LE guide de la petite hydroélectricité, une référence édité par l’ESHA à télécharger
Ce guide technique très complet est une référence en matière de petite hydroélectricité.
Il est édité par l’ESHA.
Petites centrales hydroélectriques : régulation et sécurité d’exploitation
Le document édité par le programme PACER présente les principes de la régulation et les paramètres importants pour le contrôle et la surveillance durant les différentes phases de fonctionnement d’une petite centrale.
Ce document est destiné à aider les ingénieurs et techniciens non spécialisés qui sont concernés, dans le cadre de leur activité professionnelle, par la conception et la réalisation d’une
petite centrale hydraulique.
Contenu
Les fonctions, les caractéristiques et le dimensionnement des organes de régulation et de protection, tels que distributeur de turbine et vanne de sécurité sont discutés.
Un chapitre particulier est consacré au phénomène du coup de bélier. La présentation du phénomène est accompagnée de méthodes de calcul simples qui permettent d’en évaluer les effets et conséquences.
Les coups de bélier dus à des circonstances particulières – emballement d’une turbine, rupture de colonne d’eau, impulsions de régulation – sont également mentionnés.
Pour d’autres informations sur la petite hydroélectricité voir :
> Petites centrales hydroélectriques : généralités.
Petites centrales hydroélectriques : les turbines
Article
Une turbine est un moteur rotatif (pâles) entraîné par la pression de l’eau guidée jusqu’à la turbine par la conduite forcée. Il transforme la plus grande partie de l’énergie hydraulique en énergie mécanique. Il existe 2 familles de turbines : les turbines à action (Pelton, Cross-flow) et les turbines à réaction (Francis, Kaplan, pompes inversées). Chaque type de turbine est adaptée aux différentes exigences des cours d’eau (hauteur de chute et débit).
La turbine Pelton
Elle est utilisée pour des hautes chutes (10 à 500 m) et des faibles débits (20 à 1000 l/s).
Elle est équipée d’augets en forme de cuillère qui sont placées autour de la roue et reçoivent l’eau par l’intermédiaire d’un ou plusieurs injecteurs
Ces injecteurs permettent de régler l’arrivée de l’eau même en cas de fortes variations du débit et de conserver à l’ensemble un très bon rendement.
Sa vitesse de rotation est comprise entre 500 et 1 500 tr/min ce qui a l’avantage de permettre une liaison directe entre la turbine et la génératrice et d’avoir ainsi un encombrement réduit.
La turbine Banki-Mitchell ou Crossflow
Turbine de faible et moyenne chute, de 1 à 150 et de débit faible à moyen, de 20 à 7000 l/s.
Cette turbine à action est dite à flux traversant car l’eau traverse deux fois la roue.
Elle est constituée de trois parties principales :
un injecteur de section rectangulaire et dont le débit est réglé à l’aide d’une aube profilée rotative, similaire à une vanne papillon. Afin d’assurer un arrêt de la turbine sans énergie d’appoint, la fermeture est souvent réalisée à l’aide d’un contrepoids et l’ouverture par un vérin hydraulique ;
une roue en forme de tambours, dotée d’aubes cylindriques profilées ;
un bâti enveloppant la roue sur lequel sont fixés les paliers de la turbine.
Elle possède l’inconvénient d’avoir une vitesse de rotation assez lente ce qui nécessite la présence d’un multiplicateur (courroie) pour accélérer la vitesse de rotation de la génératrice et donc un rendement assez moyen mais constant (de l’ordre de 70%).
Cependant, son dimensionnement et sa construction sont très simples et elle est robuste : même pour les petites puissances sa construction peut être envisagée au stade artisanal par un bon bricoleur. En effet cette roue ne possède aucun élément de fonderie, les aubes sont des portions de surface cylindrique circulaire.
On peut donc les découper dans un tube , en acier , laiton, ou même plastique. Ceci en fait une solution de choix pour les pays en voie de développement.
La turbine Francis
Les turbines Francis sont généralement utilisées pour des moyennes chutes (10 à 100 m) et des débits moyens (100 à 6 000 l/s) et peuvent développer des puissances très importantes.
La roue fixe est montée au centre d’une « bâche spirale » à l’intérieure de laquelle ce trouve le distributeur. Cette « bâche » 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 dimensionnée de façon à ce le débit passant à travers reste constant.
