Projet

Contexte réglementaire

L'hydroélectricité, comme toute activité industrielle, doit respecter une réglementation particulière. Les textes de lois et leurs modifications sont par ailleurs nombreux, complexes, voire ambigus et recouvrent parfois différentes notions et domaines d'étude.

En s'appuyant sur le cadre législatif de l'hydroélectricité en France, l'objectif est de clarifier la situation réglementaire du Moulin Priaud.

Cadre législatif de l'hydroélectricité en France

L'hydroélectricité est la 2ème source d'énergie électrique en France et est la première source d'électricité dite renouvelable. La production annuelle Française d'hydroélectricité est d'environ 67 TWh et représente 11 % de la production nationale électrique. Cependant, dans la mesure où les ouvrages peuvent avoir un impact sur le milieu naturel, l'hydroélectricité se doit d'être environnementalement exemplaire et responsable. La France, par cette source d'énergie, est donc confrontée à un double enjeu. En effet, elle doit contribuer à l'augmentation de 20 millions de tonnes équivalents-pétrole de la production d'énergie renouvelable à l'horizon 2020. Et d'autre part, elle doit devenir une filière d'excellence en matière d'intégration environnementale. Ce dernier point doit répondre aux objectifs de la directive cadre sur l'eau et aux engagements du Grenelle de l'Environnnement dans la perspective de la future "trame bleue". A ces fins, la mise aux normes environnementales et le réaménagement des installations existantes est un axe majeur de la gouvernance de cette source en énergie. 

  1. Cadre juridique de la production et l'exploitation

La loi du 16 octobre 1919, relative à l'utilisation de l'énergie hydroélectrique, stipule que "nul ne peut disposer de l'énergie des marées, des lacs et des cours d'eau, quel que soit leur classement, sans une concession ou une autorisation de l'Etat". Elle établit donc que la force motrice de l'eau est domanialisée au profit de l'Etat. Ce dernier accorde le droit, pour une durée fixée maximale de 75 ans, d'en faire usage au travers de deux régimes :

  • Le régime de l'autorisation est accordé par arrêté préfectoral, pour les puissances inférieures à 4500 kW (initialement 500 kW) depuis la loi de 1980 relative aux économies d'énergies. En terme d'emprise foncière, la nature du domaine est privée, le producteur est propriétaire et ne possède pas de droits particuliers [1].
  • Le régime de la concession est accordé par arrêté préfectoral depuis 1999, pour les puissances supérieures à 4500 kW. En terme d'emprise foncière, la nature du domaine est publique (bien concédés), l'Etat est propriétaire (biens de retour) et les droits sont exorbitants (DUP, servitudes légales) [1].

La loi du 3 janvier 1992 (loi sur l'eau) a pour objectif la gestion de l'eau en tant que ressource. Elle impose de ce fait la mise en place de documents de planification (SDAGE et SAGE) qui encadrent la compatibilité des décisions administratives dans le domaine de l'eau. Elle établit un régime d'Autorisation-Déclaration pour les opérations ayant un impact potentiel sur l'eau et met en lumière ces opérations dans une nomenclature. L'article 47 modifie la loi du 16 octobre 1919 en supprimant le renouvellement tacite pour 30 ans par défaut de réponse de l'administration [2].

Les procédures d'autorisation au titre de la loi de 1919 ou au titre d'une loi antérieure valent au titre de la loi sur l'eau de 1992, notamment en matière de travaux et d'exploitation.

  1. Cadre juridique pour l'environnement

La loi du 10 juillet 1976, relative à la protection de la nature, introduit la notion d'étude d'impact et de mesures destinées à compenser les conséquences d'un projet sur le milieu. Elle détermine les catégories d'ouvrages auxquelles elle s'applique et fixe le contenu-type de l'étude [3].

La loi du 15 juillet 1980, relative aux économies d'énergie et à l'utilisation de la chaleur, relève le seuil du régime de la concession et de l'autorisation de 500 à 4500 kW pour faciliter l'implantation de micro-centrales et introduit parallèlement la notion de "rivière réservée". La liste des rivières réservées est fixée par décret en Conseil d'Etat. Pour les cours d'eau classés dans la liste, aucun nouveau titre ne peut être délivré et pour les entreprises existantes le titre pourra être renouvelé sous réserve que la hauteur du barrage ne soit pas modifiée [3].

La loi du 29 juin 1984 (loi pêche), relative à la pêche en eau douce et à la gestion des ressources piscicoles, introduit la notion de "débit réservé" et d'ouvrage de migration pour les poissons ainsi que l'obligation de résultat. Le débit réservé correspond au débit minimal que tout barrage doit délivrer dans la partie court-circuitée d'un cours d'eau. Il a pour objectif de garantir la migration, la reproduction et la vie dans cette partie du cours d'eau. La loi fixe ce débit à un minimum d'un dixième du module de la rivière pour les installations nouvelles ou renouvelées et à un quarantième pour les installations existantes avec un objectif de réduction progressive. En outre, la loi introduit une liste de rivière dites classées I et II sur lesquelles les barrages doivent obligatoirement être équipés d'ouvrages de franchissement pour les poissons migrateurs. Le classement peut être accompagné d'un arrêté d'espèces, c'est à dire une liste fixant les espèces de poissons auxquels les ouvrages de montaison et de dévalaison devront obligatoirement s'adresser. A la publication de cet arrêté d'espèces, le propriétaire du barrage a un délai de 5 ans pour réaliser les aménagements. Enfin, la loi pêche soumet la réalisation de vidange et curage à autorisation [3].

La loi du 3 janvier 1992 (loi sur l'eau) précise les durées d'autorisation de vidange et de curage en fonction des caractéristiques de la retenue. De plus, cette loi apporte quatre innovations majeures [1] :

  • Au delà de sa valeur économique, la valeur fondamentale de l'eau est reconnue (conservation patrimoniale)
  • La ressource en eau est considérée comme une entité unique
  • La gestion de l'eau est planifiée au niveau de chaque bassin hydrographique (SDAGE et SAGE)
  • Les devoirs et le pouvoir des collectivités territoriales sont accrus (assainissement, aménagement,...).

La loi du 30 décembre 2006 (LEMA: loi sur l'eau et les milieux aquatiques) traduit en droit français la Directive Cadre européenne sur l'eau. Les objectifs de la LEMA sont [1] :

  • De développer les outils nécessaires à l'atteinte en 2015 du "bon état" qualitatif et quantitatif des eaux fixé par la Directive Cadre sur l'Eau
  • De permettre l'accès à l'eau pour tous avec une gestion transparente
  • De moderniser l'organisation de la pêche en eau douce.

Elle modifie par ailleurs les obligations relatives aux ouvrages par la modification du classement des rivières d'ici 2014, avec l'établissement de deux listes concernant les "rivières réservées" et leurs ouvrages de franchissement.

  1. La première liste est établie parmi les cours d'eau qui respectent au moins l'un des critères suivants [3] :
  • Très bon état écologique.
  • Réservoirs biologiques nécessaires au maintien ou à l'atteinte du bon état écologique des cours d'eau.
  • Besoin d'une protection complète des poissons migrateurs amphihalins.

    Pour l'ensemble des cours d'eau inscrits dans cette première liste, tout nouvel ouvrage faisant obstacle à la continuité écologique ne peut être autorisé ou même concédé.

  1. La seconde liste s'applique aux cours d'eau pour lesquels il est nécessaire d'assurer un transport sédimentaire suffisant et la circulation des poissons migrateurs [3].

Ainsi, comme il est possible de le constater au travers de ces différentes lois et de la figure 1, le contexte réglementaire s'est progressivement construit autour d'une vision de plus en plus soucieuse de l'environnement, avec la prise de conscience de l'environnement comme partie intégrante du patrimoine commun de l'Humanité. Cette vision tend de nos jours à se complexifier et à évoluer vers des enjeux toujours plus globaux. 

Figure 1. Évolution du contexte législatif et réglementaire. Source : [1]

Pour de plus amples informations concernant l'hydroélectricité en France, il est joint ici un résumé des différents textes législatifs et réglementaires [2].

La réglementation appliquée au Moulin

  1. Droit d'eau

Le moulin Priaud situé à Molinet dans l’Allier (03) existant depuis 1894 est un moulin à eau situé le long de la Vouzance. Ainsi, afin de pouvoir moudre des céréales, les premiers propriétaires du moulin on réalisé une demande d’autorisation. Comme on peut le constater au travers du procès-verbal dressé en 1894, cette demande d’autorisation à été acceptée et fixée aux conditions suivantes d’utilisation :

  • Le niveau légal de la retenue est fixé à 1,59 m en contrebas d'un repère fixe (milieu de l'appui de la fenêtre principale de la façade du moulin)
  • La longueur légale du barrage est de  24,30 m
  • La surface libre légale de la vanne de décharge est de 0,525 m2
  • Le niveau légal du seuil des vannes est de 2,64 m en contrebas du repère défini plus haut.

De plus, les éléments techniques cités par le procès verbal n’ayant subi aucune modification depuis leurs créations et en raison du II de l’article L.214-6 du code de l’environnement : "Les installations, ouvrages et activités déclarés ou autorisés en application d'une législation ou réglementation relative à l'eau antérieure au 4 janvier 1992 sont réputés déclarés ou autorisés", l’autorisation délivrée en 1894 reste en vigueur. En outre, l’autorisation étant accordée au titre d'une loi antérieure à la loi du 16 octobre 1919, la limitation temporelle de validité de l'autorisation ne s'applique pas au moulin. Ainsi, l'autorisation délivrée en 1894 est toujours valable et ne possède aucune limitation dans le temps.

  1. Débit réservé

L'article L.214-18 du code de l’environnement impose à tout ouvrage transversal dans le lit mineur (seuils et barrages) de laisser dans le cours d’eau à l’aval, un débit minimal garantissant en permanence la vie, la circulation et la reproduction des espèces présentes. Ce débit appelé « débit réservé » ou « débit minimal » ne doit pas être inférieur au 1/10ème du module. La Vouzance ayant un module de 0,759 m3/s le débit réservé est donc de 0,0759 m3/s, soit environ 76 L/s.

  1. Classement de la rivière

La Vouzance est une rivière non domaniale, c’est-à-dire un cours d'eau non flottable et non navigable de l'ancienne réglementation. Ces derniers sont régis par le droit privé et seuls le fond et les berges appartiennent aux propriétaires.
De plus, la Vouzance n'est pas une rivière classée au titre de l'article L214-17 du code de l'environnement. En effet, elle ne figure ni dans la liste 1 ni dans la liste 2 des cours d'eau classés publiées par arrêté du préfet coordinateur du bassin Loire-Bretagne paru au journal officiel le 22 juillet 2012.
 

Hydrologie de la Vouzance

Cet axe d'étude, qui s'appuie sur l'étude hydrologique de la Vouzance, a deux objectifs distincts.

  • Le premier objectif est de caractériser l'hydrologie de la Vouzance en régime normal. Ce premier point, portant sur l'étude de la ressource en eau, intéresse la production électrique. Les résultats obtenus à l'issue de celle-ci visent à être utilisés pour l'étude technique et économique, notamment afin de dimensionner la turbine et d'estimer une production électrique.
  • Le second objectif est de caractériser l'hydrologie de la Vouzance lors d'évènements exceptionnels. Cette étude des crues n'intéresse donc pas la production, mais la sûreté de fonctionnement et la sécurité des installations. Les résultats obtenus lors de cette étude visent à être utilisés pour l'étude du risque inondation, notamment afin de déterminer des élévations de la hauteur d'eau et de dimensionner d'éventuels ouvrages ou mesures de protection aux abords du moulin.


Figure 1. La Vouzance. Source : [1]

Présentation du bassin versant

Avant l'analyse des données hydrologiques, il est important de caractériser le bassin versant.

1. Morphologie et topologie

La longueur totale de la Vouzance est de 41.2 km, et la surface du bassin versant drainé est de 131 km². La Vouzance prend sa source dans la commune de Loddes, au sein de la montagne bourbonnaise. C'est un affluent direct de la Loire. Elle atteint le confluence avec la Loire au niveau de la commune de La Motte-Saint-Jean. Le parcours de la rivière est illsutré de la source jusqu'à la confluence en figure 1.

La source est située à une altitude d'environ 450 m, c'est pourquoi on observe un profil altimétrique pentu sur les premiers kilomètres du cours d'eau, comme illustré en figure 2. Ces variations s'atténuent ensuite pour atteindre un dénivelé moyen de 0.01 mètre par kilomètre, comme illustré sur le profil de la figure 3.

 

Figure 1. Localisation de la source et de la confluence de la Vouzance. Source : [2]

 

Figure 2. Profil altimétrique des premiers kilomètres de la Vouzance depuis sa source: [3]

 

Figure 3. Profil altimétrique de la Vouzance

 

2. Réseau hydrographique

La station de mesure hydrologique de la Vouzance est située à Saint Léger sur Vouzance. Au vu de sa localisation, on peut considérer que les données qu'elle mesure représentent fidèlement le comportement du cours d'eau au niveau du Moulin Priaud.

Figure 4. Localisation du Moulin Priaud et de la station de Saint-Léger-Sur-Vouzance. Source : [4]

 

3. Temps caractéristique d'écoulement

Le temps de concentration est un paramètre caractéristique important du bassin versant. Il exprime le temps mis par une goutte d'eau provenant de la partie la plus éloignée de l'exutoire pour parvenir à celui-ci. Pratiquement, il peut être interprété comme le temps de réponse d'un bassin pour atteindre son débit maximum sous l'action d'une pluie constante. Plusieurs formules empiriques issues de la littérature permettent d'estimer cette valeur. Elles relient le temps de concentration Tc à trois paramètres caractéristiques :

- L'aire totale du bassin versant : A=131 km²

- La longueur du plus long talweg du cours d'eau : L=41.2 km

- La pente du cours d'eau : I=0.0039m/m

  • Formule de Passini : pour les bassins versants de superficie supérieures à 40km².

  • Formule de Ventura : pour les pentes faibles et les bassins de superficie supérieures à 10km².

Méthode PASSINI VENTURA
Temps de concentration Tc 30,3 h 23,3 h

Les temps de concentration calculés sont relativement élevés. Le bassin versant sera donc sensible aux pluies longues et intenses. Le climat de la région étant caractérisé par de fortes précipitations, il n'est pas rare d'observer des épisodes d'inondations importants.

4. Bilan

Le bassin versant considéré peut être caractérisé par les paramètres suivants :

Superficie 131 km²
Longueur 41,2 km
Point le plus haut (source) 450 m
Exutoire 225 m
Pente moyenne 0,0039
Temps de concentration ≈ 25 h

Les données hydrologiques

1. Données disponibles

Un seul tributaire rejoint la Vouzance entre la station de Saint-Léger-sur-Vouzance et le moulin. En comparant ce tributaire au reste du réseau hydrographique de la Vouzance, on peut raisonnablement faire l'hypothèse que son apport au débit total de la Vouzance est très minime. On considère donc que le débit mesuré à Saint-Léger-sur-Vouzance est identique au débit arrivant au moulin. Toutes les mesures de débit ont été obtenues grâce au concours de la DREAL Centre. Les débits ont été mesurés depuis 1997 jusqu'en 2013, date depuis laquelle la station est en travaux et ne mesure plus. En considérant les années mesurées sur leur totalité, c'est-à-dire de janvier 1998 à décembre 2012, on dispose ainsi de 15 ans de données. Sur ces quinze années, seuls 107 jours n'ont pas été mesurés, ce qui correspond à une proportion de 1,95% de la donnée totale.

 

2. Fiabilité des données

Comme exposé dans le cahier des charges, il était envisagé de réaliser une modélisation hydrologique par un modèle pluie-débit pour confirmer des données jugées peu fiables ou bien compléter un grand nombre de données manquantes. Ici, on considère que les 98,05% de données dont nous disposons sont suffisants. Il reste cependant à statuer sur la fiabilité de la donnée.

Selon l'ingénieur de mesures en charge de la station de Saint-Léger-sur-Vouzance, la courbe de tarage, régulièrement ré-évaluée, est très consistante dans le temps. Il n'a cependant pas été possible d'accéder aux anciennes courbes de tarage. Seule la dernière courbe mesurée a été mise à disposition par la DREAL Centre. Elle a été mesurée jusqu'à des débits d'environ 8 m3/s à 9 m3/s, puis interpolée pour les valeurs supérieures. Cependant, la valeur précise du dernier point effectivement mesuré de la courbe n'a pas non plus été communiqué.

L'étude du risque inondation se base sur les événements de crue de l'ordre de 10 m3/s et plus. Elle utilisera donc les données obtenues par interpolation de la courbe de tarage. Pour l'étude de production, les données utilisées sont celles des débits turbinables qui sont de l'ordre de 1 m3/s. Ces données sont donc dans la courbe de tarage effectivement mesurée, en dehors de la zone interpolée. La courbe de tarage mesurée à Saint-Léger-sur-Vouzance, est tracée en figure suivante.


Figure 1. Courbe de tarage

Les données traitées dans cette étude sont les débits journaliers. Pour les quinze années de débits, les données disponibles sont donc 15 x 365 (plus les quelques jours des années bissextiles) valeurs de débits, correspondant chacun à un débit moyen écoulé sur une journée. On verra par la suite que ces données sont utilisées de manière distincte pour l'étude de la ressource en eau et pour l'étude du risque inondation.

Caractérisation de la ressource en eau

1. Les données

Les événements de crues sont des phénomènes ponctuels qui peuvent survenir irrégulièrement, à divers moments de l'année avec différentes intensités. Ces événements ne sont donc pas pertinents du point de vue de la ressource en eau à turbiner pour la production. La donnée appropriée pour cette étude est la chronique des débits moyens journaliers.

