ENR810_22_Les hydroliennes_2015-03

Les hydroliennes
Pierre Blanchet, B.sc. M. Ing.
Idénergie
Pierre Blanchet, M. Ing.
• Formation
– Bac. Génie électrique, École de technologie
Supérieure, 2005;
– Maitrise Génie Énergies renouvelables et Efficacité
énergétique, École de technologie Supérieure,
2011;
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Pierre Blanchet, M. Ing.
• Parcours professionnel
– 2010-2013 Idénergie, Président
– 2005-2008
• Intégrateur Simulateur de vol, CAE
• Intégrateur appareil de diagnostiques médicaux,
Adaltis
– 2001-2010
• Démarrage de petite entreprises
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Plan de la présentation
Partie 1
• L’État de l’art des hydroliennes
• Les défis techniques
• La chaîne de conversion
Partie 2
• présentation des produits de l’entreprise Idénergie et
quelques notes de parcours sur l’entreprenariat en énergie
verte
Questions
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État de l’art
• Plus de 50 projets en cours de développement;
• Pas encore de succès commercial, beaucoup de R&D;
• L’Europe (France et Royaume-Uni) veulent rattraper le retard
perdu avec les éoliennes;
• Des solutions difficiles à implanter dont l’entretien et le prix
du kilowattheure sont les principaux talons d’Achille.
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État de l’art (Québec)
Idénergie
Jamec – Université Laval
Nordest Marine
Chaire TERRE Cégep Jonquières - Centre de test et
démonstration à venir
• RER Hydro
•
•
•
•
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Défis techniques: Quels sont-ils?
• Pouvez-vous citer au moins trois défis
techniques liés à la technologie des
hydroliennes?
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Défis techniques: Électricité sous l’eau
• L’étanchéité des composantes électriques;
• La corrosion (PH variable);
• Le contenu de l’eau (particules ferreuses,
débris);
• Acheminer l’électricité sur de longues
distances;
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Défis techniques: Entretien
• Les marées laissent une fenêtre
d’intervention réduite;
• Installation complexe, fixations au sol;
• Intervention de plongeurs et scaphandriers;
• Entretien souvent aussi coûteux que
l’installation et la machine elle-même!
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Défis techniques: Le coût du kWh
• La masse volumique de l’eau est 800 fois
celle de l’air – machine plus robuste - le prix
monte en conséquence;
Voir taille des machines à http://fundyforce.ca/technology/
• Production électrique dépendante de la
vitesse du cours d’eau;
• Ce prix doit faire compétition avec le solaire
photovoltaïque, l’éolien et surtout les
groupes électrogènes;
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Défis techniques: Les lois et règlements
• Chaque technologie innovante doit se voir établir des
normes;
• Les lois en vigueurs ont été écrites avant l’apparition
de l’hydrolienne (et autres technologies vertes);
• Établir procédures avec les ministères;
• Études d’impact sur la faune;
• Législation différentes selon les région du monde;
• À lire: http://www.ledevoir.com/environnement/actualites-sur-lenvironnement/432870/quebec-lance-une-demarche-en-vue-dereformer-la-loi-sur-l-environnement
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La chaîne de conversion
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Puissance maximale théorique
• De quels paramètres de base (avant la
génération et la conversion électriques)
dépend la puissance maximale théorique
fournie par une hydrolienne?
• Quelle est l’expression de cette puissance?
P = ???
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La chaîne de conversion
P cinétique
𝟏
P = 𝝆𝝆𝝆𝟑
𝟐
P mécanique
Ƞ = 16 – 25 %
(Darrieus)
Ƞ =90 - 95%
Ƞ = 80 - 90%
ƞ=
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P électrique
𝑃 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
𝑃 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
=
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𝑃 é𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙
𝑃 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐
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Rendement
• Pour une condition de fonctionnement
particulière, si le rendement de la turbine est
de 20%, celui du générateur électrique de 80%
et celui du convertisseur électrique de 90%,
quel serait le rendement global de
l’hydrolienne?
• Quel est le rendement global maximal
approximatif?
