ENR810 Cours8 2 Hydraulique Fichier
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ENR810 – Énergies renouvelables Hydraulique Pierre-Luc Paradis Chargé de cours [email protected] Patrick Belzile, ing., M.ing. Daniel Rousse, ing., M.Sc.A., PhD Stéphane Hallé, M.Sc.A., Ph.D. Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 2 Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 3 Introduction Réf: http://plus.lapresse.ca/screens/195ffa737dde-4cac-9f9e253d6aedf83f%7Ck7MGGvfrp8y~.html • Actualité – LE PLUS GRAND BARRAGE DU MONDE • le fleuve Congo, deuxième de la planète pour sa puissance après l’Amazone, connaît un dénivelé de 102 mètres sur une distance d’à peine 15 kilomètres. Au plus fort de la saison des pluies, en novembre, son débit atteint 55 000 mètres cubes par seconde. Le Grand Inga nécessiterait la déviation complète du fleuve et la construction d’un barrage haut de 205 mètres comportant 52 turbines. 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 4 Introduction Réf: http://plus.lapresse.ca/screens/195ffa737dde-4cac-9f9e253d6aedf83f%7Ck7MGGvfrp8y~.html • Actualité – LE PLUS GRAND BARRAGE DU MONDE • le potentiel du Grand Inga est évalué à 39 000 MW • En comparaison, le barrage chinois des Trois-Gorges, le plus important du monde avec ses 18 000 MW de puissance installée • La totalité de la puissance installée d’Hydro-Québec est de 36 000 MW !! 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 5 Introduction • Le cycle de l’eau 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 6 Introduction 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 7 Introduction • Principales centrales hydroélectriques au Québec 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 8 Introduction Quelques unes des principales centrales hydroélectriques au Québec Bassin versant Nom Cours d'eau Type Puissance installée (MW) Nombre de groupes Hauteur de chute (m) Mise en service Visite Robert-Bourassa La Grande La Grande Rivière Réservoir 5616 16 137,16 19791981 La Grande-4 La Grande La Grande Rivière Réservoir 2779 9 116,7 19841986 La Grande-3 La Grande La Grande Rivière Réservoir 2417 12 79 19821984 La Grande-2-A La Grande La Grande Rivière Réservoir 2106 6 138,5 19911992 Beauharnois Saint-Laurent Lac SaintFrançois et canal de Beauharnois Fil de l'eau 1853 36 24,39 19321961 Oui Manic-5 Manicouagan Rivière Manicouagan Réservoir 1596 8 141,8 19701971 Oui La Grande-1 La Grande La Grande Rivière Fil de l'eau 1436 12 27,5 19941995 Oui Réservoir 5 429 Churchill Falls Oui 1971 Hydro-Québec dispose de la quasi-totalité de la production jusqu'en 2041 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 9 Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 10 Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 11 Les centrales • Principe • Conversion d’énergie potentielle énergie cinétique énergie mécanique (turbine) énergie électrique (alternateur). 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 12 Les centrales • Composants d’une centrale hydroélectrique 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 13 Les centrales • Type de centrales (3 types) – Centrales dites "au fil de l'eau", dont la constante de vidage est généralement inférieure à 2 heures. • Faible coût, • peu d’impacts environnementaux, • incapable d’emmagasiner de l’énergie. Constante de vidage: Temps nécessaire pour vider le réservoir si le débit d’eau acheminé aux turbines est à son maximum. 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 14 Les centrales • Type de centrales – Centrales dites « au fil de l'eau » • Exemple la centrale de Beauharnois 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 15 Les centrales • Type de centrales (3 types) – Les centrales "éclusées", dont la constante de vidage est comprise entre 2 et 200 heures. – Les lacs (ou réservoirs), dont la constante de vidage est supérieure à 200 heures. 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 16 Les centrales • Type de centrales – Les lacs (ou réservoirs) • Exemple Centrale Robert-Bourassa 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 17 Les centrales • Type de centrales – Classement par hauteur de chute H H 10 m H 100 m approximatif approximatif 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 18 Les centrales • Mini-centrales – Hauteur hydraulique disponible – Variations d'écoulement – Sédimentation – Inondations – Turbulence 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables Rivière Mitis, centrale au fil de l’eau, 4 MW 19 Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 20 Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 21 Les