Sommaire

Introduction …………………………………………………………………………………………………………………. p.3

Remerciements ……………………………………………………………………………………………………………..p.4

I. Présentation du site ……………………………………………………………………………………. p.51. Site "turbine"2. Site "réservoir"

II. Le droit d’eau en France ……………………………………………………………………………… p.7III. La réalisation d’un débitmètre ……………………………………………………………………. p.8

1. Configuration2. Idées et préparations3. Conception d’un premier débitmètre4. Installation du premier débitmètre5. Conception du deuxième débitmètre6. Installation du deuxième débitmètre

IV. Le choix d’une grille d’entrée ……………………………………………………………………….p.14V. Exploration de la conduite forcée ……………………………………………………………….. p.17

1. Préparation du terrain2. Exploration3. Remise en état de la conduite

VI. Etude de la turbine Turgo …………………………………………………………………………… p.221. Détail des formules utilisées2. Application des formules à notre projet

VII. Finalisation de la remise en état de la conduite ……………………………………………p.29VIII. Choix d’un injecteur ……………………………………………………………………………………. p.31

1. Injecteur à pointeau2. Injecteur à débit constant3. Installation de plusieurs injecteurs sur la turbine4. Fixation de l’injecteur

IX. Etude de l’injecteur avec le logiciel solidworks ……………………………………………. p.34 X. Etude d’installation d’une pompe à chaleur ………………………………………………… p.37

1. Descriptif du bâtiment2. Les masques3. Etude climawin4. La pompe à chaleur (appelée PAC)

XI. Etude de faisabilité finale du projet microcentrale ……………………………………… p.42XII. Visite d’une microcentrale dans la commune de Saint Agnès en Isère ………… p.44

Conclusion ……………………………………………………………………………………………………………………. p.46

Bibliographie ………………………………………………………………………………………………………………… p.47

Annexes …………………………………………………………………………………………………………………………p.48

2 | P a g e

Introduction   :

Ce projet est né au sein de l'Institut Universitaire et Technologique 1 de Grenoble, et plus précisément dans le département Génie Thermique et Energie.

Nous sommes un groupe de six élèves en deuxième année d'IUT GTE travaillant sur une matière intitulée "Projet Tuteuré" qui est encadré par un enseignant de notre école. C'est une matière importante dans notre cursus scolaire et compte dans la note d'obtention de notre diplôme pour le semestre 4.Nous avons ainsi choisi de travailler sur un projet d'étude de faisabilité d'une microcentrale chez un particulier résident à Saint Martin d'Uriage (38, Isère).

Du point de vue environnemental, une microcentrale permet de produire de l’électricité sans dégager de pollution. Economiquement, ce système crée un revenu non négligeable grâce à la revente de la production électrique à EDF, ou alors dans notre cas de produire sa propre électricité si la revente à EDF n’est pas rentable. La haute performance des turbines utilisées confère à l’installation un rendement important.

Dans les grosses centrales utilisant de l’eau potable (ce n’est pas le cas pour nous), l’eau est amenée, après passage dans la turbine, à une centrale de traitement des eaux aux ultraviolets afin de l’amener aux normes sanitaires en vigueur. Dans notre cas, la centrale hydraulique produit de l’énergie en turbinant de l’eau claire, sans la dégrader. C’est pour produire leur propre électricité que Monsieur et Madame Darvogne ont décidé de faire réaliser une étude de faisabilité pour l’installation d’une pico centrale hydraulique.

3 | P a g e

Remerciements   :

Avant d’aborder l’explication de notre étude, nous souhaitons remercier de nombreuses personnes qui ont permis à ce projet d’exister à d’évoluer.

Nous voulons tout d’abord adresser nos remerciements à Monsieur et Madame Darvogne qui sont les propriétaires de la maison où nous avons travaillé tout au long de ce projet. Nous souhaitons également remercier Monsieur Desmoulins pour nous avoir encadré et guidé pour l’étude de faisabilité de la microcentrale.

Nous voudrions aussi remercier:- Les techniciens de notre IUT (Claude Perez et Jérôme Vigneron) pour le matériel

prêté et pour s’être déplacé sur le lieu du projet- Madame Cécile Bernard (enseignant en GTE) pour son aide concernant les calculs

effectués pour le débitmètre- Monsieur Roger Do (enseignant en GTE) qui nous a obtenu un rendez-vous pour

visiter la microcentrale et mis à disposition un ordinateur comportant le logiciel solidworks

- Monsieur Claude Blanc Coquand (maire de Saint Agnès) pour nous avoir fait visiter la microcentrale de Saint Agnès et apporter de précieux renseignements sur les pico centrales

- Monsieur Jean-Marie DYON (expert en micro-hydraulique) pour les informations données concernant les turbines

- Monsieur Maurice Compagnoni (entreprise Dauphiné Dépannage, 38 Rives) pour nous avoir prêté des cannes de curage afin de pouvoir explorer une conduite

- Monsieur Patrick André qui nous a offert une plaque en acier pour concevoir un débitmètre

- Nicolas Martin qui, faisant parti de notre groupe de projet tuteuré, n’a pas pu le suivre jusqu’au bout.

