CARABÉE - energies-renouvelables.org · Séminaire ”Le pompage photovoltaïque ... “Adduction d’eau potable avec pompe photovoltaïque. Pratique et recommandations de conception

SCARABÉEBulletin de l iaison du réseau des exper ts de l ’énergie décentral isée

N ° 1 6 – O c t o b r e 2 0 0 5

DOSSIERPETITEHYDRAULIQUE1. Introduction

2. Le poids de la nature

3. Le contexte local,culturel etréglementaire

4. La technique

5. Les études

6. Conclusion : les conditionsd’un succès durable

ACTUALITÉS

1. Séminaire ”Le pompagephotovoltaïque”à Ouarzazate

2. PEPSE

Numéro spécialpetite hydraulique

Supplément spécia

l séminaire

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Ce numéro de Scarabée est livré avec l’ouvrage :“Adduction d’eau potable avec pompe photovoltaïque.Pratique et recommandations de conception et d’installation”(projet “Implementation of a photovoltaïc water pumping programmin Mediterranean countries”, Commission européenne, Ademe).

Dans la panoplie des sources d’énergie renouvelable queScarabée a présentée, et après la biomasse et l’éolien,l’énergie hydraulique tient une place toute particulière.

En effet, l’électricité produite à partir de l’énergie hydrau-lique est celle dont le coût de production est le plus faible.On parle de 0,05 à 0,08 cts €/kWh. Point n’est besoin decollecter la source, comme pour la biomasse et point n’estbesoin de batteries, comme pour l’éolien. Cette sourced’énergie renouvelable, lorsqu’elle existe, est un véritable“don du ciel” et la présence de cours d’eau pérennes et debons dénivelés incite, bien entendu, à la considérer avanttoute autre solution.

Les microcentrales sont robustes et fiables. Des équipementsayant 30 ans d’âge sont monnaie courante. Et pourtant, lasimplicité apparente des turbines à eau cache quelquespièges qu’il faut savoir éviter. Ce sont les raisons pour les-quelles nous avons demandé à Jacques Étienne, ingénieurhydraulique et homme d’expérience, de rédiger ce vade-mecum à l’usage des experts du réseau Scarabée.

C’est notamment pour anticiper et contourner ces pièges que la Fondation a lancé, sur Madagascar, l’étude PEPSE(Poverty Eradication and Planing of Sustainable Energy)visant à faciliter le montage et à assurer l’exécution de programmes d’Électricité Rurale Décentralisée de grandeenvergure. La méthode développée dans PEPSE et les “bonnes pra-tiques” de chacune des technologies énergies renouve-lables sont des outils au service de futures opérations pourle développement rural et la lutte contre l’effet de serre.

Ne doutons pas qu’elles puissent, un jour prochain, atteindredes tailles critiques et contribuer à fournir les services del’énergie à un nombre croissant d’hommes et de femmesdes pays en développement.

Yves Maigne,directeur de la Fondation Énergies pour le Monde

É d i t o r i a l

Impression : Impr imer ies de Champagne - Dépôt légal : 4 e t r imestre 2005 - I S S N : en cours

L ’OBSERVATEU R DES ÉNERGIES RENOUVELABLES146, rue de l’Université - 75007 Paris - www.energies-renouvelables.org

Éditeur Tél. : 33 (0)1 44 18 00 80 – Fax : 33 (0)1 44 18 00 36 E-mail : [email protected] de la publication : Alain Liébard Rédacteur en chef : Yves-Bruno Civel

… et la ressource hydraulique…

Photos de couverture :En haut : turbine Kaplan verticale (DR).En dessous à gauche : groupe Peltonet générateur à axe vertical (DR).En dessous à droite : bâtiment turbine et évacuation de l’eau (DR).En bas à gauche : bassin décanteur et départ conduite Pelton (DR).

Auteur de Scarabée : Jacques Étienne avec une contribution de Benoît Roquemaurel.

JACQUES ÉTIENNE Ingénieur Arts et métiers, spécialiste des vannes, conduites forcées etturbines hydrauliques. Il assure également conseils et services en microcentrales, formation et appui technique auprès de bureaux d’études ou de constructeurs.

BENOÎT ROQUEMAUREL Ingénieur Insa Toulouse, ingénieur projets hydroélectricité et gérantd’une petite centrale de 100 kW. Directeur du bureau d’études SERT.

Bulletin du réseau Scarabée, octobre 2005

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Sommaire

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

2. Le poids de la nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

2.1. Sur la conception de l’installation . . . . . . . . . . . . . . 42.2. Sur la variation de la puissance disponible. . . . . . . 42.3. Les autres contraintes d’exploitation . . . . . . . . . . . 5

3. Le contexte local, culturel et réglementaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

3.1. La “culture” de l’énergie hydraulique . . . . . . . . . . .53.2. La réglementation et les coutumes . . . . . . . . . . . . .63.3. Les facteurs d’évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

4. La technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

4.1. Les formules de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84.2. Les mesures de H et Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

4.2.1. La hauteur H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84.2.2. Le débit Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

4.3. Le choix du type de turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84.3.1. Trois exemples de vitesse spécifique . . . . . . .94.3.2. Éléments économiques relatifs

à ces trois cas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94.4. Les régulations nécessaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94.5. Générateurs électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104.6. Qualités requises de l’énergie fournie . . . . . . . . . .10

4.7. Dispositifs de mesure et sécurité . . . . . . . . . . . . . .114.8. Les ouvrages hydrauliques d’amenée

et d’évacuation d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114.8.1. L’amenée d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114.8.2. L’entrée d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114.8.3. L’évacuation de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

4.9. Les turbines disponibles sur le marché . . . . . . . . .124.9.1. De 0,5 à 2 ou 3 kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124.9.2. De 3 à 20 ou 30 kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134.9.3. De 30 à 300 kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

4.10. Autres possibilités pour trouver des turbines . .14

1. COMPLÉMENTS TECHNIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181.1. Vitesse spécifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181.2. Cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181.3. Coup de bélier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

2. QUELQUES POINTS PARTICULIERS À PRENDRE

EN COMPTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202.1. Zones très froides ou très chaudes, altitude,

humidité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202.2. Courant alternatif et intensité réactive . . . . . . . .202.3. Conséquence des harmoniques en courant

alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202.4. “Vieillissement”des turbines . . . . . . . . . . . . . . .20

5. Les études . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

6. Conclusion : les conditions d’un succès durable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

Annexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

I. Dossier petite hydraulique

II. Actualités1. Séminaire “Le pompage photovoltaïque” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

2. Planification énergétique (PEPSE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

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Les petitescentrales

hydrauliques

La production d’énergie à partir de l’eau est une technique ancienne,fondée sur un principe très simple : d’une part, une différence de niveauou hauteur de chute et, d’autre part, une masse d’eau prélevée dansla rivière. Partant du niveau haut, elle aboutit au niveau bas, effectuantainsi un travail mécanique comme tout corps dans le champ de lapesanteur. Si cette masse est renouvelée sans arrêt sous forme d’undébit continu, il y a production d’une puissance permanente.Cette définition ne prend pas en compte l’énergie que l’on peut produireà partir de courants d’eau, sans différence de niveau apparente. Ce cas, bien que rare, dans la perspective de l’électrification ruraledécentralisée, sera néanmoins évoqué plus loin. Si la simplicité du principe et l’ancienneté de la technique incitent àconclure que l’on est en terrain connu, il ne faut pas en déduire pourautant que leur mise en œuvre soit facile.


Au lieu d’un seul facteur fondamental–l’ensoleillement ou la vitesse du ventpar exemple –, il y en a deux : la hau-teur de chute et le débit.De plus, la pression de la nature influefortement sur le génie civil et sur letype de turbine.Enfin, la distance entre les lieux deproduction et d’utilisation n’est quetrès rarement modifiable à un coûtraisonnable. Donc, par rapport au solaire photo-voltaïque individuel, l’hydrauliqueajoute des facteurs de complexité :l’étiage, les crues, le transport et ladistribution du courant électrique.Si l’hydroélectricité (voir plus préci-sément chapitre 2) requiert la prise encompte, dès le stade de toute pré-étude, de plusieurs facteurs et con-traintes externes –dont certains diffi-ciles à évaluer –, elle dispose de deuxatouts importants : l’étendue de lagamme de puissances ainsi que la fia-bilité et la pérennité du matériel. À titre d’exemple, dans les installationsde puissance inférieure à 1000kW enEurope, peu de turbines ont moins devingt ans, et un équipement de trenteans d’âge peut encore servir et mêmeêtre réinstallé ailleurs, après révisionéventuelle.Fait indéniable, cette durée de vieintroduit aussi des éléments de com-plexité : il faut prévoir assez loin et lefutur dépend de facteurs humains quine sont pas toujours rationnels.

Dans le présent document s’inscrivantdans les options techniques relativesà l’électrification rurale décentralisée,les puissances envisagées vont de0,5 kW à 300 kW, celles de 3 à 30 kWétant privilégiées parce qu’elles cor-respondent plus spécifiquement àl’hydraulique du tout premier déve-loppement énergétique. Les installa-tions de 100 ou 300 kW relèvent plu-tôt du deuxième stade.Les sources d’information utiliséesconcernent des installations en

Europe, qui ont l’avantage d’être plusfacilement suivies, des réalisations àtravers le monde et des étudesn’ayant pas encore abouti.

L’une des conséquences de cettediversité est que le lecteur ne pourraprobablement pas tirer de ce docu-ment des applications directes. De même, les solutions concrètesévoquées pour des situations et dessites précis sont loin de recouvrir l’en-semble des possibilités d’équipe-ment. En effet, suivant une vieille plaisante-rie qui a cours dans le métier, si lesresponsables du calibrage de lanature avaient fait leur travail, lessolutions standardisées de centrales

seraient en place depuis longtemps. Ce document présente essentielle-ment les aspects techniques, tant degénie civil que de génie électrique,sans aborder les questions relativesaux modes de gestion, d’exploitationet de facturation de l’énergie auprèsdes utilisateurs qui sont, pour laplupart, communs aux différentessources d’énergie utilisables en élec-trification rurale décentralisée.

Certains points, généralement impor-tants, sont repris dans plusieurs cha-pitres, car leur évocation découle delogiques diverses et de plusieurspoints de vue.Enfin, les faits réels cités (en italique)le seront de façon anonyme.


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Dans la pratique, et comparée aux autres sources d’énergie renouvelable, l’hydro-électricité se différencie très fortement du solaire et de l’éolien.

1. Introduction

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Retenue d’eau. Microcentrale hydraulique d’Antetezambato, à Madagascar.


2.1. Sur la conceptionde l’installation

Il suffit d’évoquer quelques rivièresconnues de tous pour le comprendre:chutes hautes, moyennes, basses,débits faibles ou importants, accessibi-lité bonne ou mauvaise, faibles ou for-tes crues, transport important de maté-riaux ou eau décantée par un lac ou unétang, proximité ou éloignement desusagers de l’énergie, régularité ou va-riabilité du débit, présence de route oucanyons peu accessibles… Dès la pre-mière visite du site, la nature apparaîtdans toute sa diversité.Seules les fonctions sont communes:détourner l’eau, la débarrasser des élé-ments trop gênants transportés, l’ame-ner, la turbiner en produisant de l’élec-tricité, la restituer à la rivière, alimenterpartiellement le lit de la rivière dont on a détourné l’eau (tronçon court-circuité), transporter l’énergie, adapterla production à la consommation ouparfois la consommation à la produc-tion. Et bien sûr, assurer l’entretien desmatériels, la sécurité des personnes etéviter de dégrader la nature.En matière de réalisation, l’installationtype d’un site à l’autre n’existe pas. Deplus, un même site peut être équipé defaçon différente, chaque solution ayantses avantages et inconvénients.À chaque contexte naturel et à chaquesolution technique correspondent desconditions d’exploitation particulières:accès à l’installation en cas de crue ouselon les saisons, par exemple. Aussi,aucune étude d’installation nouvelle nepeut, sauf rares exceptions, s’effectuersans visite de terrain.

