TPE Hydroélectricité

2014/2015
TPE Hydroélectricité
VERNHES Romaric
http://tpe-hydroelectricite.jimdo.com
GUIRAUD Marc
Lycée La Trinité
SOMMAIRE
 Introduction ____________________________p3
 I) Expérience____________________________p4
o a) Basse chute__________________________________p7
o b) Haute chute_________________________________p9
o c) Comparaison des résultats _____________________p11
 II) Etude de cas_________________________p12
o a) Présentation des lieux_________________________p14
o b) Calculs____________________________________p16
 Conclusion_____________________________p19
 Bibliographie __________________________p20
 Annexes_______________________________p21
2
INTRODUCTION
L'énergie hydraulique est la première des énergies renouvelables au monde. En
France, la part de l’hydraulique dans la production électrique s'élève à 11,7%. C'est la
deuxième source de production derrière le nucléaire (74,8%). Dans notre pays, la
production hydroélectrique équivaut à la consommation domestique annuelle des
habitants de la région Île de France. EDF est le 1er producteur hydroélectrique de
l’Union Européenne avec plus de 20 000 MW de puissance, installé à travers 435 sites
de production hydraulique allant d’une dizaine de kW jusqu’à plusieurs centaines de
MW. Sa souplesse de fonctionnement et sa rapidité d’utilisation font d'elle un moyen
d’ajustement lors des pics de consommation en électricité. Pour arriver à de tels
résultats, il existe trois types de production :
 Hautes chutes : les chutes mesurent plus de 200 m
 Moyennes chutes : les chutes mesurent entre 30 et 200 m
 Basses chutes (ou au fil de l’eau) : les chutes mesurent moins de 30 m
Dans le cadre de ce travail, nous étudierons le site du barrage du Laouzas ainsi que
l'usine de production de Montahut. Nous allons nous demander :
Quel est le type de production le plus adapté pour le site du Laouzas ?
Dans un premier temps, nous allons vous présenter notre modèle de turbine
hydroélectrique, puis nous nous intéresserons plus précisément à l'étude de cas sur le
site du barrage du Laouzas ainsi que celui de l'usine de Montahut.
3
I) EXPERIENCE
MATERIEL UTILISE :
- des pièces d'un vieux mécano pour faire la structure de la turbine
- des cuillères et de la pate auto-durcissante pour faire la turbine
- un tuyau
- une réserve d'eau (bidon)
Pour ce TPE, nous avons créé un modèle de turbine hydraulique avec des cuillères
en plastique et des pièces de mécano. Les premières ont été fixées avec de la pâte
auto-durcissante entre deux disques en métal. Le diamètre du tuyau est de 14 mm. Le
modèle comporte un siphon qui permet de mettre l'eau en mouvement. Cette eau est
stockée dans un bidon de 10 litres. Nous avons rajouté une roue avec un marqueur noir
pour pouvoir calculer la vitesse de rotation de la turbine et ainsi comparer les résultats.
Photo de la turbine
4
Photo d’ensemble
Schéma de l’expérience
5
Le but de ces expériences est de comparer deux types de production : basse chute
et haute chute. Le seul paramètre que nous avons modifié est la hauteur de chute. La
première expérience a été réalisée avec une hauteur de chute de 74 cm et la deuxième
avec une hauteur de chute de 2m 93. On peut considérer que la première expérience
correspond à une basse chute et la deuxième à une haute chute. Pour ces expériences
nous partons du principe que le débit reste constant.
Dans la production hydraulique, en plus de la hauteur de chute, un autre facteur
permet d'améliorer la production: c'est le type de la turbine. En effet il existe trois
principaux types de turbines:
 La turbine Pelton utilisée dans les productions
à haute chute. Des injecteurs placés tout autour
de la turbine vont projeter l'eau sous forte
pression sur les pâles.
 La turbine Francis utilisée dans les
productions à moyenne chute. L'eau passe à
grosse pression dans la turbine qui ensuite
transmet son énergie aux pâles. Ensuite l'eau
est décélérée par la forme du tube.
 La turbine Kaplan utilisée dans les
productions à basse chute. Elle utilise le
même principe que la turbine Francis mais
elle forme une sorte d’hélice de bateau et les
pâles peuvent s'orienter en fonction du débit.
La turbine de notre modèle est de type Pelton et ne comporte qu’un seul injecteur.
