Cours 6 : Énergie hydraulique II - · PDF fileCours 6 : Énergie hydraulique II Centrales électriques : principes, impacts sur l'écologie hydraulique et mesures ... 2 e. Principes

Cours 6 : Énergie

hydraulique II

Centrales électriques : principes, impacts

sur l'écologie hydraulique et mesures

pour les atténuer

23-24 juin 2015

Programme de la journée

Principes de l'exploitation de l'énergie

hydraulique : l'énergie hydraulique

Types de centrales hydrauliques

Turbines

Grilles de retenue

Impact de l'exploitation de l'énergie

hydraulique et solutions envisageables

pour l'atténuer

2

Som

mai

re

Principes de l'exploitation de

l'énergie hydraulique Énergie hydraulique : transformation de l'énergie hydraulique

potentielle ou cinétique grâce à un turbogroupe mécanique

Aujourd'hui, la production primaire d'énergie se fait grâce à des générateurs

La production des centrales hydraulique dépend du débit existant et de la charge motrice.

Calcul de la production 𝑃 =Q·H·g·ρ·η [W]◦ Q = débit [m3/s]

◦ H = charge motrice [m]

◦ g = accélération de la pesanteur = 9,81 m/s2

◦ ρ = densité de l'eau = 1 000 kg/m3

◦ η = efficience [ - ]

3

Pri

nci

pe

s

Source : Boes 2009 (modifié)

Q

HNW

Types de centrales

hydrauliques : aperçu technique

Centrales au fil de l'eau

Centrale avec dérivation

Centrale à accumulation

Centrale de pompage

4

Typ

es

de

cen

tral

es

Au fil de l'eau

Pompage

Ne concernant pas la Suisse◦ Centrale marémotrice

◦ Système houlomoteur

◦ Centrale hydroélectrique à dépression

Source : Bayerische Landeskraftwerke (centrales hydrauliques de Bavière)

Centrale de pompage


Centrale au fil de l’eau

Définition : Centrales au fil de l'eau

5

Typ

es

de

cen

tral

es

Source : Gewässerdirektion Südlicher Oberrhein, Bereich Waldshut (Gestion des eaux du Haut-Rhin, région de Waldshut)


Les centrales au fil de l'eau sont construites

directement dans le cours d'eau. En général,

le barrage et le dispositif de transformation

sont construits côte à côte. Les débits en

amont et en aval du barrage sont

habituellement équivalents. Les centrales au

fil de l'eau font souvent partie d'une chaîne de

centrales électriques.

Centrale au fil de l’eau

Générateur

Turbine

Amont

Vue aérienneGrilles Turbine

Zone de retenue

Barrage

Rhin (km)

Frontière nationale Pont de Constance

Définition : Centrale avec dérivation

Les centrales avec dérivation présentent un barrage en amont de la

centrale à proprement parler, qui permet de faire dériver une partie de

l'eau dans un canal. Le débit résiduel non utilisé est déversé dans le lit

d'origine du cours d'eau. L'eau qui passe par la centrale est déversée

en aval dans le cours d'eau.

6

Typ

es

de

cen

tral

es


Turbine

Centrale avec dérivation

Grille

Canal en amont Canal en aval

Ouvrage de prise d’eau

Zone de réserve Barrage Lit principal («Tronçon dérivé»)

Centrale avec dérivation : Exemple du

canal de l'Emme à Biberist

7

Typ

es

de

ce

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ales

o Tronçon de débit résiduel au km 4,8 : Hiver : 1,8 m3/s, été : 2,3 m3/s

o 4 centrales le long du canal : écoulement aménagé : 12 m3/s

o Charge motrice du barrage ΔH ≈ 3,6 m , charge motrice de l'ensemble des centrales ΔH ≈ 17,7 m (brut)

o Pas de barrage près des centrales

Centrale à Luterbach (km 0,69)

Barrage de Biberist

Définition : Centrale à

accumulationLes centrales à accumulation permettent de stocker l'eau dans

un lac de réserve lorsque le besoin en énergie est moindre, et

de relâcher l'eau lorsque la demande s'accentue pour produire

de l'électricité au moyen de turbines. Elles fournissent l'essentiel

de l'énergie nécessaire à satisfaire les pointes de consommation

électrique.