Le distributeur est constitué par une série de directrices (aubes rotatives) qui dirigent l’eau de la bâche vers la roue.
Sa vitesse de rotation est rapide (jusqu’à 1 000 tr/min) et elle a de bons rendements : 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.
Les turbines Kaplan et hélices
Elles sont les plus appropriées pour le turbinage des faibles chutes (moins de 10 m) et des débits importants (300 à 10 000 l/s).
Elles se caractérisent par leur roue qui est similaire à une hélice de bateau dont les pales sont réglables en marche (Kaplan) ou fixes (hélices).
L’eau est dirigée vers le centre de la roue par un distributeur orientable ou fixe. A la sortie un aspirateur permet de limiter les effets de turbulence.
Ces turbines dont la vitesse de rotation est faible présente l’avantage d’avoir de très bons rendements.
Pour en savoir plus sur les turbines :
> télécharger la publication du programme PACER consacrée aux turbines : Petites centrales hydrauliques : turbines hydrauliques – Journées de formation pour ingénieurs.
Pour d’autres informations sur la petite hydroélectricité voir l’article :
> Petites centrales hydroélectriques : généralités.
Petites centrales hydroélectriques : générateurs et installations électriques
Publication du programme PACER à télécharger
Ce document édité par le programme suisse PACER est destiné à aider les ingénieurs et techniciens non spécialisés qui sont concernés, dans le cadre de leur activité professionnelle,par la conception et la réalisation d’une petite centrale hydraulique.
Les générateurs et les installations électriques des petites centrales hydrauliques sont présentées du point de vue technique, le texte étant illustré par de nombreuses figures et accompagné d’exercices.
Contenu
Le document contient les informations suivantes :
présentation du système PTDU (production – transport – distribution – utilisation) ;
principes fondamentaux de l’électricité ;
description et fonctionnement des générateurs
synchrones et asynchrones ;
exploitation des générateurs en parallèle sur un
réseau interconnecté et en réseau isolé. Surveillance
et contrôle ;
critères de comparaison entre les générateurs
synchrones et asynchrones pour un choix optimal ;
établissement d’un cahier des charges d’un générateur ;
protection et sécurité des installations.
Pour d’autres informations sur la petite hydroélectricité voir :
> Petites centrales hydroélectriques : généralités.
Guide pratique pour la réalisation de petites centrales hydroélectriques
Publication du programme PACER à télécharger
Prenant le cadre Suisse pour référence, ce document édité par le programme Suisse PACER passe en revue tous les éléments essentiels d’un projet de petite centrale hydroélectrique : aspects techniques, financier, montage du projet…
Sommaire
1. Petites centrales hydrauliques en Suisse
- 1.1 Qu’est-ce qu’une petite centrale hydraulique ?
- 1.2 L’importance des petites centrales hydrauliques en Suisse
- 1.3 Cadre légal
2. Technologie des petites centrales
- 2.1 Classification des petites centrales et de leurs composants
- 2.2 Notions techniques concernant l’utilisation de la force hydraulique
- 2.3 Les éléments d’une petite centrale, leur fonction et leur construction
- 2.4 Petites centrales : technologie sérieuse ou bricolage ?
