Qu’est-ce que l’énergie hydroélectrique et les types de turbines hydroélectriques

L’hydroélectricité est, de loin, la forme d’énergie renouvelable la plus utilisée dans le monde. C’est aussi la plus ancienne méthode de production d’électricité. Statistiquement, l’électricité mondiale produite par l’hydroélectricité s’élève à 21 %, et le nombre total de personnes alimentées par l’énergie générée par les centrales hydroélectriques est de 1 250 000 000. Un nombre record de 25 pays dépendent de l’hydroélectricité pour 90 % de leur électricité. Toutes ces statistiques indiquent que l’hydroélectricité dominera toujours le monde, bien que d’autres formes d’énergie renouvelables comme l’énergie solaire et éolienne prennent rapidement de l’ampleur.

L’hydroélectricité est simplement le processus d’exploitation de l’énergie cinétique de l’eau en mouvement pour produire de l’électricité. L’hydroélectricité est classée comme énergie renouvelable du fait que le cycle de l’eau est continuellement renouvelé par le soleil. L’hydroélectricité a d’abord été utilisée dans les moutures mécaniques comme le broyage du grain. Dans le monde moderne, les centrales hydroélectriques utilisent des turbines et des générateurs pour produire de l’électricité.

Comment fonctionne une centrale hydroélectrique ?

Pour que le pouvoir soit généré, trois choses doivent être présentes; de l’eau courante, une turbine et un générateur. L’eau qui coule du barrage ou de la rivière en amont heurte la turbine, ce qui la fait tourner. La turbine est reliée au générateur par un arbre. Ainsi, lorsque la turbine tourne, l’arbre tourne également, ce qui fait que le générateur commence à fonctionner, produisant éventuellement de l’énergie.

Le principe de l’énergie hydroélectrique est similaire à celui de l’énergie éolienne qui fait tourner les roues de la turbine par son énergie. L’énergie hydroélectrique utilise le flux naturel de l’eau pour donner de l’énergie mécanique aux turbines afin de produire de l’électricité. L’eau coule en continu pour fournir de l’énergie. L’énergie gravitationnelle donne à l’eau l’énergie cinétique nécessaire à l’écoulement.

Dans les cas normaux, le débit d’eau ordinaire est suffisant pour son fonctionnement comme pour l’électricité domestique ; mais dans d’autres cas, son débit et son efficacité doivent être augmentés, ce qui peut être fait en acheminant l’eau le long des canaux et des conduites forcées, ce qui augmenterait le rendement.

Le fonctionnement d’un générateur est sophistiqué. Il fonctionne sur un principe selon lequel lorsqu’un aimant est poussé devant un conducteur, il déclenche la circulation de l’électricité. Dans un générateur à grande échelle, les électroaimants sont développés en faisant simplement circuler du courant continu (courant continu) via des boucles de fil enroulé autour de tas de tôles magnétiques en acier, appelées pôles de champ. Ces pôles de champ sont placés sur la limite du rotor. Le rotor est normalement relié à l’arbre de la turbine et tourne à une vitesse définie. Lorsque les rotors tournent, cela déclenche les pôles de champ, également appelés électroaimants, pour aller au-delà des conducteurs placés dans le stator. Ceci, finalement, entraîne un flux d’électricité. Il en résulte également une génération de tension aux bornes de sortie du générateur.

Les composants d’une centrale hydroélectrique ci-dessous expliquent assez bien son fonctionnement :

Composants d’une centrale hydroélectrique

Les barrages sont construits pour élever le niveau d’eau de la rivière afin de créer des chutes d’eau. Un barrage contrôle également le débit d’eau. La masse d’eau formée (réservoir) est essentiellement de l’énergie stockée.

L’eau qui tombe recèle beaucoup d’énergie de sorte que lorsqu’elle tombe sur la turbine, elle la fait tourner. Une turbine à eau a beaucoup en commun avec un moulin à vent ; c’est juste que l’énergie est fournie par l’eau et non par le vent. La turbine en rotation convertit l’énergie cinétique (mouvement) de l’eau en énergie mécanique.

Le générateur est généralement relié à la turbine via des arbres. Lorsque la turbine tourne, les générateurs tournent également. Le générateur convertit l’énergie mécanique en électricité. Les générateurs de centrales hydroélectriques fonctionnent de la même manière que les générateurs utilisés dans d’autres centrales électriques.

Les lignes de transmission acheminent l’électricité des centrales hydroélectriques jusqu’aux utilisateurs finaux comme les maisons et les entreprises.

Types de turbines hydroélectriques

Les turbines hydroélectriques sont classées en deux ; turbines à impulsion et turbines à réaction. Le type de turbine sélectionné pour un certain projet dépend essentiellement de la hauteur de l’eau stagnante, communément appelée « tête ». Vous trouverez ci-dessous un aperçu des deux principales classifications des turbines hydroélectriques :

• La turbine à impulsion

Il s’agit du type de turbine d’entrée de gamme utilisé dans la plupart des centrales hydroélectriques. La fonctionnalité d’une turbine à impulsion est plutôt intéressante. Un liquide en mouvement rapide passe à travers une fine buse au niveau des pales de la turbine pour permettre aux pales de tourner. Les aubes montées sur une turbine à impulsion ont normalement la forme d’un godet, elles arrêtent donc le liquide et le canalisent en biais.