La chronique des débits moyens journaliers est une chronique de 365 valeurs de débits, chacun correspondant à un jour de l'année, du 1er janvier au 31 décembre inclus. Celle-ci ne présente pas les données mesurées sur une année particulière, mais une moyenne de mesures sur plusieurs années. Par exemple, le débit du 1er janvier est une moyenne des débits journaliers des 1ers janvier de toutes les années mesurées. Il en va de même pour tous les autres jours de l'année. L'ensemble des données ainsi obtenu a pour effet de lisser les événements rares, ceux qui ne se produisent pas tous les ans au même moment. Les grandes variations de débit au cours de l'année sont dependant conservées. Ce type de chronique caractérise le volume total écoulé ainsi que sa répartition au cours d'une année moyenne.

On peut observer sur la figure suivante les chroniques journalières de 2006, de 2007 et de 2008 ainsi que la chronique moyennée. Entre les années 2006, 2007 et 2008, on observe une grande variabilité, notamment des événements de hautes eaux. La chronique moyennée sur toutes les années permet de s'affranchir de cette variabilité. On observe cependant que les grandes variations de hautes et basses eaux à l'échelle de l'année sont conservées.

Figure 1. Chroniques des débits journaliers. [5]

 

2. Etude de la ressource

Pour la suite, on s'intéresse à la ressource turbinable, c'est-à-dire uniquement au débit circulant dans le canal d'amenée. Ainsi, il convient de retrancher au débit total mesuré à la station le débit passant au-dessus du seuil et alimentant le tronçon court-circuité. Comme illustré en figure 2, le débit turbinable ajouté au débit réservé est ainsi égal au débit total mesuré.

Figure 2. Plan cadastral du Moulin Priaud présentant les différents tronçons et débits. Source : [6]

En dehors des phases de très hautes eaux où la turbine est arrêtée et toute l'eau évacuée, un système automatisé permet de maintenir le débit passant par le tronçon court-circuité à la valeur du débit réservé, de manière à ce que tout le débit restant soit amené au moulin par le canal d'amenée. Ce système est détaillé dans l'étude technique et économique.

La législation impose que le débit réservé soit égal, au minimum, à un dixième du module. Le module de la Vouzance étant de 0,759 m3/s, le débit réservé est donc de 0,076 m3/s, soit 76 L/s. La chronique des débits journaliers moyens moyennés de 1998 à 2012 ainsi obtenue en retranchant le débit réservé est illustrée sur la figure suivante.

Figure 3. Chronique des débits moyens journaliers turbinables

A noter qu'aucune valeur négative n'est observée, ceci traduit le fait que sur une année moyenne, le débit total ne passe jamais en-dessous de la valeur du débit réservé. Il existe donc toujours une part de débit supplémentaire potentiellement turbinable. Il faut cependant garder à l'esprit que sur une année particulière, il est tout à fait possible que le débit total passe en dessous de la valeur de débit réservé. La figure venant après illustre les débits moyens mensuels, de Janvier à Décembre, et permet de mieux apprécier le cycle annuel de la Vouzance.

Figure 4. Chronique des débits moyens mensuels turbinables

3. Les débits classés

Les débits journaliers moyens permettent de construire la courbe des débits classés. Cette courbe reprend les 365 débits de l'année classés par ordre décroissant. Selon la méthode couramment employée dans les bureaux d'étude, une première bonne indication pour dimensionner la turbine est d'utiliser le débit passant 90 jours dans l'année.

Pour la Vouzance, le débit à 90 jours est de 1,06 m3/s.


Figure 5. Courbe des débits classés
 

4. Capacité de production de la turbine

Lors d'événements de hautes eaux, la production électrique est stoppée pour laisser la priorité à la sécurité du moulin. Tout comme il existe un débit minimum en dessous duquel il n'est pas possible de produire (le débit réservé), il existe également un débit maximum au-dessus duquel on ne produit pas. Il est usuel de considérer ce débit critique comme étant le débit de plein bord.

Par simulation hydraulique sous HEC-RAS (cf partie Risque inondation), le débit de plein-bord est estimé à 7,2 m3/s. Comme on peut l'observer sur la chronique des débits moyens journaliers (Figure 2), les débits maximums culminent à moins de 3 m3/s. Ceci laisserait supposer que le débit de plein-bord n'est jamais dépassé pendant l'année. En réalité, le débit de plein bord est dépassé tous les ans, mais à des moments de l'année variables. Ces débits de pointe, assez aléatoires, ne sont donc pas retranscrits sur l'hydrogramme d'une année moyenne. Ceci est nettement visible en Figure 1, où sont superposés les hydrogrammes de trois années particulières ainsi que l'hydrogramme moyenné sur les 15 ans. On observe cependant que sur l'ensemble des 15 années, le débit de plein bord est dépassé 60 fois, ce qui équivaut à 4 fois en moyenne par an.

Sur les débits observés, la totalité n'est pas turbinable. En effet, la turbine possède une capacité limitée, caractérisée par un débit maximal. Ce débit est estimé à Qmax=0.680 m3/s (selon l'Etude technique de la turbine). Il existe aussi un débit minimum, en dessous duquel l'énergie de l'écoulement n'est pas suffisante pour mettre la turbine en mouvement. Pour ce type de turbine Francis, le débit minimum est estimé à 22% du débit maximum, soit Qmin=0.150 m3/s. En accord avec cette plage de fonctionnement, il est possible de retraiter la chronique de débits. Il ne s'agit plus d'hydrologie à proprement parler mais de détermination de la ressource énergétique effective.

Les débits inférieurs à 0.150 m3/s ne sont pas suffisants pour mettre la turbine en marche. Du point de vue de la production, tous les débits inférieurs à cette valeur peuvent donc être considérés comme nuls. Pour la suite, ils seront donc tous considérés égaux à Q=0 m3/s. De même, le débit maximum admissible par la turbine est perdue du point de vue de la production électrique. Par la suite, on considérera tous les débits supérieurs à 0.680 m3/s comme égaux à 0.680 m3/s. Après avoir effectué ce traitement, la courbe des débits classés effectifs peut être établie. Sur les 287 jours où la turbine peut fonctionner, le débit moyen turbinable est de 0,56 m3/s. Cette valeur est inférieure de presque moitié au débit à 90 jours de 1,06 m3/s.


Figure 5. Courbe des débits classés effectifs, turbine Francis.

5. Capacité de production de la vis hydraulique

Dans le cas où la turbine Francis n'est pas conservée, la solution envisagée est la vis hydraulique (voir Installation techniquement optimale). L'avantage est de pouvoir la dimensionner par rapport aux débits observés. L'hypothèse faite dans l'étude technique est que le débit minimum admissible par la vis hydraulique est égale à 20% de son débit maximum (ou débit nominal). Tout comme pour la turbine Francis, tout débit inférieur au débit minimal ne peut pas mettre la vis en marche, et toute part excédentaire du débit nominal est perdue. Du point de vue du volume total turbinable sur l'année, la plage de fonctionnement optimale de la vis est obtenue pour un débit nominal de 2,1 m3/s. La figure 6 illustre le volume annuel total turbinable en fonction du débit nominal de la vis.

Pour un débit nominal de 2,1 m3/s, le débit minimum est donc de 0,42 m3/s. Connaissant la plage de fonctionnement, il est donc possible de reconstuire la courbe des débits classés de la ressource effective. Cette courbe est jointe en figure 7. Sur les 228 jours de fonctionnement de la turbine, le débit moyen est de 1,01 m3/s. Ce débit est très proche du débit à 90 jours de 1,06 m3/s, ce qui permet de conclure que la vis hydraulique est bien plus adaptée que la turbine Francis existante.


Figure 6. Optimisation du dimensionnement de la vis hydraulique
 


Figure 7. Courbe des débits classés effectifs, vis hydraulique.

Etude des événements de crue

Comme mentionné précédemment, le moulin est situé dans une zone où le risque inondation est non négligeable. Afin de caractériser les crues affectant l'ouvrage, une étude visant la détermination des débits de pointe va être menée. Des phénomènes de crues de différents temps de retour vont ainsi pouvoir être simulés. Les résultats obtenus seront ensuite transmis aux membres chargés de caractériser précisément l'impact de ces événements sur la pérennité du Moulin Priaud.

1. Traitement des données

Dans un premier temps, les débits maximum de chaque année, entre 1998 et 2012, vont être extraits à partir des données de débits moyens journaliers transmis par la DREAL [5].

Comme évoqué précédemment, les données dont nous disposons sont fiables et relativement complètes (moins de 2% de données manquantes sur l'ensemble des 15 années). Cependant, la courbe de tarage étant mesurée pour les débits ne dépassant pas 8 m3/s, les valeurs extraites dans l'étude des crues seront toutes issues de données calculées par extrapolation. Il faut garder à l'esprit cette incertitude sur les résultats obtenus.

L'analyse des données conduit au tableau suivant :

Date Année Débit maximum (m3/s)
27 avril 1998 9.6
9 février 1999 8.04
1er mars 2000 4.86
5 mai 2001 7.38
28 décembre 2002 4.73
2 décembre 2003 20.7
18 janvier 2004 17.9
17 avril 2005 28.9
10 avril 2006 19
2 mars 2007 27.7
3 juillet 2008 34
25 janvier 2009 19.3
15 novembre 2010 14
31 décembre 2011 9.11
4 décembre 2012 14.2

Nous disposons d'une série de 15 débits maximum :

Figure 1. Courbe des débits maximum annuels

2. Analyse fréquentielle

Dans le but d'estimer les débits de pointe correspondants à un certain temps de retour, l'analyse fréquentielle des données recueillies va être menée. On va utiliser un modèle statistique permettant de prédire la probabilité d'apparition d'un événement de valeur donnée.

Dans le cas de séries de valeurs extrêmes, la distribution statistique de Gumbel est la plus appropriée.

Sa fonction de répartition est la suivante :

avec la variable réduite de Gumbel :

La distribution peut alors être réécrite de la manière suivante :

On remarque alors que l'expression d'une variable xq suit une relation linéaire :

L'enjeu est alors de déterminer les paramètres a et b de la loi de Gumbel. Deux méthodes principales, présentant chacune des degrés d'incertitude différents, permettent d'estimer ces valeurs.

3. Méthode d'ajustement graphique

Cette première méthode d'ajustement de la fonction de répartition repose sur la mise en place d'une régression statistique à partir de la fréquence empirique de Hazen.

Dans un premier temps, il s'agit de classer les débits maximums par ordre croissant. Ceci permet de leur affecter un rang r.

Rang r Débits (m3/s)
1 4.73
2 4.86
3 7.38
4 8.04
5 9.11
6 9.6
7 14
8 14.2
9 17.9
10 19
11 19.3
12 20.7
13 27.7
14 28.9
15 34

La fréquence de Hazen est alors calculée selon la formule :

N représente le nombre total d'échantillons, soit N=15 ici.

On peut alors ajuster notre série de débits maximums en superposant la droite de Hazen à notre série de données dans un systèmes d'axes tel que l'abscisse soit égale à la variable réduite de Gumbel :

Nous obtenons le tracé suivant :

Figure 2. Ajustement graphique des paramètres a et b

Conclusion :

Par la méthode d'ajustement graphique, les valeurs des paramètres de la loi de Gumbel sont :

a = 10.17 m3/s

b = 7.201 m3/s

4. Méthode des moments

La seconde méthode vise à calculer les paramètres a et b par des formules mathématiques. Celles-ci utilisent les valeurs des deux premiers moments théoriques de la loi, à savoir la moyenne et la variance de l'échantillon.

Par le calcul, nous trouvons les résultats suivants :

Moyenne 14.19
Ecart-type 8.67
a 10.29
b 6.76

On constate que les valeurs sont très proches de celles déterminées par l'ajustement graphique. Cependant, cette méthode de calcul mathématique semble plus précise, c'est pourquoi les estimations effectuées dans cette seconde partie seront conservées pour la suite de l'étude.

Lorsque l'on superpose les courbes de Hazen et de Gumbel, nous obtenons le tracé suivant :

Figure 3. Superposition des courbes de Gumbel et de Hazen

Conclusion :

L'analyse fréquentielle conduit aux valeurs suivantes pour la loi de Gumbel :

a = 10.29 m3/s

b = 6.76 m3/s

5. Détermination des débits de crue

Nous allons désormais utiliser le modèle statistique établi précédemment pour estimer les débits de pointe de différents temps de retour.

A partir de la courbe de Gumbel, ceux-ci se déduisent de la relation :

où T est le temps de retour de l'événement de crue.

Quatre débits caractéristiques de crue correspondants à des événements récurrents dans la région ont ainsi pu être extraits. Ceux-ci permettront de mener l'étude du risque inondation en simulant des phénomènes de crue relativement fréquents. Les crues de temps de retour plus élevés n'ont pu être caractérisées par cette méthode. Cependant, celles-ci étant représentatives d'événements extrêmement rares, il ne serait pas pertinent d'utiliser ces valeurs dans la quantification du risque inondation ni même dans le dimensionnement d'ouvrages de protection autour du moulin.

Figure 4. Débits de pointe de crues de divers temps de retour

Les données calculées sont regroupées dans le tableau suivant :

Période de retour Fréquence / Probabilité d'occurence Débit (m3/s)
T= 2 ans 0.5 12.83
T= 5 ans 0.2 20.45
T= 10 ans 0.1 26.14
T= 20 ans 0.05 31.06

6. Hydrogrammes de crue

Après examen des résultats précédents, on constate que l'on dispose de chroniques de débits relevées lors d'événements de crue caractéristiques. En effet, par comparaison des débits maximums annuels et des débits de pointe, on obtient :

Année Débit maximum annuel Débit de pointe attenant Type de crue
2007 27.7 26.14 ≈ crue décennale
2003 20.7 20.45 ≈ crue de T= 5 ans
2010 14 12.83 ≈ crue de T= 2 ans

Nous allons ainsi pouvoir fournir des hydrogrammes de crue d'années de crue de référence aux membres chargés de l'étude du risque inondation. Ces données leur permettront d'effectuer des simulations numériques d'événements de crue "typiques".

Remarque : L'analyse des résultats indique également que la crue de 2008 fut la plus importante durant les quinze dernières années. Ceci nous a été confirmé par le propriétaire du moulin lors de notre visite.

Les trois hydrogrammes peuvent être superposés comme suit afin d'être comparés :

Figure 5. Hydrogrammes de crues

On constate une grande disparité tant au niveau de leurs formes que des temps caractéristiques pour ces trois événements de crue.

Nous pouvons, par exemple, les comparer en terme de temps de montée comme illustré pour la crue de 2003 sur le graphique suivant :

Figure 6. Hydrogramme de l'évènement de crue du 2 décembre 2003

Les résultats finaux sont les suivants :

Crue Temps de montée Tm
2010 ≈ Crue T= 2 ans 17 h
2003 ≈ Crue T= 5 ans 28 h
2007 ≈ Crue T= 10 ans 12.5 h

Les résultats ainsi établis permettent de caractériser de manière précise et complète les principaux événements de crue pouvant se produire au niveau du moulin Priaud. Le binôme chargé de l'étude du risque inondation pourra ainsi en étudier l'impact sur la pérennité de l'ouvrage hydraulique.

Risque inondation

Bien que le moulin ne soit situé sur aucune zone inondable répertoriée, les crues de la Vouzance entraînent des débordements du lit mineur en moyenne une fois par an (d'après les observations des riverains). Dans certains cas, l'eau peut même rentrer dans le moulin, comme on peut encore le constater sur les poutres de soutien du bâtiment où les inondations de 1977 et 2008 ont laissé des marques.


Figure 1. Carte du risque Inondation dans le Nord de l'Allier. Source : [1]

Les moulins, de par leur fonctionnement, sont construits à proximité des cours d'eau, ce qui entraîne souvent un fort risque d'inondation. Une inondation ne pose pas forcément de problème pour les installations d'un moulin. En revanche, dans le cas d'une installation électrique, tous les circuits électriques de raccordement et autres doivent être installés hors d'atteinte d'une éventuelle crue.
Par ailleurs, il existe des situations pour lesquelles une centrale hydroélectrique ne peut fonctionner, en particulier lorsque le débit de la rivière devient trop important, qu'il y a débordement du lit mineur et que la rivière commence à charrier d'importantes quantités de sédiments et de débris divers. Dans ces conditions, les risques d'endommagements des turbines font que la vanne de la prise d'eau est fermée. Au contraire, on ouvre les vannes de l'ouvrage de retenue en amont, de façon à le rendre le plus transparent possible pour laisser passer la crue. Une étude des crues est donc nécessaire afin de déterminer les limites de production de la centrale.

Modélisation Numérique

Le moulin Priaud est situé dans une zone n'ayant fait l'objet d'aucune étude approfondie d'aucune sorte. Il en résulte un accès fortement limité à des données de terrain précises. Concernant la bathymétrie, le modèle numérique de terrain le plus fin disponible propose une résolution de 10m. Sachant que la Vouzance est un cours d'eau relativement étroit ayant une section d'environ 15 mètres de large maximum, ces seules données sont insuffisantes pour réaliser une étude 2D des zones inondables sous Télémac.
La problématique étant limitée à l'arrivée d'eau au niveau de l'entrée du moulin, il a été décidé d'utiliser le logiciel HEC-RAS qui propose une modélisation 1D des cours d'eau. L'hypothèse est donc faite que les débordements éventuels de la Vouzance en amont et aval du canal d'amenée influenceront peu l'écoulement dans ledit canal.