3. Petites centrales hydrauliques et environnement
- 3.1 Débits de restitution
- 3.2 Exigences de la pêche
- 3.3 Intégration des installations dans le paysage
4. Exemples de petites centrales en exploitation
- 4.1 Microcentrale à basse pression du Moulin de Vicques (JU)
- 4.2 Centrale avec conduite forcée sur l’Ilfis à Bärau, Langnau (BE)
- 4.3 Microcentrale du réseau d’approvisionnement en eau potable de la commune de Brienzwiler
- 4.4 Turbinage des eaux usées de la commune de Leysin
- 4.5 Turbines de récupération dans l’industrie
5. Rentabilité des petites centrales hydrauliques
- 5.1 Situation actuelle
- 5.2 Nouvelle construction ou modernisation
- 5.3 Prix de revient de l’électricité produite par une petite centrale
- 5.4 Prix de vente et tarifs de rachat de l’électricité
- 5.5 Evaluation de la rentabilité
6. Promotion et financement des petites centrales
- 6.1 Mesures promotionnelles de la Confédération et des cantons
- 6.2 Financement
7. Marche à suivre pour la planification et la réalisation des microcentrales
- 7.1 Déroulement du projet
- 7.2 Procédure administrative pour l’obtention ou le renouvellement d’une concession
- 7.3 Exigences techniques et services compétents
- 7.4 Disparités cantonales et régionales
8. Adresses utiles (en Suisse)
- 8.1 Autorités
- 8.2 Organisations et associations
- 8.3 Données et prescriptions techniques
- 8.4 Financement et promotion
Glossaire
Annexe A : Survol des principales Lois et Ordonnances fédérales
Annexe B : Evaluation d’un potentiel de force hydraulique
- B1. Estimation de la puissance
- B2. Débits à disposition
- B3. Choix du débit nominal de la petite centrale
- B4. Dimensionnement d’une installation et estimation de la production annuelle
Annexe C : Estimation de la rentabilité des petites centrales
- C1. Bases
- C2. Investissements et frais financiers
- C3. Frais d’exploitation
- C4. Revenus et bénéfices
- C5. Exemple
Annexe D : Déroulement d’un projet de petite centrale
Pour d’autres articles concernant la petite hydroélectricité voir l’article :
> Petites hydroélectriques : généralités.
Rénover au lieu d’abandonner : modernisation et remise en service des petites centrales hydrauliques, critères d’évaluation
S’il existe un intérêt énergétique et écologique à conserver ou rénover d’anciennes petites centrales hydrauliques encore en service, ou à remettre en service des installations abandonnées, cet intérêt ce mesurera toujours à l’aune de leurs rentabilités économiques. Cependant, la détermination de la rentabilité d’un projet de modernisation et de remise en service suppose normalement un travail de planification important et coûteux. Un investissement préalable auquel de nombreux propriétaires renoncent alors que pourtant seul le résultat d’une étude adéquate est en mesure de confirmer la faisabilité technique et économique du projet. Qu’il s’agisse d’une simple modernisation ou d’un remplacement total des installations, le présent manuel offre la possibilité aux propriétaires et exploitants d’évaluer cette faisabilité sans mise en oeuvre d’une étude approfondie.
Publication du programme suisse DIANE
Site internet : http://www.smallhydro.ch
128 pages
1994
Sommaire
1- Introduction
2- Description de la méthode d’évaluation
3- Projets de modernisation
- Collection des données ;
- Fiches d’évaluation : nécessité, sur le plan technique, du projet de modernisation ;
- Fiches d’évaluation : rentabilité du projet de modernisation ;
- Evaluation d’ensemble du projet de modernisation.
4- Projet de réactivation
- Collection des données ;
- Fiches d’évaluation : nécessité, sur le plan technique, du projet de réactivation ;
- Fiches d’évaluation : rentabilité du projet de réactivation ;
- Evaluation d’ensemble du projet de réactivation.
5- Annexe : Loi fédérale sur la protection des eaux (Extrait)
Pour en savoir plus, sur les études à mener voir les articles suivants :
> Petites centrales hydroélectriques : les études à mener, mode d’emploi
> Le choix, le dimensionnement et les essais de réception d’une mini-turbine – PACER ;
> Faisabilité d’une micro centrale hydroélectrique, cahier des charges – ADEME ;
> Comment mesurer la hauteur de chute ? ;
> Comment mesurer le débit d’une rivière ?.
Pour des articles généralistes sur l’hydroélectricité et la micro hydroélectricité voir :
> Hydroélectricité et centrales hydroélectriques : généralités
> Petites centrales hydroélectriques : généralités
Petites centrales hydroélectriques sur l’eau potable : documentation technique, 8 exemples en détail
Souvent quelques centaines de mètres d’altitude séparent une source d’eau potable de ses utilisateurs. L’énergie de cette « chute » peut être exploitée par une centrale hydroélectrique. A travers différents exemples tirés de l’expérience suisse, ce document présente cette technique de valorisation énergétique des réseaux d’eau potable.