2.2. Sur la variationde la puissancedisponible

La hauteur de chute est plus facile àcréer sur les rivières à forte pente, sur-tout si elles présentent des seuils natu-rels. Mais, la loi commune veut que ledébit équipable y soit moins importantque dans les rivières à faible pente.

Sur ces dernières en effet, le barragepeut avoir pour fonction, en plus de la dérivation de l’eau, la créationde la partie principale de la hauteur de chute.Le débit, lui, est du domaine de l’hy-drologie. Il varie au cours d’une année,et les années qui se suivent ne se res-semblent généralement pas.De plus, en basses chutes – de quel-ques mètres –, la hauteur de chutediminue quand le débit augmente :trop d’eau conduit à moins de puis-sance et la forte crue peut même conduire à une absence de puissance!

Dans les régions tempérées, pour avoirdes bases de projet solides, il est bonde disposer des débits journaliers surenviron dix à vingt ans, selon la régu-larité interannuelle. Avec une seulevisite, on est loin du compte et l’oncomprend alors la nécessité de dispo-ser d’autres facteurs et informations :bassin-versant, relations pluie/débit,relevés réguliers possibles, installa-tions existantes sur le même coursd’eau, informations sur un cours d’eauanalogue (en corrigeant selon les bas-sins versants : surface, altitude, expo-sition, végétation, nature du sol…). Des terrains “pièges” existent aussi :le calcaire par exemple, où l’eau peutdisparaître partiellement ou totalementet circuler souterrainement sur desdistances parfois longues. La mesure d’un débit n’est, parailleurs, pas chose facile. La grandeimprécision du “coup d’œil” et la fia-bilité incertaine des informationsrecueillies auprès desriverains doivent inciterà la prudence.Une erreur constatée de1 à 10 sur un inventairede petits sites autourd’un village en Améri-que du Sud illustre biencette difficulté.Les recoupements et, encas de doute, le conseilde spécialistes limite-ront le risque de dé-sastre par surestima-tion, dont les exemplesen Asie du Sud-Est ont

laissé des traces dans les mémoires.Les riverains sont cependant de bonsinformateurs du niveau des crues :données très utiles pour que l’installa-tion échappe à la noyade et que lebarrage ne soit pas contourné. Lestraces de crues maximales assez sou-vent existantes fournissent, elles aussi,de bonnes indications.

L’influence de la nature peut provoquerune réduction, voire une absence, depuissance disponible, pendant une par-tie de l’année, ce qui doit être claire-ment présenté aux futurs utilisateursde l’énergie, dès l’avant-projet. La définition des usages prioritairespermettra peut-être de passer les pé-riodes critiques, sinon des solutionsde production temporaire d’énergiepar une autre source pourront êtreenvisagées.

Mais la nature est encore présentesous une autre forme : celle d’une res-source commune à divers usagers. Ilne faut pas, par exemple, que l’eauprélevée manque à des agriculteurspour l’irrigation, ou que les riverainsen aval de l’installation soient gênéspar des variations artificielles et fré-quentes de débit, liées au fonctionne-ment de la turbine. L’existence d’un barrage et le tronçoncourt-circuité ne doivent pas compro-mettre la vie des poissons ni la vieaquatique en général. Enfin, un éventuel intérêt touristiquene doit pas être oublié, de même quetout autre impact possible.


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Si les fonctions et objectifs de toutes les installations sont communs, les conditionsnaturelles, aussi multiples que variées, requièrent des solutions techniques différentes.

2. Le poids de la nature

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Centrale des Couscouillets dans les Hautes-Pyrénées.


2.3. Les autrescontraintesd’exploitation

Outre les crues déjà citées, on doitprendre en considération, dès les pre-mières études de faisabilité, les ris-ques de tempête, de foudre pour lematériel électrique, électronique ouinformatique, les aléas des lignesaériennes, arbres et animaux.

Par ailleurs, pendant l’exploitation, les opérations d’entretien et de main-tenance doivent être effectuées avecune régularité des plus rigoureuses :- nettoyage des grilles (quasi perma-

nent en certaines saisons) ;- nettoyage des dessableurs (décan-

teurs à sable et gravier) ;- dégravage éventuel des prises d’eau ;- dégagement des accès ; - réparations des possibles dégrada-

tions (animaux, malveillance, etc.).

Dans certaines régions d’Europe, loirsou rats provoquent des pannes, géné-ralement par des courts-circuits. Mais,en Afrique par exemple, les éphé-mères ont aussi créé des imprévus en

allant se noyer dans l’huile des cir-cuits hydrauliques dont ils colmatentles crépines ou en obstruant les grillesd’aération des générateurs.

3.1. La “culture”de l’énergiehydraulique

L’énergie, particulièrement en France,s’est développée à partir de petitesinstallations hydrauliques, et l’appari-tion de l’électricité a favorisé leur mul-tiplication et leur croissance en puis-sance. L’étalement dans le temps decette évolution a permis le dévelop-pement d’une “culture de l’usageénergétique de l’eau”, facilitant l’ap-propriation d’installations nouvellesde production.Le moulin à roue hydraulique n’a faitque rendre plus agréable l’écrasementdu grain déjà pratiqué. L’extension decette énergie à l’industrie textile, à lapapeterie et à la tannerie allait de soi.

Dans certains villages, l’ancienneusine électrique est encore appelée lemoulin, preuve de son origine.

L’installation hydraulique du début duXXe siècle s’intégrait donc à la vie desvilles et villages et ses sujétionsn’étaient même pas ressenties : il étaitévident et connu de tous, qu’en cas decrue il fallait ouvrir les vannes. Et si leresponsable de l’exploitation était ma-lade ou absent, n’importe quel adultesavait où trouver la manivelle, quel’on apprenait aux enfants à ne pasdéplacer. De même, la clé de l’usine hydroélec-trique cachée sous une pierre ou unetuile à l’entrée, permettait à quiconqued’intervenir, si l’on entendait la turbines’emballer.Cette “culture” est cependant prati-quement perdue, alors que l’hydro-

électricité a été, au cours du XIXe et dudébut du XXe siècle, une technologietrès couramment utilisée.

Aujourd’hui, l’électricité, c’est la prisede courant. L’énergie toujours pré-sente, sans contrainte, sans même lanotion que des hommes invisibles enassurent la production, le transport etla distribution 24 heures sur 24. Les sources d’énergies renouvelablesapportent, elles, une contrainte, cellesde leur caractère aléatoire. Aussi, l’apport énergétique d’une pe-tite centrale hydraulique doit-il êtreprécisé afin d’effacer les possiblesreprésentations des futurs usagers :ceux qui connaissent des villes élec-trifiées, des campus universitaires,peuvent croire que la petite centraleapportera le même confort que l’élec-tricité urbaine. La déception peut être


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Les futurs utilisateurs d’une petite centrale hydroélectrique doivent être bien informés surses avantages et limites. Sans compter que la réussite d’une telle installation passe aussipar l’adéquation avec les réglementations et coutumes locales.

3. Le contexte local, culturelet réglementaire

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Nettoyage du canal d’amenée d’une microcentrale hydraulique à Madagascar.


un facteur de découragement en cas dedifficultés. Seule, la nécessaire ap-propriation par les futurs usagers d’unepetite centrale, là où il n’y en a jamaiseu, permet de s’assurer de leur futuresatisfaction et de la bonne utilisation del’équipement hydroélectrique.Il y a une cinquantaine d’années, enAsie, une information bien intention-née, « la turbine utilisera l’énergie del’eau », a semé le désarroi dans l’es-prit des agriculteurs en aval. Ils pen-saient que l’eau aurait perdu son pou-voir de faire pousser les récoltes.

Plutôt que d’informer de façon géné-rale les futurs usagers des risques depannes et des contraintes d’entretien–opérations totalement masquées surdes réseaux électriques importants –, ilpeut être plus parlant de montrer uncalendrier avec les périodes d’arrêt pré-vues (manque d’eau, entretien) et d’yajouter quelques pannes possibles. De cette manière, les futurs usagersseront en mesure de signaler les mo-ments où le possible défaut d’électri-cité sera très pénalisant pour eux, per-mettant ainsi à l’exploitant de définirles dates de contrôle et d’entretienpréventif et au concepteur de con-firmer, ou non, l’utilité d’une sourcecomplémentaire d’énergie.Les variations transitoires inévitablessur un petit réseau doivent aussi êtreévoquées pour ne pas être assimiléesà des pannes (voir chapitre 4).Enfin, à la fréquente question : «Pour-quoi n’avez-vous pas installé un sys-tème aussi performant que celui desvilles ?», mieux vaut répondre en an-nonçant, dès les premières visites sursite, d’un côté les atouts avec, en par-ticulier le “combustible” gratuit et dis-ponible sur place, surtout lorsque lescontraintes de transport sont fortes,

et, de l’autre, les imperfections, limi-tes et contraintes d’une microcentralehydraulique.

Si la nature intervient assez librement,les pannes de matériel sont aussi enpartie aléatoires et peuvent, éven-tuellement, se répéter, affectant la dis-ponibilité ou la qualité de l’électricité.Bien que le fonctionnement soit nor-malement automatique, l’opérateurdoit, par moments, faire preuve d’unegrande disponibilité et d’une réelleténacité.Il devra être “au service” du matériel,si nécessaire, mais aussi partie pre-nante d’une communauté d’usagersaux activités relativement ritualiséesou urgentes. Son écoute doit aussi s’adapter à desbruits nouveaux, ceux du groupe, afinde détecter des changements annon-ciateurs d’une panne possible.

Parmi les facilitateurs de la greffed’une petite centrale dans une com-munauté, l’association des usagers àla réalisation du génie civil est uneméthode appropriée. Elle demandenéanmoins une excellente supervisionet des échanges constants de ques-tions-réponses entre les différents ac-teurs : superviseur des travaux, four-nisseur-installateur des équipements…Un intéressement financier du res-ponsable du fonctionnement, membreou non de la communauté villageoise,est parfois utile pour accroître la fiabi-lité de la livraison d’énergie.La bonne préparation des notices, pro-cédures et informations sont autant depas en avant, ne serait-ce que parceque la prévision influe sur la concep-tion du matériel pour faciliter les inter-ventions, prévoir la présence d’outil-lages adaptés, de pièces de rechange,

définir les actions éventuelles de pré-vention pour diminuer les consé-quences des incidents.Enfin, l’accompagnement du person-nel local au début de la période defonctionnement est absolument né-cessaire pour la mise en pratique desprocédures d’exploitation technique etde gestion financière et administrativede l’installation.À Antetezambato, à Madagascar, lacoopérative gérant une microcentralede 40 kW a été accompagnée durantles trois premières années de fonc-tionnement de la centrale par un con-sultant local. À l’expiration de ce suivi,toutes les procédures étaient respec-tées et la situation financière de la co-opérative saine. Une méthodologie desuivi de projets similaires a été définie.Il est en effet regrettable que, le plusfréquemment, le suivi des installationsexistantes ne soit mené qu’à l’occasiond’autres projets dans le voisinage etencore, si les acteurs disposent dutemps et des moyens de pouvoir fairele trajet. Le retour d’expérience, pour-tant utile aux opérations suivantes,manque.