6
a) Basse chute
lien de la vidéo: https://www.youtube.com/watch?v=-fJIYLUa4cs
Cette première expérience consiste à reproduire une centrale à basse chute. La
hauteur de chute y est seulement de 74 cm.
Lieu de la première expérience
Nous avons utilisé environ 5,5 litres d'eau, avec un débit moyen de 36 cm3/s (3.6 x
10-5 m3 /s). Pour calculer le débit nous avons mesuré le volume d'eau utilisé (5488 cm3)
et nous l'avons divisé par le temps que le bidon a mis à se vider (2 min 30s).
A l'aide du logiciel Aviméca, nous avons calculé le temps que mettait la turbine
pour faire un tour entier. Cette dernière met 0.88s pour faire un tour. Elle fait donc 68
tours/min.
Capture d’écran d’Aviméca
pour la basse chute
7
A l’aide du logiciel Regressi, nous avons tracé la courbe représentant la fréquence
de la roue.
Pour améliorer les performances de la turbine, nous avons émis deux hypothèses
complémentaires. La première serait de modifier l’arrivée d’eau de façon à avoir une
quantité plus importante : beaucoup d’eau avec un débit continu, un petit peu comme
l’écoulement d’un fleuve (toutes proportions gardées). Cela permettrait de compenser
la faible chute. La deuxième hypothèse serait de modifier la turbine. Celle-ci devrait
ressembler plus à une hélice de bateau. Elle serait donc du type Kaplan.
8
b) Haute chute
lien de la vidéo: https://www.youtube.com/watch?v=YF5iu5zoXko
Cette deuxième expérience consiste à reproduire une centrale à haute chute avec
une conduite forcée. La hauteur de chute est de 2m93.
Lieu de la deuxième expérience
Nous avons utilisé 10 litres
d'eau, avec un débit moyen de 102 cm3/s
(1.02x10 4 m3/s) : 10000 cm3 en 1 min 38s.
Comme précédemment, nous avons mesuré le temps que met la turbine pour faire
un tour à l'aide du logiciel Aviméca. Nous avons trouvé que la turbine met 0,70
secondes pour faire un tour. Elle fait donc 85 tours/min.
Capture d’écran d’Aviméca
pour la haute chute
9
A l’aide du logiciel Regressi, nous avons tracé la courbe représentant la fréquence
de la roue.
Pour améliorer les performances de la turbine pour cette expérience, nous aurions
pu rajouter des injecteurs tout autour de la turbine pour augmenter la puissance de
l’eau. Mais compte tenu de la masse de la turbine qui est faible cela n’aurait pas eu
beaucoup d’impact.
10
c) Comparaison des résultats
Après nos expériences, nous avons observé que dans la simulation au fil de l'eau, la
turbine tourne à 68 tours/min et celle de la haute chute tourne à 85 tours/min. Nous en
déduisons donc que la turbine de la simulation à haute chute tourne plus vite que la
turbine de la simulation à basse chute. Or plus une turbine tourne vite plus elle
produira d’électricité si l’alternateur est suffisamment puissant. Nous pouvons donc en
conclure qu'avec une même quantité d'eau, la turbine de la simulation à haute chute
produira plus d'électricité que celle à basse chute.
Il faut toute fois noter que la quantité d’eau utilisée pour ces deux expériences
n’est pas la même car dans la première expérience la faible hauteur de chute ne
permettait pas d’exercer une force nécessaire pour vider le bidon.
11
II) ETUDE DE CAS
Localisation du barrage et de l'usine
Pour cette étude de cas, nous avons fait une demande de visite à l'usine de
Montahut qui nous a reçus le 22 octobre 2014. Nous avons pu visiter les deux turbines
qui composent l'usine ainsi que les différents matériels de contrôle et le réseau
électrique. Ensuite, nous avons pu poser nos questions à M. CRE, un employé
travaillant sur le site.
12
Questions posées le jour de la visite du site
- quel est le débit d'eau à l'usine de Montahut ?
20 m3/s dans la conduite forcée et 2m3/s par injecteur (il y en a …)
- quelles sont les caractéristiques de la conduite forcée ? (diamètre, longueur,
largeur,...)
Sa longueur est de 16 km, sa hauteur de 600 m et sa largeur de 2,10 m.
