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Fonctionnement et Glossaire

Produire de l'électricité avec l'énergie hydraulique :
Une partie du cours d'eau est acheminée vers la centrale via un canal d'amenée et, selon les installations, une conduite forcée. En sortie de la conduite forcée ou du canal d'amenée, l'eau entraine la rotation de la turbine avant d'être restituée dans le canal. La turbine entraine alors un générateur électrique le plus souvent via un multiplicateur de vitesse. Le générateur, couple a un transformateur produit de l'électricité qui est mise en circulation sur le réseau de distribution électrique. La puissance d'une centrale dépend principalement de deux paramètres : la hauteur de chute et le débit turbine.

La puissance électrique se définit comme la valeur instantanée délivrée ou consommée. Elle correspond à l’énergie consommée ou produite par unité de temps. Elle s’exprime principalement en watts (W), en kilowatts (kW), en mégawatts (MW) :
1 kW = 1 000 W (abréviation de kilo),
1 MW = 1 000 kW (abréviation de méga),
1 GW = 1 000 MW (abréviation de giga),
1 TW = 1 000 GW (abréviation de téra).

- la puissance d’un lave-linge ou d’un lave-vaisselle est d’environ 2 000 W (2 kW),
- la puissance moyenne d’une PCH en France, pour les producteurs indépendants est de 640 kW,
- la puissance d’une tranche de centrale nucléaire est comprise entre 900 et 1 400 MW.
L’énergie se réfère à une période de temps pendant laquelle l’électricité est produite ou consommée.
L’unité officielle de mesure de l’énergie est le Joule mais on utilise fréquemment en électricité le kilowattheure. C’est une production ou une consommation d’un kilowatt pendant une heure. (C’est également la production ou la consommation de 2 kW pendant une demi-heure).
A titre d’exemple :
- la consommation d’un réfrigérateur est d’environ 500 kWh/an,
- la production d’une PCH de 300 kW, fonctionnant 7 000 heures sur l’année, est de 2 100 MWh,
- la production française d’électricité est d’environ 470 TWh/an.

Calcul de la ppuissances disponible et exploitable :
Puissance disponible P = 8  x H x Q
Puissance exploitable P = 8 x H x Q x R
P: puissance en kilowatts
H: hauteur de chute en mètres
Q: débit en m3/s
R: rendement de l'installation compris généralement entre 0,6 et 0,9.

Schéma et exemple avec le calcul du potentiel total encore inexploité en France :


10,6 TWh = potentiel encore inexploité en France (étude UFE, novembre 2011)