3.2. La réglementationet les coutumes

Dans la majorité des pays en déve-loppement, si les questions d’énergiesont aujourd’hui soumises à une ré-glementation, la gestion et l’utilisationde l’eau font, elles aussi, l’objet d’uneréglementation propre, de même quele droit foncier réglemente la pro-priété et l’utilisation des terrains, etc.Aucun des interlocuteurs de chacunde ces domaines ne peut être oubliépour prévenir les possibles conflits decompétence entre divers ministères.Dans certains territoires, les coutumeslocales, parfois à connotation reli-gieuse, se superposent aux textes del’administration centrale. Enfin, aucune inauguration officielled’une nouvelle installation ne doit faireoublier l’information locale dès les pre-miers essais.L’exemple de la stupeur et de l’inquié-tude d’agriculteurs asiatiques voyantarriver de l’eau en saison sèche, lorsdes premiers essais de la turbine d’unnouveau barrage de stockage saison-nier, ne doit pas être oublié. Le riz quisèche aime moins l’eau que le riz quipousse.


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Contrôle de la régulation d’une microcentrale située à Antetezambato par un technicien local.

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3.3. Les facteursd’évolution

Il faut aussi mentionner qu’une petiteinstallation hydraulique ne s’implantepas dans un lieu figé et qu’elle-mêmeajoute aux facteurs d’évolution.L’investissement relativement lourdimplique une longue durée d’amor-tissement, donc une conception et undimensionnement permettant àl’équipement de ne pas être rapide-ment obsolète.Il importe, au-delà de la quantificationdes besoins immédiats, de tabler surun schéma probable du dévelop-pement de la consommation desfamilles d’abord, mais aussi des acti-vités artisanales ou de petite indus-trie. Celles-ci, rendues possibles parla présence d’énergie, pourront secréer selon les dispositions des habi-tants. Ce sont leurs consommations,régulières et significatives qui, àterme, assureront les revenus pourles charges de maintenance.

Si le schéma est incertain – cas clas-sique –, peut-être faut-il envisagersommairement un deuxième staded’équipement, de façon à en tenircompte dans le dimensionnement del’infrastructure initiale (conduite plusgrosse pouvant alimenter unedeuxième turbine, si le débit dispo-nible le permet, espace dans le bâti-ment ou à côté…).

L’avis des usagers ou de leursreprésentants, même s’il estimprécis, est important. Bien que la question de latarification ne soit pas abor-dée dans ces lignes, il estclair que, dès l’estimationpréalable des besoins, laconnaissance du coût del’énergie et des capacités depaiement des futurs usagerspèse sur la configuration del’installation. Un maire français souhaitait,par exemple, que la puis-sance installée couvre lesbesoins exceptionnels de lafête du 14 juillet, puisque,d’après lui, l’installation nedevait rien coûter à la commune.

La façon dont sera organiséel’utilisation de l’énergie élec-trique dans les habitations oules ateliers influe sur la taillede l’unité de production : plu-sieurs départs internes peu-vent permettre de choisir les plageshoraires de certaines applications etde hiérarchiser les délestages, sibesoin. Ainsi, avec une consommation mieuxrépartie, la pointe de consommation,donc la puissance installée, seront-elles plus faibles. Dans le cas trèsgénéral sans stockage, l’eau de larivière sera mieux utilisée.

Pour les hautes chutes, en particuliersi le stockage journalier est possible,c’est alors la turbine qui doit per-mettre de moduler la consommationd’eau, quitte à coûter plus cher. Iciencore, la séparation interne desconsommations en deux ou troissous-réseaux permettra plus d’effica-cité en maîtrisant la durée de lapointe.Dans une abbaye, quand la puissancedisponible baissait par manque d’eaudans le ruisseau, l’eau destinée à lavaisselle était la première à êtremoins chauffée. En revanche, l’éclai-rage n’était délesté qu’en dernier.

L’idéal, pour les délestages internes,serait qu’ils soient télécommandablesdepuis l’unité de production, maiscette option n’est pas, à ce jour,disponible.

Un autre type d’interaction sociale est l’exemple que donne une installa-tion hydroélectrique aux commu-nautés voisines. Elles peuvent, parexemple, devenir concurrentes, pourl’utilisation énergétique de l’eau d’uncanal commun d’irrigation. Intégrerces communautés dans un projet, enprévoyant une extension du réseauélectrique à construire, permet sou-vent d’éviter la construction d’unedeuxième installation.


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Conduite et bâtiment (2,5 kW) à Ba Nambo, au Laos.

Turbine Kaplan verticale ou siphon (40 kw sous 4 m), conduite forcée et évacuationen polyester et fibre de verre.

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4.1. Les formulesde base

La formule de base est classique : P = Q x Hn x 9,81 x RgP en kW, Hn hauteur de chute nette enmètres, Q débit en m3/s, Rg rende-ment global (dans notre gamme, de0,5 à 0,8 selon la puissance).Ce rendement global est le produitdes rendements de la turbine et sesauxiliaires, de la transmission éven-tuelle, du générateur et ses auxi-liaires, du ou des transformateurs(élévateur et abaisseur), s’il y a lieu,de la ligne de transport.La hauteur de chute nette intègre, elle,les pertes propres à l’amenée et àl’évacuation de l’eau turbinée et, pourêtre exact, il faut tenir compte aussi del’énergie cinétique de l’eau (V2/2g),conformément aux normes en vigueur. La hauteur de chute brute, Hb, étant ladifférence de niveau entre la crête dubarrage et le plan d’eau aval pour lesturbines dites “à réaction” (Francis,Kaplan, ou le niveau d’injection del’eau dans la turbine pour les types dits“à action”, comme les Pelton et lesBanki-cross-flow ou Turgo).En petite hydraulique, les limites cou-rantes de Hb sont 1,5 m à 150 m.Enfin, une parenthèse sur l’énergie descourants d’eau est utile : une formuleclassique de l’hydraulique donne larelation entre l’énergie potentielle et

l’énergie cinétique (énergie de vitesse),c’est H = V2/2g soit V2/19,62.Cela permet de voir qu’un courantd’eau de 1 m/s correspond à une hau-teur de chute de 1/19,62, soit environ 5 cm, et qu’un courant, très rapide, de3 m/s correspond à une hauteur de9/19,62, soit moins de 0,50 m.On ne peut donc pas facilement tirerbeaucoup d’énergie des courantsd’eau et, du coup, peu de matérielsindustriels sont, à ce jour, disponibles.Les machines sont rapidement degrande taille, dès que la puissance croît(voir annexes, §.1.).

4.2. Les mesuresde H et Q

4.2.1. LA HAUTEUR H

La mesure de la hauteur de chute brutepeut s’effectuer de nombreuses façonsqui ne sont pas détaillées ici. Privilégier la certitude par des recou-pements simples (niveau de maçon enbasses chutes, clisimètre en chutesmoyennes, altimètre utilisé en bouclefermée en hautes chutes) est plus im-portant que d’exagérer la précision oula rapidité par un seul matériel sophis-tiqué, dont la vérification de l’étalon-nage avant et après la mesure, aumoins, est nécessaire.

Pour la détermination de lachute nette, il est néces-saire de penser à la pentedes canaux d’amenée etde fuite, aux pertes dansles grilles et en conduiteforcée ainsi qu’à la hauteurperdue sous les turbines à action, dont les roues nedoivent pas être noyéesmême en hautes eauxaval.Les pertes d’amenée d’eau :pente d’un canal, pertes de charge en conduite, se calculent assez bien.

Penser à l’évolution des pertes de char-ge quand les parois des conduites sedégradent (acier en eaux acides ou aucontraire tartrantes).

4.2.2. LE DÉBIT Q

Les moyens de mesure du débit peu-vent différer selon le débit à mesureret la morphologie du site. Moulinet (mesure de vitesses dansune section de cours d’eau) ou déver-soir (barrage temporaire et applica-tion de formules (voir bibliographie)sont les méthodes basiques. Il fautrappeler deux points importants :- si une mesure est utile pour l’étude,

elle ne permet pas de définir le débitd’équipement ;

- la mesure d’un débit à 5 % près estdéjà difficile à effectuer dans lanature.

4.3. Le choix du typede turbine

Sans trop entrer dans la technique desturbines, l’interrogation classique:«Pourquoi plusieurs types de turbine?»,demande quelques explications.Ce n’est pas toujours une impossibi-lité théorique qui nécessite un chan-


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Formules de base, choix du type de turbine, régulations nécessaires, générateurs,exigences de qualité, sécurité, amenée et évacuation de l’eau… ce chapitre énumèredifférents paramètres à prendre en compte et propose un tour d’horizon des turbinesdisponibles sur le marché.

4. La techniqueA

dem

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Choix des turbines hydrauliques.

D’a

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ivie

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Courbes de rendement relatif des principales turbines.


gement de type de turbine quand lesconditions de hauteur, débit et vitessede rotation changent, ce sont aussides conditions de coût de réalisation :- une turbine Pelton en basse chute et

gros débit serait énorme et tourne-rait lentement, entraînant dessurcoûts de générateur ou de multi-plication de vitesse ;

- une turbine Kaplan (et même cer-taines turbines Francis), sous unehaute chute, tournerait trop vite etdevrait être implantée très au-dessous du niveau aval, grossissantainsi démesurément le prix du géniecivil et compliquant l’installation etl’exploitation.

Le choix préalable par des graphiques,ou par le calcul de la vitesse spécifique(voir annexes, § 1.1.), doit être com-plété par la décision des constructeursqui peuvent fixer des limites un peudifférentes de l’un à l’autre, selon lesrésultats de mesure sur modèle réduitou les retours d’expérience (parexemple, sensibilité à l’obstruction depetites roues Francis de haute chute).

4.3.1. TROIS EXEMPLES DE VITESSESPÉCIFIQUE

EXEMPLE 1Chute brute 90 m, débit 3,8 l/s, turbinePelton à 3 000 tr/min.Pourquoi 3 000 tr/min? Parce que ce maté-riel existe sur catalogue, avec un généra-teur directement accouplé à la turbine.

EXEMPLE 2Chute brute 30 m, débit 500 l/s, turbine Fran-cis à 1 000 tr/min.Pourquoi 1000 tr/min? Parce que, pour lapuissance obtenue, cette vitesse est un boncompromis entre durée de vie, bruit et coûtdu générateur, et que l’on peut réaliser unaccouplement direct.Une vitesse de 1 500 tr/min (ou 750) estaussi possible, mais avec un générateurplus coûteux, si la vitesse est plus basse.

EXEMPLE 3Chute brute 1,5 m, débit 1 500 l/s, turbineKaplan à 250 tr/min, impliquant une multi-plication de vitesse par courroie, pour trou-ver un générateur standard dans cette gam-me de puissance (1500 ou 3 000 tr/min).Pourquoi ne pas faire tourner la turbine à1 000 tr/min ? Parce que c’est physique-ment impossible sous cette faible hauteurde chute et ce débit.

Ces exemples doivent persuader le lec-teur de la relative complexité du choixdes solutions (voir annexes, §1.1.).

4.3.2. ÉLÉMENTS ÉCONOMIQUES RELATIFS À CES TROIS CAS

Dans le domaine de l’hydraulique,contrairement à d’autres énergiesrenouvelables, les estimations de prixramenées au kW installé ne peuventêtre que très grossières. Dans certainscas, il convient de comparer le coût del’installation à celui du raccordementau réseau évité. Pour les hautes chutes et faiblesdébits, le génie civil et la pose de laconduite ont été souvent réalisés parles usagers.

Et encore ces cas réels ne sont pasparmi les plus complexes. En effet, une turbine Pelton peut êtreà axe horizontal ou vertical, avec unou plusieurs injecteurs (jusqu’à six),chacun à débit fixe ou réglable. Ellepeut être munie ou non d’un déflec-teur de jet.

Une turbine Francis peut aussi être àaxe horizontal ou vertical, simple oudouble et, dans ce cas, à directricescommunes ou séparées, à roueségales ou inégales pour mieux utili-ser les bas débits (voir graphiques de rendement).