Dans d’autres scénarios; le liquide redirigé vers son origine. Cela se produit ainsi car le procédé offre le meilleur transfert d’énergie du liquide vers la turbine. En un mot, le liquide est forcé de frapper la turbine à des vitesses supersoniques. Ces impulsions d’énergie constante sont les fondements du fonctionnement de la turbine à impulsions.

La plupart des turbines à eau tournent autour de la turbine à impulsion, même si d’autres utilisent le modèle de la turbine à réaction. Les turbines à impulsion sont les plus préférées car elles sont faciles à développer, ont des conceptions simples et sont beaucoup plus faciles à entretenir. La turbine à impulsion est en outre subdivisée en :

• Turbine tangentielle : Il a la forme d’un tambour. La plupart des turbines à eau présentent des écoulements axiaux et radiaux. Cependant, dans une turbine à flux croisés, le fluide traverse la turbine en diagonale ou à travers les aubes. La particularité de ce type de turbine est qu’elle permet à l’eau de traverser deux fois ses pales. Lors du premier passage, l’eau s’écoule des extrémités extérieures des pales vers l’intérieur, tandis que le second s’écoule de l’intérieur de la pale vers l’extérieur. Le flux transversal comporte également une aube directrice au point d’entrée de la turbine, qui canalise le flux de liquide vers une zone limitée de la roue. Le courant transversal a été conçu pour absorber d’énormes débits d’eau et des têtes inférieures par rapport au Pelton.

• Pelton : Cette turbine à eau de type à impulsion récupère l’énergie de l’impulsion de l’eau qui coule. Ses principaux composants comprennent le jet de rupture, la buse, les canaux, les godets et le boîtier. Il est principalement utilisé pour les systèmes hydroélectriques à haute chute. Il présente l’avantage d’une petite taille, d’une structure compacte, d’un rendement élevé, d’un faible coût d’exploitation et de maintenance. La disposition de l’arbre est horizontale ou verticale et peut être livrée avec une buse simple, double ou multi-buses. L’arbre présente des attributs tels qu’une bonne structure, une grande capacité, une tête haute et plusieurs buses.

Composants de la turbine à impulsion

• Rotor: Il est également connu sous le nom de roue et situé sur l’arbre. Toutes les pales de la turbine sont fixées au rotor. Les forces appliquées à la pale par la chute d’eau sont transférées aux rotors, ce qui augmente la vitesse de la turbine en rotation.

• Lames : les lames de forme concave sont normalement fixées au rotatif. L’eau qui tombe frappe les pales et change leur direction.

• Buse: La fonction principale de la buse est de réguler le débit d’eau. Une aiguille de lance ou un travail conique est placé à l’intérieur de la buse dans la direction axiale. La buse divulgatrice est responsable de la conversion de l’énergie de la pression de l’eau en énergie cinétique aidant à la formation de jets d’eau. Les jets d’eau à grande vitesse frappent les aubes de la turbine, ce qui les fait tourner.

• Buse de cuisson : Celui-ci est situé dans la direction opposée à la buse principale. La buse de freinage sert principalement à ralentir la roue ou à l’arrêter complètement.

• Enveloppe: C’est la couche externe de la turbine qui protège la turbine de l’environnement extérieur hostile. La fonction clé du carter est d’atténuer le rejet d’eau vers la piste de queue depuis l’aube.

• Turbines à réaction

Les turbines à réaction fonctionnent d’une manière légèrement différente des turbines à impulsion. Ici, les pales sont placées dans un volume de fluide beaucoup plus important et tournent au fur et à mesure que le fluide les traverse. Ce type de turbine ne modifie pas instantanément le sens d’écoulement du fluide comme le fait la turbine à impulsion. Il tourne juste pendant que le fluide s’écoule lorsqu’il passe devant les pales. Les caractéristiques de l’éolienne à réaction ont beaucoup en commun avec l’éolienne. Un exemple de turbine qui relève des turbines à réaction est la turbine à hélice.

Turbines à hélice

Se compose d’un patin et de 3 à 6 pales qui entrent continuellement en contact avec l’eau. Les principaux composants de la turbine à réaction, à l’exception de la roue, comprennent le boîtier de défilement, le tube de tirage et les portillons. Les différents types de turbines à hélice comprennent le straflo, la turbine à bulbe, le Kaplan et la turbine à tube. Les turbines à hélice sont subdivisées en :

Turbines à énergie cinétique : Elles sont également connues sous le nom de turbines à écoulement libre. Ils produisent de l’électricité grâce à l’énergie cinétique contenue dans l’eau qui tombe au lieu de l’énergie de la tête. Ces types de turbines peuvent fonctionner dans les rivières, les canaux artificiels, les courants océaniques ou les eaux de marée. Les systèmes de turbines cinétiques utilisent la voie naturelle des cours d’eau. Ils ne nécessitent aucune forme de dérivation de l’eau via des conduites, des lits de rivières ou des canaux artificiels. Ils n’ont pas non plus besoin de travaux de génie civil à grande échelle. Néanmoins, ils peuvent utiliser des structures existantes telles que des canaux, des canaux de fuite et des ponts.

Turbines Francis : Les turbines Francis se composent d’un coureur avec des aubes ou des aubes fixes, normalement 9 ou plus. L’introduction d’eau juste au-dessus du coureur provoque sa rotation. Les autres composants du Francis en dehors du coureur comprennent les portillons, le tube de tirage et les portes à volutes.

Crédit image : russmac