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La chaîne de conversion : L’énergie
disponible
• La puissance contenue dans un fluide ayant une
vitesse et une aire donnée est représenté par la
relation:
𝟏
𝟐
P = 𝝆𝝆𝝆𝟑
• Cette puissance est donc proportionnelle à la
vitesse de l’écoulement (m/s), au cube, à la
densité du fluide, ρ, et à la surface frontale, A,
perpendiculaire au mouvement global du fluide.
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La chaîne de conversion : L’énergie
disponible
• Elle est alors convertie par différents
convertisseurs de puissance (turbine,
générateur et convertisseur électrique);
• Chaque étage de conversion subit une perte
d’énergie utile;
• Le fluide à l’entrée n’est pas nécessairement
unidirectionnel et plutôt turbulent,
spécialement dans un cours d’eau.
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La chaîne de conversion : L’énergie
disponible
• Pour les turbines « Darrieus » à pales droites, le
rendement est entre 16 et 25% selon l’usage et nos
expérimentations. Et on peut se tromper…;
• Des turbines dites à ‘axe horizontal’ peuvent avoir
un rendement légèrement supérieur (> 40%);
• La limite de Betz fixe le rendement absolu à 59.3%
mais cela n’existe pas dans les faits;
• Le carénage peut augmenter le rendement… et
aussi coincer des débris!
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La chaîne de conversion : L’énergie
disponible
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La chaîne de conversion: La turbine
• Dans quelle plage de vitesse angulaire tourne
une hydrolienne ?
– 10 à 60 RPM
– 60 à 150 RPM
– 150 à 200 RPM
– 200 à 400 RPM
– 400 à 1000 RPM
– 1000 RPM et +
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La chaîne de conversion: La turbine
• Dans quelle plage de puissance mécanique
produit une petite (A ≅ 1 m2, V ≅ 1 m/s)
hydrolienne ?
– 5 à 20 W
– 20 à 100 W
– 100 à 200 W
– 200 à 400 W
– 400 à 1000 W
– 1000 W et +
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La chaîne de conversion: La turbine
– Selon la vitesse du fluide, la turbine
peut tourner à différentes vitesses et
dégager un couple utile variant lui
aussi.
– La puissance mécanique dégagée est
fonction du couple et de la vitesse de
rotation.
P
méc
=
τ
(N.m)
• ω (rad)
– Exemple d’une petite turbine Darieus
(voir graphique) pour une vitesse de
1,4 m/s d’eau, le maximum de
puissance mécanique exploitable est
atteint lorsque la turbine tourne à 100
RPM.
– Pour tracer ces courbes de puissance, il
faut faire appel à des simulations (CFD)
ou à l’expérimentation.
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La chaîne de conversion: La turbine
• Quelle est la surface frontale de la turbine de
la page précédente si on suppose qu’elle a un
rendement global de 20% (point d’opération
optimal pour V=1 m/s)
– 0 à 0,05 m2
– 0,05 à 0,10 m2
– 0,10 à 0,25 m2
– 0,25 à 1 m2
– 1 m2 et +
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La chaîne de conversion: La turbine
– Pour rendre cette courbe utile dans les calculs, mieux vaut y associer
une formule avec un polynôme permettant de la calquer plutôt de
recalculer chaque fois! Matlab en fournit un excellent exemple dans son
modèle de turbine éolienne
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La chaîne de conversion: La turbine
– Le concept d’énergie renouvelable ne date pas d’hier. Voici
un brevet de Georges Jean-Marie Darrieus datant de 1931. Il
est l’inventeur de la turbine du même nom.
