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Les turbines, coeur des centrales hydroélectriques

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Eléments essentiels des centrales, ces quatre turbines, inventées au XIXe et début du XXe siècle, restent les plus utilisées dans le monde.

Il n'y a pas deux cours d'eau qui se ressemblent. Placer une centrale en aval d'un barrage dans les Alpes, le long du cours paisible du Rhône ou sur une petite chute d'un ruisseau donne lieu à autant de profils hydrodynamiques différents. Outre le travail de construction des infrastructures, l'un des points clés d'optimisation de la production d'énergie se situe au coeur de la centrale : la turbine. Directement au contact de l'eau, voire immergée, elle entraîne l'alternateur à la vitesse adéquate pour produire l'électricité à la fréquence voulue (par exemple 50 Hz en France ou 60 Hz aux Etats-Unis). La majeure partie d'entre elles ont été mises au point il y a près d'un siècle, c'est le cas des modèles le plus couramment utilisés comme les turbines-pompes, les Pelton, les Kaplan et les Francis, qui continuent à assurer parfaitement leur rôle. Les innovations permettent d'optimiser leur fonctionnement ou de les adapter à des contraintes locales. L'une des dernières turbines mise au point à la fin des années 1980 est la Wells, utilisée pour récupérer l'énergie des vagues en mer, mais son emploi reste encore anecdotique.

La turbine-pompe pour les grandes chutes

Principe. Construites en 1928 à partir de roues Francis ou Kaplan, ces machines sont réversibles. Elles peuvent soit capter l'énergie d'écoulement (turbinage) pour produire de l'électricité, soit au contraire fournir de l'énergie à l'eau pour la faire remonter en amont (pompage) selon les besoins de l'exploitant. Elles permettent ainsi l'accumulation d'une hauteur d'eau (et donc d'énergie) importante en amont, en vue d'une utilisation ultérieure en turbinage lors des pointes de consommation électrique. Les stations de transfert d'énergie par pompage-turbinage (lire l'article sur Grand'Maison page 76) sont le seul moyen de stocker massivement de l'énergie avec un rendement de 80 %.

Alstom Hydro multiplie les étages des turbines-pompes. Forte de son expérience dans les turbines-pompes, Alstom Hydro, au sein de son laboratoire grenoblois, a réalisé une avancée importante : le double et multi-étage à distributeurs ajustables. Conçues pour les hauteurs de chute élevées (700-1 200 m), les turbines-pompes à multi-étages réduisent significativement les contraintes et les vibrations sur la roue en répartissant la charge sur deux ou plusieurs roues mises en série au coeur de la bâche spirale qui conduit l'écoulement de l'eau. Par ailleurs, ces turbines sont dotées de distributeurs ajustables qui permettent d'optimiser le débit de l'eau en vue d'un meilleur rendement. En 2006, Alstom a installé la plus grande machine de ce type dans la centrale de Yang Yang en Corée du Sud. Celle-ci fournit 4 x 258 MW pour une hauteur de chute de 798 mètres. .

La Pelton et ses cuillères

Principe. Popularisée par Lester Pelton (1829-1908), cette roue hydraulique fut mise au point en 1880 pour répondre à la demande énergétique de la ruée vers l'or du XIXe siècle aux Etats-Unis. Elle récupère l'énergie de la pression de l'eau grâce à des augets en forme de cuillère soumis à un ou plusieurs jets (la roue n'est pas immergée). Son mode de fonctionnement la rend propice aux hautes chutes, supérieures à 200 mètres, à faible débit (de 4 à 15 m3/seconde).

Andritz Vatech Hydro compacte les Pelton. L'entreprise autrichienne Andritz Vatech Hydro, l'un des leaders dans la conception et la production de turbines de faible taille, a développé des Pelton compactes. Adaptées aux besoins spécifiques des exploitants de la petite hydraulique, elles couvrent une gamme de chutes allant jusqu'à 1 000 mètres avec un débit maximal de 7 mètres cubes par seconde. Elles peuvent développer jusqu'à 15 MW de puissance. Mises au point dans un laboratoire suisse grâce aux dernières avancées de simulation numérique en dynamique des fluides computationnelle (DFC), qui évite pléthores d'expérimentations en banc d'essais, elles sont fournies avec un générateur intégré. Ainsi, leur mise en place dans l'ouvrage est simplifiée, réduisant les coûts et la durée de conception des fondations du site. De plus, elles s'appuient sur un nouveau système de contrôle interne des buses, optimisant la géométrie des jets d'eau au service du rendement. .

La Francis totalement immergée

Principe. La Francis est la plus ancienne des turbines hydroélectriques (1868), mais est aussi la plus présente dans le monde avec 75 % des modèles installés. Cette roue est intégralement immergée, l'eau pénètre à sa périphérie et est évacuée le long de l'axe, ce qui lui permet de répondre à une large gamme de chutes (de 10 à 700 mètres) et de débits (de 4 à 55 m3/s). Elle fut conçue par l'ingénieur américain James Bicheno Francis (1815-1892).

Des limites repoussées. Le consortium composé du français Alstom Hydro, de l'américain GE Hydro et du chinois Harbin Power Equipment construit les plus grandes turbines Francis au monde. Affichant 420 tonnes sur la balance, près de 10 mètres de diamètre et 5,4 mètres d'épaisseur, elles sont capables de déployer une puissance de 710 MW (plus du double des plus puissantes turbines Kaplan ou Pelton). Pour voir naître de tels monstres, il fallait un site offrant des conditions de chute et de débit optimales. Bien évidemment, l'élu est le barrage des Trois-Gorges sur le cours du Yangzi Jiang, situé en Chine. La future plus grande centrale hydraulique du monde (22 500 MW, 15 à 22 tranches nucléaires, 10 % de la consommation du pays au terme du projet) accueillera 26 de ces turbines géantes. En théorie, les turbines Francis peuvent atteindre une puissance unitaire de 1 000 MW dans des conditions parfaites. Reste à savoir si ce site existe, peut-être en Asie ou dans les 93 % de potentiel inexploité en Afrique. .

Les pales orientables de la Kaplan

Principe. Cette turbine inventée, en 1912, par l'ingénieur autrichien Viktor Kaplan (1876-1934) ressemble à une turbine à hélices, mais ses pales sont orientables en fonction du débit de l'eau. Immergée comme la Francis, la Kaplan est très usitée pour les centrales au fil de l'eau. Les turbines-bulbes utilisent des roues de type Kaplan, mais sont immergées avec leur alternateur, ce dernier étant placé dans un caisson hermétique.

BP Etudes place des Kaplan dans des barrages à clapet. Les barrages à clapet, conçus pour réguler le niveau d'un cours d'eau, présentent en leur centre une zone creuse par laquelle s'écoulent les débords. Basé à Remiremont (Vosges), BP Etudes a déposé un brevet qui permet d'adapter des turbines Kaplan dans cet espace. Ce système est optimisé pour des hauteurs de chutes de 3 à 6 mètres et un prototype devrait voir le jour en 2009. .

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