Micro Hydroélectrique à Basse Pression
Énergie Micro Hydroélectrique à petite échelle peut être une technologie énergétique rentable comparée aux panneaux solaires photovoltaïques si une rivière ou un ruisseau est à proximité. Les systèmes micro hydroélectriques à basse pression peuvent être extrêmement robustes, générant de l’électricité pendant de nombreuses années avec peu ou pas de maintenance, et sont également l’une des sources d’énergies les plus propres disponibles.
On sait grâce aux tutoriels sur ce site que la puissance hydroélectrique, ou hydroélectricité, est produite par la force de l’eau en chute. Le cycle hydrologique quotidien de l’eau fait que l’évaporation de l’eau des lacs et des océans se forme en nuages, puis revient sur terre sous forme de pluie ou de neige avant de s’écouler à nouveau vers les lacs et les océans.
Le potentiel énergétique de ce cycle continu d’eau, entraîné par le soleil, peut être exploité et utilisé plus efficacement avec des systèmes micro hydroélectriques, car peu ou pas d’eau doit être stockée, minimisant ainsi les effets néfastes sur l’environnement local, contrairement à l’hydroélectricité à grande échelle.
Pour la production d’énergie hydroélectrique à grande échelle, il existe de nombreux systèmes en place comme l’hydroélectricité de réservoir, les roues à aubes surélevées et abaissées, ainsi que des centrales hydroélectriques localisées à petite échelle.
Cependant, la production d’hydroélectricité est généralement associée à la construction de lacs artificiels et de barrages construits à partir de millions de tonnes de roches, de béton et de terre pour bloquer les flux de rivières existants.
Une installation typique de micro hydroélectricité à basse pression, en revanche, consiste le plus souvent en des systèmes de ruisseau qui ne nécessitent pas de réservoir d’eau. Au lieu de cela, une petite partie de l’eau s’écoulant d’une rivière en amont est détournée vers l’aval à travers divers tuyaux de prise d’eau, tuyaux, tubes ou canaux pour faire tourner une petite turbine à eau avant d’être renvoyée dans la même rivière, permettant ainsi une intégration facile avec les projets d’irrigation et d’approvisionnement en eau existants.
Si elle est correctement conçue, un système de génération d’énergie micro hydroélectrique devrait être une ressource renouvelable sans pollution, provoquant une perturbation environnementale minimale à la fois à la rivière et à l’écologie locale, puisque les travaux civils ou de construction entrepris pendant la construction ne servent qu’à réglementer le niveau d’eau à l’entrée, éliminant ainsi les mêmes types d’effets néfastes pour l’environnement local que ceux qui seraient associés à un système hydroélectrique à grande échelle.
Micro hydroélectricité est généralement définie comme la génération de puissance électrique allant de quelques centaines de watts à quelques dizaines de kilowatts (10kW) et est souvent considérée comme une forme d’énergie verte car il n’y a pas d’émissions nocives associées à la production de l’électricité.
L’exemple d’image suivant montre les principaux composants d’un système micro hydroélectrique à basse pression classique. L’eau de la rivière est canalisée vers la turbine située dans la centrale électrique via un tuyau de prise d’eau. La turbine entraîne un générateur électrique qui fournit directement de l’électricité, sous forme de courant continu pour la charge des batteries ou via une ligne de transmission pour alimenter des maisons en courant alternatif pour l’éclairage et les usages électriques.
Système Micro Hydroélectrique à Basse Pression
Bien sûr, il existe de nombreuses manières, installations et systèmes alternatifs pour créer un système micro hydroélectrique à basse pression, mais pour déterminer la puissance potentielle présente dans l’eau s’écoulant d’une rivière, d’un ruisseau ou même d’un fossé que vous pouvez utiliser, vous devez d’abord comprendre à la fois le débit (vitesse de l’eau) et la hauteur de chute (distance verticale) de l’eau.