Une turbine Kaplan peut avoir son axedans n’importe quelle position, et cer-taines de ses parties peuvent être enmétal, en béton, ou en matière plas-tique. Selon le nombre de pales de saroue, elle peut accepter des chutes oùelle concurrence la turbine Francis.Cette même roue peut avoir ses palesréglables ou fixes, de même que lesdirectrices. Pour les puissances viséespour l’ERD, le plus souvent lesdirectrices sont fixes et les palesréglables, ce qui est un bon compro-mis entre l’utilisation des faiblesdébits et le coût.Mais, chaque fois que le débit maxi-mal consommé par la turbine est pré-sent en permanence dans le coursd’eau, la turbine peut être à débitconstant, l’énergie excédentaire étantdissipée dans des résistances. Si laroue Kaplan est à pales fixes, l’appel-lation courante est “roue hélice” ou“hélice”.

4.4. Les régulationsnécessaires

Dans le cas classique des générateursen courant alternatif, il faut régler nonseulement la tension, mais aussi lafréquence, qui joue directement sur lavitesse des moteurs et influe sur lapuissance consommée, par despompes, par exemple.Régler la fréquence, c’est tenir lavitesse stable, donc, à la vitesse nomi-nale du groupe, rendre égales àchaque instant les puissances pro-duites et consommées. Jouer sur lapuissance produite, c’est ajuster ledébit turbiné. Régler par la puissance consommée,c’est ajouter ou enlever des résis-tances sans usage réel ou servant àun but non prioritaire (eau chaude,par exemple).


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Pelton (95 m – 2,5 kW) Pelton (40 m – 10 kW) Kaplan (1,5 m – 12 kW

Groupe turbine-générateur 5 000 22 500 48 500

Conduite forcée (posée) Apport local (matériel et pose) 27 500 —

Contrôle commande 2 000 9 200 10 000

Génie civil (canal, bâtiment) 1 500 2 000 18 500

Transport de l’énergie 15 000 10 000 —

Études et maîtrise d’œuvre 5 000 25 000 5 000

Total (HT) 28 500 96 200 82 000


Jouer sur le débit turbiné nécessiteune turbine construite dans ce but (unpeu plus chère, donc) et surtout unsystème de régulation disposantd’une puissance suffisante pour lamanœuvre assez rapide d’organessoumis à des efforts hydrauliques.Cette solution implique aussi :- la présence d’un volant d’inertie,

pour réduire les variations defréquence dans les périodes devariation de charge consommée ;

- dans le cas de longues conduites for-cées, la prise en compte des coupsde bélier, comme expliqué plus loin.

Dans les faibles puissances surtout,mais même pour plus de 100 kW, lasolution de dissipation d’énergie estmoins coûteuse et maintenant trèsfiable, car on se protège mieux de lafoudre.Mais, on ne peut pas choisir ce typede régulation, si l’on est dans lanécessité d’économiser l’eau afin dela stocker pour les pointes deconsommation journalières (cas dehautes chutes et faibles débits lors-qu’il y a peu d’eau disponible). Sinon,tout au moins, il faut lui adjoindre unepossibilité de réglage du débit, avecun automatisme adapté.Une autre régulation est à assurer : ilne faut pas que la turbine consommeplus d’eau que le cours d’eau n’enapporte. Selon les installations, celapeut se faire manuellement, si lesvariations de débit sont lentes etrares, ou automatiquement, si ellessont fréquentes et peu prévisibles. Bien sûr, cela implique que la turbinesoit réglable, avec pour conséquencela puissance disponible limitée, si ledébit est réduit.

Il faut enfin noter un cas particulier :une turbine destinée à entraîner uni-quement une pompe n’a pas besoinde régulation permanente, surtoutavec une pompe centrifuge, très sta-bilisatrice, car la puissance qu’elleconsomme croît comme le cube de savitesse. Il faut simplement s’assurerque les deux lignes d’arbre serontcapables de supporter assez long-temps la vitesse la plus élevée quipuisse se produire (crépine d’aspira-tion ou tuyau de refoulement obstrué,par exemple).

4.5. Générateursélectriques

En réseau isolé et en courant alterna-tif, les générateurs électriques peu-vent être des alternateurs au pleinsens du terme (ou générateurs syn-chrones), donc des machines com-portant un inducteur tournant, ali-menté en courant continu parlui-même dans les puissances viséespar l’ERD. Il induit dans le stator fixela tension d’utilisation. Ces généra-teurs sont livrés avec leur régulationde tension préréglée. Il faut, à la com-mande, en préciser les fonctions :groupe isolé, groupe couplé en paral-lèle avec d’autres, groupe pouvantparfois, dans le futur, être raccordé àun réseau puissant. Le couplage entre eux de deux alter-nateurs implique une manœuvrepréalable, dite de synchronisation,manuelle ou automatique (synchro-coupleur par exemple).

Pour des puissances de quelques kW,le générateur peut être “asynchrone”.Il est alors construit comme unmoteur à cage d’écureuil classique,mais ne peut produire de la tension,qu’à condition d’installer à ses bornesdes condensateurs adaptés. En revanche, sans dispositif spécial de régulation, la tension produite sera particulièrement sensible à lavitesse du groupe et chutera un peu,à vitesse constante, selon l’intensitéconsommée.

Dans tous les cas, le générateur decourant alternatif devra fournir aussibien l’énergie “active” (correspondantà la puissance mécanique consom-mée dans le réseau) que l’énergie“réactive” (correspondant à l’énergie

magnétisante consommée dans le ré-seau, par les moteurs, par exemple).Lorsque le générateur est un alterna-teur, il peut fournir les deux, et l’in-tensité résultante, dite “apparente”,est celle qui limite l’alternateur, carelle fait chauffer les bobinages. Si le générateur est asynchrone, ce sont les condensateurs ajoutés qui fourniront cette énergie réactive.Le rapport entre les valeurs de cesdeux énergies est représenté par unfacteur très connu en alternatif, lecosinus phi.

4.6. Qualités requisesde l’énergie fournie

Les exigences de qualité de la tensionproduite par de petites unités ne peu-vent se comparer en tout point à celledu réseau européen. Les déforma-tions de la sinusoïde sont visibles àl’oscilloscope (existence d’harmo-niques), mais peu d’usages en sontaffectés, la plupart des appareils sen-sibles (ordinateurs, télévisions, hi-fi)reconstituant un nouveau réseauinterne généralement en courantredressé.En tension, la régulation des petitsalternateurs du commerce est trèsbonne, et le cahier des charges pourraimposer sans hésitation des normesdu niveau de celles du réseau euro-péen, permettant le raccordement detous les appareils du commerce.

En fréquence, une tolérance de ± 1 Hzen régime permanent est facilementobtenue, mais les usagers peuventpratiquement toujours accepter ± 2Hz.Néanmoins, des écarts transitoires,sensiblement plus importants lors desgrandes variations de consommation,peuvent se produire et il est bon d’enindiquer la limite dans l’étude, leconstructeur pouvant réduire cesécarts, en ajoutant de l’inertie tour-nante par exemple.

Il est, bien entendu, nécessaire dedéfinir, en particulier, les écarts de fré-quence et de tension, en cas de pertequasi totale de la charge du réseau, etde s’assurer que les auxiliaires de lapetite centrale (éclairage en particu-lier), les supporteront. Il faut veiller àleur mise à l’écart automatique tem-poraire et prévoir un éclairage mini-mal de secours en courant continu.


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Régulateur de fréquence (vitesse) à absorption sur résistances dans l’air (Laos).


À l’inverse, en cas de surcharge, lafréquence baissera et les délestages,évoqués plus haut, peuvent éviter lapanne totale.Il faut les commander à partir de lafréquence et non de la tension, carcelle-ci se maintient dans des margesassez larges de vitesse, sauf si le régu-lateur de tension du générateur estprévu pour que la tension chute déjàen sous-fréquence légère. Cette actionde sécurité doit être temporisée, avecun réglage facile de la durée, pour évi-ter que des transitoires normaux et decourte durée entraînent une disjonc-tion générale inutile.

Enfin, il faut rappeler que, saufconception spéciale, une turbine dontla vitesse est régulée par le réglage dudébit turbiné ne peut pas accepter que sa charge passe brutalement de 0 à 100 %. Une prise de charge raisonnable sefera au plus par tiers. Il est donc sou-haitable de disposer d’au moins troisdéparts de puissance voisine et decoupler en dernier le moins puissant(en se rappelant que la montée depuis90 ou 95 % jusqu’à 100 %, si elles’avère nécessaire, ne peut être quetrès progressive en hydraulique).Une solution alternative, qu’il ne fautpas dénigrer, est le passage du crieurpublic pour demander aux usagers dedébrancher leurs appareils.

Un exemple réel a existé en France etpersiste peut-être, il est vrai dans uncontexte où les déclenchements audépart de la centrale sont rares etcorrespondent surtout aux périodesd’entretien.

4.7. Dispositifs demesure et sécurité

Dès qu’il y a conduite forcée, il fautbien sûr un manomètre avec son robi-net d’isolement pour vérifier la hau-teur de chute brute et nette ainsi queles surpressions éventuelles, et lesconstructeurs proposent les capteursde surveillance de leurs groupes. Ilfaut cependant y prêter attention.Plus les puissances installées sontimportantes, plus le budget initial estélevé et plus les pannes ont desconséquences lourdes.

Pour 3 kW, par exemple, seules lestensions et intensités seront affichées.Les contrôles viseront seulement les surintensités et peut-être lessurtensions.

Pour 300 kW, au contraire, en plus dece minimum, tous les paliers dugroupe et la température des bobi-nages seront munis de contrôles (aumoins température et niveau d’huile,le cas échéant). De même, apparaîtront, à ce stade depuissance, des compteurs de duréede marche, l’affichage de la puis-sance, de la fréquence, du cosinus phiéventuellement et de la dépressiondans l’aspirateur, pour les turbinesFrancis surtout. Les signalisations desdéfauts éventuels, y compris ceux desgroupes de commande hydraulique,s’il y en a, seront également affichées,parfois en courant continu pour êtrelisibles même à l’arrêt du groupe.

4.8. Les ouvrageshydrauliquesd’amenée etd’évacuation d’eau

4.8.1. L’AMENÉE D’EAU

Pour amener l’eau, il faut d’abord ladériver, ce qui se réalise en barrant larivière ou en utilisant un seuil rocheuxexistant et en captant l’eau en amont.Situé en pleine rivière, le barrage peutsubir des efforts importants en cas decrue ou être dangereusement con-tourné. Il importe, par conséquent,d’en limiter la hauteur, donc la fragi-lité, dès que la chute possible par lapente du cours d’eau dépassequelques mètres. En effet, dans depetites puissances, on ne peut paspayer d’études avancées.Ainsi, quand les fondations sont dou-teuses, est-il préférable de préleverl’eau en tablant sur la largeur de laprise plutôt que sur sa profondeur.D’autant que les rivières, qui charrientterre et graviers, vont régulièrementcombler les creux artificiels.De nombreuses solutions rustiquesexistent (voir bibliographie) et il peutêtre instructif de voir les réalisationseffectuées dans la région, en matièred’irrigation, par exemple, pour ren-forcer des berges de canal. À l’est duZaïre, des pieux en bois pratiquementimputrescible sont utilisés. Quelle que soit la solution envisagée,un entretien est nécessaire et degrosses réparations ne sont pas àexclure.

4.8.2. L’ENTRÉE D’EAU

Pour l’entrée d’eau, plusieurs erreurs,malheureusement banales, sont àéviter :- il ne faut pas céder à l’illusion de

récupérer de l’énergie en la plaçantsystématiquement dans le sens ducourant, mais il faut penser auxapports désagréables de corps flot-tants ou de gravier dus aux crues ;

- il n’est pas pertinent de raisonnercomme si un barrage et une prised’eau de petites dimensions étaientidentiques à de grandes réalisationsdont on aurait simplement réduit lesmesures. Par exemple, là où unhomme peut dégraver le barrage enquelques heures à la pelle, il estinutile de prévoir de vanne de


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Turbine Francis (100 kW sous 25 m) et générateur asynchrone (France).


dégravage, susceptible de plusd’affaiblir la structure de l’ouvrage ;

- enfin, pour isoler le départ de l’eau,si la manœuvre est rare, une vraievanne peut être évitée. Alors quedans une prise soumise à des crues,il est préférable de ne pas faire tran-siter trop d’eau (qui peut, en plus,transporter des éléments solides)par le canal. Il vaut donc mieux dis-poser d’un moyen de limiter le débitentrant, telle une vanne rustique, parexemple.