Code de calcul numérique HEC RAS

HEC-RAS, Hydrologic Engineering Centers River Analisys System est un logiciel développé par l'US Army Corps of Engineers.

Le logiciel résout l'équation 1D de Saint Venant par la méthode des différences finies. Ce modèle ne considère que la composante de la vitesse suivant le sens de l'écoulement. Il possède entre autre un module complémentaire de transport sédimentaire et de transport de polluants, qui ne seront pas exploités dans notre travail.
 

  1. Équation en régime permanent

Les hauteurs d'eau sont estimées à partir de l'équation de conservation de l'énergie entre deux sections (loi de Bernoulli).

$Z_2+Y_2+\frac{a_2{V_2}^2}{2g}=Z_1+Y_1+\frac{a_1{V_1}^2}{2g}+h_e$

  • $Z_1$, $Z_2$ : élévation de chacune des sections.
  • $Y_1$, $Y_2$ : hauteur d'eau au niveau des sections respectives.
  • $V$ : Vitesse moyenne.
  • $a_1$, $a_2$ : coefficient correcteur de la vitesse.
  • $h_e$ : perte de charge.


Figure 1. Représentation des termes intervenant dans l'équation de conservation de l'énergie. Source : [2]
 

Le terme de perte de charge inclut la dissipation due à l'expansion ou la contraction du cours d'eau, et une dissipation linéaire due aux frottements.

Les forces de frottements sont exprimées ainsi : $F_f=-\rho g A S_f \Delta x$

Avec $S_f=\frac{Q|Q|n^2}{2.208R^{4/3}A^2}$

  • $Q$, le débit.
  • $n$, le coefficient de Manning.
  • $R$, le rayon hydraulique $R=\frac{S}{P} (P périmètre mouillé).
  • $A$, la section mouillée.
  • $\Delta x$, la dimension de la section élémentaire.

Pour représenter au mieux la réalité de l'écoulement, le coefficient de Manning pour le lit mineur et le lit majeur est différent. Cela permet de retranscrire l'occupation des sols en plaine ou en forêt par exemple, en cas de débordement.
 

  1. Ouvrage singulier, Seuil

Le logiciel HEC-RAS propose un module de modélisation des seuils. A proximité du seuil, l'écoulement n'est plus régit par la loi de Manning-Strickler, mais par la loi de seuil. C'est à dire qu'il passe d'un régime fluvial (ou subcritique) en amont du seuil à un régime torrentiel (ou supercritique) sur le parement aval du seuil. La théorie des écoulements à surface libre nous dit qu'au niveau du passage critique de l'écoulement au dessus du seuil, la valeur du débit correspond à une hauteur d'eau précise de la lame d'eau déversante.


Figure 2. Représentation de l'écoulement sur un seuil déversant

Loi de seuil dénoyé : $Q=\mu L \sqrt{2g} H^{3/2}$ [3]

  • $\mu$ : coeffiscient de débit de seuil.
  • H : hauteur de la lame d'eau.
  • L : longueur du seuil.

Loi de seuil noyé : $Q=\mu' L H' \sqrt{2g(H-H')}$ [3]

  • $\mu'$ : $\frac{3\sqrt{3}\mu}{2}$.
  • H' : ligne de charge en aval estimée depuis la crête du seuil.
  • H : hauteur de la lame d'eau.

NB : Un seuil est dit noyé lorsque le tirant d'eau en aval influence l'écoulement en amont. A ne pas confondre avec submergé ou complètement noyé. Le seuil est noyé dès lors que $H'>\frac{2H}{3}$.
 

  1. Équation de conservation de la masse en régime transitoire [4]

Lit mineur : $\frac{\partial{S_{MC}}}{\partial{t}} + \frac{\partial{Q_{MC}}}{\partial{x_{MC}}} = q_{l,FP}$

  • $S_{MC}$ : section en travers de l'écoulement du lit mineur.
  • $Q_{MC}$ : débit du lit mineur.
  • $q_{l,FP}$ : débit unitaire d'échange du lit majeur vers le lit mineur.

Lit majeur : $\frac{\partial{S_{FP}}}{\partial{t}} + \frac{\partial{Q_{FP}}}{\partial{x_{FP}}} + \frac{\partial{S_t}}{\partial{t}}= q_{l,MC}+q_l$

  • $S_{MC}$ : section en travers de l'écoulement du lit majeur.
  • $Q_{MC}$ : débit du lit majeur.
  • $S_t$ : volume unitaire d'eau contenu dans l section, mais ne participant pas aux échanges.
  • $q_l$: débit unitaire entrant dans la section.
  • $q_{l,MC}$ : débit unitaire d'échange du lit mineur vers le lit majeur.

NB : L'abréviation MC renvoie à "Main Channel" (lit mineur) et l'abréviation FP renvoie à "Flood Plain" (lit majeur).
 

  1. Équation de conservation de la quantité de mouvement en régime transitoire [4]

Lit mineur : $\frac{\partial{Q_{MC}}}{\partial{t}} + \frac{\partial{(V_{MC} Q_{MC})}}{\partial{x_{MC}}}= M_{l,FP} - gS_{MC} (\frac{\partial{z}}{\partial{x_{MC}}}+S_{f,MC}+S_{h,MC})$

  • $Q_{MC}$ : débit du lit mineur.
  • $V_{MC}$ : vitesse dans le lit mineur.
  • $M_{l,FP}$ : flux unitaire de quantité de mouvement d'échange latéral.
  • $S_{MC}$ : section en travers de l'écoulement.
  • $S_{h,MC}$: pente des pertes de charge singulières liées aux obstacles.

Lit majeur : $\frac{\partial{Q_{FP}}}{\partial{t}} + \frac{\partial{(V_{FP} Q_{FP})}}{\partial{x_{FP}}}= M_{l,MC} - gS_{FP} (\frac{\partial{z}}{\partial{x_{FP}}}+S_{f,FP}+S_{h,FP})$

  • $Q_{FP}$ : débit du lit majeur.
  • $V_{FP}$ : vitesse dans le lit majeur.
  • $M_{l,MC}$ : flux unitaire de quantité de mouvement d'échange latéral.
  • $S_{FP}$ : section en travers de l'écoulement.
  • $S_{h,FP}$: pente des pertes de charge singulières liées aux obstacles.

Données de bathymétrie

Pour palier au manque de données d'altimétrie dans la zone d'étude, nous avons réalisé des mesures de profil en travers sur différentes sections de la Vouzance et du canal d'amenée à proximité du moulin.

1. Protocole de mesure

Matériel: canoë pneumatique, corde graduée, perche graduée.

La corde a été tendue en travers du bras d'eau; à l'aide de la perche graduée, les profondeurs d'eau et de vase sont relevées le long de la corde à pas d'espace régulier.

Le protocole est répété pour chacune des sections.


Figure 1. Protocole de mesure des sections du cours d'eau

2. Résultats

Sur la photo suivante sont regroupées les différentes sections sur lesquelles ont été effectuées les mesures de hauteur d'eau.


Figure 2. Position des sections mesurées. Source : [5]

Les sections mesurées sont intégrées à HEC-RAS pour la modélisation de la zone d'étude. L'ensemble des sections mesurées sont regroupées ci dessous (cliquer sur les images pour agrandir).

       
                                         section A                                                                                                    section B

                                                                section C                                                                                                 section D

       
                                             section E                                                                                                 section F
                                                                  Figure 3. Profils transversaux de la rivière et du canal d'amenée

Le moulin étant inactif depuis plusieurs années, il n'y a pas de débit traversant le canal d'amenée. L'ensemble du canal se comporte alors comme un bassin de décantation et s'envase. Immédiatement après le seuil, la lame d'eau est très mince (20 cm le jour des mesures de bathymétrie). Cet envasement soulève un certain nombre de problématiques, notamment l'étranglement de l'écoulement provoque une perte de charge singulière dans le canal.

Un rapide calcul des temps caractéristiques de sédimentation et de transport permet d'éclairer partiellement le devenir de cet amas de vase.

$\tau _{sedimentation}=5,5 10^5 s$

$\tau_{advection}=10,5 s$

L'amas est amené à s'effacer progressivement s'il y a de nouveau un débit à l'intérieur du canal. Le propriétaire devra veiller à l'évacuation des corps flottants volumineux piégés dans la vase (branchages). Le canal peut aussi être curé si l'autorisation est obtenue, et selon la qualité des sédiments, les vases peuvent être valorisées en étant utilisées pour des épandages.

Paramètres du problème

Afin de rendre compte au mieux de la situation du moulin en période de crue, plusieurs modèles ont été testés sous HEC-RAS.

Nous faisons l'hypothèse qu'au moment d'une crue, la vanne de la turbine est fermée. Le canal d'amenée se comporte alors comme un réservoir dont la hauteur d'eau est imposée par l'écoulement au niveau du seuil. En revanche, au moment où la hauteur d'eau dépasse celle des rives du canal, un écoulement est observé, et l'influence du seuil sur la ligne d'eau diminue. La situation se complexifie davantage lorsque le seuil est noyé au passage d'une crue. Les différents paramètres du modèle sont présentés ci-après, suivis d'une présentation des différentes configurations étudiées.
 

  1. Lit de la rivière
  • Coefficient de Manning

Pour modéliser le frottement, le logiciel HEC-RAS utilise le coefficient de Manning $n=\frac{1}{K}$. $K$ correspond au nombre de Strickler estimé à partir des tables disponibles dans la littérature. [3]


Ordre de grandeurs du coefficient de Strickler

Le coefficient de Manning n'a pas été calé, par manque de données. Cependant, sur la zone modélisée, il a peu d'influence. En effet, le seuil impose la hauteur dans la zone d'étude en fonction du débit déversé. La hauteur d'eau en amont de l'ouvrage n'est pas un critère pertinent, tant qu'elle ne dépasse pas celle imposée par l'ouvrage.


Figure 1. Coefficients de Manning utilisés dans les simulations

  • Extrapolation du cours d'eau

En raison du nombre réduit de données sur les caractéristiques du terrain et des conditions d'écoulement directement aux abords des installations et en particulier du seuil, la zone d'étude est élargie en amont et en aval du moulin de manière à s'affranchir des problèmes liés aux limites du domaine. On notera que l'écoulement en aval du seuil n'influence pas la ligne d'eau en amont tant que le seuil est dénoyé.

La bathymétrie en amont est extrapolée à partir des mesures effectuées sur place au niveau des sections E et F et d'une estimation de la pente du terrain dans la zone d'étude. Il en est de même pour l'aval.

La pente moyenne a été estimée à partir d'un modèle numérique de terrain (MNT) fourni par le CRAIG (Centre Régional Auvergnat de l'Information Géographique) et d'une maille de 10m.

L'altitude correspondant aux fond du lit de la Vouzance a été extraite sous matlab sur une distance de 3km. Le signal correspondant étant très bruité, il a été lissé par fenêtre mobile de largeur 100m. Une interpolation linéaire est réalisée pour estimer la pente moyenne dans la région, soit environ 0,4%. La pente permet d'estimer l'incrément qu'il est nécessaire d'ajouter pour l'extrapolation de la bathymétrie en amont et en aval.

Par ailleurs, le lit majeur de la Vouzance étant relativement plat, il est modélisé sous HEC-RAS par des berges horizontales sur une grande distance (100m).
 

  1. Seuil
  • Coefficient de seuil

Pour le type de seuil installé au Moulin Priaud, le coefficient varie de 0,3 à 0,4 et dépend principalement de l'épaisseur et de l'état du seuil. Dans notre cas d'étude, en confrontant les observations terrains et la littérature, le coefficient de seuil a été fixé raisonnablement à 0,38.

Pour réaliser un calage plus fin, il aurait fallu mesurer plusieurs débit et hauteurs d'eau au niveau du seuil. Cependant dans le cadre de ce projet, il ne nous a pas été possible de le faire.

  • Vannes de décharges

Pour les vannes coulissantes, le coefficient de décharge varie de 0,5 à 0,7. Il est estimé à partir des charges en amont et en aval et de la dimension de la vanne.

La littérature propose un coefficient de décharge de 0,6 pour chacune des vannes du seuil.
 

  1. Prise d'eau du moulin

En période de crue, le moulin ne fonctionnant pas, l'extrémité aval du canal d'amenée est modélisée par un mur qui s'étend de part et d'autre sur une vingtaine de mètres pour représenter les bâtiments de la centrale et les habitations.
 

  1. Conditions limites

En Amont de l'écoulement, le débit entrant est imposé. En aval, c'est la hauteur de la surface libre qui est estimée.

Configuration de la zone d'étude

Afin de choisir la configuration la plus à même de fournir des résultats cohérents avec la réalité, différentes possibilités ont été comparées dans deux situations pour lesquelles les conditions d'écoulement au niveau du moulin étaient à peu près connues, à savoir la journée de mesures sur site (le 13 février 2014) et la crue de juillet 2008.
 

  1. Déversoir latéral

La première configuration consiste à considérer le cours d'eau principal comme passant par le moulin avec un déversoir latéral à deux vannes de décharges modélisé au niveau du seuil. L'eau passant par le seuil rejoint ensuite le cours d'eau principal plus loin en aval (à 150m). L'écoulement au niveau de la vanne de prise d'eau (fermée) est bloqué par une structure perpendiculaire à l'écoulement suffisamment haute pour simuler un mur infranchissable autrement que sur les côtés.


Figure 1. Représentation de la zone d'étude sous HEC-RAS


Figure 2. Seuil latéral (HEC-RAS)

Pour affiner les calculs, une interpolation de la bathymétrie est réalisée entre les sections qui ont été mesurées. La particularité de cette simulation est que sous HEC-RAS, un déversoir latéral est représenté de telle manière que la perte d'énergie dans le canal principal est progressive le long des sections concernées par l'ouvrage.
 

  1. Réservoir latéral

Une modélisation simplifiée du domaine consiste à considérer que le canal d'amenée est un réservoir latéral dans lequel il n'y a pas d'écoulement et où la ligne d'eau dépend uniquement du débit franchissant le seuil. Dans ce cas, le seuil est représenté par un ouvrage construit en travers du cours d'eau principal. Il n'est donc plus nécessaire de représenter la géométrie du canal d'amenée. L'important est de connaître la différence de hauteur des berges du canal entre le seuil et la prise d'eau pour déterminer quelle hauteur d'eau au niveau du seuil va correspondre à un débordement au niveau du moulin. Le seuil et les vannes de décharges sont représentés à partir des données terrains.


Figure 3. Allure des berges du canal

  1. Séparation du bras principal

Une dernière modélisation consiste à considérer le lit principal se séparant en deux, d'une part vers le canal d'amenée, d'autre part vers le tronçon court-circuité. Le seuil et les vannes de décharge sont modélisés en travers du tronçon court-circuité. Comme dans le cas du déversoir latéral, le canal d'amenée est représenté avec une vanne pouvant être actionnée, et un mur correspondant à la structure du moulin.

 

Résultats des simulations

1. Validation des modèles

  • Avec les données récoltées sur le terrain

Le jour où les observations ont été réalisées, la ligne d'eau au niveau de la grille de protection a été mesurée à 20 cm du plein bord du canal. A partir des données de débits mensuels et des conditions hydrologiques de la région à cette date, le débit de la rivière a été estimé à 1,5 m3/s.

Lorsque le niveau d'eau est inférieur à la hauteur des bords du canal, tout le débit passe par le seuil. Dans le cas de la configuration avec un seuil latéral, pour des débits faibles, le débit est nul sur toute la deuxième moitié du seuil. Le logiciel HEC-RAS ne permet pas de simuler un débit nul dans un bras. Il en résulte que la validation est impossible pour la situation du 13 février 2014 : le logiciel ne parvient pas à simuler correctement l'écoulement au niveau du déversoir et le modèle propose une ligne d'eau à la limite du débordement au niveau du moulin alors que la ligne d'eau était à 20 cm du bord.

Dans le cas du modèle simple de seuil en travers, les résultats sont en accord avec les observations.

  • Avec la crue de 2008

La crue de 2008 permet de valider le modèle, car les stigmates de cette crue sont encore visibles à l'intérieur du moulin, et l'hydrogramme de crues est disponible.


Figure1. Hydrogramme de crue pour l'événement du 2 juillet 2008


Figure 2. Hauteurs d'eau atteintes lors des crues de 1977 et 2008 dans le moulin

Les simulations ont été effectuées uniquement en régime stationnaire, avec comme condition d'entrée, le débit maximum de la crue (44,7 m3/s). La marque laissée par la crue de 2008 sur la poutre a été mesurée à 20cm du sol.

Il est important de rester critique sur le résultat, car l'hydrogramme de crue est incomplet entre 940 et 1646 minutes. Le débit maximum de la crue peut avoir été sous-estimé. De plus, la station hydrologique étant située plus loin en amont de deux autre ouvrages de type seuil, l'onde de crue est déjà partiellement dissipée lorsqu'elle atteint l'ouvrage, le débit correspondant au maximum pour la crue de 2008 serait donc légèrement surestimé. En conséquence, il est difficile d'évaluer la justesse de la condition d'entrée.

La modélisation du seuil en travers donne une hauteur d'eau de 21 cm au dessus de la berge du moulin, ce qui correspond. En revanche, la simulation réalisée en prenant en compte le seuil latéral donne en résultat une hauteur de la ligne d'eau de 13 cm au dessus des bords du canal.

Pour finir, la modélisation considérant la séparation du bras principal en deux bras secondaires n'est pas retenue, car elle ne permet pas de modéliser un débit nul dans le canal d'amenée lorsque les vannes du moulins sont fermées.

La configuration choisie est donc la configuration simplifiée avec le seuil en travers.
 

