Étude mécanique et électrique

La réfection du Pont de la Taule vise à investir dans un projet hydroélectrique à partir d'un aménagement qui était délaissé, et ceci afin d'en tirer profit.

Dans ce projet, le bénéfice provient de la vente d'électricité à EDF. Pour la production, nous devons installer des systèmes, que nous allons étudier, tout en comparant les différents scénarios possibles.

  • Choix de la méthode de production d'électricité (choix du générateur)
  • Choix de la méthode de transmission de couple (choix du multiplicateur de vitesse)
  • Choix de la méthode d'obtention de la puissance mécanique (choix de la turbine)

On étudiera également dans cette section des besoins annexes:

  • la construction d'infrastructure de soutien pour l'installation électromécanique,
  • la construction / l'installation des infrastructures de transport sur le réseau EDF,
  • l'installation d'éléments de contrôle (Armoire électrique).

Les principaux paramètres pris en compte lors de l'établissement de comparaisons sont:

  • le facteur économique,
  • le facteur de l'environnement,
  • les conditions topographiques du lieu,
  • les conditions techniques imposées par EDF.

 

Turbine

Les turbines hydrauliques

La turbine est un élément essentiel de la centrale hydroélectrique qui transforme l'énergie cinétique de l'eau en énergie mécanique.

       Les types de turbines

Les turbines hydrauliques sont classées en deux familles :

  • les turbines à action, telles que les turbines type Pelton, Turgo et Banki-Mitchell, où l'énergie de l'eau, à la sortie de l'injecteur, est sous forme cinétique,
  • les turbines à réaction, comme les turbines à hélices ou de type Kaplan ou Francis, où l'énergie de l'eau, à la sortie du distributeur, est à la fois sous forme de pression et d'énergie cinétique.

Pour choisir la turbine, il faudrait prendre en compte des grandeurs caractéristiques, à savoir le débit turbinable et la hauteur de chute.

       Les grandeurs caractéristiques du projet

L'aménagement du Pont de Taule présente les caractéristiques suivantes fixées dans l'arrêté de 1883 et celui de 2015:

  • débit maximum turbinable $Q_{turbinable}= 1.2~m^3/s$,
  • hauteur de chute $H = 2.86~m$.

En effet, le propriétaire a signé en janvier 2015 un arrêté préfectoral qui fixe le débit max turbinable. Il ne pourra donc pas turbiner au-delà de cette valeur. En outre, ce même arrêté impose une puissance maximale brute de 33kW. Celle-ci résulte du calcul suivant :

$P_{max\_brute} = \rho*g*Q_{turbinable}*H = 1000*9.81*1.2*2.86 \approx 33 kW$

Nous appellerons par la suite cette puissance "puissance disponible".

Le canal étant étroit, de largeur 2m en entrée et 1.4m en sortie, une seule turbine pourra être installée.

Selon ces caractéristiques, deux turbines ont été envisagées :

  • une turbine Banki-Mitchell,
  • une vis hydrodynamique.

On propose donc 2 scénarios différents. On choisira ensuite le meilleur scénario après l'étude économique de chaque turbine.

       Les turbines Banki-Mitchell et vis hydrodynamique, pourquoi ?

La turbine Banki correspond bien à nos besoins, elle fonctionne pour des hauteurs de chute entre 1 et 150 m, s'adapte bien aux variations de débit par réglage de la vanne directrice. Elle peut produire jusqu'à 20 000 kW. Sa conception est simplifiée, ce qui minimise les besoins de maintenance. Elle est la plus économique parmi toutes les turbines. Son rendement maximal est de 85%. Elle est associée à un multiplicateur de vitesse. [2.4]

La turbine vis hydrodynamique correspond aussi aux caractéristiques de notre projet. Sa conception est simplifiée et son installation permet de réduire de 40% les travaux de génie civil. Son rendement peut atteindre 87%. Elle est de plus, ichtyocompatible. Le seul inconvénient est qu'elle est trop chère. [2.2]

 

Description de la turbine Banki-Mitchell

Cette turbine a été inventée par l'ingénieur Australien Mitchell en 1903, développée par le professeur Hongrois Banki et améliorée et commercialisée par l'ingénieur mécanicien Allemend Ossberger en 1920.

C'est une turbine à action, à flux traversant. La relative simplicité de la turbine réside dans l'écoulement bidirectionnel de l'eau. L'eau traverse deux fois les pales de la turbine, ce qui d'ailleurs lui donne plusieurs avantages: installation simple, efficacité améliorée, nettoyage de la turbine et maintenance non nécessaire.

