Conception de Penstock pour Projets d’Énergie Hydroélectrique
L’énergie hydroélectrique est une forme bien connue et utilisée de ressource d’énergie renouvelable qui exploite à la fois l’énergie potentielle stockée et l’énergie cinétique de l’eau comme source d’énergie. L’énergie cinétique de l’eau des rivières rapides peut facilement être convertie en électricité pour satisfaire les besoins d’un seul foyer ou d’une communauté locale. Cependant, pour faire tourner une roue hydraulique ou une turbine afin de générer de l’électricité, il est nécessaire de diriger l’eau vers ces dispositifs, ce qui peut être réalisé grâce à un simple design de penstock.
Un penstock est le nom inhabituel donné à une série de caniveaux, tunnels ou tuyaux qui transportent l’eau depuis un barrage, un réservoir ou une rivière directement vers une roue hydraulique ou une turbine. Dans les projets hydroélectriques de petite taille “à écoulement de rivière”, une roue hydraulique à courant ou une roue à pales est attachée à un rotor fixe, ou un essieu, et placée dans le courant d’une rivière ou d’un ruisseau.
Au fur et à mesure que l’eau passe, l’énergie cinétique de l’eau pousse les pales, faisant ainsi tourner la roue et produisant de l’énergie mécanique. La simplicité de ce type de système est qu’il ne nécessite pas de barrer l’eau.
Un design plus efficace et puissant est la conception de roue hydraulique à surface où l’eau s’écoule d’en haut pour faire tourner la roue. Pour atteindre cet objectif, une partie de l’eau d’une rivière est détournée et envoyée dans un petit canal ou pipeline artificiel appelé “penstock”. Le design typique du penstock consiste en un tuyau rigide en acier ou en plastique haute résistance.
Tout système d’hydroélectricité nécessite que l’eau d’une rivière soit détournée et extraite de manière fiable et contrôlable, et le rôle du penstock est de livrer l’eau en direction de la roue hydraulique ou d’une turbine appropriée telle qu’une turbine à flux croisé sous pression au sein d’une station de production. La force naturelle de la gravité crée l’énergie nécessaire pour faire tourner les turbines qui, à leur tour, génèrent de l’électricité. Une vanne ou un robinet est parfois utilisé pour contrôler le flux d’eau à travers le penstock. L’eau quitte la station de production et est renvoyée à la rivière sans altérer le flux ou les niveaux d’eau existants.
Comme la production d’hydroélectricité dépend d’une combinaison de hauteur et de débit, les deux doivent être disponibles pour produire de l’électricité. Un seuil de diversion peut être utilisé pour élever le niveau de l’eau suffisamment pour garantir un approvisionnement constant à travers le penstock. Parfois, une caractéristique naturelle de la rivière, comme une piscine permanente, peut également agir comme un seuil.
Les Penstocks sont des Tuyaux et Canaux
Le choix du type et de la taille du penstock dépend de plusieurs facteurs, tels que la distance, le coût et les pertes de charge. Les pertes de charge sont dues à la friction dans le tuyau ou le canal du penstock, qui dépendent principalement de la vitesse de l’eau qui s’y écoule, de la rugosité du matériau de paroi (acier lisse ou béton rugueux) ainsi que de la longueur et du diamètre du tuyau du penstock. Évidemment, les pertes de charge diminuent proportionnellement avec une augmentation du diamètre du tuyau. Cependant, les coûts de pipeline augmentent considérablement avec l’augmentation du diamètre.
Pour la plupart des projets hydroélectriques à petite échelle et micro, les matériaux les plus couramment utilisés pour un design de penstock sont le polyéthylène de moyenne densité (MDPE), le polyéthylène de haute densité (HDPE), le PVC rigide (chlorure de polyvinyle) et la tuyauterie en acier doux en raison de leur adéquation, disponibilité et coût abordable.
La configuration des pipelines du penstock dépend vraiment de leur matériau, de la nature du terrain et de toutes les considérations environnementales à prendre en compte. Par exemple, installé en surface ou enterré sous terre.
Dans de nombreux systèmes hydroélectriques de petite taille, pour économiser des coûts, le penstock suit les contours de la surface du sol, ce qui est d’une longueur beaucoup plus grande que la hauteur de tête verticale.
Le problème avec les tuyaux de penstock montés en surface est qu’une partie de l’énergie cinétique de l’eau est perdue en raison de la friction et de la turbulence à l’intérieur de la canalisation lorsqu’elle s’incurve autour du sol vers une altitude plus basse, car les coudes et les fourches tendent à augmenter les pertes de charge. De plus, un penstock monté en surface nécessite une protection contre les dommages causés par des animaux ou des chutes d’arbres et nécessite généralement un ancrage avec du béton et des boulons à des points critiques.
Une partie de ces inconvénients du penstock peut être surmontée en l’enterrant sous terre. Lors de l’enfouissement des tuyaux du penstock en sous-sol, une attention particulière est requise là où le tuyau est installé dans des endroits très froids pour assurer une protection hivernale contre la glace et le gel. Il est généralement préférable d’enterrer le penstock pour fournir une protection contre l’expansion, car les variations de température ambiante provoqueront une expansion et une contraction du tuyau du penstock, ce qui pourrait entraîner des fractures et des fuites.
