurant l’étanchéité. Ce sont les barrages les plus résistants aux tremblements de terre.

Les Turbines Hydrauliques

Une turbine hydraulique est une machine qui effectue une rotation qui génère une énergie mécanique à partir de l'eau. C'est la partie la plus importante des centrales hydroélectriques destinées à produire de l'électricité à partir de chutes d'eau. Elle est inventée par Benoît Fourneyron en 1832.

Ils existent deux types de turbines hydrauliques : les turbines à action et à réaction.
-Les turbines à action qui transforment la pression hydraulique en énergie cinétique par un dispositif statique (injecteur), avant d'actionner la partie mobile.
- Les turbines à réaction, la partie mobile provoque au contraire une différence de pression entre l'entrée et la sortie.

Les modèles de turbines hydrauliques les plus utilisées:

Les turbines Francis sont généralement utilisées pour de moyennes chutes et peuvent développer des puissances très importantes. Leur rendement est très bon : pour des débits variant de 60 à 100 % du débit nominal il dépasse 80 %, cependant ce matériel n'est pas recommandé lorsque le débit est susceptible de varier au delà de ces limites.

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, et l'arbre qui la relie à la génératrice ou à un multiplicateur de vitesse est guidé par le palier principal de la turbine.

La turbine Pelton est utilisée pour les hautes chutes et petits débits. Elle est constituée d'une roue à augets mise en mouvement par un jet provenant d'un ou de plusieurs injecteurs :
- les augets sont profilés pour obtenir un rendement maximum tout en permettant à l'eau de s'échapper sur les côtés de la roue. Ils comportent une échancrure qui assure une pénétration progressive optimale du jet dans l'auget,
- l'injecteur est conçu pour produire un jet cylindrique aussi homogène que possible avec un minimum de dispersion.

Le débit est réglable à l'aide d'un pointeau mobile à l'intérieur de l'injecteur, qui est déplacé par un servomoteur hydraulique ou électrique. Ce pointeau est asservi à la régulation de la turbine.

Les turbines Kaplan et hélices sont les plus appropriées pour le turbinage des faibles chutes. Les puissances correspondantes peuvent varier de quelques kW à plusieurs centaines de kW. Elles se caractérisent par leur roue qui est similaire à une hélice de bateau et dont les pales sont réglables en marche (Kaplan) ou fixes (hélices).

Ces machines sont classées en fonction de leurs possibilités de réglage et le type d'écoulement. Ainsi, selon les exigences du site on utilise :

- pour des débits constants : une turbine hélice à pales et distributeur fixes,
- pour des débits élevés et peu variables : une turbine hélice à pales fixes et un distributeur mobile,
- pour des débits variants entre 30 et 100 % du débit nominal, une turbine Kaplan à distributeur fixe,
- pour des débits variants entre 15 et 100 % du débit nominal, une turbine Kaplan à distributeur réglable. Il s'agit de la machine la plus compliquée avec ses deux possibilités de régulation qui doivent être accordées ensemble pour détenir les meilleurs résultats.

Le système de distribution peut être semblable à celui des turbines Francis. Cependant, on peut trouver aussi un distibuteur conique ou axial et l'écoulement subit ainsi un minimum de changement de direction.

Barrage hydraulique

definition

       Le but des barrages hydrauliques, est de capter la force motrice de l'eau (l’énergie cinétique*)pour produire de l'électricité. Pour cela, tout un procédé est mis en œuvre:

            Tout d'abord, le site doit être composé d'un barrage et d'une centrale souvent en contrebas du barrage, plus ou moins éloignée; plus le barrage sera placé haut, plus vite tournera la turbine.

* Energie cinétique : Energie possédée par un corp en mouvement, celle ci sans contrainte et en négligeant les frottements est égale à l’énergie potentielle « Ep ».

ANALUSE FANCTIONELLE

FP1 : Transformer l’énergie cinétique de l’eau en énergie électrique.
FC1 : Respecter le paysage, et l’environnement animal.
FC2 : Exécuter une maintenance rapide et aisé.
FC3 : Résister à la force de l’eau

 

Transformation

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’ailettes ou d’augets, 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.

                        La turbine en mouvement de rotation entraîne un alternateur qui produit une tension en transformant l'énergie mécanique en énergie électrique. La puissance de l’eau qui fait tourner la turbine dépend du débit et de la hauteur de la chute et le rendement de l’opération est très bon, de l’ordre de 90%. 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 sont énergie est rejetée dans la rivière via un canal de fuite.

L'alternateur

Un alternateur, en tant que machine tournante est constitué d'un rotor (partie tournante) et d'un stator (partie fixe):

·  le rotor est l'inducteur, c'est à dire qu'il crée le champ magnétique et, puisqu'il est en mouvement, ce champ magnétique le sera aussi (induction de Neumann).
Dans les dispositifs les plus simples, comme les dynamos de vélos, l'inducteur est un aimant permanent. Dans les dispositifs plus complexes, comme les alternateurs industriels servant à produire de l'électricité en grande quantité et avec une tension bien définie, l'inducteur est un électroaimant car le contrôle de sa tension d'alimentation permet d'adapter le champ magnétique généré et permet ainsi de fixer les caractéristiques du courant électrique produit.

·  le stator est l'induit, il est constitué d'enroulements de câbles conducteurs qui vont être le siège de courants électriques alternatifs induits par le champ magnétique en mouvement de l'inducteur. Ces enroulements sont disposés de telle sorte que l'alternateur soit le plus efficace possible et qu'il y ait un minimum de pertes.