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La chaîne de conversion: Générateur
Pour une machine triphasée à aimant permanent, le
rendement électrique n’est pas toujours constant, il est
dépendant de :
• la vitesse de rotation
• la résistance d’armature
• le nombre de conducteurs
• le nombre de pôles
• l’intensité du champ magnétique des aimants
• sans parler des pertes par hystérésis et courants de Foucault
ainsi que les nombreux frottements…
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La chaîne de conversion: Générateur
Contraintes:
• En énergie renouvelable, les vitesses de turbines sont
relativement lentes (60 – 150 RPM);
• La variation du champ magnétique est moindre;
• Pour augmenter l’induction (Back EMF) on doit soit :
– augmenter la vitesse (boîte d’engrenages = pertes mécaniques)
– augmenter l’intensité du champ magnétique
(aimants permanents)
– augmenter le nombre de pôles
– minimiser les pertes dues à la réluctance
– minimiser la résistance d’armature
• Tout cela a un impact sur le rendement
et/ou le coût de production.
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La chaîne de conversion: Générateur
• Prendre conscience que la puissance qui ne va pas
dans la charge est perdue dans les phases;
• Pour un générateur tournant vite, le ratio Rphase /
Rch_équ est négligeable (rendement très élevé);
• En énergie renouvelable, ce ratio devient
important;
• Si un câble doit se rendre vers un convertisseur
éloigné, la résistance de celui-ci s’ajoute dans le
circuit… Il faut hausser la tension de sortie!
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La chaîne de conversion: convertisseur
• Le convertisseur doit réguler
la vitesse rotation de la
turbine pour aller chercher le
maximum de puissance de
celle-ci et du générateur en
même temps
• Cela s’apparente aux MPPT
des panneaux solaires
• Le convertisseur doit adapter le courant triphasé
de l’hydrolienne au type de courant de la charge
(réseau électrique AC, batteries DC, etc…)
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La chaîne de conversion: convertisseur
• Dans certains cas (vitesse de l’eau faible), le
générateur doit briser l’inertie de la turbine;
• Les rendements électriques sont généralement
de l’ordre de 90-95%;
• Il est préférable que le convertisseur hausse la
tension de sortie pour minimiser les pertes en
transport
• Suggestion : Vidéo de Fundy Tidal illustrant le
réseau de test mis en place en N.-É.
https://vimeo.com/90381276
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Transport électrique
• Le câble électrique a une résistance qui croit
selon la section du câble et sa longueur!
• Selon Pélec=RI2, plus le câble sera long (R), plus
les pertes en chaleur seront grandes
• Selon Pélec=VI, en haussant la tension pour une
même puissance, on diminue le courant et les
pertes en joules
• Les hydroliennes Idénergie,
haussent la tension de sortie
au dessus de 48V pour limiter
les pertes en transport
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Petites puissances résidentielles
AC (120V)
Appareils
Électriques
ONDULEUR 2000W
48VDC – 120V AC
HOME APPLOANCES
Réseau fonctionnant sur l’énergie verte
DC (48V)
Contrôleur
De charge
MPPT
Batteries 6V
Banque
de
batteries
Capacité
20 kWh
Câble de
250 mètres
48 VDC
Réseau DC (48V)
Réseau AC (120V)
Hydrolienne
+ MPPT
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Le seul rendement qui compte…
Ƞ$ =
$
𝑘𝑘𝑘
Coût total : vente,
installation, entretien,
opération, maintien d’actif.
Puissance de sortie
nette
Le maître en énergie renouvelable se doit de mettre au point des
solutions rivalisant économiquement avec les énergies fossiles et
qui satisfont aussi le social et l’écologique et perdurent dans le
temps.
Conclusion
• L’industrie hydrolienne en est encore au stade
embryonnaire;
• La rigueur en ingénierie et en développement
des affaires permettra d’utiliser bientôt cette
source d’énergie;
• L’humain au bord du gouffre apprend à se
débrouiller. Souhaitons que son intelligence
soit encore une fois soit au rendez-vous pour
affronter le plus grand défi de son histoire:
survivre à son propre progrès technologique!
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Activité à réaliser hors-classe
• Consulter un site de projet hydrolien et
calculer d’après la taille de la turbine si les
puissances affichées sont de l’ordre du
possible, considérant seulement les
rendements possibles de la turbine et la
vitesse du courant d’eau…
𝟏
𝟐
…Psortie = 𝝆𝝆𝝆𝟑Ƞ
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