8

Typ

es

de

cen

tral

es



Château d’eauRéservoir

Galerie sous pression

Conduite forcée

Centrale

Générateur

Turbine

Évolution quotidienne de la production de courant

Heure de la journée

Centrales à accumulation

Centrales au fil de l’eau

Centrales thermiques classiques et divers

Centrales nucléaires

Source: Association des Entreprises Électriques Suisses (AES)

Répartition de la production électrique en

Suisse entre les centrales au fil de l'eau

et à accumulation

9

Typ

es

de

cen

tral

es

Types de centrales hydrauliques :

puissance installée

Petites centrales hydrauliques (<1MW)

Centrales hydrauliques de taille moyenne (<100MW)

Grandes centrales hydrauliques (>100MW)

10

Typ

es

de

cen

tral

es

Les centrales hydrauliques de taille moyenne et de grande taille produisent au total presque 98 % de l'électricité hydraulique. Elles représentent presque 31 % de toutes les centrales hydrauliques de Suisse (source : SWV 2014).

Nombre de centrales

Taille (cap. de produc.)

Puissance (gén.)

Proportion Production (attendue)

Proportion

Env. Env. Env.

Source : évaluation interne du SWV selon les données du BFE, juin 2014Production attendue sauf changement d’activitéDonnées des centrales <0,3 MW approximatives

Types de turbines : Modèles

classiques Turbine Pelton : grande charge motrice, petits cours d'eau ;

utilisation : centrale à accumulation

Turbine Francis : charge motrice moyenne, cours d'eau moyens ; utilisation : centrales à accumulation et au fil de l'eau/avec dérivation

Turbine Kaplan : faible charge motrice, grands cours d'eau ;utilisation : centrales au fil de l'eau/avec dérivation

11

Turb

ines


Turbine Pelton Turbine Francis Turbine Kaplan

Injecteur

Roue

Roue

Flasque

Roue

Arbre de turbine Dispositif directeur

Types de turbines : développement des

petites et très petites centrales

(exemples/sélection)

12

Turb

ines

Autres types de turbines :• Turbine à pression

dynamique• Turbine VLH• Centrale en puits• Centrale flottante Strom-

Boje®• Turbine Jokela• etc.

Centrale à tourbillons

Centrale hydraulique mobile

Point d’articulationTurbine relevée

Turbine abaissée

Amont

Aval

Vue aérienne

Ouvrage de montaison Centrale hydraulique mobile

Ouvrage de montaisonCourant attractif

Barrage

Turbine à vis d’Archimède

Impacts de l'exploitation de

l'énergie hydraulique

Élévation du niveau d'eau pour les centrales à accumulation

Perturbation du charriage

Blessures occasionnées au poisson (turbines, grilles)

Perturbation du déplacement des poissons

Hydrologie artificielle

◦ Débit d'éclusées

◦ Tronçons à débit résiduel

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Élévation du niveau d'eau

Agrandissement général de la zone du barrage : diminution de la vitesse

d'écoulement et de la diversité du courant

Les espèces appréciant les courants forts perdent leur habitat

Accumulation plus importante des sédiments fins (sable, vase) qui recouvrent les

bancs de gravier ; colmatage des systèmes de gravier aéré suite au dérèglement du

charriage et à l'accumulation de sédiments fins

Les espèces qui en ont besoin ne trouvent plus de frayères de gravier, tout comme

les espèces habitant les interstices et les poissons vivant dans le fond du lit se voient

privés de leur habitat

Une température de l'eau plus élevée : l'eau reste plus longtemps au même endroit

au niveau du barrage

Taux d'oxygène moins important à cause de l'élévation de la température et des

turbulences moindres au niveau du barrage

Mort des repousses d'algues en raison d'un éclairage moindre du fond du lit

Les poissons se nourrissant de végétaux (p. ex. le nase, divers invertébrés) ne

trouvent plus de quoi se nourrir

Moins d'invertébrés ou nouvelles espèces d'invertébrés : diminution du stock de

nourriture pour les poissons

L'habitat n'accueille plus que les espèces capables de s'adapter 14

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Élévation du niveau d'eau

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Source : WDR

Source : www.ovb-online.de/bayern/verschlammte-fluesse-fische-2878828.htmlImp

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Text

Carte de la Suisse

16

Source : Schälchli, Abegg + Hunzinger, 2005Im

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les

Centrales hydrauliques : production d’énergie renouvelable

Aménagements de torrents, stabilisation des sources de sédiments

Corrections du cours d’eau, aménagements dans le cours d’eau, constructions

Apport de matériaux de construction

Dépotoir

Prélèvement de gravier (dragage du fond et des bancs)