  1. Débit de plein bord

Le débit de plein bord est défini comme le débit à partir duquel le cours d'eau déborde du lit primaire. Il est estimé en régime stationnaire et il s'agit du débit correspondant à une lame d'eau de 31,5 cm au dessus du seuil.

Il s'agit de la limite de production de la centrale. Pour des débits supérieurs, la vanne de prise d'eau est fermée pour des questions de sécurité.
Afin d'exploiter au maximum la ressource disponible, le débit de plein bord est calculé avec les deux vannes du seuil totalement ouvertes. L'ouverture des vannes permet de presque doubler la valeur du débit de plein bord (cf tableau). Vérification a été faite que pour des débits compris entre 7,1m3/s et 12,5m3/s, la ligne d'eau restait supérieure à la hauteur du seuil, il est donc possible de continuer à turbiner dans cette plage de débits.


 

  1. Étude des crues

Les hauteurs d'eau pour des débits de crue de différents temps de retour sont estimées à titre indicatif pour garantir la pérennité des installations électriques. La hauteur d'eau donnée dans le tableau suivant correspond à celle estimée dans le moulin sachant que celui-ci est construit de plein pied.

Lorsque le seuil est noyé, la charge en aval influence la hauteur de la lame d'eau au niveau du seuil et pour des débits suffisamment importants, l'efficacité des vannes diminue.

Avec moins de 20cm d'eau dans le moulin pour une crue de durée de retour de 20 ans, on peut considérer que le risque d'une inondation ayant des conséquences graves sur les installations reste faible. Il n'est pas nécessaire d'envisager la mise en place d'installations de protection. En revanche, les installations électriques doivent être placées en hauteur, à plus de 20 cm du sol. Le bâtiment dispose d'un étage où sont entreposées les machines permettant de moudre le grain. Cet étage étant correctement isolé, il est donc recommandé d'y installer l'armoire électrique à l'étage supérieur, pour s'affranchir des problèmes d'humidité en plus des risques d'inondations.
 

  1. Synthèse des hauteurs d'eau


Figure 3. Hauteur de la lame d'eau au dessus de la crête du seuil en fonction du débit

La hauteur d'eau est constante tant que le débit est inférieur à la somme du débit turbinable et du débit réservé. Ensuite le débit franchissant le seuil augmente en suivant la loi de seuil. Lorsque le débit de plein bord est atteint, la discontinuité des hauteurs est due à l'ouverture des vannes, qui rabaisse la ligne d'eau. La hauteur d'eau remonte alors régulièrement avec le débit, la pente est plus faible lorsque le seuil est noyé; en effet, la loi comportementale est changée.

Etude technique des installations

Cette partie traite de l'étude technique des installations qui a pour objectif de déterminer et dimensionner les ouvrages et organes d'une PCH nécessaires à la production d'électricité. Elle se divise en deux parties :

  • un état des lieux du site, réalisé durant la visite de terrain, permettant d'identifier les installations présentes et manquantes ;
  • une proposition de solutions afin d'assurer la production d'électricité.

Afin de déterminer la production d'électricité possible, l'étude technique des installations se base sur l'étude de la puissance mécanique et électrique de la PCH. Pour cela, elle nécessite en entrée les résultats de l'étude hydrologique de la Vouzance notamment les débits turbinables classés. La méthodologie est présentée ci-dessous :

  1. Puissance mécanique
  • calcul du rendement de la turbine à l'aide de la courbe des débits classés ;
  • détermination de la puissance disponible et de la puissance installée.
  1. ​Puissance électrique
  • calcul du rendement du multiplicateur de vitesse et du générateur de courant ;
  • détermination de la puissance fourni par la centrale hydroélectrique.

L'étude cherche à définir le fonctionnement des installations nécessaires à la production d'électricité et propose une réflexion sur des solutions techniquement optimales.

Etat des lieux

Afin d'étudier les solutions de réhabilitation du moulin, il est nécessaire de bien comprendre son fonctionnement et d'en connaître l'état. Un premier contact avec le propriétaire nous a permis d'obtenir les informations générales ainsi qu'un premier descriptif des installations.

Dans un second temps, pour nous permettre d'approfondir l'état des lieux, nous avons été amené à réaliser un diagnostic "terrain", organisé avec le propriétaire. Durant 2 jours, nous avons eu l'opportunité d'observer le moulin (dans son état actuel) en fonctionnement, d'identifier les installations existantes et d'évaluer leur état.

Voici une synthèse des données récoltées sur les différentes installations du moulin, de nos observations et mesures réalisées lors de la visite :

1. En amont de la PCH

Figure 1. Seuil

 

Figure 2. Vannes de décharge

 

Figure 3. Canal d'amenée

 

Figure 4. Grille de protection

Afin d'éviter de rendre indispensable l'installation d'un dégrilleur permettant le nettoyage automatique de la grille, nous préconisons de mettre en place une drome de protection (barrage flottant) au niveau du seuil. Celui-ci éliminera la majorité des déchets/débris flottants.

 

2. Au niveau de la PCH

Figure 5. Vanne de prise d'eau

 

Figure 6. Chambre de la turbine

 

Figure 7. Cercle de vannage

 

Figure 8. Turbine

La mise en place de la turbine s'est déroulée en 1929 et a fonctionnée jusqu'en 1990. Depuis près de 85 ans, la turbine est donc soumise aux différentes sources d'usure : 

  • oxydation : rouille ;
  • abrasion : due aux matières en suspension contenues dans l'eau turbinée ;
  • érosion : due à la cavitation située essentiellement sur les aubes de la turbine.

Le matériau utilisé par cette turbine est  était la fonte d'acier. Ce matériau est reconnu pour être résistant à la corrosion mais peu à l'abrasion et à la cavitation. La turbine Francis étudiée ici étant soumise à une très basse chute (1.60 m), les phénomènes d'abrasion et de cavitation sont assez faibles.

A noter, que la fonte d'acier ne permet pas le rajout de matière afin de ramener la turbine dans son état d'origine. Cependant, au vue de son état, nous pouvons tout de même envisager de faire fonctionner la petite centrale avec la turbine existante (peu de remous ou de bulles observés en sortie de turbine : signes de cavitation importante ou de déformation des aubes de la roue).

Une attention particulière devra être portée sur le système de lubrification des paliers et sur l'état de leur garniture (coussinet en bronze ou en régule). Ceux-ci assurant une bonne rotation de l'arbre sans jeu ni friction excessif.
 

3. En aval de la PCH

Figure 9. Canal de fuite

4. Synthèse

Cette visite a permis de mettre en évidence la présence d'équipements déterminant la puissance mécanique de l'installation et nécessaires à la production d'électricité. La plupart de ces installations sont dans un état satisfaisant pour être utilisées afin de produire de l'électricité. Il faudra tout de même porter une attention particulière à la turbine Francis (roue, paliers et vannage) qui est l'élément majeur du moulin.

Cependant, les équipements électriques et l'automatisation du fonctionnement des installations sont actuellement manquants. Cette partie sera donc également être étudiée.

Puissance mécanique

Turbine

La visite de terrain a permis de mettre en évidence la présence d'un équipement permettant de transformer la puissance hydraulique en puissance mécanique : une turbine Francis.

Michel HESCHUNG décrit le fonctionnement des anciennes turbines Francis dans le "Guide de réhabilitation des moulins hydrauliques en vue de la production d'électricité". [1]

Description d'une turbine Francis

La partie fixe de la turbine comprend l'anneau d'entretoises qui porte le distributeur et la cloche supportant le palier principal de la machine.

Le distributeur sert à régler le débit et à orienter l'écoulement de façon optimale vers les aubes de la roue. Il est constitué d'un ensemble d'aubes directrices dont l'orientation est réglée par l'intermédiaire des biellettes portées par l'anneau de vannage. Celui-ci est actionné par la tige de commande, par l'intermédiaire de deux tirants. Actuellement, son réglage se fait manuellement. Il sera nécessaire de l'automatiser et de réguler son ouverture en fonction des débits entrants.

La roue est placée à l'intérieur du distributeur. L'arbre de la roue est porté et guidé par le palier principal.

Cette turbine est mise en charge dans la chambre. L'eau arrive dans la turbine par l'extérieur, en passant par les aubes directrices du cercle de vannage (au niveau des entretoises visibles sur la coupe ci-dessous). L'eau est ainsi turbinée et évacuée au niveau de l'axe de la turbine, en contre-bas, dans l'aspirateur.

                Figure 1. Schémas turbine Francis. Source : [2]

L'arbre vertical d'une turbine Francis est porté et guidé par le palier principal, solidaire de la cloche. Celui-ci est associé à un second palier assurant le guidage de l'extrémité supérieure de l'arbre, au voisinage du pignon de renvoi. Il est primordial de s'assurer de la bonne lubrification de ces paliers. Un manque d'huile pourrait entraîner l'échauffement puis la destruction des garnitures des paliers qui permettent la rotation de l'arbre sans jeu ni friction excessif.

Calcul de puissance

1. Puissance disponible

Cette puissance est la puissance disponible par le cours d'eau. Pour la déterminer, il est tout d'abord nécessaire de connaitre le débit maximal turbinable et la hauteur de chute.

La visite de terrain nous a permis d'avoir une première estimation de ce débit à l'aide de la méthode du flotteur. Cette méthode consiste à mesurer le temps parcouru par une balle en plastique à travers un volume défini. Il est nécessaire de placer le flotteur en amont de la première mesure afin que celui-ci est atteint la vitesse du cours d'eau. 

Le mesure du débit maximal turbinable est effectuée au niveau de la prise d'eau, avant la grille, lorsque la turbine est en fonctionnement :


Figure 1. Méthode du flotteur

La méthode du flotteur nous permet d'obtenir un débit Q égal à 0,76 m3/s.

Suite à la visite de terrain, des précisions sur les caractéristiques de la turbine ont été apportées  (documents de référence de la turbine installée) :

  • débit maximal de la turbine égal à 0,68 m3/s ;
  • hauteur de chute égale à 1,6 m.

Notre mesure de terrain de débit est donc relativement proche de la valeur donnée dans les caractéristiques de la machine. La valeur de débit de référence a été ensuite conservée dans nos calculs. 

L'étude hydrologique de la Vouzance permet de déterminer la courbe des débits turbinables classés. Cette courbe donne les puissances disponibles par la relation :

Pdisponible = ρ * g * Q * H

avec :

  • ρ, la masse volumique de l'eau, égale à 1 kg/l ;
  • g, le champ de pesanteur, égal à 9,81 m2/s ;
  • H, la hauteur de chute, égale à 1,6 m.

​​On a également :

Pdisponible max = ρ * g * Qmax * H = 10,7 kW

La courbe des débits turbinables classés et des puissances disponibles classées est donnée ci-dessous :


Figure 2. Évolution des puissances et débits classés

 

2. Puissance installée

La puissance installée est la puissance en sortie de turbine. Elle se base sur la puissance disponible et prend en compte les caractéristiques de la turbine. Sa définition est donnée ci-dessous:

Pinstallée ​= η​turbine * Pdisponible

Les documents de référence de la turbine installée précisent que le rendement maximal est égal à 80%. Ainsi,

Pinstallée max = 0,8 * Pdisponible max = 8,5 kW

Le "Guide pour la réhabilitation des moulins hydrauliques en vue de la production d'électricité" précise la courbe de rendement théorique d'une turbine Francis ancienne en chambre d'eau. A partir de cette courbe, 8 plages de rendements ont été définies afin d'approximer et de déterminer le rendement pour chaque débit mesuré.

Avec Qrel = Qmesuré / Qmax

Ci dessous, la courbe de rendement :


Figure 3. Courbe de rendement de la turbine

 

Les rendements ainsi déterminés permettent de définir la courbe des puissances installées classées présentée ci-dessous :

Figure 4. Évolution de la puissance installée

 

Puissance électrique

Installations

La visite de terrain a permis de mettre en évidence l'absence d'équipements permettant de produire une puissance électrique et d'automatiser le système. Ces installations sont nécessaires pour produire de l'électricité et celles-ci sont présentées ci-dessous.

Générateur de courant

1. Principe général

Le générateur de courant d'une PCH convertit l'énergie mécanique de rotation fourni par la turbine en énergie électrique. Il est constitué de deux parties, le stator, partie fixe et le rotor, partie tournante. 

Le fonctionnement d'un générateur de courant se base sur l'induction magnétique. Quand un circuit électrique est soumis à une variation de champ magnétique ou balayé par un champ magnétique (par exemple un aimant qui tourne devant une bobine), cela induit une tension alternative.

        Figure 1. Principe de fonctionnement d'un générateur de courant. Source : [3]

Pour une centrale hydroélectrique, on utilisera une machine générant un courant alternatif triphasé. Pour une même puissance, elle sera moins lourde et moins volumineuse qu'un générateur monophasé.

On retrouve alors deux types de générateurs :

  • la génératrice synchrone, ou alternateur
  • la génératrice asynchrone

 

2. La génératrice synchrone, dit "alternateur"

Le rotor de la machine ou inducteur, crée un champ magnétique grâce à l'alimentation de son bobinage par un courant continu ou alors grâce à des aimants permanents.

Le stator ou induit, est composé de 3 bobinages décalés les uns par rapport aux autres de 120°.

Ainsi, lorsque le rotor est entrainé par la turbine, son champ magnétique balaye successivement les 3 bobinages du stator, ce qui induit une tension alternative triphasée dont la fréquence est proportionnel à la vitesse de rotation.

  • fréquence des tensions induites : $f=p\times n=p\frac{N}{60}$

p = nombre de paires de pôles ; n = vitesse de rotation [tr/s] ; N = vitesse de rotation [tr/min]

Par exemple, pour générer une fréquence de 50 Hz (fréquence du courant sur le réseau français), un alternateur à 2 paires de pôles doit tourner à la vitesse de 1500 tr/min.

Les génératrices synchrones présentent de très bon rendements, y compris lorsqu'elles sont utilisées en charge partielle.
 

3. La génératrice asynchrone

La différence majeure avec l'alternateur, est que le rotor n'est raccordé à aucune source d'énergie.

Le rotor présente la forme d'une cage d'écureuil et est composé d'un ensemble de barres en aluminium ou en cuivre. Il ne comporte donc aucun bobinage, ce qui le rend robuste et plus économique.

Le stator est similaire à celui d'un alternateur.


Figure 2. Vue éclatée d'une génératrice asynchrone. Source : [4].

Les enroulements statoriques d'une machine asynchrone sont alimentés par des courants alternatifs triphasés (couplage au réseau). Ils génèrent ainsi un champ magnétique tournant statorique de vitesse Ns (vitesse de synchronisme) :

$$N_{S}=60\frac{f}{p}$$

Ns [tr/min] ; f = fréquence du réseau d'alimentation ; p = nombre de paire de pôles

Pour fournir de l'énergie électrique, le rotor doit être entrainé par la turbine à une vitesse supérieure à la vitesse de synchronisme. Ses conducteurs, alors balayés par un champ tournant statorique, induisent des courants triphasés qui génèrent à leur tour un champ tournant rotorique. Des tensions alternatives triphasées sont ainsi induites au niveau des bobinages du stator.

Si la vitesse du rotor est inférieure à la vitesse de synchronisme, la machine fonctionne en moteur. Elle absorbe alors de l'énergie électrique. De la même manière, si le rotor est entraîné à la vitesse de synchronisme, la machine ne fonctionne ni en génératrice ni en moteur.

Figure 3. Fonctionnement d'une machine asynchrone selon sa vitesse de rotation. Source : [1]

Lors du fonctionnement en génératrice, la vitesse du rotor reste proche de la vitesse de synchronisme.

A noter, qu'en fonctionnant en moteur ou en génératrice, la machine asynchrone absorbe de l'énergie réactive pour produire le champ magnétique tournant statorique indispensable à son fonctionnement.

Synthèse - Alternateur et génératrice asynchrone :

Étant donnée la puissance de la centrale hydroélectrique et de l'utilisation de l'énergie produite, le choix se porte sur une génératrice asynchrone de puissance 9 kW :

Figure 4. Génératrice asynchrone 9 kW - 1500 tr/min. Source : [5].

Tarif

Fourniture pièces = 800 € TTC

Installation/réglages/mise en service = 1 000 € TTC

 

4. Mise en oeuvre et couplage avec le réseau

La génératrice "envoie" l'énergie produite au réseau de distribution Erdf. Ce réseau va alors imposer sa tension (400 V) et sa fréquence (50 Hz) à la machine. Il fournit également l'énergie réactive nécessaire au fonctionnement de la génératrice.

Une batterie de condensateurs est indispensable pour améliorer le facteur de puissance de l'installation.

Figure 5. Couplage génératrice/réseau. Source : [1].

Lorsque la turbine est mise en fonctionnement, le groupe accélère progressivement. Dès que la vitesse de la génératrice est proche de la vitesse de synchronisme, elle est couplée au réseau par la fermeture du contacteur.

L'augmentation du débit d'eau passant dans la turbine entraîne une augmentation de la puissance électrique fournie par la génératrice au réseau.

Il n'est pas nécessaire de réguler la vitesse une fois le couplage au réseau effectué. Toute variation de la vitesse de la génératrice est compensée par la forte variation du couple résistant qui en résulte.

Un dispositif de sécurité permet également de signaler l'emballement du groupe qui peut se produire en cas de coupure accidentelle du réseau.
 