Le choix entre canal ou conduite, oules deux, n’est pas simple, mais lecontexte local dicte parfois la ré-ponse : la nature du terrain (trop dur,rocheux, ou trop instable et nonétanche comme des pentes raides de détritus volcaniques) peut éliminerle canal. Toutefois, il est utile de rappeler quel’hydraulique des canaux ne corres-pond qu’en partie au raisonnementintuitif suivant : la surface de l’eau esten pente quand le canal débite, maiselle redevient horizontale à l’arrêt, etles déversements, alors possibles,détruisent rapidement des parois en terre. Il faut donc localiser ces déverse-ments dans une zone adaptée, y com-pris du point de vue des riverains.

Les conduites ont aussi leurs incon-vénients : coup de bélier (voirannexes, § 1.3.), transport, mise enplace et entretien.Les matières plastiques, plus légères,induisent de faibles pertes de charge,mais le raccordement des élémentsest assez technique. C’est cependantsouvent la bonne solution pour lesfaibles diamètres. À l’arrivée à la turbine, la conduitedoit être strictement immobiliséepour éviter que, par dilatation ouretrait, elle ne dérègle l’alignementdes paliers de la turbine. On peututiliser des joints de dilatation, à

condition d’empêcher le déboîtagedes tuyaux. Une vanne de pied, sou-vent manuelle en petites puissancesfacilitera grandement l’entretien de laturbine et servira aussi d’arrêt desecours. Si la turbine ne comporteaucun organe coupant le débit, lavanne devra alors être automatique,et son fonctionnement sera inclusdans les séquences de l’automatisme.

L’entrée d’eau dans la conduite doitêtre protégée par une grille dont l’es-pacement des barreaux ou le dia-mètre de perçage – s’il s’agit de tôleperforée – doit être demandé au tur-binier. Son nettoyage doit être prévuet, pour 100 kW déjà, par exemple, ilest raisonnable de se poser la ques-tion de son automatisation. Et si laprise est éloignée des habitations,même pour de petites puissances, onn’aura pas la certitude de la continuitéd’un nettoyage manuel. Pour defaibles débits, ne pas hésiter à surdi-mensionner la grille, si le transport dematériel sur le site n’est pas trop oné-reux. En site rocheux et peu boisé, lesgrilles inversées ont fait leurs preuveset quelques grilles en matière

plastique ont été installées pourréduire la formation de cristaux deglace (“sorbet”) en zones froides.

4.8.3. L’ÉVACUATIONDE L’EAU

À la sortie de la turbine, l’eau doitrejoindre la rivière. Le canal de fuiteest généralement court, mais l’im-portant est que la centrale ne soit pasaffectée par les crues et que l’accès enreste possible et, de préférence, facile.Il est souvent creusé dans le terrainnaturel. Dans le cas de turbinesimplantées très bas, il doit pouvoirêtre isolé de la rivière, généralementprès du bâtiment, pour permettre devider l’eau de la partie basse et réali-ser certains travaux d’entretien. L’évacuation des fuites éventuellesvenues de la turbine ou de l’eau avalpour les centrales implantées bas,doit être prévue par l’installation depompes d’exhaure avec signalisationen cas de non-fonctionnement.

4.9. Les turbines disponibles sur le marché

4.9.1. DE 0,5 À 2 OU 3 KW

Courant alternatif ou continu ? Laquestion se pose. Pour les très petitespuissances, on peut se demander siune solution simple et rustique ne se-rait pas la charge de batteries, à vitessenon contrôlée de la turbine, à traversdes diodes comme dans une régula-tion de tension de type automobile,puis le recours éventuel à un onduleur,en cas d’applications en alternatif. Onpeut en effet bénéficier de l’expériencedu solaire et utiliser des matérielsdomestiques en courant continu quisont, de plus, économes en énergie. Il existe certainement des matérielsélectromécaniques complets, mais, àmoins de quelques kW, peu sont réali-sés de façon vraiment industrielle etpérenne pour tous les types de chute. Il sera utile, soit de rechercher desmatériels plus puissants, mais réglés àfaible débit, donc de rendement plusfaible et de coût plus élevé, soit d’en-quêter sur d’éventuelles constructionslocales ou de s’informer sur ce qui aété utilisé dans des réalisations demême taille.


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Éclatement de conduite lié à une pénétration insuffisante de soudure.

Bâtiment turbine et évacuation de l’eau turbinée (Laos).


En Chine et dans les pays du Mékong,il existe des petits groupes turbines-générateurs, plus ou moins rustiquesdont certains, en forme de coude, àraccorder à de petites conduites,produisant à la fois 110 ou 220 V enalternatif et 12 V en continu. Maisattention à leur fiabilité et à la sécu-rité des opérateurs !

En petite puissance, tout est possibleau stade du bricolage, y compris l’uti-lisation de courants d’eau rapides,mais il faut s’assurer que les utilisa-teurs assumeront les petits inconvé-nients qui en résultent. Sans dénier l’intérêt ponctuel de cettedémarche et l’ingéniosité des opéra-teurs locaux, ces solutions ne corres-pondent pas à l’esprit qui prévautaujourd’hui, visant, au contraire, lemontage de projets viables techni-quement et financièrement, en vued’un accès durable à l’énergie etd’une multiplication des opérations.

4.9.2. DE 3 À 20 OU 30 KW

Trouver des équipements, surtout enchutes moyennes ou hautes, est, dansce cas, plus simple. Le même cons-tructeur fournit l’ensemble du maté-riel électromécanique : turbine, géné-rateur électrique en courant alternatifet régulation de fréquence et tension.

Le courant monophasé est souvent laseule possibilité offerte. Autour de 30 kW, du triphasé – utile si desmoteurs triphasés sont à alimenter –peut être disponible, mais il faut serappeler que la bonne utilisation del’énergie est plus difficile en triphasé,car il faut répartir les consommationssur les trois phases, chacune d’elleconstituant une limite, à cause de sonéchauffement. Le constructeur doitégalement être informé du déséqui-libre maximal, entre phases, que lamachine doit supporter transitoire-

ment ou en permanence. Dans cettegamme de puissances, il est possiblede transformer du triphasé en mono-phasé et inversement, moyennant unprix plus élevé et une petite perted’énergie.Sauf dans de rares cas, où un stoc-kage journalier doit être réalisé pours’adapter aux pointes de consomma-tion malgré un trop faible débitmoyen, la turbine fonctionnera à débitconstant, même si un réglage ponc-tuel permet une adaptation au débitdisponible, et la régulation de fré-quence (vitesse) s’effectuera par absorption d’énergie.

4.9.3. DE 30 À 300 KW

La petite centrale prend alors unaspect quasi industriel et il est utile derechercher des précédents, si possibledans le même contexte géographique

et climatique, faute de quoi, il fautpouvoir visiter des installations simi-laires à l’étranger, en tentant d’y asso-cier de futurs utilisateurs. Dans cette gamme de puissances, ilest possible que le constructeur de laturbine fournisse l’ensemble élec-trique complet : générateur, régula-tions et automatisme. Mais ce n’estpas toujours le cas. Il faut alors êtrecapable d’assurer les interfaces et la rédaction des consultations etcommandes.Dans la zone des faibles puissancesde cette gamme, il peut être difficilede trouver l’un ou l’autre type de tur-bine. Les solutions proposées peu-vent être de conception totalementdifférente d’un constructeur à l’autre,surtout en basses chutes : parexemple, une turbine Kaplan ensiphon inclinée construite en méca-nosoudure ou, au contraire, uneturbine Kaplan verticale classique,


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Petite turbine Kaplan en coude, avec grille d’entrée et générateur sous capot (10 kW).

Roue Pelton montée sur son arbre (400 kW).

Turbine Kaplan verticale (12/15 kW) avec générateur vertical entraîné par une courroie.


Pour détecter les problèmes àl’avance dans des techniques et descomposants aussi divers, il faut unsolide niveau de généraliste. Ce quisous-entend que ce généraliste ait unbon réseau de relations avec desspécialistes.

Il faut aussi procéder avec méthode,c’est-à-dire que, dès la toute premièreétape du projet, on doit avoir envisagétous les éléments et composants del’installation, depuis la législation et laconnaissance des inventaires ou pro-jets de la région, jusqu’à la distributionet la consommation de l’énergie.Sans être étudié en détail, chaquechapitre doit figurer et faire l’objetd’une appréciation au moins qualita-tive. Si l’avant-projet détecte quel’amenée d’eau est une questioninquiétante, que ce soit par sa diffi-culté ou son coût, il n’y a pas lieu decommencer à détailler l’équipementde la prise d’eau et de la centrale tant

que l’on n’a pas éclairci ce point parune étude partielle plus approfondie.Cela remet un peu en cause l’éche-lonnement des niveaux traditionnelsd’étude : avant-projet sommaire, etc.,qui gagnerait, dans les petites puis-sances, à être remplacé par une visitede diagnostic global rapide. Celui-ciserait complété ensuite par un appro-fondissement des points repéréscomme des verrous possibles lors del’étape initiale. Inutile de dire l’intérêtde regrouper plusieurs diagnostics aucours d’un même voyage.Un tel processus a fait découvrirqu’un site envisagé, idéal à de nom-breux points de vue pour une petitepuissance (sauf une ligne électriqueun peu longue), faisait partie d’un pro-gramme beaucoup plus ambitieux,figurant sur l’inventaire réalisé gra-tuitement par un pays européen. La réalisation d’une centrale de 100 à200 kW aurait pu être jugée commepréfigurant l’abandon du grand pro-

gramme. Après contact avec le prin-cipal ministère concerné, il a étéconfirmé qu’il n’aurait pas eu lesautorisations nécessaires

Par ailleurs, l’isolement et le coût d’ac-cès de certains sites doivent stimulerl’imagination. Le béton est lourd, doncles solutions valables en pays indus-trialisé ne le sont pas toujours dansd’autres contextes.Enfin, toute étude d’exécution doitdéfinir pour les fournisseurs lesséquences détaillées de fonctionne-ment ainsi que la liste des capteursindispensables au fonctionnement età la sécurité. La séquence de démar-rage sans énergie électrique, cas fré-quent et toujours possible lors d’unepanne de batteries, par exemple, doitêtre analysée avec attention. Les constructeurs européens de maté-riel ne pensent pas spontanément, eneffet, à cette situation de “black start”.Il faut aussi préciser clairement les

impliquant un génie civil plus impor-tant, la machine elle-même étantmoins chère. Dans le haut de gamme de puis-sances, il peut y avoir de sensibles dif-férences de prix pour des machinesde description analogue, selon qu’ils’agisse d’un bas de gamme de grosconstructeur ou d’un sommet degamme de petit constructeur. Danstous les cas, l’examen de référencespeut être un élément important dedécision.