- Schéma de la turbine Banki-Mitchell -
[Source : Alejandro Barzi]

 

 

- Plan de la turbine Banki-Mitchell -
[Source :
[2.5] ]

 

Deux lames d’eau, de section rectangulaire, sont dirigées vers la périphérie de la roue de telle sorte que les aubages en arc de cercle soient attaqués tangentiellement par la vitesse relative W1. A la sortie du premier passage dans la roue, l’eau, qui conserve une certaine énergie cinétique, traverse en évitant l’arbre l’espace intérieur et attaque les aubages de telle sorte que la vitesse relative W3 soit tangente aux aubages du second passage, de forme bien évidemment identiques à celles du premier passage. A nouveau, une partie de l’énergie cinétique est récupérée et l’eau quitte la roue. Dans ces conditions d’attaque des aubages du premier et du second passage, l’écoulement est bien guidé et l’on peut considérer que l’eau quitte les aubages avec des vitesses relatives tangentes aux aubes. [2.5]

Le débit minimum nécessaire au fonctionnement de cette turbine correspond à 15% du débit nominal soit 0.24 m^3/s.

 

- Comparaison des rendements des turbines Banki et Francis -
[Source : Ossberger]

 

Le débit des cours d'eau est souvent très faible pendant plusieurs mois. La turbine Banki a une capacité de production annuelle d'électricité supérieure à la turbine Francis, car sa courbe de rendement est plate, ainsi elle procure un bon rendement même sous charge partielle, ce qui est le contraire dans le cas de la turbine Francis.

 

- Dimensionnement de la turbine Banki JLA-52 -
[Source : JLA Hydro]

 

Description de la vis hydrodynamique

Cette turbine a été inventée par Archimède lors de son séjour en Égypte afin de permettre aux agriculteurs d'irriguer leurs terrains entourant le fleuve du Nil. Celle ci présente un avantage par rapport à la turbine Banki, sa faible vitesse de rotation, ce qui permet le transfert d'objets dans l'eau sans aucun problème.

Les turbines à vis sont similaires aux vis sans fin des pompes de bassin de décantation. La turbine à vis comprend un rotor placé dans le conduit d'écoulement et fixé à un palier à roulements supérieur et un palier inférieur, et relié à un générateur asynchrone par le biais d'un mécanisme de transmission.

Le moteur hydraulique à vis hydrodynamique n'exige aucun équipement de régulation spécial. Il suffit simplement d'installer une vanne d'évacuation d'urgence et une chute latérale au canal d'écoulement où se trouve la vis.

Si l'on choisit la boîte de transmission qui convient, le générateur asynchrone permet d'assurer, lors de son raccordement au réseau, une puissance optimale du moteur hydraulique de 10 à 100 % du débit de la turbine. [2.9]

- Schéma d'un aménagement dans le cas d'une vis hydrodynamique  -
[Source : Elléo]

 

- Énergie électrique aux bornes : puissance du générateur -
[Source :
[2.9] ]

Cette turbine s'adapte parfaitement aux conditions de notre projet où la puissance électrique nette de presque 25 kW correspond à un débit proche de 1 m3/s et une hauteur proche de 3m.

- Comparaison des rendements de différentes turbines en fonction des débits relatifs -
[Source :
[2.5] ]

 

Le rendement de la vis hydrodynamique est supérieur relativement aux autres rendements. Il atteint jusque 87% et comme on le remarque, la turbine vis s'adapte bien aux variations de débit.

- Évolution de la puissance en fonction des débits et de la hauteur de chute -
[Source : [2.5] ]

Cette turbine fonctionne optimalement pour des puissances faibles, car elle dispose d'une vitesse de rotation faible qui nécessite un multiplicateur de vitesse plus puissant que la turbine Banki pour compenser  les pertes.

A l'issue de notre étude préliminaire, il semble que les deux turbines envisagées présentent un grand intérêt pour le projet. L'étude économique déterminera alors lequel des deux scénarios sera à privilégier dans la mesure où l'objectif est de tirer profit de l'aménagement.

 

Grille de protection

Étant donnée la présence d'une turbine, deux cas se présentent :

  • la turbine Banki, pour laquelle nous devrons placer une grille contre les débris ichtyocompatible, puisque la turbine a un taux de mortalité élevé pour la faune aquatique présente.
  • la vis hydrodynamique, pour laquelle nous devrons de placer une grille de protection contre les débris, car ceux-ci peuvent être introduits dans la turbine de l'endommager.