La centrale : c'est le bâtiment dans lequel sont places les équipements de production (turbine, générateur, …).
Le canal d'amenée : situé en amont de la centrale, il achemine une partie du débit de la rivière vers la centrale.
Le seuil, ou le barrage : placé à la séparation du canal d'amenée et du débit réserve, il permet de rehausser le niveau d'eau du canal d'amenée. En rehaussant ce niveau d'eau on augmente la hauteur de chute exploitée par la centrale.
La conduite forcée : située entre le canal d'amenée et la centrale, la vitesse de l'eau y est significativement augmentée par la chute avant d'atteindre la turbine.
Le canal de décharge : il permet en cas de crue ou de débit trop important de reverser directement dans la rivière une partie de l'eau acheminée par le canal d'amenée.
La passe à poissons : cet ouvrage permet d'assurer la montaison des poissons migrateurs (passage de l'aval vers l'amont de la centrale hydraulique).
Le débit réservé : cette partie du débit non exploité par la centrale est obligatoire, elle permet d'oxygéner la rivière et autorise la circulation piscicole.
Le canal de restitution : il restitue l'eau exploitée de la centrale vers la rivière.
La turbine : plus récente que la roue, on lui attribue les mêmes fonctions. De nombreux types de turbines existent, elles sont choisies en fonction de la hauteur de chute et du débit d'eau.
La roue : elle transforme l'énergie de l'eau en énergie mécanique exploitable. L'eau qui pénètre dans la roue entraine la rotation de celle-ci.
Les dernières générations de roues comme la roue Sagebien permettent d'atteindre des rendements pouvant aller de 80 à 90%.
Le multiplicateur : la fréquence standard du courant circulant sur le réseau électrique français est de 50 Hz. Pour obtenir cette fréquence, le générateur de la centrale doit tourner à une vitesse très élevée (souvent 1000 à 3000 tr/min suivant le nombre de pôles du générateur). Cependant une turbine tourne a une vitesse plus faible (souvent 100 a 300 tr/min) d'où la nécessité d'un multiplicateur de vitesse. Il s’agit d’un ensemble mécanique, constitué soit d'un jeu d'engrenages, soit d'un système poulies/courroies, permettant de faire varier la vitesse de sortie par rapport à la vitesse d'entrée.
Le générateur de courant : lorsqu'il est mis en rotation, cet appareil génère un courant électrique. Le rotor tourne par rapport au stator ce qui, par induction entre les deux éléments, provoque l'apparition d'un courant électrique. Il existe deux principaux types de générateurs, les générateurs synchrones et les générateurs asynchrones. Dans le cas d'un générateur synchrone, la vitesse de rotation du rotor est constante alors que dans le cas d'un asynchrone elle est variable. Le premier est adapté aux sites autonomes de forte puissance (> 2000 kW), le second convient aux réseaux de distribution d’électricité et aux sites autonomes de puissance moins élevée (< 2000 kW).
Le transformateur : il permet de rehausser la tension du courant, pour l’amener à celle du réseau.
Le droit d'eau : ce document autorise son bénéficiaire à exploiter un cours d'eau. Pour l'obtenir, une autorisation est nécessaire pour les installations de puissance < 4500 kW, alors qu'une concession est demandée pour une puissance plus importante. Les nouvelles autorisations ou concessions sont données souvent pour une durée de 30 à 40 ans, parfois plus longues suivant l'ancienneté et la puissance du site.
Le règlement d'eau : chaque nouvelle installation, même fondée en titre, doit mettre en place un règlement d'eau qu'elle fait valider lors de l'établissement de l'arrêté préfectoral autorisant sa mise en service. Ce document doit être accessible à tout moment par les autorités administratives lors d'un contrôle.
Le débit moyen annuel ou module : c’est le quotient du volume d’eau écoulé dans l’année par le nombre de secondes (3,15 x 107). Le module moyen inter-annuel calculé sur au minimum cinq années est plus significatif. Il est exprimé en m3/s.
Le débit réservé : les textes, et notamment l’article L.232-5 du Nouveau Code de l’Environnement, imposent de maintenir dans le lit court-circuité d’un cours d’eau aménagé, un débit minimal garantissant en permanence la vie, la circulation et la reproduction des espèces. Ce débit minimal, appelé débit réservé, ne doit pas être inférieur au dixième du module inter-annuel.
Le débit d’équipement : c’est le débit correspondant à la capacité maximale des équipements de la PCH.
Le débit spécifique : c’est le quotient du débit, en un point du cours d’eau, rapporté à la surface du bassin versant relatif au point considéré. Il s’exprime le plus souvent en litres par seconde et par km2 (l/s/km2).
Le débit d’étiage : il s’agit, le plus souvent, du débit dépassé en moyenne 355 jours par an.
Le débit des hautes eaux : il s’agit du débit dépassé en moyenne 10 jours par an.
Barrage-poids : ouvrage de retenue qui résiste à la poussée de l’eau par son propre poids.
Batardeau : ouvrage provisoire construit dans un cours d’eau pour détourner ou contenir les eaux pendant les travaux.
Bief amont : partie d’un cours d’eau ou d’un réservoir qui précède immédiatement un ouvrage hydraulique.
Bief aval : portion du cours d’eau qui reçoit, en aval d’un barrage ou d’une centrale, les eaux turbinées, déversées ou évacuées.
Dégrilleur : appareil d’une PCH qui a pour fonction d’empêcher que les débris flottants (avant tout les feuilles et les branches) ne parviennent à colmater la turbine.
Dessableur : bassin plus large que le canal et dans lequel la vitesse de l’eau est suffisamment ralentie pour que les particules solides s’y déposent.
Evacuateur de crue : dispositif destiné à permettre le passage des débits de crues au droit d’un barrage afin d’éviter que celui-ci ou ses fondations ne soient endommagées par submersion ou par affouillement.
Gabion : panier métallique, généralement parallélépipédique, formé de treillis métallique en fil inoxydable, rempli de cailloux.
Ouvrage de vidange : ouvrage permettant d’abaisser le niveau d’eau de la retenue pour rendre possible la visite et l’entretien du barrage. Il permet également d’effectuer dans certains cas des chasses pour évacuer les vases accumulées, ou d’évacuer une partie du débit pendant les crues.
Palplanche : profilé métallique autobloquant de section spéciale, planté dans un sol meuble ou immergé pour former une paroi étanche.
Seuil : barrage de faible hauteur surélevant le plan d’eau pour permettre uniquement la dérivation des débits utilisés (amenée d’une petite centrale ou d’un canal d’irrigation).
Vanne : dispositif de réglage du débit ou de fermeture d’une conduite ou d’un orifice. On distingue différents types de vannes : vanne-clapet, vanne à glissières, vanne wagon, vanne papillon, etc.
Turbine Pelton : L’eau sous forte pression est dirigée sur des augets en forme de double cuillère, en passant dans un injecteur muni d’un pointeau de réglage.
Turbine Banki-Michell : L’écoulement traverse une roue constituée de deux flasques réunies entre elles par une couronne d’aubes disposées cylindriquement.
Turbine Francis : L’écoulement pénètre radialement entre les aubes directrices et les aubes de la roue, qui sont fixes.
Turbine Kaplan : Il s’agit d’une turbine hélice dont les aubes directrices sont mobiles et dont les pales de la roue sont à inclinaison variable.