4.10. Autres possibilitéspour trouver des turbines

En Europe et quand l’utilisateur estprivé ou très libre de ses choix, on uti-lise volontiers, pour des puissancesde quelques dizaines de kilowatts, dumatériel d’occasion, que l’on achète

après ou avant rénovation,selon ses propres capacités.Cette solution ne s’appliquemalheureusement pas auxpays en développement, dansle cadre de financementsd’aides au développement.En effet, dans la gamme depuissances considérée, lesturbines hydrauliques ontune grande durée de vie, etleur mécanique n’exige pasde compétences étrangères. On peut citer une commu-nauté religieuse qui a installéune turbine d’occasion réno-vée, d’une trentaine de kilowatts, profitant d’un voyage en France del’un de ses membres. Celui-ci a lui-même démonté, remonté puis dé-monté à nouveau, pour expédition, laturbine fournie par un mécanicien spé-cialisé, avec l’aide et les conseils decelui-ci. L’opération a réussi et a per-mis l’irrigation de nouvelles rizières. Les turbines Banki-Cross-Flow de

puissances déjà importantes sontconstruites à travers le monde. Pourle moment, les fournisseurs ne sontpas systématiquement répertoriés niévalués Il est certain que si les instal-lations se prêtent à une certaine répé-titivité locale, la mise en selle d’unatelier local présenterait un grandintérêt pour l’entretien futur.


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C’est volontairement que figurent ici les diverses étapes d’étude qui, normalement,précèdent la partie technique. Car, ce n’est qu’après avoir pris connaissance de lacomplexité des travaux et du fonctionnement d’une installation hydroélectrique, quel’on situe le mieux le rôle fondamental des études en petite hydroélectricité.

5. Les études

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Roue Francis de vitesse spécifique (environ 150).


limites de chacun aux interfaces (lesens de rotation du générateur et lavitesse d’emballement qu’il doit pou-voir supporter, par exemple, qui four-nit les boulons d’assemblage de lavanne de pied à la conduite...). Cela suppose la capacité d’imaginerles opérations qui se réaliseront sur lechantier, en dépit des spécificités dechaque site.

QUELQUES INFORMATIONSSUR LES SYSTÈMESHYBRIDES

Lorsque la turbine seule pourvoit leréseau, surtout si elle est alimentéepar une longue conduite, sa rapiditéde réaction est nettement inférieure àcelle des moteurs Diesel. Les écartsde fréquence transitoires sont plusimportants et il est prudent d’en aver-tir les usagers pour qu’ils s’attendentà cette différence.La configuration d’un couplage hydro-électricité/groupe électrogène peut êtreenvisagée, au montage d’un projet, enpériode d’étiage ou en cas d’usagesmultiples de l’eau, dans les puissancesdéjà élevées, puis si le développementlocal nécessite une augmentation de ladisponibilité électrique.

Dans le cas d’un couplage du groupeturbine avec une centrale Diesel exis-tante, la technique devient plus com-

plexe et la mémoire des opérationsnécessaires est presque perdue, par-ticulièrement en Europe.

Les principales conditions de compa-tibilité des régulations sont les sui-vantes : - les régulations de vitesse (turbine et

Diesel) doivent être “avec statisme”ou bien la centrale hydraulique doitfonctionner “au limiteur d’ouver-ture”, notions qu’il n’est pas pos-sible de résumer (sinon en disantqu’il s’agit de répartir la puissance àfournir entre les groupes) ;

- les régulations de tension doiventêtre prévues pour la “marche enparallèle” (partage de la fournitured’énergie réactive entre les diversgénérateurs).

L’intérêt économique est normalementde produire le maximum d’énergied’origine hydraulique puisque le “com-bustible” est gratuit. On utilise pour cela la “marche au limi-teur d’ouverture” : le régulateur devitesse (fréquence) de la turbine, régléà une valeur de consigne un peu supé-rieure à celle des Diesel, tend à ouvrirla turbine (ou à libérer de l’énergie pourles turbines à débit constant et à régu-lation par absorption sur résistances). Cette ouverture est toutefois limitéepar un réglage annexe, le limiteurd’ouverture, actionné manuellementou, mieux, lié automatiquement au

débit disponible dans la rivière. Toute l’eau est ainsi consommée, et leou les Diesel font l’appoint. Si laconsommation baisse au-dessous dela puissance hydraulique disponible,la fréquence monte un peu (jusqu’à laconsigne de la turbine), puis, si néces-saire, la turbine se ferme pour s’entenir à sa consigne de vitesse. Les moteurs Diesel tournent alors àleur minimum de puissance. Peut-êtrefaudra-t-il les déconnecter ou réduirela consigne du limiteur de la turbinepour leur redonner un peu de charge.En cas de disjonction importante ougénérale, le régulateur de la turbineréagit normalement pour la ramenerà la marche à vide, le limiteur d’ou-verture n’agissant que dans un sens.Il est ici utile de rappeler que pourcoupler entre eux des groupes com-portant des alternateurs, il faut définircelui qui démarre le premier et met la ligne de liaison sous tension. Les autres seront ultérieurement synchronisés manuellement ou automatiquement.Enfin, si la part des Diesel dans la pro-duction est importante et s’ils ne doi-vent jamais s’arrêter, le générateur dela turbine peut être asynchrone. Il secouple alors plus simplement et n’apas besoin de régulation de vitesse nide tension, seulement de condensa-teurs de compensation du réactifconsommé. Mais il ne peut pas fonc-tionner seul.


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Groupe Pelton et générateur à axe vertical (10 kW) en Guyane.


La première mission sur site comptebeaucoup. Sa préparation, depuis lebureau d’études ou le service con-cerné, doit faire l’objet d’une véritablesimulation préalable, sans précipita-tion. Cela permet en particulier deposer de nouvelles questions à dis-tance, avant le départ de la mission,d’envisager les rencontres souhaitéesen tenant un calendrier qui sera validélocalement (fêtes, absence de respon-sable administratif…).Le matériel et l’équipement à empor-ter sont ainsi mieux définis (il fautpeut-être marcher six à huit heurespour atteindre le site). Le risque debagages perdus dans les transportsdoit être prévu afin de ne pas man-quer du matériel indispensable et dif-ficile à trouver sur place.Cette préparation a aussi pour but defaire informer à l’avance, par les cor-respondants locaux, aussi bien lesadministrateurs à rencontrer que lesfuturs usagers. Et déjà de faire en

sorte qu’un espoir compréhensibled’amélioration ne se transforme pasen un rêve qui serait nécessairementdéçu, au moins en partie.

Ainsi qu’il a déjà été dit, la détectionpréalable des points cruciaux per-mettra d’y consacrer plus de temps,sans contourner la règle du tour d’ho-rizon complet.Il est nécessaire de ne pas oublier dese renseigner sur l’origine des appa-reils électriques qui seront utilisés.Cela peut déterminer la fréquence etla tension du générateur de la centraleainsi que la vitesse de la turbine. La connaissance de l’existence et del’extension éventuelle d’un réseauélectrique voisin, auquel il faudra être capable de se raccorder un jour,est utile.Au retour, le rapport comportera unchapitre, proportionnel à l’importancede l’étude, où le fonctionnement seraévoqué, avec ses contraintes, ses

limites (débit du cours d’eau…), sesséquences de base, les pannes pos-sibles ainsi que les interventions et lespériodes d’entretien.

Les cahiers des charges ne doiventpas être une copie conforme de ceuxdu matériel européen. La fiabilitél’emporte, ici, sur le rendement ou sur la nouveauté technique, n’endéplaise à certains interlocuteurslocaux informés. S’il s’agit de matériel conçu pour l’Eu-rope, par exemple, il est impératif defournir au constructeur les élémentsqu’il ignore et dont il doit tenir compte(poids ou dimensions pour la divisionen sous-ensembles, accessibilité desréglages sur place, notices, rechangestenant compte des réalités locales,retouches de peinture, outillage spécialou adapté, conditions de températureet hygrométrie, zones à réchauffer).Il faut penser au matériel de visite dugroupe (moyen de bâtardage et de vidange si une partie du matérielest sous le niveau aval, moyens de levage, tampons d’accès pour exa-men ou nettoyage interne. Ne pasoublier le matériel de contrôle spé-cialisé (par exemple, mesure d’isole-ment des bobinages de générateur outransformateur). L’expérience montre aussi que les dé-faillances des composants électro-niques se produisent souvent dans lespremières heures de marche. Il estdonc nécessaire de faire tester tous lescomposants en usine, chez le cons-tructeur, et de laisser sous tensiontous ceux qui peuvent l’être. Par ailleurs, le choix des pièces de re-change et la mise en place d’un circuitcourt d’approvisionnement ultérieurest absolument nécessaire pour éviterune rupture du service électrique. On peut en avoir besoin dès la miseen service.L’incertitude, qui pèse généralement


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À chaque étape de la réalisation, anticiper sur le déroulement des opérations, en s’appuyant sur la collecte et la circulation de l’information, constitue l’une des clés dela réussite d’un projet.

6. Conclusion :les principales conditions

d’un succès durable

Arrivée de l’alimentation gravitaire, bassin décanteur et départ conduite (Pelton, Guyane).

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sur le débit, conduit à éviter les tur-bines à débit fixe. Si l’on installe uneturbine hélice, il est prudent d’exigerque la roue ne soit pas monobloc etque les pales puissent être régléesultérieurement, même si cela impliqueun certain travail de démontage etremontage. Des cas réels sont connus où, à lamise en service, des groupes à débitfixe vidaient la rivière et où la seulesolution était d’arrêter et d’attendreune nouvelle roue débitant moins, enprovenance d’Europe.

Attention aux notices faites pour ceux“qui savent”. De gros classeurs sontsouvent inévitables, mais lorsqu’unepage comporte dix variantes possiblesdu composant, celle qui est utiliséeest-elle bien mise en relief ?Se rappeler que la qualité d’un bétoncoulé en zone difficile n’atteint pas for-cément celle qu’on a normalement àl’esprit. Limiter les soudures sur placeà des matériaux très facilement sou-dables, car les très bons soudeurs sonttrès demandés et peuvent être indis-ponibles en cas de besoin.

Sur place, la période de démarrage,voire de montage, est à effectuer avecla participation des futurs opérateurset chargés d’entretien. Un temps d’ac-

compagnement doit tenir compte dela pratique et des connaissances théo-riques de ce personnel. Des complé-ments réalisés sur place ne sont pas ànégliger – des photos montrent mieuxque la notice ne le fait.

Porter une attention particulière à lasécurité des personnes lors des pre-miers essais. La connaissance du dan-ger, surtout en présence d’une ligneélectrique à tension élevée par untransformateur ne vient que par lasuite.Une ligne à 30000 V a été mise invo-lontairement sous une tension de1000 à 3000 V en testant la fermeturedu disjoncteur de départ, en condi-tions réelles de marche, groupe tour-nant, bien que l’excitation de l’alter-nateur ne soit pas alimentée, parsécurité. Le responsable des essaisavait négligé le fait que la tension rési-duelle correspondant au magnétismerémanent, faible et non dangereuse,pouvait, multipliée par le transforma-teur, devenir mortelle. Or, l’annoncede la mise sous tension de la lignen’avait pas encore été faite.

Inévitablement des questions vien-dront un peu plus tard : envisager unprocessus de liaison, en particulier, detransmission de croquis explicatifs.

À cet égard, Internet a ouvert de nou-velles possibilités.De plus, tout retour d’expérience serale bienvenu, surtout si c’est à l’occa-sion d’une visite après des mois oudes années, et si le visiteur est dumétier (sinon, demander des photos).Il est très rare que des budgets soientspécifiquement consacrés à cette col-lecte d’informations. Il n’y a pas debanque de données correspondante.Citons, pour rire un peu, un systèmede vanne automatique de tête deconduite forcée qui a été reproduit à l’identique pour d’autres sites« puisque le premier n’avait pas faitd’ennui». Quelques années après, ona appris que le prototype n’étaitjamais arrivé à destination, mais quepersonne ne s’en était soucié, puisquel’installation fonctionnait sans cela.Mais les suivants ont bien marché,malgré la référence sans valeur.Enfin, il est judicieux de prévoir unepetite réserve financière pour traiterles imprévus ultimes, ceux qui n’ap-paraissent qu’en exploitation et quipeuvent surprendre même les hydro-électriciens chevronnés.

