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Le fonctionnement d’un système micro-hydroélectrique

Un système micro-hydroélectrique, à quoi ça ressemble ? Système et idées reçues sur les installations micro-hydroélectriques.

Le fonctionnement d’un système micro-hydroélectrique
© Heinz-Eberhard Boden, CC

Une centrale micro-hydroélectrique a un fonctionnement simple. Les éléments minimum de ce type de systèmes sont communs à toutes les configurations de terrains ou d’installations :

  • Une turbine hydraulique qui transmet l’énergie de l’eau à une génératrice produisant de l’électricité ;
  • Un mécanisme de régulation pour assurer un approvisionnement stable en électricité ;
  • Un réseau électrique de transport et de distribution.

On retrouve souvent ces éléments caractéristiques dans des kits « clés en mains » qui permettent à des particuliers d’installer eux-mêmes un microsystème hydroélectrique sur leur propriété. Néanmoins, ces types de systèmes sont de taille modeste, et pour des installations très standards. Il faudra le plus souvent faire appel à un expert en énergie qui sera capable de proposer la solution la plus appropriée aux besoins énergétiques de l’utilisateur, la plus adaptée à la topographie du terrain, et la mieux optimisée tant du point de vue économique que technique.En effet, les microsystèmes hydroélectriques sont généralement plus complexes que les simples éléments évoqués ci-dessus, et nécessitent des ouvrages de génie civil pour capter une fraction suffisante du débit du cours d’eau. Chaque site est unique.

Micro-hydroélectrique
© Denis Boyer pour Écohabitation

Selon le lieu, il faudra dimensionner les éléments suivants selon la situation :

  • Barrage / prise d’eau : afin de faire fonctionner le système, il faut dériver la quantité d’eau nécessaire pour que la turbine reçoive le débit d’eau requis pour son fonctionnement. Afin d’assurer un débit stable de l’eau, un barrage à faible hauteur de chute sera souvent nécessaire. Une rampe de dégravage est nécessaire pour empêcher les débris, le gravier et le sable de passer par la prise d’eau. Un déversoir permet également d’évacuer l’excédent d’eau et de protéger la prise d’eau. Il faudra également prévoir un passage pour les poissons.
  • Canal d’amenée : à ciel ouvert ou dans une canalisation, ce canal permet d’acheminer l’eau de la prise d’eau au bief d’amont.
  • Bief d’amont : il est le dernier rempart à la conduite forcée. Une fine grille permet d’éliminer les derniers débris et la glace qui pourraient endommager la turbine, et un désableur permet de faire précipiter les fines particules puis de les éliminer.
  • Conduite forcée : c’est elle qui achemine l’eau sous pression jusqu’à la turbine. C’est souvent l’élément le plus cher de l’installation (autour de 40 % du coût du projet) ; il faut donc porter un soin particulier à cet élément lors de la conception. Les pertes de charge de cette conduite sont liées à la vitesse d’écoulement de l’eau, la rugosité de la conduite, sa longueur et son diamètre (plus on augmente le diamètre, plus le coût de la conduite augmente). Il faudra réduire ces pertes de charge tout en minimisant le coût de la conduite. En plus du diamètre, l’épaisseur de la conduite ainsi que son matériau seront également très déterminants dans le coût. On les choisira principalement selon la pression maximale d’eau attendue dans le circuit, pour que la conduite n’éclate pas. D’autres paramètres rentrent également en compte : enfouissement de la conduite ou non, gel, résistance à l’environnement (intempéries, animaux, chutes d’arbres, …)

Attention aux mythes !

Après 15 ans d’expérience au sein de l’équipe du magazine Home Power, Benjamin Root a eu l’occasion de découvrir et déconstruire 5 mythes amusants et instructifs sur la micro-hydroélectricité. Voici des systèmes micro-hydroélectriques farfelus que vous n’installerez jamais chez vous… du moins on l’espère :