barrages Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ • Le barrage doit contrer la poussée de l'eau sur sa paroi – Un barrage est soumis à une force horizontale perpendiculaire liée à la pression exercée par l'eau sur sa surface immergée – La pression hydrostatique (dans un fluide au repos) • Dépend uniquement de la profondeur P gH F Surface 20/10/2014 P : Pression hydrostatique [Pa] : Masse volumique du fluide (eau) [kg/m 3 ] PdS g : Constante d'accélération gravitationelle 9,81[m/s 2 ] H : Hauteur de la colonne d'eau [m] F : La force à laquelle est soumise le barage [N] S : Surface du barrage en contact avec l'eau [m 2 ] ENR810 Énergies renouvelables 22 Les barrages • 2 stratégies – Résister aux forces avec le poids brut du barrage – Reporter les forces vers les rives ou une fondation rocheuse résistante • 3 types de barrages – Barrage poids – Barrage voûte – Barrage en remblais Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 23 Les barrages • Barrage poids – Barrage dont la propre masse suffit à résister à la pression exercée par l'eau. Ce sont des barrages souvent relativement épais, dont la forme est généralement simple (leur section s'apparente dans la plupart des cas à un triangle rectangle) Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 24 Les barrages • Barrage poids – Barrage de la Trenche, Rivière St-Maurice, Québec 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 25 Les barrages • Barrage voûte – Un barrage voûte a une structure courbée, dont la forme est dessinée de façon à transmettre les efforts de poussée de la retenue vers les rives. Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 26 Les barrages • Barrage voûte – la plus grande catastrophe de barrage vécue en France (Malpasset, au dessus de Fréjus, le 2 décembre 1959) Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 27 Les barrages • Barrage voûte – Barrage Daniel-Johnson, Réservoir Manic 5 • Plus haut barrage à voûtes multiples et à contreforts du monde • Longueur de crête : 1,3 km 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 28 Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ Les barrages • Barrage en remblai 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 29 Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ Les barrages • Barrage en remblai – Manic 3, Rivière Manicouagan, Québec 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 30 Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 31 Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 32 Calcul de puissance Ligne de courant A-B A B 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 33 Calcul de puissance • Équation de Bernoulli (en mètre d’eau) – Entre un point A et B avec échange d’énergie (présence d’une pompe ou d’une turbine) v A2 pA vB2 pB P hA hB hf 2g g 2g g gQ Q : Débit [m3 /s] P : Puissance disponible à la turbine [W] p : Pression [Pa] v : Vitesse de l'écoulement [m/s] h : Hauteur [m] g : Constante gravitationelle 9,81 [m/s 2 ] : Masse volumique, eau: 1000 [kg/m3 ] h f : Pertes de charges m 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 34 Calcul de puissance • Pertes dans les conduits h f Pertes de charge totale en mètre d’eau [m] l v2 Relation de Darcy-Weisbach h f f D 2g f Coefficient de friction D Diamètre du conduit [m] l Longueur du conduit ou longueur équivalente du coude, etc. [m] Perte de charge [Pa] 20/10/2014 p gh f ENR810 Énergies renouvelables 35 Calcul de puissance 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 36 Calcul de puissance • Puissance disponible [W] Or p A pB patmosphérique On néglige la variation avec l’altitude (v 2 ) P g h g h f Q gQh 2 Si on néglige • Puissance électrique produite [W] la variation de vitesse de l'écoulement et les pertes de charge Pe conduit turbine alternateur P conduit turbine alternateur gQ h 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 37 Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 38 Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 39 Les turbines Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ • Définition: – Appareil de transformation de l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique. – 2 types • Action • Réaction 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 40 Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ Les turbines • Les turbines à action – Les turbines à action transforment la pression hydraulique en énergie cinétique par un dispositif fixe (injecteur), avant d'actionner la partie mobile (roue) créant de l'énergie mécanique. C'est le cas des turbines Pelton. 