L’hydroélectricité bien installée etcorrectement entretenue dure long-temps et peut générer une puissanceimportante.Si le “combustible” est gratuit, la con-naissance du débit, valeur moyenneet variations est une question impor-tante. L’investissement est élevé, etpourtant 10 % de plus que la solutionde base peuvent souvent permettreun saut qualitatif en ce qui concernel’efficacité d’utilisation.Il est utile que les usagers soient dis-posés à fournir un peu “d’huile decoude” pour le fonctionnement (net-toyage de grille, dégravage) et l’en-tretien.La préparation de la première visite,puis la conception de l’installation etla passation des commandes néces-sitent des acteurs généralistes “àlarge spectre”, dont la pratique soitsuffisante pour qu’ils restent mo-destes devant le nombre et la variétédes facteurs à prendre en compte.

Moins on rêve, à tous les niveaux,plus on informe et associe les usagersdès le début du projet, mieux celamarchera !


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Canal creusé dans le sol naturel pour amener 500 litres par seconde.


1. Complémentstechniques

1.1. VITESSE SPÉCIFIQUE

Dans de nombreux cas, en Europe, lesturbines hydrauliques ont remplacéles roues de moulin et cela a com-mencé voilà un siècle et demi environ.Mais les turbines ne sont pas un per-fectionnement des roues. Ce sont desmachines totalement différentes, quitransforment l’énergie hydraulique en énergie mécanique d’une autrefaçon : quelque part, soit à l’entrée dela roue, soit à sa sortie, cette énergiepotentielle est totalement transforméeen énergie cinétique. C’est la combi-naison de cette vitesse maximale dufluide et de la vitesse de rotation de laroue, pour obtenir une résultante devitesse absolue, la plus petite possibledans l’eau rejetée (donc très peud’énergie cinétique, mesurée parV2/2g, dans cette eau rejetée), qui per-met de récupérer la différence, soitl’essentiel de l’énergie initiale, surl’arbre qui porte la roue.La vitesse de rotation est donc un troi-sième paramètre fondamental, quis’ajoute à la hauteur de chute et audébit. Pour limiter la complication qui résultede la prise en compte de ces trois fac-teurs, les constructeurs de turbinesont élaboré très tôt une combinaisonreprésentative de ces trois facteurs, la“vitesse spécifique” ou “ns”.Ce repère a pour principal avantage

que deux turbines de même ns sontgéométriquement semblables et quedes lois de similitude permettent,connaissant les propriétés de l’une, dedéterminer les propriétés de l’autre.ns = n en tr/min x(puissance en CV)^(1/2)/H en m ̂ (5/4)

Si nous reprenons les trois turbinescitées précédemment et si nous cal-culons les ns, en supposant pour sim-plifier que le rendement soit de 80 %dans les trois cas et en tenant comptedes pertes de charge dans les deuxpremiers cas, les résultats sont lessuivants :- turbine Pelton : 20 ;- turbine Francis : 212 ;- turbine Kaplan : 790.Ce n’est pas un nombre sans dimen-sion, et la puissance fait intervenir lerendement de la turbine. Malgré cesinconvénients, l’usage s’en estrépandu. On peut utiliser la puissanceen kW, mais il faut le préciser, car lerésultat est alors différent.Jusqu’à ns 30 ou 33 la turbine seraune Pelton à un jet. On trouvera lalimite des Pelton à six jets autour de70/75, ce qui se raccorde aux turbinesFrancis dites “lentes”. Puis, à partirde 300, début de la zone des Francisrapides, apparaîtront les turbinesKaplan de hautes chutes, à huit pales,pour aboutir, en passant par les rouesà quatre pales très classiques dens700 à 900, à des roues à trois palesde ns pouvant atteindre 1 200 etmême 1300, mais rarement utiliséesen petites puissances.

Il y a des zones de recou-vrement entre Francis etKaplan. Les Banki cross-flow recouvrant la zone desPelton multijets et les Fran-cis plutôt lentes.Diverses propriétés sontliées au ns, sans citer touten détail, disons qu’uneFrancis de grand ns (300,par exemple) turbine moinsbien les débits partielsqu’une de faible ns (100,par exemple). On le voit surl’un des graphiques.

Elle sera aussi plus sensible à la cavi-tation, aura une vitesse d’emballe-ment plus élevée et son débit aug-mentera avec sa vitesse. En revanche,pour des chutes peu élevées, commeelle tournera plus vite, elle permettraparfois l’attaque directe du généra-teur.Les limites sont, quoi qu’il en soit,approximatives et dépendent dusavoir-faire ou des habitudes duconstructeur. Enfin, le repère queconstitue le ns n’est pas utilisé danstous les pays.

1.2. CAVITATION

Dans le domaine considéré ici, ce phé-nomène ne concerna pas les turbinesà action : Pelton, Banki-Cross-Flow,Turgo.La cavitation peut se produire danstout écoulement de liquide. Elle est lerésultat de l’apparition, puis de la dis-parition de bulles de vapeur provo-quées par une dépression locale dansl’écoulement. Elle a été particulièrement étudiée, etdepuis longtemps, dans les turbineshydrauliques, car la zone où les bullesse résorbent est l’objet d’une attaquequi altère le métal en le rendant loca-lement poreux.Les aubages de roues de turbine (voirphoto), les parties fixes entourant cesroues, sont particulièrement exposés.Un critère, couramment appelé“sigma de cavitation”, caractérise lasituation de l’écoulement par rapportau risque. Il montre que, plus ladépression moyenne est élevée etplus la hauteur de chute est grande,plus grand est le risque. On lecompare au sigma limite que peutaccepter la turbine considérée et au métal soumis au risque (la fonteest plus sensible que l’acier ou lecuproaluminium, alors que les aciersà 13 ou 17 % de chrome sont les plusrésistants).À hauteur de chute égale, les turbinesy sont d’autant plus sensibles que leurvitesse spécifique est élevée etqu’elles sont installées haut par rap-port au niveau aval.


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Annexes

Nette cavitation répétitive sur l’extrados d’aubages à la sortie de la turbine Francis.

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Il existe des normes internationalessur les garanties que donnent lesconstructeurs sous forme de perteannuelle de métal, à lire attentivementsi les constructeurs s’y réfèrent carelles peuvent conduire à des travauxd’entretien trop fréquents.La cavitation peut faire baisser le ren-dement, si elle est très poussée, maiselle peut détériorer gravement lematériel, à la longue, sans que celasoit apparu sur les performances.L’oreille, elle, permet d’en situer leniveau de façon très convenable, pourles connaisseurs, bien sûr.

1.3. COUP DE BÉLIER

Le coup de bélier concerne les écoule-ments en conduits fermés, de quelquenature qu’en soient les parois et laforme géométrique.Il s’agit d’une variation de pression liéeà un changement relativement rapidedu débit transité. Assez généralementc’est une surpression, déclenchée parla fermeture d’un organe contrôlant ledébit, par exemple directrices de tur-bines Francis, ou pointeau de Pelton,ou vanne de pied de conduite. Plu-sieurs oscillations de pression peuvents’ensuivre, à moins que le matérieln’ait pas résisté au premier choc.Ce phénomène assez complexe, carrésultant du cumul d’ondes de sur-pression et de dépression, et ne se pro-duisant généralement pas lors de lacoupure du débit maximum possible,ne sera pas étudié en détail ici, puis-qu’une formule simple permet de semettre à l’abri des surprises, même sil’on n’est pas vraiment informé. Sonseul inconvénient est, dans certainscas peu courants, d’accroître inutile-ment la sécurité.Cette formule appelée “pic deMichaud”, donne en mètres d’eau lasurpression maximale possible : Delta H = 2 x L x V/g/t, L étant la lon-gueur de la conduite en mètres, V lavitesse maximale en mètres parseconde, g l’accélération de la pesan-teur soit 9,81m/s2, t le temps total, ensecondes, de fermeture depuis lapleine ouverture (avec l’hypothèse

d’une coupure linéaire du débit).Dans la pratique, on admet commelimite acceptable de surpression envi-ron 20 à 30 % de la hauteur statique,et cela permet de déterminer le tempst de fermeture linéaire.Rappelons que la pression de calculde la conduite forcée doit intégrercette surpression comme valeur nor-male de fonctionnement, les coeffi-cients de sécurité et de pression d’es-sai devant être appliqués au totalpression + surpression.Remarquons sans le détailler que,paradoxalement, on utilise dans laformule la vitesse maximale de l’eauet de temps total de fermeture, alorsque la surpression maximale ne seproduit que rarement pour cesvaleurs. De plus, on constate que lanature de la conduite n’intervient pasdans cette formule, mais, en appro-fondissant, on voit qu’elle intervientpour la détermination des conditionsqui produisent ce pic de surpression. Ce pic se produit en effet pour la cou-pure totale, effectuée linéairement,d’un débit partiel, tel que le temps de coupure soit égal au temps d’aller-retour de la première onde desurpression.Pour affiner un peu, disons que, si letemps d’aller et retour des ondes depression dans la conduite était plus

grand que le temps total de fermeturelinéaire, la surpression ainsi calculéeserait exagérée. Ce n’est pas courantet pourrait peut-être se produire pourde longues conduites en matière plas-tique. On utiliserait alors un autrecalcul.Ne pas oublier qu’une vanne de pied,vanne papillon par exemple, ne coupepas linéairement le débit, mais essen-tiellement dans le dernier tiers.Compte tenu des effets hydrodyna-miques qui tendent à accélérer la fer-meture lorsque la vanne coupe ledébit, par rapport à la fermeture eneau morte, cela conduit à multiplier letemps t calculé par le pic de Michaudpar environ 5 pour définir le temps defermeture de la vanne en “eau morte”.Dans le cas d’une turbine Pelton utili-sée jusqu’au maximum possible d’ou-verture, la coupure du débit n’est paslinéaire non plus, il sera prudent demultiplier par 1,8 le temps total cal-culé par la formule. Divers dispositifspeuvent écrêter les surpressionsinévitables (par exemple, pour cellescausées par une turbine Francis defaible ns lorsqu’elle s’emballe, onpourra installer une soupape antibé-lier ou un volant d’inertie), d’autrespeuvent protéger des surpressionsaccidentelles (disque de rupture engraphite…).


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Barrage pour turbine Pelton (12 kW) réalisé par de la main-d’œuvre locale (Thaïlande).

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2. Quelques pointsparticuliers à prendreen compte

2.1. ZONES TRÈS FROIDESOU TRÈS CHAUDES,ALTITUDE, HUMIDITÉ

En altitude et en pays tempérés, il estnécessaire de penser au gel : “sorbet”dans les grilles, débit à conserver àl’arrêt dans les conduites et turbines.Pour les générateurs, signaler au four-nisseur les températures extrêmesainsi que l’altitude (densité de l’air derefroidissement). Mais la températuretrop haute ou trop basse peut aussimenacer les composants électro-niques ou informatiques.Signaler aussi l’humidité, penser àl’effet de zones froides où il y acondensation. À l’arrêt, on n’alimenteplus les résistances de réchauffageque le constructeur européen a puprévoir. Au redémarrage, séparer lesphases, dans le cas de triphasé, mesu-rer l’isolement des bobinages entreeux et aussi par rapport à la masse.S’il est trop bas par rapport aux pré-conisations du constructeur, ventilerle générateur en le faisant tournersans excitation et en chauffant l’en-trée de l’air, si possible.

2.2. COURANT ALTERNATIFET INTENSITÉ RÉACTIVE

Comme dit précédemment, les géné-rateurs sont limités par l’intensitétotale qui parcourt l’induit. La compo-sante d’intensité réactive peut provo-quer des pannes. Ce peut être le casde démarrage de moteurs de puis-sance importante comparée à celle du groupe. On peut adjoindre des con-densateurs, mais l’appel de courantau démarrage peut provoquer deschutes de tension que la régulation ne compensera pas, si elle n’est pasadaptée. Alors, des appareils auxi-liaires peuvent provoquer des défauts(relais ou contacteurs qui retombentou battent, appareils de contrôle

qui affichent des défauts erronés). De longues lignes présentant, parexemple, un fort effet capacitif peu-vent aussi surcharger le générateur enintensité, mais le fournisseur du géné-rateur ne réagira que s’il a l’informa-tion sur le réseau et s’il n’a pas perdul’expérience correspondante.