Transformer l’Eau en Watts
Afin de déterminer la puissance continue minimale que vous pouvez attendre de votre système micro hydroélectrique, vous devez d’abord comprendre les débits hebdomadaires, mensuels ou annuels prévus pour votre rivière ou ruisseau. Votre site proposé peut avoir des saisons sèches ou à bas niveau ainsi que des saisons humides ou à haut niveau. Ainsi, il est important de connaître à la fois le débit minimum du ruisseau et quelle portion de ce débit vous aurez besoin pour la production d’énergie, 10 % ou 50 %, etc., car vous pourriez avoir besoin de permis de l’agence de l’eau locale si la portion de prélèvement d’eau est trop élevée.
Débit d’Eau
Le débit d’eau disponible pour alimenter votre générateur hydroélectrique peut être estimé à l’aide de données hydrologiques historiques du site ou le débit réel de l’eau peut être mesuré physiquement. Si votre organisme local de l’eau n’a pas de dossiers historiques, il peut être nécessaire de mesurer le débit d’eau sur une période de temps pendant la phase de planification, et il existe plusieurs façons de mesurer le débit d’eau.
Le débit, c’est-à-dire vitesse de l’eau, est la quantité d’eau qui s’écoule par un point fixe sur une période donnée. Les unités typiques de débit sont données en : litres par seconde, Litres/sec, mètres cubes par seconde, m3/s, pieds cubes par seconde, ft3/s (ou cfs) ou gallons par minute, (gpm) et il existe plusieurs types de débitmètres commerciaux calibrés à ces unités.
Comment Déterminer le Débit d’Eau
La méthode la plus courante pour déterminer le débit est de mesurer la surface de la section transversale d’une partie donnée de la rivière, du ruisseau ou du fossé.
Mesurez la largeur à un point donné d’une rive à l’autre, puis la profondeur à intervalles égaux le long de la largeur. Mesurez la profondeur de l’eau à chaque intervalle pour calculer la profondeur moyenne de l’eau.
Multiplier la largeur par la profondeur moyenne mesurée vous donnera la surface de la section transversale dans les unités que vous avez utilisées, pieds ou mètres. Si cela est fait avec soin, cela donnera des résultats précis pour la plupart des calculs.
Ensuite, la détermination de la vitesse de l’eau peut être effectuée en utilisant simplement quelque chose qui flotte. Marquez deux points le long du même tronçon de rivière ou de ruisseau sur une distance donnée, 10m, 50 pieds, 20 yards, etc. Placez quelque chose qui flottera et se déplacera facilement dans l’eau au premier point ou repère et mesurez le temps qu’il faut, en secondes, pour atteindre le second repère. Répétez ce processus plusieurs fois et faites la moyenne des résultats.
Gardez à l’esprit que cette méthode de flottaison ne représente pas précisément la véritable vélocité de toute l’eau s’écoulant entre les deux points, car l’eau qui passe sur les côtés ou le fond de la rivière ou du ruisseau s’écoule à une vitesse différente de celle de l’eau au centre ou en haut, où se trouve le flotteur, en raison de la friction et de la rugosité des bords et du fond. Cependant, si cela est fait avec précaution, cela vous donnera des résultats suffisamment précis pour la plupart des calculs.
Hauteur de Chute Verticale
La hauteur de chute est un facteur important, car plus la hauteur verticale de chute de l’eau est grande, plus l’énergie potentielle disponible dans l’eau à extraire sous forme d’énergie utile est importante. La hauteur est la différence de hauteur verticale entre l’endroit où l’eau entre dans le logement de la turbine génératrice jusqu’au point où l’eau entre dans le tuyau d’entrée ou tuyau de prise d’eau.
La hauteur de chute verticale du site peut être mesurée électroniquement à l’aide du GPS ou estimée à partir de cartes géologiques ou des données disponibles sur Internet via Google Earth ou Google Maps. Bien sûr, la distance verticale entre les courbes de niveau sur une carte dépend des cartes disponibles dans la zone du site. Néanmoins, l’utilisation de données pour déterminer la différence d’altitude entre le point d’entrée en amont et le point de sortie en aval vous donnera la hauteur de chute.
