Oieau296 article ENR BP

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Crise énergétique mondiale, réchauf-
fement climatique, développement
durable ; tous ces termes deviennent
aujourd’hui des concepts concrets qui
vont influer de manière pérenne sur
nos comportements et sur les dévelop-
pements technologiques de demain.
Plus spécialement dans le domaine de
la production d’eau potable et celui du
traitement des eaux usées, le coût de
l’énergie représente et représentera une
part de plus en plus importante du
coût total de l’eau .
On ne peut s’intéresser au problème
de l’énergie en faisant l’impasse sur les
Les énergies renouvelables
Le coût de l’énergie représente une part croissante du coût
total de l’eau. Dans cette perspective, les traiteurs d’eau ont
aujourd’hui tout intérêt à étudier la faisabilité, les
opportunités, ainsi que les limites des différents systèmes de
production d’énergie électrique à partir de ressources
renouvelables. .
Bruno PORTERO, OIEau
au service des stations de
traitement des eaux
Energie
© CChixoy

Énergie
multiples techniques permettant de
réduire la consommation (moteurs à
haut rendements, variateurs de vitesse,
optimisation des installations, réduc-
tions des pertes dans le transport de
l’énergie, …) cependant il est de plus
en plus d’actualité de devenir auto pro-
ducteur d’énergie à partir d’énergies
renouvelables. Loin de nous l’idée d’en-
visager le remplacement total de
l’énergie issue du pétrole et du réseau
électrique par une source « miracu-
leuse et infinie » d’énergie ; il est
important de réfléchir aux multiples
formes que peut prendre l’énergie dans
nos installations et dans l’environne-
ment de celles-ci. Il ne faut pour cela
rien négliger et aborder les multiples
aspects que l’énergie peut prendre à
savoir : l’énergie solaire (photovol-
taïque, thermique), l’énergie éolienne,
l’énergie issue du biogaz, l’énergie
potentielle et dynamique de l’eau,
l’énergie calorifique transportée par
les eaux usées, l’énergie de la biomasse
et l’énergie géothermique. Le mix éner-
gétique doit devenir une réalité
concrète qui fera appel à toute forme
opportune de production d’énergie.
L’énergie solaire
La production d’énergie électrique à
partir de panneaux photovoltaïques a
fait l’objet en France de fortes incita-
tions financières par un prix de rachat
du kilowattheure produit très supé-
rieur au prix de rachat de toute autre
énergie renouvelable. Cependant ce
tarif qui était de 60 c€le kWh pour des
panneaux intégrés à une toiture est
passé à 45 c€au nouvel arrêté de jan-
vier 2010. Certains n’hésitent pas à
parler de « financiarisation du solaire »
(Revue Plein Soleil de décembre 2009).
Cela ne devrait pas nous faire oublier
d’une part les limites de production
imposées par un site de production ou
traitement des eaux mais aussi les oppor-
tunités de production consommation sur
ces sites mêmes. De plus il ne faudrait
pas oublier que l’énergie solaire peut être
transformée sous plusieurs formes :
— l’énergie électrique produite par les
panneaux à effet photovoltaïque
— l’énergie calorifique récupérée par
des capteurs thermiques à fluide calo-
porteur ;
— l’énergie électrique produite par des
turbines actionnées par la vapeur pro-
duite par des concentrateurs d’énergie
solaire.
La technologie photovoltaïque
Nous ne reviendrons pas en détail sur
le principe de la transformation de
l’énergie des photons lumineux pro-
duits par le soleil en énergie électrique
à courant continu à l’aide de panneaux
constitués de semi-conducteurs (de
nombreuses publications traitent de
ce sujet) ; nous allons plutôt nous inté-
resser aux potentiels de production et
aux puissances électriques mises en jeu.
Les panneaux photovoltaïques actuels
utilisent 3 technologies dont les ren-
dements sont compris entre 5 et 30 % ;
en effet seule une petite partie du
rayonnement peut être transformée en
courant électrique. Les technologies
les plus couramment utilisées sont :
— les panneaux monocristallins dont
le rendement est le plus élevé (jusqu’à
30 %) ;
— les panneaux polycristallins d’un
prix moins élevé (avec un rendement
de l’ordre de 15 %) ;
— les panneaux en technologie
amorphe dont le rendement est le plus
faible (environ 8 %) mais dont les
coûts permettent l’installation de sur-
faces de captage importantes.
Il faut cependant rappeler que ces ren-
dements sont donnés à titre indicatif
et que tout fournisseur de panneau
solaire annonce un rendement qui est
en général garanti sur une période
limitée :
— garantie du produit : de 5 à 10 ans ;
— puissance 90 % pendant 10 ans ;
— puissance 80 % pendant 25 ans.