2.3. CONSÉQUENCES DESHARMONIQUES ENCOURANT ALTERNATIF

Lorsque la sinusoïde de la tensionalternative présente des défauts vi-sibles à l’oscilloscope, ceux-ci corres-pondent à la présence d’harmoniquesà fréquence plus élevée. Des analy-seurs de réseau peuvent qualifier etquantifier ces harmoniques. On a vu que beaucoup d’appareilscourants en Europe, tels les ordina-teurs, s’en accommodent assez bien,mais il est bon d’avoir une estimationde ces harmoniques pour informer lesfournisseurs d’appareils électroniquesou informatiques spéciaux, s’il y alieu. Il faudra aussi leur faire part dessurtensions ou sous-tensions transi-toires, liées aux prises de charge oudélestages. Des matériels plus rustiques, mo-teurs, électros ou selfs peuvent tra-duire ces harmoniques en vibrationsde fréquence un peu désagréable,même si leur fonctionnement s’enaccommode.

2.4. “VIEILLISSEMENT”DES TURBINES

Ce terme, propre aux turbiniers, nerecouvre pas la notion d’usure, maisde baisse de puissance qui peut se pro-duire après quelques heures ou joursde fonctionnement à régime constant.Ce phénomène, lié à l’accumulation defeuilles et brindilles sur des partiesfixes ou mobiles, mais aussi à l’effetd’éléments plus petits – peut-êtremême de petites bulles d’air accro-chées à des endroits sensibles –,affecte différemment les divers typesde turbine.

Les turbines Banki-Cross-Flow, oùl’eau qui sort de la roue entraîne versl’aval les feuilles qui ont pu s’y collerà l’entrée, y sont peu sensibles demême que les roues, bien balayées,de turbines Pelton. Mais les injecteurspeuvent s’obstruer malgré la protec-tion des grilles. Les turbines Francisde vitesse spécifiques élevée y sontplus sensibles, mais les petites rouesFrancis de basse vitesse spécifiquepeuvent carrément s’obstruer à la sor-tie, partie la plus étroite. Les petites turbines Kaplan à distri-buteur fixe y sont très sensibles, etencore plus si la roue est une hélice(c’est-à-dire à pales non réglables).Il est donc prudent de prévoir des“trous de main” facilement acces-sibles et démontables pour nettoyer,si nécessaire. Chaque fois que l’onaura la possibilité de provoquer desmouvements de distributeur, de palesou de vannes, susceptibles de brasserl’eau, on prévoira un automatismecapable de le faire, au cas où l’instal-lation apparaîtrait sensible à ce phé-nomène, à l’exploitation.Dimensionner largement la grilled’origine peut permettre de poserultérieurement dessus des cadres àgrillage fin, facilement amoviblespour leur échange ou nettoyage, oubien des tôles perforées, sans pourcela créer une perte de charge dommageable.

Sur une petite turbine Kaplan de 90 kW sous 10 m de chute, en France,bien que ce phénomène se soit pro-duit : baisse de puissance de 20 % enquelques jours en automne, l’arrêtnormal de la machine ne montraitrien. Il a fallu organiser un arrêt trèslent pour découvrir, sur les directricesfixes axiales, des paquets de feuillesrégulièrement empilées sur l’arêted’entrée des directrices, qui rédui-saient le passage de l’eau et faus-saient l’angle d’entrée sur la roue.Quelques fermetures partielles, plu-sieurs fois par jour, de la vanne depied, ont permis de passer la saisondes feuilles sans trop de diminutionde la puissance du groupe.


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Max

Ro

y/A

dem

e

Microcentrale de Latour (Hautes-Pyrénées).



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Bibliographie

Publications de l’AdemeLes petites centrales hydroélectriques, septembre 1986.Microcentrales hydroélectriques, Moniton, Le Nyr, Roux - Éditions Masson, Paris 1981.Guide pour le montage de projets de petite hydroélectricité, mai 2003.

Notices de la Commission européenneLayman’s Guidebook on how to develop a small hydro site - European Commission, 1997 (2 tomes) -DG XVII - 200, rue de la Loi - Bruxelles - Belgique.

Publications de PACERGuide pratique pour la réalisation de petites centrales hydrauliques, 1992 - Programme PACER -Office fédéral des questions conjoncturelles - Diffusion : EPFL-LESO - Case postale 12 - 1015 Lausanne - Suisse. Turbines hydrauliques, 1995 - Programme PACER - Office fédéral des questions conjoncturelles -Diffusion : EPFL-LESO - Case postale 12 - 1015 Lausanne - Suisse.

Guides de la SHF (Société hydrotechnique de France), en particulier :Guide pour la conception, la réalisation, la mise en service et l’exploitation des petits aménagements hydroélectriques

Connaissance avancée des turbines hydrauliquesLa plupart des livres sont épuisés et non réédités, mais certains se trouvent encore.Turbines hydrauliques et leur régulation, Lucien Vivier - Éditions Albin-Michel - Paris 1966.Turbines hydrauliques et régulateurs automatiques de vitesse, André Tenot - Éditions Eyrolles - Paris 1932, plusieurs volumes.

Générateurs et électrotechnique en généralÉlectrotechnique, Théodore Wildi - De Boek université, Bruxelles 2000.

Hydraulique générale, déversoirs, pertes de charge Manuel d’hydraulique générale, A. Lencastre - Éditions Eyrolles - Paris, diverses rééditions.

Technique des barrages en aménagement rural Document du ministère de l’Agriculture, 1977.

Enfin, il existe des normes de la Commission électrotechnique internationale (1, rue de Varembé - Genève - Suisse) concernant les essais de réception des turbines sur place ou sur modèle réduit et aussi un guide pour l’équipement électromécanique des petits aménagements hydroélectriques.En France, deux normes Afnor (Tour Europe - Cédex 7 - 92049 Paris-La-Défense) traitent des mêmes essais.



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DEUXIÈME ANNONCE

SÉMINAIRE«LE POMPAGE PHOTOVOLTAÏQUE»

OUARZAZATE, DU 15 AU 17 DÉCEMBRE 2005

À l’issue du programme« Installation de systèmes solaires de pompage et de purification d’eau dans les pays du Maghreb »,

le séminaire permettra de tirer des leçons d’ordre technique, financier et organisationnel,et d’apporter des réponses pour un changement d’échelle.

Pour toute information complémentaire :- Association Tichka – Attn Mohamed AANDAM ([email protected])- Fondation Énergies pour le Monde ([email protected])

1RE JOURNÉE

LE BILAN D’UN PROGRAMMEDE POMPAGE SOLAIRE RÉGIONALSOUS SES ANGLES :

• technique ;• financier ;• opérationnel.

PAR LES PROMOTEURS DUPROGRAMME ET LES PARTENAIRESINSTITUTIONNELS, PRIVÉS ETASSOCIATIFS.

2E JOURNÉE

DES PROPOSITIONS POURUN CHANGEMENT D’ÉCHELLEDES PROGRAMMES DE POMPAGESOLAIRE :

• les spécifications techniquesdes systèmes solaireset les composants d’une AEP ;

• les montages financiersappropriés ;

• les modalités degestion/exploitation adaptées ;

• la définition des impacts. PAR DES INTERVENTIONSET TABLES RONDES.

3E JOURNÉE

VISITES DE SITES DANSLA RÉGION DE OUARZAZATE.



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PEPSE

POVERTY ERADICATIONAND PLANNING OFSUSTAINABLE ENERGIES

PEPSE a ciblédeux provincesreprésentatives

des contextes locaux, celle de

Tuléar et celle de Fianarantsoa.

UN PROGRAMME DE 3 ANS(2005-2008) ASSOCIANT :

• LA FONDATION ÉNERGIES POUR LE MONDE• L’UNIVERSITÉ DE MAGDEBURG• L’ÉTAT MALGACHE

ET COFINANCÉ PAR LES PARTENAIRES, LA COMMISSION EUROPÉENNE DANS LE CADRE DU PROGRAMME COOPENER,L’AGENCE FRANÇAISE DE L’ENVIRONNEMENT ET DE LA MAÎTRISE DE L’ÉNERGIE, EDF, TOTAL.

EN RELATION AVEC LES AUTORITÉS COMPÉTENTES AU NIVEAU NATIONAL,LES TRAVAUX COMPORTERONT LES ÉTAPES SUIVANTES :

• Sensibilisation des acteurs de développement locaux à l’impact de l’énergiesur la stratégie de lutte contre la pauvreté ;

• Élaboration, dans chaque province, d’une planification d’Électrification RuraleDécentralisée (ERD), selon une méthodologie adaptée ;

• Conception de programmes d’ERD viables sur les zones de plus fort impactsur la réduction de la pauvreté faisant appel aux sources d’énergies renouvelables ;

• Présentation des programmes auprès d’investisseurs, d’opérateurs, des instances nationales et des bailleurs de fonds pour leur montage financier et exécution ;

• Dissémination de la méthodologie, des outils, des résultats et des difficultésrencontrées aux autres provinces malgaches.

LA VIABILITÉ DES PROGRAMMES À ÉLABORER, LEITMOTIV DE PEPSE, SERA RECHERCHÉE PAR L’ASSOCIATION DES APPLICATIONS :

• sociales, pour le plus grand impact en termes de réduction de pauvreté ;

• économiques, pour une création de revenus nouveaux ;

• domestiques, pour répondre aux demandes d’amélioration des conditions de vie.

LES PRINCIPAUX RÉSULTATS DE PEPSE SERONT :

• un portfolio d’au moins 4 programmes d’ERD de dimension provinciale ;

• l’acquisition de la méthodologie utilisée, l’information et la formation des groupes cibles ;

• la compréhension de la synergie Énergie-Réduction de la pauvreté par tous les acteurslocaux ;

• l’intégration d'un volet Énergie dans les programmes de développement ruralet économique ;

• l’identification d’investisseurs et financements pour la réalisation des projets présentés.

Le contenu de cette page n’engage que la responsabilité de l’auteur. Il ne représente pas l’opinion de la Communauté.La Commission européenne n’est pas responsable de l’utilisation qui pourrait être faite des informations fournies.

État malgache

PRÉSENTATION DU PROJET

L’objectif de PEPSE est d’accroître l’accès aux services de l’électricité auprès de la population rurale pour contribuerà son développement et en réduire la pauvreté, dans le respect de l’environnement. Il vise à aider les maîtres d’ouvrage, les collectivités locales et les institutions nationales du secteur de l’énergie, à mettre concrètement enœuvre la politique nationale d’électrification rurale.

PEPSE est rendu possible par l’usage du logiciel expert “NORIA” développé par la Fondation Énergies pour le Monde.


www.energies-renouvelables.org

Découvrez le site de la Fondation Énergies pour le Monde

Ce bulletin est édité dans le cadre de l’initiative Scarabée, menée par la Fondation Énergies pour le Monde

Président : Alain LiébardDirecteur : Yves Maigne

146, rue de l’Université 75007 Paris - France

Tél. : 33 (0)1 44 18 00 80 Fax : 33 (0)1 44 18 00 36

E-mail : [email protected]

Internet : www.energies-renouvelables.org

P a r t e n a i r e sf i n a n c i e r s

d e S c a r a b é e

Prix de vente du numéro : 14 euros TTC.

Documents

CARABÉE - energies-renouvelables.org · Séminaire ”Le pompage photovoltaïque ... “Adduction d’eau potable avec pompe photovoltaïque. Pratique et recommandations de conception