On distingue deux types de grilles :

  • grille configurée en coupe très inclinée par rapport à l'horizontale et disposée perpendiculairement à l'écoulement,
  • grille configurée en plan quasi vertical et orienté en plan par rapport à la direction de l'écoulement (quand l'exutoire est positionné en aval de la grille).

Un plan de grilles orienté en plan par rapport à la direction de l’écoulement est actuellement le dispositif le plus communément installé au niveau des prises d’eau de petite et moyenne importance sur les cours d’eau notamment aux États-Unis.

On recommande une orientation maximum de 45° par rapport à l’écoulement, un espacement maximum entre les barreaux de 2.5 cm (basé sur les juvéniles de salmonidés) et une vitesse normale maximale de 0.6 m/s qui correspond à la vitesse de l'écoulement à 30 cm en amont des grilles. Le débit transitant par l’exutoire est généralement compris entre 2% et 5% du débit turbiné. [2.8]

Le schéma d'installation de la grille dans l'aménagement du Pont de la Taule est présenté sur la figure ci-dessous.

Avec cette disposition, la grille va pouvoir être nettoyée par la force de l'eau, ce qui est un gros avantage. Un entretien sera donc nécessaire seulement quand les déchets seront très importants.

Pour calculer la perte de charge due à la grille nous allons utiliser la formule

                                    

 

Où :

hf-r= Perte de charge (m)

S = Distance entre barres (m)

B = Largeur des barres (m).

Vt = Vitesse de l' écoulement dans la grille(m/s)

Vr = Vitesse à travers de la grille (<1m/s)

 

Avec cette formule, la perte de charge due à la grille est: $ 4.34 .10^{-4} m$.

D'autre part, la largeur de la grille est calculée comme suit :

$$ \frac { 3.6 m​}{sin(45º)} = 4,2 m $$

où 3,6 est la largeur de la prise d'eau orthogonale aux berges et 45° l'angle entre les berges et la grille. Ainsi, la prise d'eau ayant une hauteur de 1.1m, les dimensions de la grille seront : 4,2 m x 1,2 m.

 

En conclusion, on considèrera deux grilles différentes selon la turbine choisie : une grille d'espacement 1,9 cm dans le cas de la turbine Banki-Mitchell et une grille d'espacement 8 cm dans l'autre cas. Quelle que soit la grille, elle aura pour dimensions 4,2 m x 1,2 m.

Multiplicateur de vitesse

Le problème entre la turbine et le générateur réside dans la différence entre les vitesses de rotation. La vitesse de la turbine est déterminée par le débit et la hauteur nette tandis que la vitesse de rotation du générateur est donnée par la machine. [2.7]  

Notre but est donc de contrôler la vitesse de rotation transmise à installer entre le générateur et le multiplicateur de vitesse du générateur.

Selon le type d'engin utilisé dans leur construction, les multiplicateurs sont classés en plusieurs catégories  :
• parallèles : engrenages hélicoïdaux particulièrement attrayants utilisés pour des puissances moyennes,
• coniques : généralement limités à des applications de petites puissances utilisant des engins conique à denture hélicoïdale pour le transfert à 90MW,
• épicycloïdaux : utilisés dans des designs très compacts, particulièrement adaptés aux puissances supérieures à 2 MW,
• courroies (plate ou trapézoïdale): utilisées pour de faibles puissances et faciles à entretenir. 

 

-  Multiplicateurs de vitesse poulies-courroies et par chaîne -

[Source : Professorat, Mouvements et forces

Les multiplicateurs de vitesse existants sur le marché offrent une grande variété d'options. Pour un projet de cette ampleur le choix optimal est le multiplicateur de vitesse par courroie plate qui offre des rendements élevés à faible coût, peu de difficulté technique et une faible maintenance. Les autres options ne sont pas adéquates pour la transmission de puissance dans notre projet. Le multiplicateur à courroie plate est également l'option la plus économique. Cependant, pour la turbine vis hydrodynamique, il sera obligatoire de choisir un multiplicateur de vitesse à engrenages, dont le rendement est de 95%.

Le multiplicateur de vitesse utilisé sera finalement à courroie plate dans le cas de la turbine Banki car répond au mieux aux exigences techniques et économiques de notre projet, et à engrenages dans le cas de la vis hydrodynamique . 

 

Génératrice

Les génératrices convertissent l'énergie mécanique provenant de la turbine en énergie électrique à travers le phénomène d'induction électromagnétique.

Les types de génératrice

Il existe différents types de génératrices. On les classe généralement en 2 catégories :

  • les génératrices synchrones (alternateurs) à courant alternatif monophasé ou triphasé,
  • les génératrices asychrones à courant alternatif monophasé ou triphasé.