Centrales au fil de l’eau

Centrales à dérivation Lacs de retenue, bassins d’amortissement

Tronçons à débit d’éclusée

Tronçons à débit résiduel

Diminution du charriage à sa source

Diminution de l’apport de matière et de la dynamique de charriage

Retrait de matières charriées

Charriage irrégulier Charriage empêché périodiquement

Charriage empêché en permanence

Co

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Constructions hydrauliques : protection contre les crues


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Source : OFEV

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Déficit actuel en charriage en comparaison avec l’état naturel

Aucun déficitDéficit faibleDéficit moyenDéficit important


Curages dans les bassins de retenue

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Exemple à Kupfer (Bade-Württemberg) : Avec deux bassins de rétention des crues, tout le phénomène de charriage est entravé. À l'origine des eaux à truite (l = 8 ‰), ces bassins constituent aujourd'hui un habitat déplorable.

Source : www.lebendigefluesse.at

Une méthode inappropriée de curage dans les bassins de retenue entraîne une mobilisation soudaine des sédiments fins et une augmentation des matières en suspension, qui peut entraîner une plus forte consommation d'oxygène, et mener à la dégradation des bancs de graviers qui tapissent le fond du lit.

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Réactivation du charriage naturel près

des centrales hydrauliques

Centrales au fil de l'eau et avec dérivation : Mesures architecturales :

• démantèlement des barrages

• Épis pour favoriser le charriage de fond et remplacer le dragage

Mesures d'exploitation :

• Abaisser le niveau en amont lors des crues

• Laisser se réguler le bassin de réserve jusqu'à ce que le charriage reprenne son cours

• Apport de gravier en aval

Centrales à accumulation :Mesures architecturales :

• Dispositifs de détournement du charriage (galerie, lit)

• Ajustement des vidanges de fond

Mesures d'exploitation :

• Vidanges et curages réguliers

• Prélèvement de gravier à la racine de la retenue, pour le transporter et le déposer en aval

• Générer des crues artificielles pour réactiver le charriage en aval

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Blessures causées au poisson

dans les turbines Origine : blessures directes, différences de pression

Turbine Pelton : taux de mortalité 100 %

Turbine Francis : taux de mortalité 37 % (en moy.), de 0 à 100 %

Turbine Kaplan : taux de mortalité 9 % (en moy.), de 0 à 100 %

20

Imp

acts

Source : Armin Peter

Amont

Aval

Évacuation


Turbine Kaplan dans une centrale au fil de l’eau

Turbine Kaplan:Changement de pression au niveau de la turbine (source: Holzner 2000)

Blessures causées au poisson

sur les grilles Blessures en cas de vitesse d'écoulement trop importante (> 0,5 m/s) dans

une zone d'écoulement de centrale hydraulique sans alternative de circulation

Une simple réduction du faible espacement des barres (p. ex. jusqu'à 15 mm) ne permet pas d'accroître la protection des poissons si la vitesse d'écoulement est trop rapide et que l'installation ne présente pas d'exutoire.

21

Source : DWA 2005

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Perturbation du déplacement des

poissonsLes centrales hydrauliques et autres obstacles variés peuvent perturber

les poissons dans leurs migrations ou même les empêcher de migrer,

alors même que ce phénomène biologique remplit différents rôles dans

le cycle de vie d'un poisson :

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able

s Compensation de la dérive

Régime migratoire des poissons diadromes

Migration entre différents habitats (voir illustr.)

Rotation des populations

Recherche de lieux protégés

Rééquilibrage de la densité de population

Repeuplement d'espèces écartées ou rares

Recolonisation après une catastrophe

Source : Koop et al. 2012

Zone d’hivernage

Hiv

ern

age

Hiv

ern

age

Zone de grossissement

Zone de grossissement

Migration alimentaire

Migratio

n alim

entaire

Mig

rati

on

alim

enta

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Mig

rati

on

alim

enta

ire

Rep

rod

uctio

n

Zone de reproduction

Juvénile

Adulte

AdulteJuvénile

Œuf

Rep

rod

uctio

n

Rétablissement de la circulation

du poisson Ouvrages de montaison : après plusieurs

années d'expérience, ce type de dispositif remplit relativement bien son rôle

Ouvrages de dévalaison : moins d'expérience, pas de système établi pour les grands cours d'eau, solutions limitées dans les petits cours d'eau