Publication du programme suisse DIANE en allemand et français
Site internet : http://www.smallhydro.ch
120 pages
1997
Sommaire
Préambule
Introduction
1- Exemples d’installations :
- Bern
- Blumenstein
- Elm
- Küssnacht
- Lenzerheide
- Sarnen
- Sonzier
- Val Champagna
2- Autres installations en Suisse
3- Partie technique
- Définitions
- Classification des centrales hydrauliques sur eau potable en Suisse
- Force hydraulique dans le réseau d’eau potable
- Un mot sur les priorités
- Centrales sur l’eau potable et environnement
- Rentabilité
- Entretien de l’installation
Adresses
Publications DIANE
Pour en savoir plus sur ce sujet voir également les articles suivants :
> L’eau usée génératrice d’électricité : concept, réalisation, potentiel – DIANE ;
Pour d’autres informations sur la petite hydroélectricité voir également :
> Petite hydroélectricité : généralités.
Petites centrales hydroélectriques : les études à mener, mode d’emploi
Article
L’objectif de cet article est de synthétiser les différentes étapes par lesquelles un développeur (un privé, une commune, ou autre) doit passer pour mener à bien son projet de petite hydraulique.
Préambule : mesurer régulièrement le débit du cours d’eau
Avant tout étude poussée, il est conseillé d’effectuer des mesures de débits le plus régulièrement possible, c’est-à-dire au moins une fois par semaine, et de faire mesurer par un géomètre les altitudes des niveaux d’eau amont et aval. Cette première démarche est parfois appelée « étude de préfaisabilité ».
Pour en savoir plus voir les articles :
> Comment mesurer le débit d’une rivière ?
> Comment mesurer la hauteur de chute ?
1. Etude d’avant-projet sommaire ou de faisabilité
Cette première étude consiste à dresser un premier bilan technique, économique et environnemental du site afin de répondre à la question : est-il intéressant ou non d’aller plus loin ?
Concrètement, cette étude, comprenant une visite de site, aboutit à un rapport d’une dizaine de pages qui présente la puissance électrique moyenne et maximale du site, la production, une estimation des investissements et du prix de revient du kWh produit.
Dans le cas particulier d’un projet isolé dans un pays en voie de développement, cette étude sera nécessairement plus longue puisqu’il n’existe en général que peux de références en la matière et qu’une étude socio économique du village desservie doit être menée.
2. Etude de faisabilité détaillée ou avant-projet
Cette deuxième étude reprend dans les détails l’étude d’avant projet sommaire, afin de préciser :
- la courbe des débits classés ;
- le débit d’équipement optimal pour le site, avec éventuellement l’étude de plusieurs variantes
- la ou les turbines spécifiques au site et présentant le meilleur compromis entre la production, les investissements et l’intégration à l’environnement local ;
- les dimensions de la ou des turbine(s) ;
- la détermination du diamètre optimal de la conduite forcée ou le calcul des pertes de charge si elle est existante ;
- les travaux de génie civil ;
- le raccordement au réseau ;
- les investissements ;
- le prix de revient du kWh.
Concrètement, cette étude, comprenant au moins 1 visite de site, conduit à un rapport d’une trentaine de pages, qui s’accompagne des plans préliminaires de l’installation.
3. Projet d’exécution
Cette dernière étape vise à :
- rédiger les cahiers des charges pour les équipements et travaux ;
- effectuer des demandes d’offre auprès des fournisseurs de matériel et entreprises de génie civil ;
- analyser les offres et proposer l’adjudication ;
- faire exécuter les plans finaux des aménagements par les intervenants sélectionnés suivant leurs prestations ;
- construire la centrale : direction des travaux, suivi de chantier, etc. ;
- mettre en service la centrale.
Pour en savoir plus, sur les études à mener voir les articles suivants :
> Le choix, le dimensionnement et les essais de réception d’une mini-turbine – PACER ;
> Faisabilité de micro-centrales hydroélectriques, cahier des charges – ADEME ;
> Comment mesurer la hauteur de chute ? ;
> Comment mesurer le débit d’une rivière ?.
Pour des articles généralistes sur l’hydroélectricité et la micro hydroélectricité voir :
> Hydroélectricité et centrales hydroélectriques : généralités ;
> Petites centrales hydroélectriques : généralités.
Prise d’eau classique et prise d’eau "Coanda"
Fiche technique
Tout installation hydroélectrique dispose d’aménagement de génie civil nommé : « prise d’eau ».