Pour les systèmes micro hydro à faible pression qui utilisent des canaux ou des fossés, la hauteur de chute serait très faible. De même, pour une hauteur de chute beaucoup plus élevée, le débit d’eau et la pression seraient élevés. Encore une fois, les unités utilisées, pieds ou mètres, vous appartiennent, mais doivent correspondre à celles utilisées pour les mesures de débit.
Rappelez-vous que les grandes hauteurs de chute peuvent nécessiter des conduites plus longues de la rivière à la turbine, augmentant les coûts et les pertes par friction à mesure que l’eau s’écoule à travers les tuyaux. De plus, les pertes par friction augmentent pour des débits élevés dans des tuyaux de petit diamètre. Les courbes, joints et coudes augmenteront également les pertes par friction.
Quelle Puissance dans l’Eau
La quantité de puissance électrique qui peut être obtenue d’une rivière ou d’un ruisseau dépend de la quantité d’énergie contenue dans l’eau s’écoulant en passant à travers les pales de la turbine. À mesure que l’eau se déplace, un système hydroélectrique peut être utilisé pour convertir l’énergie cinétique de l’eau en mouvement en puissance électrique.
Après avoir déterminé par calcul ci-dessus le débit d’eau passant par un point particulier en une durée donnée et la hauteur de chute verticale à laquelle l’eau doit tomber, la puissance théorique (P) dans l’eau peut être calculée comme suit :
Où Q est le débit volumique passant à travers la turbine en m3/s, H est la hauteur de chute effective en mètres, g est l’accélération due à la gravité de 9,81 m/s2 et ρ est la densité de l’eau, 1 000 kg/m3 ou 1,0 kg/litre.
Ensuite, la puissance théorique maximale disponible dans l’eau est essentiellement proportionnelle au produit de “Hauteur x Débit”, puisque l’attraction de la gravité sur l’eau et la densité de l’eau sont toujours constants. Par conséquent, P = 1.0 x 9.81 x Q x H (kW).
Mais une turbine à eau n’est pas parfaite, donc une partie de la puissance d’entrée est perdue lors de la rotation des pales de la turbine en raison de friction et de fuites d’eau, mais grâce à un design soigné, ces pertes peuvent être considérablement réduites à un petit pourcentage. La plupart des turbines modernes ont un rendement d’efficacité compris entre 80 et 95 %, selon le type, réaction ou impulsion, donc la puissance effective d’un système micro hydroélectrique peut être donnée comme suit :
Puissance Disponible d’un Système Micro Hydroélectrique
Où : η (éta) est l’efficacité de la turbine utilisée.
Donc, par exemple, un système micro hydroélectrique à basse pression fonctionnant avec une efficacité de 85 % avec une hauteur de chute de 10 mètres et un débit d’eau de 500 litres par minute passant un point fixe fournirait une puissance d’environ :
Étant donné que 1 000 litres équivalent à 1 m3, donc 500 litres équivalent à 0.5 m3. Une minute équivaut à 60 secondes, donc un débit de 0.5 m3 par minute est égal à 0.00833 m3 par seconde.
Maintenant, une puissance potentielle de 0.695 kW par seconde peut ne pas sembler beaucoup, mais cela équivaut à plus de 60 kW (0.695 * 60 * 60 * 24) d’électricité hydro gratuite par jour. Comme la puissance est proportionnelle au produit de “Hauteur x Débit”, l’augmentation de l’un de ces deux facteurs et/ou de l’efficacité du système hydroélectrique entraînerait une augmentation de la puissance générée, à condition que l’approvisionnement en eau disponible soit raisonnablement constant tout au long de l’année.