  • Le mouvement perpétuel n’existe pas. Certains essayent en effet de récupérer l’eau sortant de leur système micro-hydro en la pompant en haut du circuit pour retirer à nouveau de l’énergie, mais c’est sans compter la deuxième loi de la thermodynamique qui dit que nulle énergie ne peut être créée ou détruite. Ainsi, on convertit l’énergie du courant hydraulique, mais on ne peut en générer nous-même. Dans un monde idéal, on pourrait au mieux récupérer la même énergie que celle utilisée pour pomper l’eau. Seulement, il faut prendre en compte les inévitables et multiples pertes du système micro-hydroélectrique au niveau des canalisations, de la conversion de l’énergie (turbine et génératrice) ou encore au niveau du système électrique qui donnent une efficacité générale typique de 55 %. Et cela sans compter les pertes associées à un nouveau système de pompage…
  • Une gouttière n’est pas un ruisseau. Pourquoi ne pas récupérer l’énergie de l’eau de pluie qui s’écoule de notre toit dans nos gouttières ? Même si cela est techniquement réalisable, l’extrême variabilité des chutes de pluie, ainsi que le très faible débit d’eau correspondant ne pourraient en aucun cas répondre aux besoins énergétiques d’une maison. En un mois, on ne pourrait même pas produire la consommation d’une journée ! Laissons la nature récupérer et acheminer pour nous cette eau de pluie à des échelles plus adaptées. Récupérer son eau de pluie, c’est intéressant, mais pas pour la production d’électricité.
  • Les canalisations municipales ne sont pas des cornes d’abondance. Il est tentant quand on réfléchit à un système micro-hydro de voir des débits d’eau partout, même, pourquoi pas, en prenant sa douche… Maintenant, soyons fous, et imaginons un système qui récupère le débit sortant de la douche et le convertisse en électricité. Et bien accrochez-vous, cette idée farfelue permettrait (localement, on s’entend bien) de produire plus d’énergie que l’idée précédente. Un calcul de coin de table établit qu’on pourrait dans certains cas produire environ 10 % de sa consommation journalière en laissant couler l’eau 24h/24… Mais c’est sans compter sur le fait que cette énergie a été pompée auparavant dans le réseau et que l’on n’en récupèrerait qu’une fraction, on en revient donc au problème du mouvement perpétuel. L’absurdité d’une telle installation n’est donc pas à démontrer, autant du point de vue écologique, qu’économique, moral (l’eau en question est traitée et potable) ou enfin pratique (un filet d’eau rabougri en guise de douche pour éclairer 3 lampes, on peut sans doute inventer mieux…)
  • Réduire le diamètre de sortie de la canalisation n’améliore pas le potentiel énergétique. Cette question est plus épineuse. Une fausse impression habituelle est qu'en réduisant le diamètre de sortie d'un tuyau on fait augmenter la puissance hydraulique. Par exemple, on a en tête l'image d’un boyau d’arrosage que l'on bouche partiellement avec son doigt et qui arrose plus loin. En faisant cela, on augmente la pression et la vitesse de sortie de l'eau, mais pas la puissance hydraulique (au contraire). En effet, la puissance théorique maximale de l’installation dépend uniquement du débit d’eau utilisable et de la hauteur de chute brute d’eau. Réduire le diamètre de sortie de la canalisation aura pour effet d'augmenter les pertes de charge dans la conduite et de réduire le débit, donc de réduire le potentiel global du système, et ne pourra pas créer de potentiel physique supplémentaire. Une certaine vitesse de sortie étant nécessaire pour faire marcher la turbine, il faut tout-de-même jouer sur le diamètre de sortie de la conduite forcée (bec) et optimiser le design de la conduite pour réduire les pertes de friction inévitables : on ne peut néanmoins absolument pas améliorer la puissance électrique du système en faisant cela.
  • Poser directement une turbine dans un cours d’eau n’est pas efficace. C’est une des questions qu’on se pose le plus après avoir découvert l’ensemble des équipements nécessaires pour une centrale micro-hydroélectrique : pourquoi ne pas simplement mettre une turbine dans l’eau et y récupérer directement l’énergie ? On est en effet tentés de vouloir récupérer l’énergie d’un cours d’eau qui coule à l’horizontale en y installant une turbine. Cependant, c’est sans compter le fait que l’eau choisira toujours le chemin le plus facile pour couler. Ainsi, sans ouvrage de dérivation de l’eau, celle-ci aura tendance à contourner les obstacles. Pour qu’une turbine de ce genre fonctionne correctement, il lui faudra capturer une surface importante du cours d’eau ou que celui-ci ait un fort débit. Attendez-vous autrement à avoir de très faibles rendements de fonctionnement. Sans compter le fait que les débris pourraient passer directement dans la turbine. Un tel système serait peu efficace et fiable comparé à un système avec dérivation d’une fraction d’un cours d’eau et exploitation d’une hauteur de chute naturelle.

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