Multiplicateur de vitesse

1. Présentation

La turbine présente une vitesse de rotation qui dépend à la fois du débit du cours d'eau, de la hauteur de chute et du type de turbine. Cependant, la fréquence du courant alternatif du réseau sur lequel le PCH est raccordé impose la vitesse de rotation du générateur. Le multiplicateur de vitesse, placé entre la turbine et le générateur, permet ainsi de synchroniser le fonctionnement des deux équipements. 

Les multiplicateurs de vitesse de petites centrales hydroélectriques se divisent généralement en deux types :

  • multiplicateurs de vitesse à engrenages

Ces multiplicateurs sont constitués de roues dentées s'engrenant l'une avec l'autre. Ces multiplicateurs, très résistants, sont majoritairement utilisés pour des installations présentant des couples et puissances élevés, c'est-à-dire les roues à aubes ou les vis hydrodynamiques. Ils présentent généralement un rendement élevé, de l'ordre de 98%, et ont comme inconvénient principal la nécessité de lubrification. [1]


Figure 1. Multiplicateur à 3 engrenages hélicoïdaux. Source : [6].

  • multiplicateurs de vitesse à poulies-courroies

Leur fonctionnement est basé sur la transmission entre deux poulies liées aux arbres et jointes par une courroie. Ces multiplicateurs peuvent être à courroies crantées, striées, trapézoïdales ou plates. Le guide des Sciences et Technologies Industrielles de J.L. FANCHON présente quelques caractéristiques de ces multiplicateurs de vitesse.

2. Choix de la solution

La turbine installée sur site est une turbine Francis qui ne présente pas un couple trop élevé et une puissance relativement faible. Ainsi, en raison des avantages mentionnés ci-dessus, notamment économique, la transmission par courroie plate est préférée au multiplicateur à engrenages et aux autres multiplicateurs poulies-courroies.
.

Le coût moyen d'un multiplicateur à courroie plate donné par plusieurs fournisseurs est  environ égal à 1000 € TTC.

Armoire électrique

1. Présentation

De nos jours, les petites centrales hydroélectriques fonctionnement de plus en plus de manière automatique. Ces systèmes permettent de diminuer les coûts d'exploitation en limitant au maximum la présence humaine sur site.

L'ensemble des commandes permettant l'automatisation d'une petite centrale hydroélectrique sont réunis dans une armoire électrique comme celle présentée ci-dessous :


Figure 1. Armoire électrique du moulin de Lugny-les-Charolles (71). 

2. Organes à automatiser

En l'état actuel, le moulin Priaud n'est pas automatisé.La mise en place de ce système permet au propriétaire d'être moins présent sur site qu'actuellement et de posséder un système autonome et sûr.

Suite à l'état des lieux effectué, une automatisation apparaît nécessaire pour :

  • mesurer la lame d'eau au niveau du seuil afin de connaître les hauteurs d'eau en amont de la PCH

Comme l'impose la législation en vigueur, le débit réservé devant toujours alimenter le tronçon court-circuité de la Vouzance est de 76L/s, soit 0,076m3/s, soit le dixième du module de la rivière. Or, comme l'a montré l'étude hydrologique, le débit peut fortement varier au cours du temps, parfois en l'espace de quelques heures. Le débit détourné pour aller être turbiné au moulin ne doit jamais excéder une valeur telle que le débit réservé dans le tronçon court-circuité de la Vouzance ne soit plus respecté.

Un système automatisé, qui puisse contrôler en temps réel la part du débit turbiné, est donc nécessaire. L'eau entrant dans le tronçon court-circuité se déverse au seuil. Au niveau de cet ouvrage, l'écoulement devient critique et une relation simple existe entre le débit et la lame d'eau déversant au dessus du seuil (cf. Risque inondation).

La lame d'eau correspondante à ce débit réservé, déterminée par la loi de seuil, est alors de 1,5 cm.

De plus, l'étude du risque inondation définit la hauteur de plein bord, hauteur pour laquelle le débit de plein bord est atteint, à 31,5 cm. Cette hauteur est la hauteur d'eau maximum de fonctionnement de la turbine afin d'éviter tout risque de dommages.

Afin de déterminer la hauteur d'eau au niveau du seuil, un capteur sera installé et sera en lien direct avec l'armoire électrique. Ce capteur se base sur la mesure de la pression hydrostatique.

La pression hydrostatique est la pression exercée au dessous de la surface d'un liquide par le liquide situé au dessus quand le fluide est au repos. A l'intérieur d'une colonne de fluide se crée une pression due au poids de la masse de fluide. La pression hydrostatique est variable en fonction de la profondeur atteinte. En effet, une pression de 1 bar est gagnée tous les 10 mètres. [7]

Le principe d'une sonde de pression hydrostatique est présentée ci-dessous :


Figure 2. Sonde de pression hydrostatique. Source : [7].

A partir de la pression mesurée par la sonde, la hauteur d'eau de la rivière peut être calculée. Ce capteur est relié à l'armoire électrique et une mesure est effectuée toutes les minutes.

Afin de protéger la sonde contre les intempéries et les variations de débit, celle-ci sera placée au sein d'un tube en métal, relié à une fixation sur la berge.

  • ​​modifier l'orientation des aubes directrices du cercle de vannage afin de faire varier le débit entrant

L'étude du rendement de la turbine a permis de mettre en évidence un rendement nul pour un Qrelatif = 0,22, soit un débit mesuré égal à 0,15 m3/s. Un rendement nul nécessite un arrêt de la machine pour éviter de perdre de l'énergie et de ne pas endommager la turbine. 

Afin d'éviter cette perte, la mise en place d'un capteur de position relié à l'armoire électrique est requise. Celui-ci enclenchera la fermeture des aubes directrices et un arrêt de la turbine lorque celle-ci sera fermée à 78% de son état initial (ouverture complète).

A l'aide des mesures fournies par la sonde de pression hydrostatique et par le capteur de postion, l'armoire électrique sera capable de gérer 3 cas de figure :

- une fermeture des vannes et un arrêt de la turbine lorsque l'ouverture des aubes directrices est inférieure à 22%

- une ouverture progressive des aubes directrices de 22 à 100% permettant le passage du débit réservé au dessus du seuil (hauteur d'eau mesurée à l'aide de la sonde de pression hydrostatique)

- un fermeture des vannes et un arrêt de la turbine lorsque la hauteur d'eau est égale à la hauteur de plein bord.

Ces ouvertures et fermetures d'aubes directrices du cercle de vannage sont gérés par un verrin électrique directement relié à l'armoire électrique.


Figure 3. Vérin électrique. Source : [8].

  • mettre en route et arrêter la centrale

A l'aide de boutons marche/arrêt, le propriétaire détermine l'utilisation de la centrale.

  • procéder à l'arrêt du système en cas de défaillance

En cas de défaillance, telle qu'une coupure accidentelle du réseau ou un dysfonctionnement grave (échauffement des installations), l'armoire électrique commande l'arrêt du système. Elle contiendra un disjoncteur et un arrêt coup de poing.

Les estimations de chiffrage donnés par les fournisseurs donne un coût moyen de l'armoire électrique et des capteurs à environ 12000€ TTC.

 

3. Organes qui ne seront pas automatisés

Plusieurs organes sont fréquemment automatisés dans le cadre de centrales hydroélectriques mais ne semblent pas pertinent pour notre cas d'étude :

  • permettre l'ouverture et la fermeture de la vanne de prise d'eau

Le moulin ainsi réhabilité a pour vocation a produire en continu, la vanne de prise d'eau est donc continuellement ouverte. Une automatisation de ce système ne semble donc pas nécessaire. A l'approche d'une crue, dont l'alerte est donnée par le capteur de hauteur d'eau, le propriétaire devra fermer manuellement cette vanne.

  • permettre l'ouverture et la fermeture des vannes de décharge

Les crues sont rares au niveau du site du moulin, de l'ordre de 4 jours par an. Les vannes de décharge peuvent être ouvertes manuellement durant cette période et rester fermées le reste du temps. Une automatisation ne semble là aussi pas pertinente.

Raccordement au réseau

L'énergie produite par la centrale hydroélectrique pourra être injectée sur le réseau Erdf et ainsi revendue en totalité à EDF. Pour cela, il est nécessaire prévoir le raccordement de l'installation au réseau électrique (compteurs, câble électrique, organes de sécurité).

1. Conditions de raccordement de la centrale au réseau électrique

La centrale, fournissant une puissance électrique faible (<10 kW), peut être raccordée directement au réseau Erdf selon les modalités suivantes :


Figure 1. Schéma de raccordement de la centrale au réseau EDF. 

La distance entre les compteurs de production de la centrale et le coffret coupe-circuit qui sera installé par Erdf (en limite de propriété) ne doit pas dépasser 30 m.

La distance totale de la ligne installée pour le raccordement (du haut du pylône électrique, jusqu'aux compteurs) ne doit pas dépasser 70 m.

Nous comptons 10 m entre le pied du pylône et son sommet.

 

2. Plan de masse avec implantation du raccordement


Figure 2. Cadastre - propriété du moulin Priaud. Source : [9].

Les compteurs électriques seront installés dans le bâtiment de la turbine.

Le coffret coupe-circuit sera installé en limite de propriété, le plus proche possible du pylône électrique existant.


Figure 3. Cadastre - bâtiments moulin Priaud. Source : [9].

Les distances ainsi mesurées, respectent les conditions fixées par Erdf et permettent de faire réaliser le raccordement par Erdf selon un forfait s'élevant à 2 000 € TTC.

Calcul de puissance

Puissance fournie

La puissance fournie est la puissance en sortie du générateur de courant, directement relié au réseau. Elle prend en compte les rendements du générateur de courant et du multiplicateur de vitesse et son calcul s'effectue à l'aide de la relation suivante :

Pfournie = η​turbine * η​multiplicateur * η​générateur * Pdisponible = η​multi * η​générateur * Pinstallée

Le Guide pour la réhabilitation des moulins hydrauliques en vue de la production d'électricité de M. HESCHUNG [1] fournit la courbe de rendement théorique d'un générateur de courant asynchrone et donne un rendement maximal égal à 85% pour une puissance de l'ordre de 10 kW. 

Étant donné que η​multiplicateur = 0,98, on a :

Pfournie max = 0,98 * 0,85 * Pinstallée max = 7,1 kW

A partir de la courbe de rendement théortique, 8 plages de rendements ont été définies afin d'approximer et de déterminer le rendement pour chaque puissance.

Avec Prelative = Pinstallée / Pmax

Ci dessous, la courbe de rendement :


Figure 1. Courbe de rendement du générateur de courant. 

 

Les rendements ainsi déterminés permettent de définir la courbe des puissances fournies classées présentée ci-dessous :


Figure 2. Évolution de la puissance fournie

 

Prévision de puissance fournie mensuelle

Méthode de calcul pour déterminer le débit moyen mensuel et le nombre de jours turbinables :

  • les débits supérieurs à Qmax​ sont considérés égaux à Qmax ;
  • les débits inférieurs à Qmin sont considérés égaux à 0 ;
  • Qmoy​ est calculé à partir des jours turbinables et est une moyenne mensuelle sur les 15 dernières années de mesure de débit ;
  • les crues entrainent un arrêt de la turbine pendant 4 jours par an en moyenne sur les 15 dernières années de mesure de débit : un arrêt mensuel en décembre, janvier, février et mars.


Figure 3. Prévision de puissance fournie mensuelle

La puissance fournie varie en fonction de la période de l'année. Elle atteint son maximum en hiver et diminue progressivement pour atteindre ses plus faibles les valeurs durant les mois d'été et d'automne.

Installation techniquement optimale

1. Turbine : choix d'une solution techniquement optimale

Au cours de cette étude, nous avons pu nous apercevoir que la turbine Francis actuellement installée, ne permet pas d'utiliser de manière optimale les capacités de la rivière (La Vouzance). En effet, durant près de 3 mois de l'année, le débit disponible de la rivière dépasse le débit maximum turbinable.

  Janvier Février Mars Avril Mai Juin Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre

Débits turbinés  (m3/s)

0,68 0,68 0,66 0,60 0,60 0,32 0,40 0,31 0,43 0,25 0,61 0,68

De plus, du fait de l'implantation du moulin, et donc de la faible hauteur de chute disponible, la turbine Francis n'est pas la turbine qui présente le meilleur rendement (de 22 à 80%).

Comparons à présent les caractéristiques des différentes turbines et leurs conditions d'utilisation [10]:

Nous avons donc choisi d'étudier la possibilité de remplacement de la turbine existante par une vis hydrodynamique, qui semble être la turbine présentant les meilleurs rendements pour nos conditions de chute et débit.

2. Principe de fonctionnement

Le principe de la vis hydrodynamique est l'inverse de celui de la vis d'Archimède: l'énergie est produite par la mise en rotation de la vis sans fin du fait de l'écoulement de l'eau vers le bas.


Figure 1. Schéma d'une vis hydrodynamique. Source : [11]

Comme présenté sur l'illustration ci-dessus, la vis est inclinée d'environ 20 degrés et est installée dans un bac cylindrique. L'eau s'écoule du haut vers le bas, mettant ainsi la vis en mouvement sous l'effet de son poids. Ce mouvement est ensuite converti et transmis au générateur par les éléments de transmission.

3. Performances et durabilité

Cette technologie présente un rendement élevé avec une génération d'énergie importante même avec de faibles débits et sur des petites hauteurs de chute.


Figure 2. Courbe de puissance d'une vis hydrodynamique . Source : [12]

Le graphe précédent donne une estimation de la puissance générée en fonction du débit et de la hauteur de chute de l'ouvrage.

En complément de ces performances techniques, les vis hydrodynamiques ont l'avantage d'être des machines robustes et durables qui ne nécessitent que très peu de maintenance. Elles comptent peu de pièces d'usure et du fait de la faible vitesse de rotation de l'installation, leur dégradation au cours du temps est minimale.

4. Impact environnemental

Un autre aspect important de cette technologie est d'être ichtyocompatible et respectueuse de l'environnement. Le fonctionnement doux permet le passage des poissons lors de la rotation de la vis.

Ce choix a donc été retenu en tant que mesure de suppression dans l'étude d'impact environnementale. Les avantages et inconvénients de ce dispositif y sont alors détaillés et explicités de manière exhaustive.

Etude environnementale

L'étude environnementale du projet a pour objectif d'évaluer et de sécuriser son acceptabilité par les autorités environnementales compétentes.

L'étude présentée sera réalisée en deux temps afin de répondre à cet objectif :

1. L' étude d'impact. Elle dresse le degré de vulnérabilité de la zone d'étude et rend compte des effets prévisibles. Elle aboutit à la détermination des mesures de réduction, compensation ou suppression à mettre en place. Elle s'appuie bien sûr sur le contexte réglementaire du moulin.

2. L'étude spécifique et le dimensionnement des mesures identifiées. Elle met en phase avec la réalité les mesures retenues et rend compte des investissements nécessaires. Ces derniers sont inclus dans le calcul de rentabilité du projet.

Intégrant des enjeux environnementaux, sociaux et économiques, l'étude environnementale balaie un spectre très large d'informations et de connaissances. Compte-tenu des contraintes de temps et de moyens définies par le cadre universitaire du projet, l'étude environnementale du projet présentée ici ne prétend pas être complète. Des extrapolations, des hypothèses jalonnent le travail réalisé. Ces choix sont justifiés dans la présentation des limites de l'étude.

Etude d'impact du projet

L'étude d'impact est fondamentale pour évaluer l'acceptabilité environnementale d'un projet. Il s'agit d'une étude approfondie de l'impact que peut avoir la construction d'un aménagement sur le milieu. Son objectif est d'éviter qu'un projet, certes justifié du point de vue économique, ne se révèle à terme néfaste pour l'environnement*. C'est pourquoi elle doit être réalisée en amont d'un projet. 

L'étude d'impact est obligatoire depuis la loi sur la protection de la nature du 16 juillet 1976 qui fixe les règles de sa réalisation et son contenu. Le droit des études d’impact est maintenant régi par le Code de l'environnement. Dans sa partie législative, l'étude d'impact est présentée dans les articles :
- L.122-1 : objectif de l’étude d’impact, insertion dans les procédures,
- L.122-2 : conséquences de l’absence d’étude d’impact,
- L.122-3 : contenu de l’étude d’impact, lien avec les enquêtes publiques, etc.
Dans la partie réglementaire du Code, ce sont les articles R. 122-1 à R. 122-16 qui s'appliquent à l'étude d'impact. L'étude d'impact s'inscrit clairement dans le principe de prévention et d'intégration du droit de l'environnement. 

L'étude d'impact s'articule en plusieurs étapes : 

  • Le diagnostic initial du milieu (ou "état de référence") permet de faire le point sur tous les compartiments du milieu (données physiques, géologiques, biologiques (faune, flore), humaines, sociétales, fiscales, économiques, paysagères...) : sont-ils compatibles avec les activités projetées?
  • L'évaluation des effets du projet sur l'environnement : directs et indirects, temporaires et permaments, cumulés avec d'autres projets. 
  • La proposition de mesures permettant de réduire les impacts.
  • La proposition de mesures permettant de compenser les impacts n'ayant pû être effacés par les mesures de réduction.

Présentée dans le dossier de demande d'autorisation lorsque celle-ci est requise, l'étude d'impact est fondamentale puisqu'elle constitue le support majeur utilisé par les autorités pour fonder leur accord sur la réalisation du projet. Elle permet au maître d'ouvrage, au même titre que les études techniques, économiques et financières, d'améliorer son projet.

L'étude d'impact appliquée au cas du Moulin Priaud :

Les différents aménagements relatifs au fonctionnement ancien du moulin (seuil, bief, grilles...) sont déjà présents sur site. L'étude portera donc, non pas sur leur impact potentiel, mais sur leur impact réel, en tenant compte du fait qu'ils existent depuis plus d'un siècle. Les conséquences des conditions d'exploitation seront évaluées.