- quelle est sa production ?
100 MW (2x50), il faut 3 min pour activer la production
- Quelle est la retenue d'eau ?
Elle est de 45 millions de m3
- Quelle est la date de construction du site ?
1966
13
a) Présentation des lieux
Barrage du Laouzas :
Le barrage du Laouzas a été construit de 1961 à 1964. Il a fallu près de 60 000 m3
de béton. Le barrage mesure 50 m de haut et 295 m de long. Il est de type voûte (c'est à
dire qu'il a une forme arquée) et a une capacité de 45 millions de m3 d'eau.
Le barrage a été construit sur la Vèbre sous affluant de la Garonne dans le
département du Tarn. Il prend aussi de l'eau des ruisseaux du Pradas, Ramières et
Rieufrech. L'eau du lac est pompée par la prise d'eau de Laouzas, située sous le lac.
Ainsi l'eau est acheminée par une conduite, qui traverse la montagne pour arriver à
l'usine de Montahut. Notons que l'eau du barrage de Fraïsse est également acheminée
vers le lac du Laouzas par la galerie d'amenée.
Lors de nos recherches, nous avons trouvé un témoignage d’un ouvrier datant de la
construction du barrage :
"Avec Jean qui pilotait la bétonnière nous formions une équipe solidaire. Parfois, le
travail durait jusqu'à 1 heure voir 2 heures du matin. Ma plus longue prestation a duré
36h d'affilées."
Témoignage de Jean Guiraud et Santo Feraco
Usine de Montahut :
L'usine de Montahut a été mise en service en 1966. Elle a une puissance maximale
de 100 MW, cela équivaut à la consommation d'une ville d'une centaine de milliers
d'habitants. L'usine est composée d'une partie souterraine qui comprend les groupes de
production et d'une partie à l'air libre qui est constituée de bâtiments de se rvice et d'un
poste de transformation.
14
Galerie d'amenée et conduite forcée :
La conduite reliant la prise de Laouzas à l'usine de Montahut est composée :


d'une galerie d'amenée souterraine qui traverse la montagne (elle fait passer
l'eau du versant atlantique au versant méditerranéen) et mesure
approximativement 15 km.
d'une conduite forcée qui est sur la continuité de la galerie souterraine a pour
but d'acheminer l'eau et de la mettre sous pression. Elle a une partie aérienne
avec un dénivelé moyen de 30 % et une longueur de 1500 m et une partie
souterraine avec un dénivelé de 83 % et une longueur de 150 m. Cette conduite
a un diamètre de 2,10 m et la pression maximale supportée est de 52 bars.
Puits de Fraïsse :
Le puits de Fraïsse permet de relier la prise d'eau de Fraïsse à la première partie de
la galerie d'amenée, longue de 4700 m et pouvant être utilisée dans les deux sens. La
prise d'eau de Fraïsse étant plus haute que celle de Laouzas, lorsque l'usine ne produit
pas, on utilise l'eau du barrage de Fraïsse pour remplir le lac du Laouzas.
Cheminée d'équilibre :
La cheminée d'équilibre non déversante (dite de Tirecos) est un puits vertical situé
en amont de la vanne, tête de la conduite forcée. Elle joue un rôle d'amortisseur qui
neutralise les variations de débit de la galerie d'amenée afin d'éviter des coups de
bélier lors du démarrage ou de l'arrêt de l'usine.
15
b) Calculs
Énergie potentielle de l’eau en haut de la chute:
La formule de l'énergie potentielle est : Epp = mgh
Epp en joule (J)
g: l'intensité de la pesanteur = 9,81 N/kg
m: la masse en kilogramme (kg)
h: le dénivelé = h2 (altitude du barrage)-h1 (altitude au niveau de la turbine) h2=775m;
h1 =158m donc 775-158= 617 m
Le débit étant de 20m3 /s nous utilisons un volume de 20 m3 et 1m³ d'eau = 1 000 kg
donc 20m3 = 20000 kg
Epp= 20000 x 9,81 x 617 = 121x10 6 J
Epp = 121x106 J
16
Énergie cinétique de l'eau au pied de la chute:
La formule de l'énergie cinétique est : Ec= (1/2) mV²
Ec en joules (J)
m: la masse en kilogramme (kg) = 20000 kg
V: la vitesse de l'eau en m/s
or
qv = V x S donc V= qv/S
qv : le débit volumique en (m3/s) = 20 m3/s
V : vitesse du fluide en (m/s)
S : section de passage en (m²)
S= π x r² = π x 1.05² = 3.46 m²
V= 20 / 3.46 = 69.2 m/s
Ec= 1/2 (20000x 69.2²) = 47x10 6 J
Ec = 47x106 J
Pertes:
La formule pour calculer les pertes entre l’énergie potentielle et l’énergie cinétique
est: ∆Em = Em2 - Em1
∆Em représente les pertes (J)
Em1 : l'énergie mécanique en haut de la chute (J)
Em2 : l'énergie mécanique de l'eau en bas de la chute (J)
Em1 = Epp1 +Ec1 or en haut de la chute V=0 donc l’énergie cinétique est nulle.