De plus, l’échange mécanique de la puissance de la turbine tournante vers un générateur électrique, ou alternateur, tel que des entraînements par courroie, des boîtes de vitesses, des chaînes, etc., entraînera également des pertes supplémentaires et une réduction de l’efficacité globale à peut-être aussi peu que 50 ou 60 %.
Emplacements Adaptés pour l’Énergie Micro Hydroélectrique
De toute évidence, les meilleurs emplacements géographiques pour exploiter l’énergie micro hydroélectrique à basse pression sont là où il y a une rivière, un ruisseau ou un fossé à écoulement constant en raison de fortes pluies tout au long de l’année. Mais quelle que soit votre situation locale, des turbines micro-hydroélectriques à basse pression et à faible hauteur de chute sont disponibles pour une gamme entière de conditions de site.
La pertinence d’un emplacement particulier doit d’abord être connue par la réalisation d’une étude de site. Une évaluation précise du débit d’eau et de la hauteur de chute ainsi que des composants clés de l’infrastructure comme la longueur des tuyaux, le diamètre des tuyaux et le câble électrique à tirer doit être considérée pour déterminer la faisabilité du projet.
D’autres éléments à considérer incluent des questions telles que, avez-vous le droit d’utiliser l’eau disponible ? Pouvez-vous accéder aux propriétés adjacentes pour installer la canalisation ? Avez-vous besoin de permis de construction pour un petit abri de turbine, un barrage ou des pipelines, et bien sûr, la demande d’énergie électrique en watts (W) quant à la nécessité d’une alimentation en courant alternatif (CA) ou en courant continu (CC) pour le stockage des batteries.
Turbines Micro Hydroélectriques
Nous avons vu ici que l’énergie potentielle de l’eau disponible dans un système micro hydroélectrique est une combinaison de débit d’eau et de hauteur de chute. La quantité de puissance disponible est donc une combinaison de haute chute/faible débit, ou faible chute/haut débit, ou n’importe où entre les deux.
Les turbines à eau convertissent l’énergie cinétique de l’eau en mouvement en puissance de rotation de l’arbre, donc le choix d’une turbine particulière pour un site donné est important. Ainsi, le type de turbine le mieux adapté à un site micro hydro particulier dépend beaucoup des caractéristiques du site et, bien sûr, de la vitesse de rotation du générateur électrique ou de l’alternateur.
Pour les systèmes micro hydroélectriques à basse pression et à faible hauteur de chute, les Turbines à Réaction telles que les Francis, Kaplan ou les Turbines à Flux Croisé sont les mieux adaptées. C’est en partie parce que les pales de la turbine d’une turbine à réaction sont complètement immergées dans l’écoulement de l’eau, donc l’extraction d’énergie de l’eau réduit la pression de l’eau tombante à mesure qu’elle quitte le logement de la turbine pour retourner à la rivière sous forme d’écoulement lent et contrôlé.
Les Turbines à Impulsion, telles que la Roue Pelton, Crossflow ou Turbines Turgo, utilisent quant à elles la vélocité de l’eau en mouvement pour faire tourner les pales plutôt que d’utiliser le volume ou la pression d’eau. De plus, comme l’eau se déplace rapidement, elle quitte le logement de la turbine et retourne à la rivière sous forme d’un flux d’eau rapide à haut volume, ce qui peut créer des problèmes d’érosion et d’écoulement dans la rivière.
Le choix du design de la turbine dépendra finalement de la hauteur de pression disponible et du débit d’eau pour l’installation proposée de micro hydroélectricité, qu’il s’agisse d’une turbine à réaction qui utilise la pression plutôt que la vélocité, ou d’une turbine à impulsion qui utilise la vélocité de l’eau plutôt que la pression.
Si vous êtes intéressé ou envisagez d’utiliser l’énergie micro hydroélectrique à basse pression pour une puissance mécanique ou pour la génération d’électricité afin de réduire vos factures d’énergie et de devenir plus ou complètement indépendant de l’entreprise de service public locale, ou pour explorer les avantages et les inconvénients de l’énergie hydroélectrique.
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