Les ouvrages de dévalaison doivent être combinés à des systèmes de protection, à moins que le poisson ne soit transféré (p. ex. au moyen de turbines «ichtyophiles»)

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s

Ouvrages de montaison : implantation,

position de l'entrée de la passe, inclinaison

de la sortie

Le schéma de construction a déjà été abordé dans le «Module écologie : cours d'eau»

Crucial : implantation et position de l'entrée de la passe

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Incorrect ! L'entrée est trop éloignée du courant principal

Correct ! Entrée près de la centrale, ne débouche pas sur l'aval ; le courant attractif est presque parallèle au courant principal

Incorrect ! L'ouverture est perpendiculaire au courant principal ; le courant attractif est cloisonné

Source : DWA 2014

Amont

Aval

Ouvrage de montaison

Écoulement des turbines

CentraleBarrage

Amont

Aval



CentraleBarrage

Amont

Aval



CentraleBarrage

Protection du poisson et ouvrages de

dévalaison

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Source : Kriewitz et al. 2015

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s

• Seul le système de «grille horizontale» a acquis une reconnaissance relativement établie.• Axe central de la recherche et développement dans les domaines des barrières physiques et

mécaniques, les systèmes exutoires et les turbines ichtyophiles

Syst

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tect

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Barrières physiques - Grilles fines

- Grilles Eicher

- Filets de rétention

Barrière mécanique

(comportement)

- Grosses grilles

- Louver

- Bar racks

Barrières sensorielles

(comportement)

- Rideaux d’air

- Son à basse fréquence

- Électricité

Syst

ème

de

pas

sage

Turbines ichtyophiles - Turbine Alden

- Voith – Minimum Gap Runner

- Alstom – Turbine Kaplan ichtyophile

Gestion protectrice du site - Système d’alerte rapide

- Pas d’exploitation partielle des charges

- Déversoir

Exutoires - Chenaux de rassemblement proches de la surface

- Trap and truck

- Pertuis modifié

Turbines ichtyophiles

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Source : Voith

Source : DWA 2005

Amont

Aval

Puits de batardeau


Système d'évacuation des poissons et

des corps flottants «Grille horizontale»

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s

• Grille horizontale = barrière physique

• Espacement des barres 15 à 20 mm

• Adapté pour les petites et moyennes centrales hydrauliques (écoulement aménagé jusqu'à env. 80 m3/s)

• Inconvénient : perte d'eau• ALL : 3 dispositifs sur la

Saale• SUI : centrale Stroppel

Schéma fonctionnel du système d’évacuation des poissons et des corps flottants (GLUCH 2001)

Déversoir à nappe libre dans le puits de l’exutoire : > 0,4 m de profondeur à la surface ; profondeur du déversoir > 1 m après la hauteur de chute

Déversoir à nappe libre dans le puits de l’exutoire : incl. 45°ou moins

Porte d’entrée dans le puits de l’exutoire 2m plus loin

Déversoir de l’entrée de l’exutoire: chute env. 1,3 m (> 0,7 m!)

Optimisation hydraulique du respect des conditions nécessaire pour le s poissons, de la retenue des débris, des matières en suspension et parfois des sédiments, besoin en eau moins important pour l’exutoire

Entrée de l’exutoire près du fond : vitesse env. 3,5 m/s !

V < 0,5 m/s !

Redirection des poissons et corps flottants le long d’une grille à barreaux horizontaux avec angle d’incidence selon PAVLOV (FAO, ATV-DVWK 2004; Vitesse et temps critique de nage chez les poissons)

Redirection permanente des corps flottants; nettoyage des barreaux horizontaux

Grilles à barreaux horizontaux (15 mm)

Jusqu’à 1 m sur le fond: caniveau ou grille de 10 mm

(Sans déversoir à nappe libre: charriage continu des corps flottants, du feuillage et des sédiments; besoin en eau de l’exutoire plus important avec une chute vers l’aval ; différence de niveau de plus d’1 m = vitesse d’écoulement en général trop importante dans l’ouverture du fond (effort de cisaillement dangereux pour les poissons; changement de pression trop soudain; on observe un réflexe de fuite partiel devant l’entrée dans le fond))