Em1 =Epp1=121x10 6
Em2 = Epp2 +Ec2 or au pied de la chute h=0 donc l’énergie potentielle est nulle.
Em2 = Ec 2=47x10 6 J
∆Em = 47x10 6 – 121x10 6
∆ Em = -74x106
17
Puissance théorique de l’eau:
La formule de la puissance est : P=Epp/t
P est la puissance en watt (W)
Epp est l’énergie potentielle en haut de la chute en joules (J)
t est le temps pour réaliser la mise en mouvement
Epp = 121x10 6
Le débit est de 20m3/s donc 20m3 met 1 seconde pour se mettre en mouvement.
donc
P= Epp/t
P = 121x10 6/1= 121x10 6 W
P= 121 MW
Grâce à notre visite nous savons que l’usine a une puissance de 100 MW. Or dans nos
calculs nous trouvons 121 MW. Cette différence est due au fait que dans le calcul les
pertes ne sont pas prises en compte.
18
CONCLUSION
Durant notre TPE et pour répondre à notre problématique nous nous sommes
intéressés à la production hydroélectrique d'une part grâce à un modèle qui nous a
servi pour plusieurs expériences, et d'autre part en étudiant le complexe
hydroélectrique de Montahut. Le barrage et l'usine sont distants de 16 km avec un
dénivelé de 617 m. D'après nos calculs et nos expériences nous en avons conclu que le
système de production à haute chute était le mieux adapté. En effet avec une faible
quantité d'eau il produit plus d'électricité que le système à basse chute grâce à la
hauteur de chute qui permet à l'eau de prendre de la vitesse et permet de compenser la
faible quantité d'eau.
Bien qu’étant classée comme énergie renouvelable l’énergie hydraulique n’est pas
sans conséquences sur l’environnement. La construction d’un barrage provoque
l’immersion d’une surface importante et modifie l’écosystème local. Récemment la
construction du barrage de Sivens dans le Tarn a été interrompue en partie à cause de
ce facteur. De ce fait d'autres énergies renouvelables sont préférées dans le monde
comme l'énergie éolienne en France ou solaire en Allemane. En effet les allemands ont
comme projet de fermer toutes leurs centrales nucléaires avant 2022, ils doivent donc
développer un système de production électrique de substitution.
19
BIBLIOGRAPHIE
Introduction:
-energie.edf.com
-jeunes.edf.com
-PDF de EDF: "Notre énergie hydraulique"
-Document EDF: "Les barrages et centrales hydrauliques"
Expériences:
-"Mini- centrales hydroélectriques " de Pierre Lavy
-Document EDF: "Les barrages et centrales hydrauliques"
-ceyreste.free.fr
-PDF de EDF: "Le complexe hydroélectrique EDF de Laouzas-Montahut"
Etude de cas:
- Livre de physique de 1er S, collection Sirius, édition Nathan
- xpair.com
- Service de la production hydraulique, groupe régional de production
hydraulique Languedoc : chute de Montahut : document interne EDF
-PDF de EDF: "Le complexe hydroélectrique EDF de Laouzas-Montahut"
-"Mini- centrales hydroélectriques " de Pierre Lavy
- fr.topographic-map.com
- Google maps
20
Annexes
Annexe 1 : Certificat de visite
21
Annexe 2 : profil en long de l’aménagement de Montahut
22
Annexe 3 : Plan de l’aménagement de Montahut
23
Annexe 4 : Barrage du Laouzas
24
Annexe 5: Usine de Montahut
25