Certains points n'ont pas été approfondis en raison des contraintes de temps du projet, comme l'étude de terrain comprenant des relevés biologiques.

*L'étude d'impact stricto sensus porte à la fois sur l'environnement et la santé. 

Quelle étude pour ce projet?

La "procédure du cas par cas"

Afin de mettre le droit français en conformité avec le droit communautaire, l'étude d'impact a été réformée. Le décret n°2011-2019 du 29 décembre 2011 portant réforme des études d'impact des projets de travaux, d'ouvrages ou d'aménagements introduit la procédure dite de "décision au cas par cas" pour certains projets et supprime la procédure de "notice d'impact". La réforme est applicable à tous les dossiers déposés depuis le 1er juin 2012, en application de l'article 230 de la loi Grenelle 2 portant Engagement National pour l'Environnement.

Les installations destinées à la production d'énergie hydroélectrique appartiennent à la 25ème catégorie d'aménagements, d'ouvrages et de travaux de la liste des projets soumis à étude d’impact figurant au tableau annexé à l’article R.122-2 du Code de l’Environnement. En résumé, les projets d'hydroélectricité dont la puissance maximale brute dépasse 500 kW sont
soumis à l’étude d’impact, les projets dont la puissance est inférieure à 500 kW sont soumis à la "procédure de cas par cas".

Le moulin, dont la puissance n'excède pas les 500 kW, est donc soumis à la "procédure de cas par cas" : un formulaire d'"examen au cas par cas" est à renseigner à la DREAL Auvergne, qui se chargera d'estimer si le projet de réhabilitation du moulin doit faire ou non l'objet d'une étude d'impact.
 

Les enjeux environnementaux du moulin

Le 1er alinéa de l’article R. 512-8 du code de l'environnement précise que le contenu de l’étude d’impact -et donc en premier lieu les recherches des données sur l’état initial- doit être en relation avec l’importance de l’installation projetée et avec ses incidences prévisibles sur l’environnement.
Ainsi, ne sachant pas si le moulin -soumis à la "procédure du cas par cas"- devra faire l'objet ou non d'une étude d'impact, ni dans quelles mesures celle-ci devrait être poussée, est établi l'inventaire des enjeux environnementaux majeurs - et pouvant être identifiés comme tels par l'autorité environnementale compétente- suscités par le projet de réhabilitation du moulin en pico-centrale hydroélectrique :
- l'énergie : le Grenelle de l'Environnement a fixé des objectifs en terme de développement des énergies renouvelables.
- l'eau et milieu aquatique : le maintien de la fonctionnalité des milieux aquatiques malgré l'hydroélectricité constitue un objectif majeur.
- la biodiversité
- le risque d'inondation
- le patrimoine

Les facteurs prépondérants du milieu

Cette liste nous permet en amont de délimiter l'ensemble des données à récolter concernant les caractéristiques du milieu environnant afin d'évaluer plus tard sa sensibilité aux effets envisagés :
- Caractéristiques physiques : climatologie, géologie, hydrogéologie, hydrologie et cyndinologie de la zone d'étude.
- Caractéristiques biologiques : statuts de protection, gestion du cours d'eau, état écologique du cours d'eau, inventaire faunistique, inventaire floristique.
- Caractéristiques sociales : démographie, occupation du sol, paysage et patrimoine.

 

 

 

Etat initial

A travers l'analyse de l'état initial du site et de son environnement, sont décrits les espaces et richesses naturelles pouvant être affectés par les aménagements ou ouvrages déjà en place ou à venir dans le cas d'une réhabilitation effective. Compte-tenu des précédentes conclusions, cette étude portera sur trois grands axes : le milieu physique, le milieu naturel (ou biologique) et le milieu humain. Les aménagements existants ayant un impact sur ces milieux seront enfin présentés.
L'objectif est de déterminer le degré de vulnérabilité de l'environnement de la zone d'étude en regard du projet.
 
Voici l'ensemble des acteurs contactés et des bases de données consultées :
 
Acteurs :
  • Office Nationale de l'Eau et des Milieux Aquatiques (ONEMA) - Service Départemental de l'Allier
  • Direction Départementale des Territoires (DDT) de l'Allier - Service de la police administrative
  • Mairie de Molinet
  • Fédération de Pêche de l'Allier
  • Ligue de Protection des Oiseaux (LPO) de l'Auvergne
  • Direction Régionale de l'Environnement, de l'Aménagement et du Logement (DREAL) Auvergne -Services Eau Biodiversité Ressources

Bases de données :

 

1. Milieu physique

Contexte Climatique

Le département de l'Allier se caractérise par la présence de deux zones climatiques. Une zone de climat de montagne au sud et une zone océanique plus ou moins altérée au nord et à l'ouest, zone dans laquelle nous retrouvons le moulin Priaud. Le temps au niveau de la zone d'étude est donc, comme nous pouvons le constater ci-dessous, doux tout au long de l'année avec des étés frais bien ensoleillés et des hivers aux températures douces.

Figure 1. Évolution de la température en 2013 [1] et Moyenne saisonale de 1999 à 2013 des équivalents jours de soleil sur la commune de Molinet. Source : Météo France, 1999-2013 [2]

En outre, la figure 2 montre que la commune de Molinet est une zone climatique balayée par de faible rafales de vent. En effet, le nombre de jour par an où le vent dépasse les 57 km/h est inférieur à 30 et la moyenne des vitesses de vent maximales depuis 1999 oscille autour des 80 km/h tout au long de l'année soit la moitié de la moyenne nationale [3].

Figure 2.   Moyenne saisonale de 1999 à 2013 des vitesses de vent maximales et des hauteurs de pluies sur la commune de Molinet
Source: Météo France, 1999-2013 [2]

Enfin, la moyenne des cumuls annuels de précipitations sur la commune de Molinet depuis 1999 est, comme présenté ci-dessus, de 778 mm contre 810 mm pour la moyenne nationale. De plus, la zone se traduit par la succession de deux saisons, Automne et Hiver, plus sèche que la moyenne nationale avec respectivement une pluviométrie moyenne de 191 mm et 127 mm. A l'inverse la saison printanière et estivale est plus pluvieuse que celle de la moyenne nationale avec respectivement des hauteurs d'eau moyenne de 222 mm et 237 mm.
 

Contexte Géologique

Figure 3. Carte géologique de la zone d'étude 1/50000. Source : [4]

Le Moulin Priaud s'établit donc sur un terrain sédimentaire tertiaire et quaternaire et plus précisément sur une formation de sable et d'argile de type limagne et calcaire du Bourbonnais. De plus, par la présence de la Vouzance cette formation est recouverte par des alluvions récentes et actuelles.
 

Contexte  Hydrogéologique et Hydrologique

La zone d'étude se situe sur un aquifére de type calcaire et sable du bassin tertiaire roannais.

Par ailleurs, le contexte hydrologique de la Vouzance a été l'une des préoccupations principales de ce travail de groupe et est développé dans la partie Etude hydrologique de la Vouzance.

 

Risques Naturels

Figure 4. Cartorisque de la zone d'étude. Source: [5]

Les risques naturels inféodés à la zone d'étude sont minimes. En effet, les aléas sismiques sont faibles avec un mouvement du sol et plus précisément une accélération comprise entre 0,7 m/s² et 1,1 m/s². De plus le moulin Priaud se situe en dehors des zones d'aléas liées aux inondations. Cependant, comme nous avons pu le constater sur place lors de la visite de terrain et comme développé dans la partie: Étude du risque d'inondation ce phénomène naturel est présent au niveau du moulin et ne peut être négligé par notre étude.
 

2. Milieu naturel

Statuts de protection

Le Moulin Priaud, bordé par la Vouzance, est situé en dehors de toute zone de protection. Proche de la confluence de la Vouzance avec la Loire (à environ 4 km à vol d'oiseau), il est en revanche à proximité de nombreux espaces bénéficiant d'un statut de protection. Dans un rayon de 2 km le long des berges de la Loire, tous les territoires sont classés en Zone Natura 2000 "sites d'intérêt communautaire", Zone Natura 2000 "zones de protection spéciale", Zone Naturelle d'Intérêt Ecologique, Faunistique et Floristique (ZNIEFF) 1 et 2, Zone d'importance pour la conservation des oiseaux. 

Figure 5. Cartographie des espaces protégés de la zone d'étude. Source : [6]
 

Gestion de la Vouzance

La Vouzance est une rivière intégrée au Schéma Directeur d'Aménagement et de Gestion des Eaux (SDAGE) Loire-Bretagne. Le SDAGE est un plan de gestion des eaux encadré par le droit communautaire et qui n'est autre que la réponse directe ou "rapportage" de l'Etat français au respect la Directive Cadre sur l'Eau (DCE) de la commission européenne. Il fixe les grandes orientations permettant d'atteindre les objectifs attendus en matière de "bon état" des cours d'eau à l'échelle d'un grand bassin hydrologique (la France en compte 6). Tous les plans de gestion à une échelle plus locale doivent être en accord avec les grandes orientations et objectifs fixés par le SDAGE pour une période de 6 ans.
Le Schéma d'Aménagement et de Gestion des Eaux (SAGE) est un document de planification de la gestion de l'eau à l'échelle d'une unité hydrographique cohérente plus petite. Il fixe des objectifs généraux d'utilisation, de mise en valeur, de protection quantitative et qualitative de la ressource en eau et il doit être compatible avec le SDAGE. Aucun SAGE englobant la Vouzance n'a été mis en place à ce jour [7].


Figure 6: La gestion de l'eau à l'échelle européenne à l'échelle locale. Source : [7]

A une échelle encore plus locale, aucun contrat de rivière n'existe sur la Vouzance.
La Vouzance est intégrée au Plan Départemental pour la Protection du milieu aquatique et la Gestion des ressources piscicoles (PDPG) de la Fédération de Pêche de l'Allier. Cette dernière s'intéresse toutefois peu à la Vouzance en raison de sa faible richesse en poisson. Une gestion patrimoniale différée y est appliquée. Les pratiques des pêcheurs comme le repeuplement peuvent se poursuivre, permettant de maintenir les populations piscicoles artificiellement tout en engageant des interventions sur le milieu [8].

Un nouveau classement des cours d'eau en liste 1 et 2 au titre de l'article L.214-17 du Code de l'environnement est en vigueur depuis le 22  juillet 2012 sur le bassin Loire-Bretagne, au titre duquel la Vouzance n'appartient à aucun de ces classements. Selon un personnel de l'ONEMA ayant participé à l'élaboration du classement, la Vouzance aurait pû être classée en liste 2. Un cours d'eau est sélectionné en liste 2 pour "pour rétablir la continuité écologique en imposant, au plus tard dans les 5 ans, aux ouvrages existants les mesures correctrices de leurs impacts". Autrement dit, sur un cours d'eau en liste 2, certaines mesures sont obligatoires (passes à poisson notamment).
En conclusion, sur un cours d'eau non classé comme la Vouzance, il n'y a pas d'obligation concernant le rétablissement de la continuité écologique mais cela ne signifie en aucun cas que ces même exigences ne peuvent être demandées.
 

Etat écologique et Peuplement piscicole

Le SDAGE Loire-Bretagne 2010-2015 a fixé des objectifs sur le bon état écologique, chimique et global des cours d'eau à atteindre. L'atteinte du bon état physico-chimique de la Vouzance (température, oxygène, salinité, acidité, polluants) est fixé à 2015 comme initialement prévu par la commission européenne. L'atteinte du bon état écologique a été reportée à 2027 pour des raisons de faisabilité technique. L'agence de l'eau Loire-Bretagne ne dispose d'aucune donnée plus précise sur l'état actuel de la Vouzance [9].

Le PDPG de la Fédération de Pêche de l'Allier qualifie l'état fonctionnel de la Vouzance de "perturbé". C'est à dire qu'au moins une des fonctions vitales (reproduction, alimentation, déplacement) des poissons est perturbée. C'est cela qui justifie la gestion patrimoniale différée sur la rivière [10]. 
La population théorique sur le cours d'eau est par ailleurs estimée à 4701 kg et la population réelle à 3512 kg soit une perte de fonctionnalité de 25,3%.

Les principaux facteurs limitants au fonctionnement du cours d'eau sont:
- le drainage des prairies
- les élevages intensifs
- le manque d'entretien généralisé (embâcles)
- les plans d'eau (vidanges)
- les retenues en amont des obstacles (modification des faciès d'écoulement). Le seuil du site d'étude est concerné.

Pour améliorer l'état fonctionnel du cours d'eau dans les 5 ans, le PDPG prévoit :
- la gestion des embâcles et opérations d'entretien
- le respect de la réglementation concernant les élevages
- le respect des normes de vidanges pour les plans d'eau
Aucune mesure ne prévoit l'effacement des seuils.

Le domaine piscicole est dit intermédiaire. Le milieu aquatique convient aux cyprinidés rhéophiles (CR) qui en est l'espèce repère. L'ONEMA, en charge de l'inventaire piscicole de la Vouzance, réalise des prospections par pêches électriques. Le graphique ci-dessous présente les espèces pêchées dans ce cadre, en octobre 2005, septembre 2006, septembre 2007 et mai 2011 sur la Vouzance, à la station de Neuilly-en-Donjon. Sur ces quatre relevés, la population totale pêchée est de 2019 individus pour 16 espèces différentes.

Figure 7. Population piscicole de la Vouzance. Source : [11]

La principale espèce relevée est le Goujon (36,5% de l'échantillon), suivie du Spirlin (22,3%), du Vairon (14,5%) et du Chevaine (9,3%). A elles quatre, ces espèces représentent 82,6% de la population.
La présence de la Lamproie de planer est à noter. Il s'agit d'un agnathe dit "migrateur". Sa présence aurait pu justifier le classement du cours d'eau en classe 2.
Les poissons en présence mesurent entre 5 et 10 cm en moyenne à l'exception du chevaine qui mesure environ 35 cm. Les juvéniles mesurent souvent moins de 5 cm [10].

Données d'inventaires

- Relevés floristiques :

Sur la commune de Molinet, 356 taxons ont été identifiés et recensés dans l'Atlas du Conservatoire Botanique National du Massif Central. Aucun taxon n'est protégé. Aucun non plus ne concerne une plante envahissante ou exotique. Parmi ces espèces, on retrouve principalement la Lycopside des champs (Lycopsis arvensis) et le Coquelicot (Equisetopsida Ranunculales).
En 2012, le Coquelicot figurait sur la liste rouge européeene de l'UICN, dans la catégorie "préoccupation mineure". Le Polycnème des champs (Polycnemum arvense) est classé sur la liste rouge de la Flore vasculaire de France métropolitaine (2012) en tant qu'espèce menacée dans la catégorie "en danger" mais il pas été observé sur la commune depuis 1925. Le Polycnème des champs n'est pas protégée pour autant.

 

- Relevés faunistiques

  • Oiseaux

77 espèces d'oiseaux ont été rencensés sur la commune de Molinet par la Ligue de Protection des Oiseaux d'Auvergne. Parmi eux 4 sont des oiseaux nicheurs :
- la Cigogne Blanche (Ciconia ciconia)
- le Faucon émerillon (Falco columbarius)
- la Fauvette Babillarde (Sylvia curruca)
- la Pie-grièche à tête rousse (Lanius senator).

 13 espèces font partie de la liste Rouge régionale des oiseaux d'Auvergne : 

Tableau 1 : Liste des espèces d'oiseaux menacées sur liste rouge régionale
- Données LPO-Auvergne
Nom commun Nom latin Statut d'espèce menacée
Pie-grièche à tête rousse Lanius senator EN DANGER
Cigogne Blanche Ciconia ciconia VULNERABLE
Aigrette garzette Egretta garzetta VULNERABLE
Faucon hobereau Falco subbuteo VULNERABLE
Vanneau huppé Vanellus vanellus VULNERABLE
Petit gravelot Charadrius dubius VULNERABLE
Chevalier guignette Actitis hypoleucos VULNERABLE
Goëland leucophée Larus michahellis VULNERABLE
Sterne pierregarin Sterna hirundo VULNERABLE
Guêpier d'Europe Merops apiaster VULNERABLE
Hirondelle de rivage Riparia riparia VULNERABLE
Grive litorne Turdus pilaris VULNERABLE
Fauvette babillarde Sylvia curruca VULNERABLE

Une partie de la commune de Molinet est située dans la zone Natura 2000 qui entoure la Loire, ainsi que dans une zone d'importance pour la conservation des oiseaux. La LPO Auvergne ne dispose d'aucun inventaire d'oiseaux spécifique au lieu dit "Moulin Priaud". Il faut donc prendre avec précaution les données répertoriées ci-dessus : ces espèces  sont très vraisemblablement présentes aux abords de la Loire qui leur fournit un habitat beaucoup plus vaste et approprié que la Vouzance.

  • Mammifères

    6 espèces de mammières ont été recensées sur la commune de Molinet par le Groupe Mammologique d'Auvergne :
    - le Castor d'Eurasie (Castor fiber)
    - le Chevreuil européen (Capreolus capreolus)
    - le Martre des pins (Martes martes)

    - le Ragondin (Myocastor coypus)
    - le Rat musqué (Ondatra zibethicus)
    - le Renard roux (Vulpes vulpes)
    Le Castor d'Eurasie est sur la liste des mammifères terrestres protégés sur l'ensemble du territoire français. Ces 6 mammifères sont répertoriés sur la liste rouge de l'Union Internationale pour la Conservation de la Nature (UICN) dans la catégorie "préoccupation mineure" : elles ne sont pas menacées.
     