(Avec déversoir à nappe libre: charriage continu des corps flottants, mais pas forcément du feuillage et des sédiments, donc nécessité de purger le système par l’ouverture de l’entrée/vidange du déversoir; besoin en eau de l’exutoire toujours faible ; différence de niveau favorable aux poissons / vitesse d’écoulement à l’entrée, mais sans possibilité de retour par le haut)

État des connaissances en 03/2010 pour les zones en aval (potamal), mise en pratique / observation des résultats jusqu’à présent jusqu’à 80m3/s par grille de turbine/générateur

«Grilles horizontales» : Exemple de la

centrale Stroppel à Limmat

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Source : Claudia Zaugg


Ouvrage de dévalaison

Grilles horizontales

Canal de déviation (lit)

Système de Louver et de bar-racks

text

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Source : Kriewitz et al. 2015

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• Barreau vertical : sert d'obstacle aux déplacements, espace important entre les barres

• Également adapté aux grosses centrales (USA)

• Architecture massive, perte d'eau• Aucune exp. en Suisse/All./Aut.• Recherches du VAW / EAWAG :

• système d'évacuation efficace (certains bar-racks)

• Système de Louver à déconseiller• Doctorat Robert Kriewitz (2014)

Photo : VAW

Sens de l’écoulement

Chenal mobile à poisson

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Le premier chenal mobile à poisson sera installé pendant l'hiver 2015/16 sur la centrale du canal de navigation d'Interlaken (débit 30 m3/s)

Palier inférieur

Canal existant pour filtrer les gros débris

Grande grille existante, retirer 2 barreaux sur 3

Tablier

Palier supérieur

ÉclairageSoufflerie

Capteur ultrasons (amont)

Trou percé dans la cloison latérale

Hau

teu

r lib

re

Canal mobile (position vert. possible.)

Peigne de protection (poisson)

Capteur ultrasons (aval)

Palier de manipulation

Montant vertical

Montant transversal

Grille ichtyophile

Socle de la grille

Tuyau d’évacuation

Plan au sol

Nouvelles grilles ichtyophilescomportant :Peigne de protection pour les poissonsChenal mobileRâteauGrille Pré-existant:

Nettoyage des grillesGrilles de retenueCanalProtections

Chute dans une zone d’eau profonde

Grilles fines d’entraînement (DN 500, l = 1 %)

Exutoire existant

Conduit ouvert

Bunker pour récupérer et broyer les débris retenus

Exutoire existant

Chenal mobile à poisson : recherches en

laboratoire

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Chenal mobile à poisson : combinaison

avec des grilles ichtyophiles

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• Les bords rabattus offrent un bord d’attaque arrondi adapté au courant

• Placement sur les points étroits en avant = les grilles sont facilement nettoyables

• Partie arrière fine = faibles pertes• Écartement réglable au besoin grâce

aux entretoises

Centre de recherche et laboratoire d’essais en génie écologique et construction hydraulique

Hydrologie artificielle : débit

d'éclusée / débit résiduel

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Débit résiduel trop faible dans la Wiese à Lörrach (DR ≈ 200 l/s, L = 18 m)

Source : www.rivermanagement.ch

Source : www.sfv-fsp.ch

Dé

bit

Q [

m3 /

s]

Janvier 2000

Atténuer l'impact des éclusées

Mesures d'exploitation : p. ex. augmentation du débit minimum (possible uniquement dans certains cas)

Dispositifs techniques : ◦ Évacuation des éclusées dans un lac ou un canal / chenal séparé

◦ Bassins d'amortissement (p. ex. centrale d'Innertkirchen 1E : réduction du rapport de débit d'éclusées de 8:1 à 5:1)

◦ Chenal de réserve (p. ex. centrale d'Amsteg)

34

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s

Source : Centrale d'Oberhasli Grimselstrom

Atténuer l'impact des débits résiduels

Augmentation du volume du débit résiduel

Débit résiduel saisonnier échelonné : en général, débit plus important en été pour prévenir le réchauffement (ex. canal de l'Emme)

crue «artificielle» en aval des centrales à accumulation : dynamique, déplacement / assainissement des bancs de graviers

Structuration du lit, par ex. du lit mineur pour diversifier la profondeur d'écoulement et prévenir le réchauffement

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s

Photo : G. Hauer, Graz

Documents

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