• Quelques données techniques
La puissance en Watt crête (Wc) ne
correspond pas à la puissance dispo-
nible. La puissance disponible est cal-
culée par rapport à la référence de 1000
W/m2et à la puissance disponible sur
un site. Exemple : pour un site iden-
tifié à 600 W/m2, un panneau de 185
Wc ne pourra fournir qu’une puis-
sance de 185 x (600/1000) soit 111 W.
Ces données sont valides dans le cas
où le panneau est orienté plein sud et
incliné de 60° par rapport à l’horizon-
tale. On perdra 15 % si l’inclinaison
est réduite à 30°.
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Exemple de calcul réalisé à l’aide du logiciel Homer :
(www.homerenergy.com)
Calcul de la surface nécessaire pour alimenter une charge de 500 W pendant 13 h et
une charge de 100 W pendant 11h sur un site français.
Energie disponible : 4,34 kWh/m2/j soit pour 8 h d’ensoleillement 542 W/m2;
Variations annuelles : 1,8 kWh/m2/j en janvier à 7,2 kWh/m2/j en juillet ;
Le logiciel nous donne une puissance de panneaux de 4 kW ;
Si on utilise des panneaux de 185 Wc, soit 185 x (542/100) = 100 W ;
Pour une puissance de 4 kW il faudra 40 panneaux de 1,2 m2;
Surface de captage : 40 x 1,2 m2soit 48 m2;
Capacité des batteries d’accumulateur : 800 Ah.
Au vu de l’exemple qui vient d’être abordé on constate que même pour la génération de
puissances modérées il faut privilégier l’utilisation de systèmes peu énergivores.
Comparatif lampe sodium / lampe à Led (éclairage public) :
lampe à Led : 20 W, durée de vie : 80 000 h, coût pour 21 points lumineux : 23 000 €,
consommation pour 4000 h/an : 1680 kWh
lampe au sodium : 119 W, durée de vie : 8000 h, coût pour 21 points lumineux : 10 600 €,
consommation pour 4000h/an : 10 000 kWh

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Si l’on exclut la solution de revente de
l’énergie sur le réseau national, l’utili-
sation de l’énergie produite devra se
limiter aux applications suivantes :
— éclairage des locaux ;
— éclairage extérieur ;
— alimentation de sites isolés (direc-
tement en courant continu) à des fins
de télégestion ou de gestion de cen-
trales de mesure.
• Application au pompage au fil du
soleil
Dans le cas de site isolé il peut être inté-
ressant d’analyser la solution d’utili-
sation directe de l’énergie électrique
produite afin d’alimenter un système
de pompage avec stockage de l’eau
dans un réservoir. L’énergie est donc
ainsi stockée sous forme d’une hau-
teur d’eau. Des solutions techniques
intégrées sont ainsi proposées. On peut
citer par exemple la solution proposée
par Tenesol (Total – EDF) qui prévoit
la fourniture de panneaux solaires qui
débitent un courant continu dans un
convertisseur continu/alternatif à
vitesse variable afin d’alimenter une
pompe à débit variable.
L’utilisation de la chaleur du soleil
et la production d’énergie électrique
On pense souvent que la seule solu-
tion possible pour produire de l’énergie
électrique à partir du soleil est l’utili-
sation de panneaux photovoltaïques ;
il existe cependant deux autres tech-
niques qui utilisent la chaleur produite.
• Le solaire thermique
et les concentrateurs
La puissance calorifique peut être
concentrée à l’aide de concentrateurs
cylindro-parabolique dans lesquels cir-
culent des tuyaux remplis de fluide
caloporteur. Une turbine à vapeur
reliée à un alternateur permet de pro-
duire directement de l’énergie élec-
trique.
• Le solaire et les moteurs Stirling
Le moteur Stirling fonctionne selon le
principe de la machine de Carnot, à
savoir des cycles de dilatation et la
Énergie
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HMT Q Q Q
10 m3/j 45 m3/j 100 m3/j
15 m 330 Wc 880 Wc 2380 Wc
45 m 440 Wc 2720 Wc 6000 Wc
60 m 680 Wc 3780 Wc
Données techniques indicatives pour un pompage dans un forage :

Énergie
compression de l’air contenu dans
2 cylindres. Un cylindre « chaud »
contient de l’air qui se dilate et
repousse un piston relié à un vilebre-
quin. Le cylindre « froid » est mis en
communication et l’air chauffé se
refroidit dans celui-ci provoquant la
compression de l’air qui attire le piston
froid relié au vilebrequin. Le cylindre
« chaud » est porté en température
grâce à une parabole qui concentre le
rayonnement solaire (photo 1). Ce
moteur existe depuis plus d’un siècle
il avait fait l’objet d’un brevet de Philips
pendant la seconde guerre mondiale.