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 41 Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ Les turbines • Les turbines à action 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 42 Les turbines • Pelton 20/10/2014 D ENR810 Énergies renouvelables 43 Les turbines • Pelton – Turbine à « action ». – Fonctionne à pression atmosphérique. – Conversion d’énergie cinétique en travail sous forme de couple. – Contrôle de la vitesse relativement aisé. – max 95 % 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 44 Les turbines • Turgo 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 45 Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ Les turbines • Les turbines à réaction – Dans le cas d'une turbine à réaction, la partie mobile provoque au contraire une différence de pression entre l'entrée et la sortie, tel la turbine Francis ou la turbine Kaplan à écoulement axial. L'énergie cinétique de l'eau est pratiquement réduite à zéro, à cause du changement de vitesse que lui fait subir la turbine, et est transformée en énergie mécanique avec la mise en mouvement de la turbine. 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 46 Réf: http://tpe.barrages.2008.free.fr/ Les turbines • Les turbines à réaction 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 47 Les turbines • Francis 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 48 Les turbines • Francis – Turbine de type « réaction ». – Complètement submergé. – Axe horizontal ou vertical. – Diamètre de 30 cm à 10 m (approximatif). – RPM de 70 à 1000 (approximatif). max 20/10/2014 Puissance transmise 80% à 90% Puissance disponible ENR810 Énergies renouvelables 49 Les turbines • Kaplan Génération d’un couple à partir d’une faible hauteur hydraulique 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 50 Les turbines • Kaplan – Turbine de type « réaction ». – Fonctionne à faible hauteur hydraulique et à un débit élevé. – Plusieurs variantes existent. – Variation de la charge par changement de l’angle d’incidence des pales. 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 51 Les turbines • Facteur influençant le choix d’un type de turbine: – Hauteur (Δh) et débit d’écoulement. – Coût d’entretient. – Coût en capital. – Sensibilité aux débris en suspension. • Contrôle de la vitesse 120 f Np 20/10/2014 : Vitesse de rotation tours / s f : Fréquence du réseau Hz N p : Nombre de pôles de l'alternateur (14, 16, etc.) ENR810 Énergies renouvelables 52 Les turbines Permet le dimensionnement ! • Vitesse spécifique (sp): – la vitesse idéale d'une turbine, qui produirait une unité de puissance pour une unité de hauteur de chute. La vitesse spécifique d'une turbine est donnée par les fabricants (parmi d'autres caractéristiques), et se réfère toujours au point d'efficacité maximum. – La vitesse spécifique est le critère le plus important pour trouver la turbine correspondant à un site hydraulique. P sp (h)5/4 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 53 Les turbines • Pour un ordre de grandeur Type de turbine Vitesse spécifique Ωsp Hauteur Δh Pelton Turgo Francis Kaplan 10 à 30 20 à 70 30 à 400 200 à 1000 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 50 à 1300 50 à 250 10 a 350 20 à 40 54 Les turbines 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 55 Les turbines Cavitation Efficacité vs. charge 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 56 Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 57 Plan de la présentation • • • • • • Introduction Les centrales Les barrages Calcul de puissance Les turbines L’hydroélectricité 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 58 L’hydroélectricité • Avantages – Source d’énergie renouvelable avec une efficacité élevée. – Sans émission de GES significative. – Coûts de maintenance et d’exploitation relativement faibles comparés à une centrale thermique ou nucléaire. – Probabilité de défaillance faible. – Stockage possible. – Modulation de la production en fonction de la demande. – Échelonnable de 10 kWe à 10 000 MWe. – Durée de vie élevée: 50 ans. – Contrôle des inondations et du débit. 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 59 L’hydroélectricité • Inconvénients – Les sites les plus intéressant sont déjà exploités. – Impacts sociaux et environnementaux des barrages et des réservoirs. • Ex: Complexe des Trois Gorges, Chine – – – – – Perte de terre cultivable. Faune aquatique (migration des espèces, teneur en O2). Coûts initiaux très élevés. Présence de méthylmercure dans la chair des poissons. Le niveau des réservoirs est influencé par les chutes de pluie et de neige annuelle. 20/10/2014 ENR810 Énergies renouvelables 60