  • Insectes

    7 insectes ont été recensés par l'INPN sur la commune de Molinet.

Tableau 2 : Insectes rencensés sur la commune de Molinet - Données INPN
Nom commun Nom latin Ordre Statut
Paon-du-jour Aglais io Rhopalocère Non menacé
  Macroglossum stellatarum Lepidoptère Non menacé
Myrtil Maniola jurtina Rhopalocère Non menacé
Argus des Bois Pararge aegeria Rhopalocère Non menacé
Robert-le-Diable Polygonia c-album Rhopalocère Non menacé
Vulcain Vanessa Atalanta Rhopalocère Non menacé
Belle-Dame Vanessa Cardui Rhopalocère Non menacé

Aucune espèce citée ci-dessus n'est protégée. Tous les rhopalocères sont évalués sur la liste rouge des rhopalocères de France métropolitaine (2012) comme espèce à "préoccupation mineure".

  • Mollusques

    Le seul mollusque recensé sur la commune de Molinet est la Mulette épaisse (Unio crassus), observé pour la dernière fois par l'INPN en 2011. La Mulette épaisse est classée espèce "en danger" sur la liste rouge mondiale de l'UICN (novembre 2012) et espèce "vulnérable" sur la liste rouge européenne de l'UICN (2012).
     

3. Milieu humain

La commune de Molinet

Le moulin Priaud appartient à la commune de Molinet. Cette dernière s'étend sur une superficie de 26 km2, se compose d'une population de 1 180 et se localise à une cinquantaine de kilomètres à l'est de la commune de Moulins, chef-lieu de l'Allier [12].

Figure 8. Plan cadastral du Moulin Priaud. Source : [13]

Le moulin Priaud est situé à l'extérieur du bourg et s'établit, comme le montre la figure 8, sur une zone à faible densité démographique. En effet, la propriété se compose de six parcelles formant un parcellaire de 13725 m2 et se situe à 80 m du plus proche voisin.
 

Occupation du sol

Figure 9. Cartographie de l'occupation des sols dans la zone d'étude. Source : [14]

Le moulin se trouve sur une surface essentiellement agricole, interrompue par des espaces naturels importants et entourée de prairies (Figure 8).

Paysage et patrimoine

L'unité paysagère dans laquelle s'établit notre zone d'étude correspond à la Sologne bourbonnaise qui s'étend au nord-est de l'Allier. Ce paysage se compose d'un relief peu marqué et d'une alternance de prairies, d'étangs et de boisements de taille relativement importante. Au sein de cette mosaïque se développe de manière éparse des parcelles agricoles de cultures donnant ainsi à cette unité un aspect partagé entre grands espaces naturels et terrains jardinés.

Enfin, le moulin n'est pas classé monument historique ou site protégé et est hors sites inscrits surfaciques ou classés surfaciques pour la préservation du patrimoine culturel de l'Allier.
 

4. Aménagements existants

Les ouvrages ayant permis le fonctionnement du moulin depuis la fin du XIXème siècle sont toujours présents : seuil et vannes, canal d'amenée (ou bief), grille de protection, turbine... Ils  ont fait l'objet d'une analyse lors de la visite de terrain, résumée dans l'état des lieux de l'étude technique : Etat des lieux des aménagements existants.

D'après les observations de terrain, le seuil est probablement infranchissable en période d'étiage. Il a par ailleurs été renforcé avec du béton entre son extrémité et la berge (rive gauche) suite à l'érosion de la berge par l'eau passant au-dessus du seuil. Le bruit provoqué par la chute d'eau est inaudible à plus de 70 m.

4 autres seuils sont présents en amont du Moulin Priaud sur la Vouzance. Un seuil est présent en aval [8].

Ces installations ont un impact certain sur la ressource en eau et le milieu aquatique. Ce point est développé dans la partie suivante "Effets sur l'environnement".

 

 

Effets sur l'environnement

1. Effets sur l'environnement des aménagements pré-existants [15]

Tous les effets présentés dans cette partie sont des effets permanents.

a) Effets sur le milieu physique

  • Effets sur le régime des eaux :
    - le seuil crée un obstacle à l’évacuation des crues en amont de son installation,
    - la retenue favorise le marnage, l'échauffement de l'eau et le risque d'eutrophisation,
    - le seuil provoque une diminution de la lame d'eau et du périmètre mouillé dans le tronçon court-circuité. Cela favorise le gel en hiver et l'échauffement en été.
    - le seuil provoque une diminution du transport solide en aval.
     
  • Effets de l'évolution de la ligne d'eau :
    - potentielle diminution du drainage de la nappe à l'amont et augmentation du drainage dans le tronçon court-circuité
    - diminution de la stabilité des berges par érosion de l'eau au niveau du seuil. Cet effet est cumulé à la faible présence d'arbre le long des berges.

b) Effets sur le milieu naturel

  • Effets d'obstacle/de barrage :
    - montaison impossible et dévalaison limitée à l'étiage : modification de la capacité du milieu à assurer la reproduction et le grossissement des poissons,
    - diminution de la lame d'eau dans le tronçon court-circuité, phénomène accentué à l'étiage :
                  *modification de la flore, du plancton, du benthos et de la faune piscicole.
                  *évolution de la qualité des eaux par diminution du pouvoir auto-épurateur.

c) Effets sur le milieu humain

     - nuisances sonores liées aux déversements du barrage nulles : bruit limité et aucune habitation à proximité,
     - risque d'inondation accru par le seuil,
    - impact paysager nul : les aménagements existants sont présents depuis plus d'un siècle et font maintenant partie du paysage patrimoniale.

La chute après le seuil est de 1,60 m. L'ONEMA considère que le passage par les déversoirs est peu ou pas problématiques jusqu'à environ 15 m de chute si les conditions de réception aval sont bonnes. Ces conditions sont probablement remplies en hiver, leur réalisation est plus incertaine à l'étiage. Néanmoins, compte-tenu du type et du nombre de poissons identifiés dans la rivière, de leur comportement et de cette faible hauteur de chute, on peut considérer que l'impact des aménagements pré-existants sur l'environnement est modéré.
 

2. Effets supplémentaires sur l'environnement liés à la production hydroélectrique

a) Effets sur le milieu physique

- le turbinage implique une lame d'eau maximale de 1,5 cm au-dessus du seuil (calculé en respect du débit réservé), excepté en période de crue. Cela exacerbe le problème de gel en hiver et l'échauffement en été.

b) Effets sur le milieu naturel

- la turbine Francis est l'une des plus mortelle [16]. On estime que le taux de mortalité des poissons au passage de la turbine Francis avoisine les 90% à 100%.
- le turbinage, hors période de crue, implique une lame d'eau maximale de 1,5 cm au-dessus du seuil: cette lame d'eau est inférieure à celle en l'absence de turbinage ce qui exacerbe les problèmes liés à la modification de la flore, de la faune piscicole, du pouvoir auto-épurateur....
 

c) Effets sur le milieu humain

- la ligne électrique de raccordement est souterraine et d'une longueur de 6 m (raccordement au réseau envisagé). Par conséquent son impact sur le paysage est nul et le chantier nécessaire à sa mise en place sera de très courte durée.
- le niveau sonore de la turbine en fonctionnement n'a pas été mesuré. Aucune habitation n'est décelée à moins de 80 m ce qui limite les éventuelles nuisances sonores.
- l'impact paysager est négligeable : si de nouveaux aménagements sont mis en place, ils seront intégrés aux ouvrages actuels.

3. Effets positifs consécutifs à la production hydroélectrique

- la réhabilitation du moulin permet la production d'énergie renouvelable à hauteur de 7 kW. Cela va dans le sens de l'objectif fixé à 23% des énergies renouvelables dans la consommation finale en France en 2020 par le Grenelle de l'Environnement.
- la réhabilitation du moulin est une manière de sauvegarder le patrimoine local.

Les effets négatifs sur l'environnement du projet sont principalement liés à la présence du seuil, obstacle non négligeable sur le cours d'eau, qui évoque l'activité meunière d'antan. La réhabilitation du moulin en hydroélectricité et le turbinage créent de nouveaux impacts ou en accentuent d'autres, mais qui sont actuellement en partie contrôlables par la mise en place de mesures réductrices.
De plus, le projet apporte des effets positifs sur l'environnement non négligeables : développement d'énergie renouvelable et préservation du patrimoine.
Aux vues de ces conclusions, le projet est environnementalement acceptable, sous condition de mise en place de certaines mesures réductrices.

Mesures réductrices et compensatoires

Le développement de tout projet peut induire des effets résiduels sur l'environnement et se doit, conformément au décret 93-742, d'être accompagné par la mise en place d'une démarche progressive d'évaluation environnementale qui à chaque étape des procédures implique un ajustement du projet vers le moindre effet. L'un des enjeux de l'étude d'impact est donc, comme nous l'avons vu précédemment, de proposer des solutions de suppression et/ou de réduction de ces effets. De plus, dès lors qu'un effet identifié comme dommageable ne peut être totalement supprimé, la mise en oeuvre de mesures compensatoires est nécessaire ainsi que d'en budgéter les dépenses afférentes. Ainsi, tout projet portant atteinte aux espèces, aux habitats et à la fonctionnalité des milieux, doit par ordre de priorité:

  1. Éviter les dommages
  2. En réduire l'impact
  3. Compenser le dommage des impacts résiduel identifié

La suppression d'un impact implique le plus souvent une modification du projet initial, c'est à dire en phase de chantier (changement de site d'implantation,...). Le moulin Priaud étant déjà existant, les mesures envisageables dans le cadre du projet sont des mesures de réduction ou de compensation des impacts liés à l'aménagement et à l'exploitation :
Les mesures réductrices sont recherchées dès que la suppression devient impossible que ce soit pour des raisons technique et/ou économique. Ces mesures visent à réduire des effets de coupure de continuité écologique, de pollution ou encore d'emprise. Elles suivent le principe de non-perte globale de diversité biologique par une analyse progressive agissant directement sur le projet à proprement parlé.
A l'inverse, les mesures compensatoires n'interviennent qu'en contre partie d'un dommage inévitable et accepté. L'objectif des mesures compensatoires est d'obtenir un bilan écologiquement neutre voire d'améliorer la valeur écologique globale d'un site et de ces environs afin de garantir une acceptabilité et une sécurité juridique du projet [17].

  1. Mesures réductrices

Les mesures réductrices associées au projet de réhabilitation du moulin Priaud en picocentrale électrique, se divisent en trois catégories :

  • Celles qui sont obligatoires aux yeux de la loi :
    - mise en place d'un débit réservé fixé à 76 L/s (1/10ème du module de la Vouzance)
     
  • Celles qui sont exigées par la DDT de l'Allier :
    - mise en place d'une grille, à l'entrée de la chambre de la turbine, adapté à la population piscicole de la Vouzance.
    - mise en place d'un système de dévalaison pour les poissons : mise en place d'une goulotte de dévalaison OU mise en place d'une vis ichtyo-compatible en remplacement de la turbine Francis.
     
  • Celles qui sont bénéfiques à l'environnement mais ne sont ni obligatoires ni exigées par la DDT :
    - mise en place d'une passe à poissons pour la montaison
    - planning d'ouverture des vannes pour favoriser le transport sédimentaire
    - maintien d'un débit réservé modulé dans le temps pour permettre un pouvoir de dilution suffisant à d'éventuelles pollutions [15].
    - opérations de chasse et de vidange pour limiter l'envasement.
     
  1. Mesures compensatoires

Aucune mesure compensatoire n'est obligatoire ou exigée par la DDT de l'Allier.

Les mesures compensatoires visent à limiter les pertes globales de fonctionnalités et de biodiversité de l'entité géographique par des mesures adaptées à l'échelle de temps et d'espace considérée en privilégiant certain habitats et certaines espèces. La priorité des mesures compensatoire est accordée aux mesures In-situ, c'est à dire à proximité immédiate ou dans la continuité écologique du site impacté par le projet. La priorité sera ainsi donné à des espaces qui aujourd'hui sont identifiés pour leurs intérêt écologique [17]. Le site se trouvant à proximité d'une zone Natura 2000, une redevance piscicole pourra être délivré, en fonction de l'impact résiduel, afin de compenser le linéaire influencé par l'aménagement hydroélectrique. Le montant de cette redevance est prévu par les règlements de l'eau et est versé soit au trésor public, soit au sociétés de pêche gestionnaire. Le produit financier de cette redevance est destiné à des opérations de restauration des milieux aquatiques, à financer des programmes existants sur les cours d'eau et enfin à des opérations d'alevinage [18].
 

Dans le cadre de la réhabilitation du moulin Priaud, seuls seront proposés la mise en oeuvre et le dimensionnement des mesures obligatoires et exigées par la DDT.

 

Dimensionnement des mesures réductrices

1. Débit réservé

Le débit réservé constitue une obligation législative et doit être fixé, dans le cadre du projet, à un dixième du module de la Vouzance, soit 76 L/s. Il sera mis en place, pour contrôler et assurer le débit réservé à n'importe quelle période de l'année et quelle que soit l'activité du moulin, une sonde de pression hydrostatique au niveau du seuil. Ce dernier mesure en permanence la lame d'eau au dessus du seuil et la fixe à un minima de 1,5 cm (lame d'eau correspondant au débit réservé) par rétrocontrôle au niveau de la turbine. 

2. Dévalaison

2.1. Mise en place d'une vis ichtyo-compatible, ou hydrodynamique

La vis hydrodynamique constitue une solution parfaitement adaptée au projet de réhabilitation du moulin. Actuellement, il s'agit de l'installation technique optimale pour faire dévaler les poissons : tous peuvent dévaler quelque soit leur taille et leur vitesse de nage. En plus de l'ichtyocompatibilité, la vis permet de meilleurs rendements sur de basses chutes et sur une plus large plage de débit qu'une turbine Francis. Cependant, son installation, coûteuse, nécessite aussi dans le cas du projet de modifier le bâti du moulin. L'étude de rentabilité de la vis permettra de savoir si l'amélioration du rendement peut justifier de tels travaux.

2.2. Mise en place d'une goulotte de dévalaison et d'une grille adaptée

La goulotte de dévalaison a pour but de permettre la passage des poissons de l'amont vers l'aval de l'ouvrage. Toute goulotte est accompagnée d'une grille qui permettra de guider les poissons en son sein et d'éviter aux poissons une mort certaine au passage de la turbine : le taux de mortalité des poissons est estimé à plus de 90% pour une turbine Francis.
Le débit dans la goulotte est déduit du débit turbinable sauf s'il est reversé dans le tronçon court-circuité et donc comptabilisé dans le débit réservé.

  • Deux scénarii sont envisagés au regard de l'analyse du site et du positionnement possible de l'ensemble goulotte + grille. Ils sont schématisés en figure 1.
    - le scénario 1 la longueur de goulotte est la plus faible possible.
    - le scénario 2le débit de la goulotte est reversé dans le tronçon court-circuité, situé de telle sorte que la goulotte soit la moins longue possible.


Figure 1. Carte d'implantation des scénarii envisageables de goulotte de dévalaison

Dans le scénario 1, la grille est positionnée juste en amont de la chambre d'eau du moulin et la goulotte traverse la chambre. Dans ce cas, la goulotte mesure 11 m.
Dans le scénario 2, la grille est positionnée juste en amont du petit pont du canal d'amenée. La goulotte, d'une longueur de 52 m, restitue l'eau dans le tronçon court-circuité.

Le dimensionnement de la grille et de la goulotte pour chacun de ces scénarios permettra de chiffrer leur coût et de choisir le scénario à mettre en place.

  • Dimensionnement de l'ensemble goulotte/grille du scénario 1

- dimensionnement de la grille :

Entrefer de la grille

L'espacement des barreaux de la grille permet de constituer une barrière physique aux poissons. L'entrefer le plus petit possible en deça duquel un phénomène d'aspiration, néfaste au fonctionnement de la turbine, se crée est de 20 mm. L'entrefer choisi est donc 2 cm avec une épaisseur de barreau de 1 cm [19].
Les poissons en présence, à l'exception du chevaine qui mesure environ 35 cm, ont en moyenne une taille comprise entre 5 et 10 cm [10]. Les juvéniles mesurant souvent moins de 5 cm, l'entrefer mis en place ne constituera pas une barrière physique pour les plus petits poissons

Orientation du plan de grille

Le guidage des poissons dans la goulotte dépend de l'orientation du plan de grille. Celui-ci doit être disposé de biais par rapport à la direction de l'écoulement.
Deux configurations sont possibles :
- un plan de grille quasi-vertical et orienté en plan d’un angle α par rapport à la direction
de l’écoulement, souvent considérée parallèle à la berge,
- un plan de grille très incliné en coupe d’un angle β par rapport à l’horizontale et disposé
perpendiculairement à l’écoulement.

L’orientation ou l'inclinaison du plan de grille crée un écoulement tangentiel au plan de grille permettant le guidage des poissons vers l'aval [19]. La vitesse d’approche $V_{A}$ peut se décomposer en une composante normale $V_{N}$ perpendiculaire au plan de grille et en une composante tangentielle $V_{T}$ parallèle au plan de grille : 


Figure 2: Décomposition vectorielle de la vitesse d'approche au plan de grille [1]

On a alors : $V_{N} =V_{A}\, \text{sin} α$ et $V_{T} =V_{A}\, \text{cos} α$ (de même avec $\beta$).
Le poisson suivra la trajectoire de l'écoulement tangentiel uniquement si $V_{T}>V_{N}$ donc $\alpha\le45^\circ$.
En considérant que les vitesses au niveau de la grille sont homogènes, que le débit au niveau du canal d'amené est de 0,68 m3/s et que l'écoulement au niveau de la grille s'effectue entre une section d'entrée de $2,67m\times1,5m$ et une vanne de $1,6m\times1,3m$, la vitesse moyenne d'approche au plan de grille $V_{A}$ est égale à 0,25 m/s. Cette vitesse correspond à la vitesse de l'écoulement en présence lorsque le bief est rempli hors période de crue. Compte-tenu des faibles vitesses d'écoulement, la première configuration en plan quasi-vertical est privilégiée. En effet, pour un plan incliné par rapport à l'horizontal, l'effort de nage fourni par les poissons serait trop important.