Une génératrice comporte 4 éléments, à savoir :

  • une partie fixe, le stator,
  • un élément en rotation, le rotor,
  • l'arbre de transmission relié au rotor,
  • l'entrefer séparant le rotor du stator.

Le stator constitue la partie induite. Il a pour rôle de recevoir l’induction produite par l’effet électromagnétique. Cette induction est générée par le mouvement de rotation du rotor, pour la transformer en courant électrique. Le schéma ci-dessous illustre la transformation d'énergie mécanique en énergie électrique. [2.1]

 

 -  Schéma de transmission typique turbine-multiplicateur-génératrice -
[source : nzdl ]

La production de notre électricité se fera à travers un courant alternatif triphasique, pour une connexion facile au réseau EDF.

La génératrice asychrone

La génératrice asynchrone se présente comme sur la figure ci-dessous.

- Éléments d'une Génératrice a-synchrone-
[Source : autodesarrollo-electricidadpratica] 

 

Le rotor se compose d'un certain nombre de barres en cuivre ou en aluminium, reliées électriquement par des bagues d'aluminium.

La figure ci-dessous illustre la réversibilité de la machine qui peut se présenter sous deux conventions : moteur et génératrice. Si le rotor tourne à une vitesse supérieure à celle du stator, il se déplace alors plus vite que le champ magnétique tournant du stator. Ceci signifie qu'une fois de plus le stator induit un courant dans le rotor. Plus le rotor tourne vite, plus la puissance transférée au stator sous la forme de la force électromagnétique est importante. Cette puissance est par la suite transformée en électricité fournie au réseau.

-  Graphique "couple-vitesse" pour une machine asynchrone triphasé -
[Source: wordpress]

 

Générateur synchrone ou alternateur

La génératrice synchrone se présente comme sur la figure ci-dessous.

- Parties d'une génératrice synchrone -

[source: autodesarrollo]

Le rotor, formé par des aimants permanents ou des bobines par lesquelles traverse une courant continu afin de créer un champ magnétique, est entraîné par la rotation de la turbine. Cela provoque un champ magnétique traversant successivement les trois bobines du stator déphasé de 120° mécanique. Le champ magnétique induist alors un courant triphasé avec une fréquence proportionnelle à la rotation, selon la formule :

$ f= p \times n = p \frac{N}{60}$

  • p est le nombre de paires de pôles,
  • N est le nombre de tours par minute.

 

Choix du générateur

Ayant présenté les 2 options on les compare en termes de :

• durabilité → On a besoin d'une machine robuste nécessitant une faible maintenance. Or, les génératrices asynchrones ont moins de parties meubles et sont donc plus robustes.

• coût → Le marché est plus compétitif pour les génératrices asynchrones, par conséquent, les prix baisseront plus facilement.

• facilité d'installation → Les deux génératrices ont plus ou moins la même difficulté d'installation.

• fréquence déterminée par le réseau​ → Elle est imposée par EDF à 50 Hz.

Au vu des caractéristiques de notre projet, on choisit alors la génératrice asynchrone quelle que soit la turbine choisie.

-   Caractéristiques et dimensions de la génératrice choisi -
[source: gensets]

 

Après avoir étudié les types de génératrices sur le marché et pris en compte les caractéristiques mentionnées, nous avons choisi​ la génératrice asychrone de courant alternatif triphasique pour les avantages qu'elle présente à la connexion au réseau,  la simplicité d'installation sur le site et la disponibilité sur le marché​.

 

Installation d'infrastructures

Infrastructure de soutien pour l'installation électromécanique

La visite du site a révélé l'état de ruine des anciens infrastructures. La décision de construire une nouvelle infrastructure a donc été prise. Les dimensions de ce bâtiments prennent en compte les dimensions de la génératrice, du multiplicateur de vitesse, de l'armoire électrique, ainsi que les conditions du sol. Elles seront fixées à 5.00 m x 4.00 m x 2,50 m (largeur x longueur x hauteur du premier étage). Tous les éléments électriques (génératrice, armoires électriques,etc...) seront installés dans le bâtiment. Il sera construit en béton armé, capable de résister aux contraintes résultant du poids des machines et du couple mécanique du générateur​. Le ciment recommandé  présente des caractéristiques de résistance à l'attaque par les oxydes et les carbonates car il sera dans un environnement très humide.

 

La technologie de contrôle qui va être installée dans ce projet permet la gestion de celui-ci sans la nécessité d'un opérateur présent. Ce qui représente un avantage pour la construction, permettant la réduction de la taille de la salle électrique​.

