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Conception et modélisation numérique d'une hydraulienne flottante
 

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Avant-projet sommaire
Avants-projets détaillés
Production d'eau potable
Production d'énergie
Conclusion


Contexte

Présentation

Objectifs

Plan du travail

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Le Projet


Introduction

Bilan de l'existant

Théorie des roues à
     aubes

Modélisation numérique

Conclusion

Bibliographie

 

Contacts

 

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Remerciements

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Projets des groupes
Autres travaux
Département HMF


Contexte
 

Bien que disposant d’un réseau hydrographique dense propice au développement de l’énergie hydraulique, la République Centrafricaine utilise quasi-exclusivement des énergies fossiles pour sa production d’électricité. A titre d’information, les installations actuelles de production de l’électricité, exploitées par l’ENERCA, sont constituées :  

  • Des usines hydroélectriques de Boali 1 et Boali 2, installées respectivement en 1954 et 1976. Depuis lors, ces usines n’ont connu que quelques révisions partielles. Elles sont aujourd’hui dans un état de délabrement très avancé ;
  • De la centrale thermique de Bangui, la  Capitale, qui doit servir d’appoint aux centrales de Boali 1 et Boali 2. Sur les six groupes dont dispose la centrale, un seul est en service actuellement ;
  • D’environ 16 centres en province alimentés par des groupes électrogènes diesel fonctionnant quatre heures par jour.

Face à l’insuffisance de l’offre, une fraction croissante de la population dans les villes de provinces s’équipe individuellement de groupes de production électrique à essence ou gas-oil. C’est notamment le cas de plusieurs sociétés privés (agro-industries, industries du bois, planteurs) et de missions religieuses. Les puissances unitaires vont de 2 à 650 KVA, et leur somme est au moins du même ordre de grandeur que la puissance installée par l’ENERCA. Les autoproducteurs mettent également en place des kits solaires et des picocentrales hydroélectriques.

L’électrification rurale en Centrafrique est encore embryonnaire. C’est pourquoi le gouvernement Centrafricain a adopté en 2004 un Cadre National de Politique Energétique, qui valorise les énergies renouvelables en vue de réduire la pauvreté pour la période 2005-2015.

 

Présentation du projet  
 

Le Service Commun d'Entretien des Voies Navigables RCA/CONGO, organisme chargé d’entretenir les fleuves Congo, Oubangui et Sangha afin que ceux-ci restent navigables, utilise des groupes électrogènes pour alimenter en énergie ses équipes d’entretien qui sillonnent le fleuve. Afin de faire face à l’augmentation des cours du brut, celui-ci cherche aujourd’hui à remplacer ces groupes par de nouveaux moyens de production d’énergie « nomade ».

Une réponse à ce besoin est l’utilisation de centrales électriques flottantes, exploitant la vitesse du courant au moyen de roues à aubes pour la convertir en énergie électrique. De tels systèmes, que l’on désignera dans la suite par le terme générique d’hydrauliennes, existent déjà et ont été expérimentés avec succès dans plusieurs pays, tel le système développé par la société belge RUTTEN au Congo par exemple (cf. exemple de réalisation ci-dessous)  

 

Dans le domaine maritime, on peut également citer le projet Hydro-gen porté par la société française AQUAPHILE. Le système fonctionne de manière réversible afin d'exploiter les courants générés par les marées montantes et descendantes.

 

Cependant, le rendement de ces machine pourrait potentiellement être amélioré par l’utilisation d’un concept de roue à aubes innovant, la roue Fonfrede (du nom de son inventeur), qui est basée sur un concept de « barrage intérieur » intégré à la roue permettant d’exploiter la totalité du potentiel du fluide canalisé.

 

 

La roue Fonfrede a été initialement développée pour être utilisée en remplacement des turbines Kaplan traditionnelles sur des barrages au fil de l’eau, pour des hauteurs de chute inférieures à 5 m :

 

L’idée serait donc d’adapter le profil Fonfrede à une utilisation sur plateformes flottantes, ancrées sur les berges ou au fond du fleuve afin d’améliorer les performances des modèles existants.  

 

Objectifs  
 

L’objectif global de ce projet est donc de concevoir un prototype du procédé, en collaboration avec l’inventeur, Mr Fonfrede, ainsi que la société AQUAPHILE qui possède le savoir-faire technique nécessaire. Le prototype devra répondre au cahier des charges suivant (qui sera complété par la suite) :

  • Puissance nominale nette de l'ordre de 10 à 20 kW pour des vitesses du courant de l’ordre de 3 m/s ;
  • Caractéristiques du courant en sortie triphasé 220 V / 50 Hz ;
  • protection contre les flottants ;
  • encombrement réduit afin de pouvoir le tracter ou le charger sur les barges quand il ne sert pas ;

Compte-tenu de l'ampleur de la tâche, nous prévoyons de décliner ce projet sur plusieurs années de BEI, chaque nouvelle équipe bénéficiant des résultats et retours d'expériences de ses prédécesseurs.

L'objectif de cette "année 0" de BEI est de valider le concept par la simulation numérique et de comparer les résultats obtenus à la théorie et aux performances des machines existantes (cf. plus haut).

L'année 1 pourra ensuite permettre d'affiner les premiers résultats obtenus par la simulation et d'optimiser le design du procédé (géométrie, proportions, nombre et forme des aubes, hauteur immergée...).

Une fois la partie purement hydraulique validée, une équipe compétente dans le domaine de l'électromécanique (élèves de la filière génie électrique et automatique) pourra ensuite prendre le relais en année 2 pour assurer la conversion de la puissance mécanique récupérée sur l'axe en courant électrique exploitable.

A terme, une fois le projet mûr pour l'expérimentation, nous espérons aboutir à une collaboration avec un industriel pour construire un prototype sur la base des résultats obtenus

Si ce prototype voit le jour et est testé en conditions réelles, l’expérimentation en collaboration avec le Service d’Entretien des Voies Navigables pourra être ensuite envisagée. A plus long terme, et une fois validé, le procédé pourra être étendu à une utilisation sédentaire dédiée à la production locale pour les villages situés en nordure du fleuve.

 

Plan du travail  
 

Phase 0

  • Définition fine des contraintes de dimensionnement / cahier des charges détaillé du prototype
  • Recherche bibliographique

Phase 1

  • Dimensionnement de la roue répondant à la puissance demandée sur la base de la théorie de Muller (théorie des roues à aubes) et des travaux de Mr Fonfrede  

Phase 2

  • Modélisation du profil de roue sous Star CD (logiciel de modélisation utilisé pour tous types de problèmes de mécanique des fluides, analogue à Fluent).
  • Essais préliminaires

Phase 3

  • Validation du modèle par comparaison des performances données par la théorie et par l'expérience.
  • Comparaison aux performances atteintes par les technologies Rutten et Hydro-Gen

 Phase 4

  • Conception et optimisation de la structure flottante permettant de canaliser l'écoulement et de maintenir la roue dans le courant
  • Construction d'une maquette/modèle réduit de démonstration (optionnel)

 

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