La réalisation était un petit groupe
électrogène à combustion externe pou-
vant utiliser n’importe quel combus-
tible pour chauffer le cylindre « chaud »
du Stirling.
Aujourd’hui, certains industriels s’in-
téressent de nouveau à ce principe car
son rendement est très intéressant et
on peut ainsi atteindre des puissances
significations (quelques kW pour des
paraboles de 5 m de diamètre).
L’énergie éolienne
La production d’énergie éolienne fait
appel à l’utilisation de turbines ou
éoliennes qui transforment 60 % de
l’énergie transportée par le vent en
énergie électrique (loi de Betz). Afin
d’aborder un projet éolien à l’échelle
d’une unité de production d’eau il est
nécessaire de connaître avec précision
le potentiel éolien du site. La consul-
tation des bases de données interna-
tionales peut déjà donner une
indication satisfaisante, il est cepen-
dant nécessaire de faire un audit local
qui permettra de préciser le potentiel
réellement exploitable. En effet les
éoliennes actuellement disponibles ont
des rendements très variables en fonc-
tion de la vitesse du vent. A titre indi-
catif pour un vent de 5 m/s (3 sur
l’échelle de Beaufort) on peut espérer
un rendement de l’ordre de 10 % ;
tandis qu’il faudra un vent de 10 à
12 m/s (6 sur l’échelle de Beaufort) pour
atteindre des rendements de 80 %.
Les puissances mises en jeu dans les
systèmes éoliens peuvent atteindre plu-
sieurs MW mais avec des hauteurs de
mats et des rayons de pales importants.
De nombreux paramètres rentrent
dans le calcul de la puissance produite
par une éolienne. On peut citer parmi
ceux-ci :
— la puissance varie avec le carré du
rayon de la pale ;
— la puissance augmente avec la den-
sité de l’air ;
— la densité de l’air diminue en fonc-
tion de l’altitude et de la température ;
— la puissance varie avec le cube de la
vitesse de l’air ;
— la puissance du vent augmente avec
la hauteur du mat (en multipliant la
hauteur de mat par 4 on double la
puissance du vent) ;
— la vitesse du vent double au sommet
d’une crête.
Les performances des systèmes four-
nies par les constructeurs sont expri-
mées par rapport aux « conditions
normales » de pression et de tempé-
rature soit 760 mm Hg de pression et
15 °C de température.
On voit qu’au vu de ces indications
techniques, tout concorde en faveur
d’éoliennes de grande envergure
(grand rayon de pale) placées sur des
mats élevés et situées dans des zones
de collines (à faible altitude) où la tem-
pérature est faible.
Pour des applications locales de pro-
duction d’énergie on pourra se
contenter d’éoliennes de puissance
moyenne qui permettront de produire
un appoint d’énergie qui viendra en
déduction de l’énergie prélevée sur le
réseau d’alimentation. La conduite du
projet d’installation d’une éolienne
passe par des demandes d’autorisation
qui sont parfois longues et complexes
et font appel à une enquête publique.
Le biogaz
La production de biogaz dans une
usine de traitement d’effluents urbains
est directement liée à la production de
boues biologiques qui sont traitées
dans des digesteurs. Le stockage des
boues d’épuration dans des ouvrages
appelés « digesteurs » va permettre
de produire du gaz biologique à partir
de la fermentation mésophile des
boues (30 à 35 °C).
Cette fermentation n’est évidemment
possible que si un apport de chaleur
est réalisé. Cet apport de chaleur est
réalisé soit avec la combustion du
biogaz produit soit à partir de gaz
naturel provenant du réseau que l’on
va brûler dans une chaudière. Le bilan
final laissera apparaître une quantité
de biogaz excédentaire. C’est cette
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Le cycle de Carnot
Le cycle de Carnot est un ensemble de
quatre transformations subies par un fluide
lorsque de la chaleur est échangée entre une
source chaude et une source froide : chauffe
– compression – refroidissement – détente.
Le cycle transforme de la chaleur en énergie
motrice et inversement.
Photo 1 : Moteur Stirling chauffé au soleil.

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quantité qui va pouvoir être utilisée
pour produire de l’énergie électrique
à partir de moteurs biogaz couplés à
des alternateurs qui produiront de
l’énergie électrique.
La filière de production du biogaz doit
non seulement intégrer un ouvrage de
digestion des boues mais également un
ouvrage de stockage du biogaz (ou
gazomètre) ce qui va impliquer le res-
pect de la réglementation ATEX
(Atmosphère Explosive) et le classe-
ment du site ICPE (Site classé protec-
tion de l’environnement). Le
dimensionnement des ouvrages tient
compte d’un TRH (temps de rétention
hydraulique) d’environ 30 jours. Les
sites français actuellement équipés ont
une capacité de traitement minimale
de 200 000 équivalent habitants, qui
représente le seuil de rentabilité
minimal.