La hauteur du bâtiment est choisi compte tenu de la hauteur maximale de la nappe d'eau en crue pour prévenir des possibles problèmes électriques, de générateur ou de l'armoire électrique en contact avec l'eau.

 

Construction et installations des infrastructures de transport au réseau EDF

La connexion est faite à basse tension, il n'est donc pas nécessaire d'installer un transformateur. [2.1]

 

- Exemple d'armoire électrique -
[source : mathworks]

L'armoire électrique

Un système avec une équipe de synchronisation de générateur est nécessaire pour le  couplage au réseau :

  • contrôle et affichage des paramètres les plus importants de la distance de fonctionnement de l'usine,
  • contrôle de l'énergie réactive qui est transférée au réseau,
  • contrôle des niveaux et des températures de systèmes mécaniques,
  • vérification du niveau et de l'état de l'eau dans le barrage,
  • emballement de contrôle si l'isolement du réseau. [2.6]

Contrôle du générateur
Afin de contrôler la tension et la fréquence du générateur, les automatismes ont besoin de contrôler deux paramètres de base :
- la tension qui va être fonction du courant excitateur,
- la fréquence qui va être fonction de la vitesse de la génératrice.

La vitesse du générateur contrôle la vitesse à travers la turbine et le multiplicateur de vitesse. Dans le carde de notre projet, le débit étant constant, cette vitesse sera également constante.

La tension est contrôlée par surveillance de la variable "excitation du générateur"

Contrôle de turbine
Le débit doit être contrôlé par une soupape. Celle-ci est actionnée par un vérin hydraulique pour ouvrir ou fermer la vanne en réponse à un signal. L'automatisme de contrôle va donner une signal analogique (4-20 mA) proportionnel à la position de la soupape. L'état du cylindre hydraulique est contrôlé par la surveillance du signal de soupape.

Le contrôle de nettoyage de la grille

Avec l'installation des dispositifs de contrôle de débit amont et aval de la grille de protection, on peut connaître la nécessité de nettoyage de la grille sans nécessité d'accès à l'usine.

Le tableau général va incorporer l'équipement de synchronisation, les cartes automates, E / S, les cartes de communication et les équipements de mesure requis pour les relais de protection de générateur.

 

- Exemple d'armoire électrique -

[source : upc]

 

L'armoire électrique permet le contrôle de tous les éléments de l'usine (niveau d'eau en amont du niveau aval de l'usine, de l'état des pièces mécaniques, manutention nécessité de celle-ci) . Grâce à l'installation de dispositifs de repérage sur les pièces critiques, et en ajoutant le système de communication (interface homme + transmission de données à distance), il est possible de réaliser le contrôle depuis l'extérieur de l'usine, ce qui réduit le besoin d'accéder à l'installation et donc le coût de l'opération.

 

Puissance

Le calcul de la puissance nette dans les deux scénarios proposés, à savoir la turbine Banki-Mitchell d'une part, et la vis hydrodynamique d'autre part, est nécessaire et sera utilisé lors de l'étude économique afin de calculer les bénéfices retirés par le propriétaire.

 

Cas de la turbine Banki

La puissance disponible ou puissance maximale brute est fixée dans l'arrêté préfectoral à  $ P_{dispo} = 33~kW$.

A partir de cela, il est possible de calculer la puissance installée comme suit :

$P_{installée} = P_{dispo} \times \eta_{turbine ~ Banki-Mitchell} = 28.611 kW$.

On notera que l'on néglige les pertes de charge et on considère que $ H_{nette} = H_{brute} $.

Enfin, la puissance nette que le propriétaire pourra revendre à EDF s'exprime comme :

$ P_{nette} = g \times \eta_{turbine} \times \eta_{générateur} \times \eta_{multiplicateur} \times Q \times H_{brute} $ soit

$ P_{nette} = 9.81*0.85*0.938*0.92*1.2*2.86 = 24.7 kW $

 

Cas de la vis hydrodynamique

La puissance installée diffère du fait d'un rendement supérieur à celui de la turbine Banki-Mitchell.

$P_{installée} =P_{dispo} \times \eta_{turbine ~ vis ~hydrodynamique} = 29.284 kW$.

De la même manière, la perte de charge est également négligée.

Enfin, la puissance nette est cette fois :

$ P_{nette} = g * rendement_{turbine} * rendement_{générateur} * rendement_{multiplicateur} * Q * H_{brute} $

$ P_{nette} = 9.81*0.87*0.938*0.95*1.2*2.86 = 26.1 kW $

 

Par conséquent, la puissance nette est légèrement supérieure dans le cas de la vis hydrodynamique bien qu'elles soient tout de même très proches.