A l’approche de la grille, la vitesse normale au plan de grille doit être la plus faible possible. En effet, la vitesse normale doit être telle qu'elle permette aux poissons de nager le temps nécessaire à la découverte de l'exutoire d'entrée de la goulotte sans induire de mortalité par plaquage contre la grille, si elle constitue une barrière physique, ou provoquer le passage prématuré des poissons au travers la grille si elle constitue une barrière comportementale. En outre, le poisson se fatigue d'autant plus vite, risquant ainsi d'être happé par la grille, que la vitesse normale excède sa vitesse de croisière. De sorte que le dispositif ne soit pas sélectif vis à vis de leurs différentes performances de nage, la vitesse normale doit ainsi être inférieure ou égale à la vitesse de croisière des poissons [19].

La relation suivante établie par Viedeler : $U_{CR}=0,15+2,4L$ estime la limite supérieure de la vitesse de croisière d'un poisson $U_{CR}$ en fonction de sa longueur $L$. Cette relation est basée sur la compilation de résultats expérimentaux obtenus sur des salmonidés, cyprinidés et clupéidés de taille variant entre 5 cm et 55 cm [20]. Il s'agirait de la vitesse soutenable par le poisson durant 200 min. Les poissons en présence mesurent en moyenne entre 5 et 10 cm à l'exception du chevaine qui mesure environ 35 cm. Les juvéniles mesurent souvent moins de 5 cm [6]. En prenant la longueur minimale adaptée à la formule de 5 cm, on a $U_{CR}=0,018m/s$. D'où la contrainte : $V_{N}\le0,018m/s$. De plus, $V_{A}=0,248m/s$ et $V_{N}=V_{A}\,\text{sin}\alpha$ soit $\alpha=\text{arcsin}(V_{N}/V_{A})$. Avec les valeurs numériques $V_{N}=0,018m/s$ et $V_{A}=0,248m/s$, il vient $\alpha=4,16^\circ$. Ainsi, pour guider des poissons de 5 cm de longueur, la grille doit au plus être orientée d'un angle de 4,2°. Pour des poissons de 10 cm, l'angle ne doit cette fois-ci pas excéder 8,3°. La grille devant recouvrir la vanne d'une largeur 1,60 m, de tels angles impliquent des longueur de grille réciproquement de 22 m et 11 m. Cette réalisation est techniquement impossible sur le terrain.

De plus, la vitesse soutenable par le Chevaine est d'environ 0,50 m/s, la vitesse normale $V_{N}$ au plan de grille doit donc être inférieur à 0,5 m/s. Par ailleurs, pour avoir $\alpha\le45^\circ$ , il faut $V_{N}\le0,248m/s$. L'angle optimal choisi est donc de 45°, car il permet de minimiser la longueur de la grille tout en respectant la contrainte $V_{N}\le0,5m/s$. Cela implique une longueur de grille $L_{PG}$ de 2,8m. Ceci correspond à la solution technique retenue (voir figure 3 ci-dessous).

Figure 3: Vue plan de la grille dans le cas du scénario 1

  • Dimensionnement de la goulotte :

L'écoulement à l'entrée de la goulotte de dévalaison ne doit pas être turbulent et l'accélération doit être modérée. De plus, pour guider les poissons dans la goulotte, la vitesse d'entrée doit être supérieure ou égale à la vitesse tangentielle longeant la grille [19]. Pour cela nous avons fixé la vitesse d'entrée à 1,2 fois la vitesse tangentielle, soit : $V_{e}=1,2\,V_{a}\,\text{cos}(45)=0,21m/s$.

Par ailleurs, la section de la goulotte doit répondre à deux exigences. Elle doit d'une part être adaptée à la population piscicole de la Vouzance et d'autre part minimiser les pertes en débit turbinable. De plus, sachant que le débit maximum turbinable est de 0,68 m3/s, la section mouillée de la goulotte pour une perte de 5% du débit est : $S_{m,E}=0,05\,Q_{max}/V_{e}=0,16m^{2}$.

Pour maintenir un écoulement à surface libre dans la goulotte et respecter les paramétres précédemment développés, les dimensions en entrée de la goulotte pour une section rectangulaire sont:

  • Largeur = 0,4 m
  • Hauteur d'eau = 0,4 m
  • Hauteur = 0,5 m

Le dernier point de dimensionnement à prendre en compte est le maintien dans la goulotte d'une hauteur de d'eau suffisante pour la dévalaison des poissons les plus gros. Dans la Vouzance, la taille maximale des poissons correspond à celle du Chevaine, soit en moyenne une longueur de 35 cm, une hauteur de 7 cm et une épaisseur de 5 cm [10]. En prenant en compte la pente et le coefficient de rugosité, l'équation de Manning-Strickler : $Q=K_SR_h^{2/3}S_{m,S}I^{1/2}$, permet en régime permanent de déterminer les dimensions de la section en sortie. En effet, on a:

  • Débit constant : $Q_{E}=Q_{S}$
  • Pente :  $I=6,4\%$
  • Coefficient de Manning-Strickler (Béton) : $K_{S}=80m^{1/3}.s^{-1}$
  • Rayon hydraulique : $R_h=\tfrac{B\,h}{B+2h}$
  • Section mouillé : $S_{m,S}=B\,h$

En optimisant les paramétres $B$ et $h$ aux conditions physiques et physiologiques les dimensions de la goulotte en sortie sont:

  • Largeur (Sortie) : $B$ = 0,15 m
  • Hauteur d'eau : $h$ = 0,094 m
  • Hauteur (Sortie) : 0,2 m

Les dimension retenues pour la goulotte de dévalaison sont représentées dans le plan ci-dessous:

Figure 4: Vue longitudinale de la goulotte de dévalaison dans le cas du scénario 1

  • Dimensionnement de l'ensemble goulotte/grille du scénario 2

- dimensionnement de la grille :

L'entrefer choisi est également de 2 cm avec une épaisseur de barreau de 1 cm. .
La vitesse de l'écoulement ($V_{A}$) présent au niveau de la grille du scénario 2, lorsque le bief est rempli hors période de crue, est d'environ 0,096 m/s. La configuration en plan quasi-verticale est de nouveau privilégiée.
L'angle est calculé de la même manière qu'au scénario 1. Pour des poissons de 5 ou 10 cm, l'angle maximum nécessaire à leur guidage vers la goulotte est respectivement de 10,8° et de 22°. Cela est techniquement impossible en raison de la configuration du terrain. On opte de nouveau pour un angle de 45°, adéquat au chevaine, qui implique une longueur de grille de 11m.

Figure 5 : Vue plan de la grille dans le cas du scénario 2

- Dimensionnement de la goulotte :

En respectant la méthode et le raisonnement du scénario 1, les dimensions de la goulotte de dévalaison du second scénario sont:

  • Tronçon 1:
    • Largeur = 0,8 m
    • Hauteur = 0,6 m (hauteur d'eau = 0,5 m)
    • Longueur = 2,8 m
  • Coude à 100 ° faisant la jonction entre les tronçons 1 et 2
  • Tronçon 2:
    • Largeur (Entrée) = 0,8 m et Largeur (Sortie) = 0,2 m
    • Hauteur = 0,6 m (hauteur d'eau = 0,13 m)
    • Longueur = 49,2 m
  • Pente = 1,35 %

Figure 6: Vue longitudinale de la goulotte de dévalaison dans le cas du scénario 2

  • Analyse économique des deux scénarios

Les investissements nécessaires sont évalués ci-dessous pour chaque scénario. Il s'agit évidemment uniquement d'estimations basées sur le chiffrage d'installations faites sur mesure de quelques autres projets plus ou moins similaires.

Tableau 1 : Comparaison du coût des scénarii 1 et 2

Le prix de la goulotte du scénario 2 est nécessairement plus élevé en raison de la quantité de béton relative à une goulotte de 52 m de long et des travaux d'ouvrage (tranchée).  Il en est de même pour la grille, d'une surface de 11m2 dans le scénario 2 et uniquement 4,2 m2 dans le scénario 1. La drome flottante de protection a été choisie pour remplacer la fonction d'un dégrilleur, son coût étant moins important.

Le scénario 1 implique une perte de recettes liée à la production électrique calculée à 100€/an.  Il faudrait 102 ans pour que le scénario 2 soit plus rentable que le scénario 1... Le scénario 1 est la solution retenue.

 

Limites de l'étude

L'étude d'impact réalisée présente un certain nombre de limites :

L'étude de terrain est obligatoire à toute étude d'impact. Celle-ci permet de réaliser des mesures in situ, un inventaire de la faune et de la flore précis, une analyse de la qualité physico-chimique du cours d'eau, la reconnaissance de zones de frayère. Une étude hydrobiologique réalisée sur 2 à 4 campagnes (1 par saison) permettant d'établir l'Indice Biologique Normal Globalisé (IBGN) est requise.
La DDT de l'Allier nous a informé du nombre croissant de dossiers d'autorisation refusés en raison d'études d'impact jugées insuffisantes. Son conseil a été suivi : extrapoler les données lorsque celles-ci manquent. Une étude de terrain poussée et réaliste ne pouvait être rendue possible dans le cadre de ce projet.

Les impacts actuels des aménagements présents ont été qualifiés mais ils n'ont pû être quantifiés. Plusieurs raisons l'expliquent :
- temps d'observation sur le terrain restreint, absence de moyens techniques pour réaliser des mesures.
- présence ancienne des aménagements (130 ans) : la difficulté de récolter des données antérieures à la création du Moulin a rendu impossible toute comparaison de l'état du milieu.

Le dimensionnement de la goulotte s'est construit, en raison des contraintes temporelles du projet, autour de calculs simplifiés et non d'une modélisation de l'écoulement au plan de grille et dans la goulotte.

Le chiffrage de la goulotte dépend de tarifs très variables en raison de son caractère sur mesure (maître d'ouvrage, matériaux, technique utilisée,...).

La bibliographie est difficilement transposable du fait des caractéristiques singulières du projet :
- le débit de la Vouzance est très faible, la capacité de production hydroélectrique du moulin est très faible et donc peu comparable aux projets de réhabilitation généralement réalisés. 
- la population piscicole ne concerne aucune espèce migratrice alors que la Recherche et le Développement se consacre uniquement à ces dernières (truite, saumon, anguille).
- la population piscicole se constitue de poissons de faible taille. Les besoins R&D sont importants dans ce domaine quelque soit l'espèce : il n'y a actuellement aucune solution technique optimale qui permette leur dévalaison.

La formulation d'hypothèses simplificatrices et d'ajustements ont donc été nécessaires.

Rentabilité du projet

Investissements

Les investissements retenus dans l'étude technique des installations et dans l'étude environnementale sont synthétisés dans le tableau ci-dessous :

Recettes

Vente de la production d'électricité - contractualisation EDF

Basé sur les arrêtés du 1er mars 2007 et du 14 mars 2011, relatifs aux conditions d'achat de l'électricité produite par les installations utilisant l'énergie hydraulique, le logigramme ci-dessous permet de définir les tarifs de rachat de l'électricité produite par le moulin.


Figure 1. Logigramme - Rachat électricité. Source [1]

Le moulin, n'ayant jamais été utilisé pour produire de l'électricité, les conditions d'achat de l'électricité qui sera produite sont fixée par l'arrêté du 1er mars 2007. Utilisant également l'énergie du cours d'eau de la Vouzance, les tarifs de rachat sont les suivants (tableau des tarifs H07-V01) :

Energie fournie

Méthode de calcul pour déterminer le temps pendant lequel la turbine est en fonctionnement :

  • Débits supérieurs au débit max turbinable = débit max
  • Débits inférieurs au débit min turbinable = arrêt de la turbine
  • Périodes de crue (dépassement du débit de plein bord) = arrêt de la turbine

Au cours des 15 dernières années, on observe en moyenne 4 jours/an où le débit de plein bord est dépassé. Ces 4 jours sont répartis sur les mois de décembre à mars.

Efournie = Pfournie * tps de fonctionnement

Production annuelle prévisionnelle

C'est le scénario de réhabilitation de base (à moindre coût) qui est étudié ici; c'est à dire en conservant la turbine existante et en intégrant les exigences liées à la continuité écologique les moins coûteuses (goulotte de dévalaison prélevant 5% du débit turbinable).


Figure 2. Production annuelle prévisionnelle

Forte production d'électricité : de novembre à mai (7 mois)

Faible production d'électricité : de juin à octobre (5 mois)

Chiffre d'affaire annuel prévisionnel

Au vue de l'utilisation de la centrale (au fil de l'eau), il est préférable de baser le rachat de l'électricité sur un tarif à 2 composantes (tarifs hiver et été).

Étant donnée la puissance de l'installation (7.1 kW), la prime de rachat correspondante vient s'ajouter au tarif de rachat de base.

Le chiffre d'affaire attendu s'élève alors à environ 3 700 €/an.

Scénario complémentaire

On estime la production de la centrale dans le cas ou l'on remplace la turbine par une vis hydrodynamique. Celle-ci étant la turbine la plus adaptée aux conditions actuelles.

  • Vis hydrodynamique

La vis hydrodynamique permet de turbiner la totalité du débit turbinable de la Vouzance (dimensionnement de sa capacité selon le débit disponible), hormis pendant les périodes de crue ou d'étiage. Le rendement global de l'installation, sur la plage de turbinage de la turbine (de 20 à 100%  du débit max), sera considéré comme constant quel que soit le débit turbiné, et égal à 80%.

Dans la mise en place de cette solution, la vis faisant office d'ouvrage de dévalaison, il n'y a aucune perte de débit.

La chiffre d'affaire prévisionnel avec la vis hydrodynamique s'élève à 7 100 €/an donc deux fois plus important qu'avec la turbine Francis actuelle.

 

Rentabilité

L'étude de rentabilité a été réalisée dans le cas où l'on conserve la turbine existante.

La solution prenant en compte le remplacement de la turbine par une vis hydrodynamique a été écartée malgré ses avantages environnementaux et ses performances de production. En effet, la mise en place de cette solution nécessite des investissements importants (entre 100 et 200 k€) et une modification du bâti et des installations existantes qui n'ont pas été envisagés dans ce projet.
 

1. Méthode utilisée

Pour réaliser cette étude de rentabilité, nous avons choisi d'utiliser la méthode de "Valeur Actualisée Nette" (VAN). Cette méthode permet de prendre en compte le fait que la valeur d'un euro aujourd'hui est supérieure à celle d'un euro demain.

Ce raisonnement est tiré du fait de l'anticipation du taux d'inflation, de la prise de risque faite lors d'un tel investissement, et du taux d'intérêt exigé lors du placement d'un tel montant (à la banque par exemple) :

  • Taux d'inflation anticipé : 1%
  • Taux d'intérêt exigé : 2%
  • Prime de risque

Le taux d'actualisation a ainsi été fixé à 6%.

La VAN correspond ainsi à la somme des Flux Nets de Trésorerie (FNT) actualisés, sur toute la durée du projet :

  • durée du projet n = 35 ans
  • taux d'actualisation i = 6%
  • FNT pour l'année k = différence des recettes et dépenses de l'année k

Pour que le projet soit rentable, la VAN doit être supérieure à zéro.

2. Rentabilité prévisionnelle

L'investissement nécessaire à la réhabilitation du moulin (35 100€) est fait en année 0, et amorti sur 10 ans.

Le contrat d'achat signé avec EDF est valable 20 ans. Lors de son renouvellement, afin d'obtenir à nouveau les tarifs d'achat EDF, il est nécessaire de réinvestir dans la centrale :

  • Pour les puissances inférieures à 100 kW : investissement nécessaire = 550 €/kW = 3 850 €

Cet investissement est réalisé en année 20, et amorti sur 10 ans.

Un coût d'exploitation a été estimé à 200 €/an. Il comprend les frais de déplacement et le petit entretien technique.

N'ayant aucune contrainte de durée du projet, les flux nets de trésorerie (FNT) ont été calculés sur 35 ans afin d'avoir une vision globale de celui-ci. Voici un aperçu du tableau de résultats sur les 5 premières années :

Ci-dessous le graphique représentant la valeur de la VAN (somme des flux nets après actualisation) sur chacune des années :


Figure 1. Évolution du résultat net après actualisation

 

Le projet est donc rentable à partir de la 19ème année (année où la VAN devient positive).

 

Calcul de la Valeur Actuelle Nette (VAN)

La VAN à 35 ans est égale à 12 000 €.

C'est donc le gain supplémentaire que l'investissement dans le projet aura apporté comparé à un placement financier.

Il peut être alors intéressant de regarder quel est le taux d'actualisation qui aurait permis d'annuler cette VAN : Taux de Rendement Interne (TRI ou TIR).

Calcul du Taux de Rendement Interne (TRI ou TIR)

Dans le cas de ce projet de réhabilitation, le TRI = 9%.

Il est donc largement supérieur aux taux bancaires (~2%) et permet donc de tenir compte de la prime de risque et du taux d'inflation prévisionnel.

Ce projet peut donc être intéressant pour un investissement à long terme.