La pression de l’eau s’écoulant à travers le penstock peut être très élevée, donc lors de l’utilisation de tuyaux en plastique rigide, la classification de pression du tuyau du penstock est très importante car l’épaisseur de la paroi doit être suffisamment épaisse pour résister à la pression hydrostatique maximale, sinon il y aura un risque d’éclatement du tuyau. La pression de l’eau dans le penstock dépend de la hauteur : une plus grande hauteur signifie une pression plus élevée. La pression hydrostatique est donnée par : ρ x g x H, où : ρ est la densité de l’eau, g est l’accélération due à la gravité, et H est la hauteur.
La friction est toujours présente et constitue la force qui résiste au mouvement de l’eau. L’interaction de l’eau en mouvement avec les parois des tuyaux ou des canaux signifie que la perte de friction dans le penstock peut potentiellement être élevée dans un mauvais design de penstock, car plus le tuyau est rugueux, plus la friction est élevée.
Ensuite, la quantité d’énergie nécessaire pour surmonter la perte de friction totale au sein du système doit être fournie par une hauteur d’eau plus importante si l’on souhaite atteindre le débit nécessaire à la turbine.
Le tuyau de penstock doit être dimensionné pour fournir le débit et la pression requis à la conception de turbine à eau sans trop de perte par friction. Le taux par lequel l’eau descend de la hauteur efficace du système dépend du volume du penstock.
Bien qu’un tuyau puisse être capable d’acheminer toute l’eau vers la turbine, si le volume du penstock est trop petit, la puissance de sortie sera inférieure à l’optimum car le débit d’eau sera restreint et ralenti en descendant, perdant ainsi de la puissance en cours de route.
En revanche, si le volume du penstock est trop grand, le débit à travers le penstock dépendra de la vitesse à laquelle l’eau est capable de le remplir depuis le seuil ou le réservoir en amont. Si le penstock est trop grand, il peut se vider trop rapidement, affectant ainsi la pression de l’eau en aval à la turbine. Il est possible que le penstock soudainement vide puisse s’effondrer en raison de la pression de l’air car il est sous vide plutôt que sous pression. Les variables à considérer dans la dimension du penstock sont la hauteur, le débit, la capacité du générateur, la longueur du tuyau et la configuration.
Une bonne conception pour un penstock fait maison consisterait à limiter les pertes par friction totales à travers la tuyauterie à moins de 10 ou 15 pour cent, pour atteindre une hauteur nette à la roue hydraulique ou la turbine d’environ 85 à 90 pour cent de la hauteur brute. Habituellement, dans les petits systèmes hydroélectriques, la taille et le matériau du tuyau constituent un compromis entre la chute de pression, le terrain de votre site spécifique et bien sûr le coût. Mais il est important de bien concevoir votre penstock.
Résumé du Tutoriel
Les petites hydroélectriques constituent une source d’énergie renouvelable fiable et économique pour recharger des batteries dans des endroits isolés. Les schémas de micro-hydro convertissent l’énergie de l’eau courante en énergie électrique, l’énergie qu’ils produisent étant renouvelable et propre car ils n’émettent pas de gaz polluants. Cependant, la construction d’un nouveau schéma hydroélectrique peut s’avérer une entreprise très coûteuse.
Les schémas à écoulement de rivière détournent normalement l’eau d’une rivière par la construction d’un seuil de diversion qui détourne l’eau d’une rivière vers une entrée qui passe ensuite à travers une turbine-générateur et l’eau est renvoyée par une canalisation en aval à une certaine distance dans la rivière. Un penstock ou un pipeline est utilisé pour véhiculer l’eau sous pression vers la maison de turbine.
L’eau en mouvement représente une quantité potentiellement énorme d’énergie. Il est important de bien soutenir le penstock, notamment aux virages, coudes ou fourches, où des supports en acier ou en béton peuvent être nécessaires pour contrer la force de l’eau en mouvement à l’intérieur. Le penstock doit être enterré dans le sol pour éviter d’endommager le tuyau et prévenir le chauffage de l’eau par le soleil, ce qui affecte la pression et dégrade le PVC.
Les tuyaux de penstock doivent également être dimensionnés pour fournir la quantité requise de débit et de pression directement à la turbine sans trop de pertes par friction en cours de route. Plus le diamètre du penstock est petit, plus la friction entre l’eau et les parois est élevée, et plus la perte d’énergie sera importante.
La longueur physique d’un tuyau ou d’un canal de penstock contribuera aux pertes par friction. Toutefois, un tuyau de penstock peut être soit un tuyau en acier lisse intérieurement, soit un tuyau en polyéthylène rigide à paroi épaisse, selon les exigences de conception du site. Il est clair que tout design de penstock doit être installé de manière à ce que le support de transport (l’eau) tombe toujours sous l’influence de la gravité.
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