Le rôle de la prise d’eau est double :
- capter une partie du débit du cours d’eau suivant les besoins de la centrale. L’eau est ensuite acheminée vers la turbine par un canal et/ou une conduite ;
- filtrer les débris du cours d’eau et les poissons pour qu’ils ne pénètrent pas dans la turbine.
La prise d’eau « classique »
Classiquement, la prise d’eau des centrales « au fil de l’eau » se compose :
d’un canal, dont l’entrée est munie d’une grille qui filtre les gros débris, qui se prolonge par un bassin de décantation (partie du canal plus large et plus profonde). Il permet de filtrer les débris plus fins (comme le sable), il est d’ailleurs également appelé « dessableur » et doit être purgé régulièrement. Par sécurité, une grille plus fine est parfois installée en fin de dessableur, à l’entrée de la conduite forcée .
La prise d’eau « Coanda »
Depuis quelques années, une nouvelle technologie de prise d’eau à vue le jour : la prise d’eau « Coanda » ou à « effet Coanda », du nom de l’ingénieur roumain qui mit en évidence ce phénomène de mécanique des fluides au 20ème siècle.
Principe de l’effet « Coanda »
Le principe de l’effet Coanda est le suivant : lorsqu’un fluide en écoulement rencontre une paroi, il a tendance à adhérer à la paroi même s’il lui faut pour cela, faire un « virage en épingle à cheveux ».
Principe de « l’écran Coanda »
La prise d’eau « Coanda » repose sur ce principe : une partie du cours d’eau passe sur une grille très fine (que l’on appelle également « écran Coanda »), par effet « Coanda » l’eau adhère à la structure de la grille qui est telle qu’elle filtre les débris les plus fins et capte une partie du cours d’eau qu’elle dirige directement vers une conduite ou un canal.
Intérêts
Avantages
Cette technologie possède trois avantages majeurs :
- la grille permet à la fois de filtrer les gros débris (ils passent au dessus de la grille) et les petits, ils sont filtrés par la structure très fine de la grille ;
- la grille est auto-nettoyante, puisqu’en permanence de l’eau s’écoule sur la grille ;
- la structure est allégée : une seule grille et aucun dessableur.
Ainsi, la technologie « Coanda » permet de diminuer les coûts d’entretien et de génie civil et l’impact visuel de la prise d’eau.
Inconvénients
Par contre, la construction d’une telle grille est assez complexe (finesse de la construction, robustesse des matériaux, design) : elle ne peut être réalisée que par une entreprise spécialisée.
Ci-contre : la finesse du maillage de la grille « Coanda »
Pour en savoir plus, deux documents en anglais sont à télécharger ci-dessous :
> « Design Guidance for Coanda-effect screens » du département technique des ressources en eau du gouvernement américain ;
> Le rapport de stage de Dorothée Huber effectué pour « le projet Beduin » au sein du département Génie hydraulique et Environnement de l’université de Trondheim en Norvège. Il porte sur des essais de grilles « Coanda ».
Pour d’autres informations sur la petite hydroélectricité, voir :
> Petite hydroélectricité : généralités
L’eau usée génératrice d’électricité : concept, réalisation, potentiel
Les stations d’épuration de villages situées en altitude possèdent en potentiel hydraulique important et très souvent inexploité. Que le traitement soit effectué au niveau de la commune ou dans une station placée plus bas, ces équipements impliquent des dénivellations qui permettent l’implantation de centrales hydroélectriques. A travers l’étude de différents projets pilotes et de sites potentiels, ce document présente cette intéressante technique de valorisation énergétique des eaux usées.
Publication du programme Suisse DIANE en allemand et français
Site internet : http://www.smallhydro.ch
74 pages
1995
Sommaire
Introduction
1- La récupération
2- Situation actuelle – Centrale hydroélectrique des eaux usées
3- 3 installations pilotes :
- Leysin
- Le Châble
- Nyon
4- 131 sites potentiels
5- 6 sites représentatifs :
- Montana
- Nendaz
- Ollon
- Eschenbach
- Adelboden
- Vauffelin
Portrait succinct du projet DIANE
Liste des publications
Pour en savoir plus sur ce sujet voir également les articles suivants :
Pour d’autres informations sur la petite hydroélectricité voir également :
> Petite hydroélectricité : généralités.