Le biogaz est défini par sa composi-
tion et par son pouvoir calorifique
inférieur PCI qui est d’environ 7 kWh
par m3de biogaz produit (à 70 % de
CH4).
Composition moyenne du biogaz :
— méthane (CH4) : 55 à 75 % ;
— dioxyde de carbone (CO2) : 25 à
44 % ;
— Azote gazeux (N2) : 0 à 7 % ;
— Hydrogène (H2) : 1 à 5 %.
C’est la composition du gaz qui va
déterminer le type de moteur que l’on
va utiliser pour entraîner un alterna-
teur. Lorsque la concentration en CO2
est importante l’allumage est rendu
difficile (le CO2est inerte pour la com-
bustion). De plus comme la composi-
tion du biogaz varie dans le temps cela
peut générer une combustion anor-
male qui peut conduire à la destruc-
tion du moteur. Une autre solution
consiste à brûler le biogaz dans une
chaudière produisant de la vapeur
pour entraîner une turbine qui
elle-même entraîne un alternateur.
Cette solution mixte permet ainsi de
produire de la chaleur pour le réchauf-
fage des digesteurs, l’excédent permet-
tant de produire de l’énergie électrique.
On va couramment rencontrer des
moteurs à allumage commandé forte
intensité ou des moteurs de type dual
fuel. Le choix est fait en fonction de la
production de gaz. Pour des volumes
produits inférieurs à 1000 Nm3/j on
préfèrera un moteur dual – fuel et le
moteur à allumage commandé pour
des volumes supérieurs à 1000 Nm3/j.
L’énergie hydraulique
Lorsqu’on veut transformer l’énergie
disponible dans un liquide sous forme
de pression et de vitesse, la technologie
qui présente le meilleur rendement est
le turbinage de l’écoulement dans une
canalisation ; cependant il est toujours
possible de turbiner les écoulements à
surface libre mais avec un rendement
moindre.
Deux technologies de turbines existent
et sont utilisées selon les caractéristi-
ques de l’écoulement. Pour des écou-
lements dont la vitesse est importante
avec peu de dénivelé (1 à 20 m) on pré-
fèrera les turbines à impulsions ou tur-
bine Kaplan tandis que pour un
dénivelé important (> 60m) et une
vitesse d’écoulement faible on optera
pour une turbine à réaction ou
turbine Pelton (photo 2). Pour des
vitesses et des hauteurs moyennes
(10 à 200 m) on pourra utiliser des
turbines Francis.
En prenant en compte le rendement
des différents équipements de la chaîne
de production d’énergie électrique, on
peut estimer la puissance disponible
avec la formule P = 7xQxH.
Dans une canalisation forcée où le
débit est constant, de 100 L/s (alimen-
tation par un réservoir de charge) et
le dénivelé de 50 m, on peut estimer la
puissance mécanique disponible à
environ 35 kW.
Le micro turbinage pour les sites isolés
est une opportunité à laquelle on ne
pense pas toujours, il suffit qu’existe
un dénivelé suffisant et l’on peut
obtenir des puissances de quelques
centaines de Watts pour des installa-
Énergie
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Exemple de réalisation :
A la station d’épuration de Besançon, les
boues séjournent pendant 25 jours dans le
digesteur à 37 °C et produisent environ
3500 m3 de biogaz par jour à 65 % de
méthane. Ce dernier alimente un moteur
de 450 kWe qui produit environ 6 500 kWh
par jour. L’électricité est en partie
autoconsommée par la station d’épuration
qui couvre ainsi 40 % de ses besoins, le solde
étant vendu à EDF. La chaleur récupérée sur
le moteur sert à maintenir le digesteur en
température (9 000 kWh thermiques par jour
environ) et à chauffer des locaux techniques
pendant l’hiver.
Puissance mobilisable sur une
chute d’eau
Exemple 1 :
Dans une canalisation forcée où le débit est
constant, de 100 l/s (alimentation par un réser-
voir de charge) et la dénivelée de 50 m, on peut
estimer la puissance mécanique disponible à
environ 35 kW.
Exemple 2 :
Turbinage de l’eau potable des communes
de St-Maurice et Evionnaz (Suisse)
1 turbine Pelton, 2 injecteurs ;
Hn : 479 m ; Qmax : 180 l/s ;
Pméc max : 753 kW ;
Constructeur : GASA SA (CH) Conception :
MHyLab ;
Production annuelle : 2100 MWh.
Photo 2 : Turbine Pelton.