I. Présentation du site Saint-Martin d’Uriage

4 | P a g e

Tout d’abord nous allons vous parlez de la localisation de notre étude. Le lieu du projet tuteuré intitulé "microcentrale" est situé dans la ville de Saint-Martin d'Uriage (38, Isère) et plus précisément au 987, route de Chamrousse. Il s'agit d'une ancienne scierie reconvertie en maison d'habitation. Cette maison est équipée d'une chaudière fioul d'une puissance de trente kilowatts ainsi que d'un réseau de distribution de type "radiateurs à haute température".

Pour commencer, nous allons expliquez en détail le descriptif de la maison. Il s’agit d’une maison de deux étages habitables avec un garage. La surface habitable totale de cette demeure est de cent-quatre-vingt mètres carré, hors garage (la surface habitable est située au dessus du garage). Concernant la composition du plancher bas sur garage, celui-ci est fait en parpaing de vingt centimètres d’épaisseur ainsi que d’une dalle en béton de cinq centimètres. Quant au plancher intermédiaire, il est constitué d’une épaisseur de vingt centimètres de flocon de laine de roche. L’isolation du plafond est assurée par une épaisseur de vingt centimètres de laine de verre.

Intéressons nous maintenant à la production d'eau chaude sanitaire appelée également ECS. L’ECS de la maison est produite par deux ballons d’eau chaude. En effet, il existe un ballon d’eau chaude pour la salle de bain et un autre pour la cuisine. Concernant la salle de bain, il s’agit d’un ballon atlantique vertical de cent-cinquante litres et d’une puissance de mille-six-cents-cinquante watts, tandis que la cuisine dispose d’un ballon atlantique vertical de cent-cinquante litres et d’une puissance de mille-huit-cents watts.

Cette maison dispose comme chauffage d’une chaudière à fioul haute température avec un bruleur de trente kilowatts. Cette chaudière est raccordée à des émetteurs. Ces émetteurs sont des radiateurs hautes températures avec robinets thermostatiques.

Le vitrage de l’habitation est fait par des fenêtres et des portes-fenêtres en double vitrage menuiserie bois 4/12/4 avec volets en bois. La porte d’entrée est quant à elle en bois non isolé avec vitrage.

A l’heure actuelle, il n’existe encore qu’une ventilation naturelle car une VMC simple flux est en cours d’installation. Pour finir, la maison est située dans une zone de bruit considéré comme calme.

Désormais analysons le lieu où nous allons travailler. Le site où nous avons travaillé est décomposé en deux parties : le site "turbine" (où est prévue l'installation de la microcentrale) et le site "réservoir" (où se situe l'ancien réservoir de la scierie). Les deux sites sont reliés par une conduite forcée d'environ cent-cinquante mètres. Analysons distinctement ses deux sites.

1. Site "turbine" :

5 | P a g e

Le site "turbine" est situé dans le garage de la maison et plus précisément dans ce que nous pouvons appeler une fosse. A l'origine, la scierie travaillait avec une turbine de la marque Pelton avec dix-huit augets. Nous pouvons constater que cette turbine est reliée depuis le point de captage par une conduite forcée partant du site "réservoir". Au niveau de l'entrée de la turbine, il y a la présence d'un injecteur commandé par un vérin à huile. La turbine repose sur un socle en béton qui est lui-même fondé sur une dalle en béton. De plus, l'évacuation de l'eau après passage dans la turbine se fait derrière le socle en béton grâce à un caniveau souterrain.

2. Site "réservoir"

Le site "réservoir" est situé à cent-cinquante mètres de la maison ainsi qu'à une hauteur d'environ vingt-sept mètres par rapport au site "turbine".Le réservoir, de forme rectangulaire dans sa globalité, a une dimension de cinq mètres par six mètres pour une hauteur de un mètres soixante. Il est actuellement laissé à l'abandon depuis la fermeture de la scierie dans la fin des années soixante mais cependant il peut être

facilement remis en état. En effet, il est constitué d'une dalle en béton sur toute sa surface. Les parois sont en pierre cimentée. Cependant, sur une partie d'une des parois les pierres ne se sont pas maintenues. Le réservoir dispose également d'un trop-plein ainsi que d'un départ de conduite forcée. Afin de pouvoir remettre en état ce réservoir il faudrait déblayer la terre qui s'est accumulée au fil des années. De plus, les parois devraient être cimentées à nouveau afin d'éviter toutes fuites. Concernant la paroi affaissée, celle-ci devra être

refaite. Pour effectué les travaux de réaménagement du réservoir, il n’est pas nécessaire de faire appel à une entreprise car les travaux restent faciles à faire. De plus, nous avons estimé un coût de trois-cents euros pour refaire soi-même le réservoir. Ce prix prend en compte l’achat de sac de béton, de pierres ou moellons et d’outils nécessaires ainsi que la location d’une bétonnière.

II. Le droit d’eau en France

6 | P a g e

Figure 1 : Photographie du réservoir

Les toutes premières recherches qui ont été effectué à propos de notre projet ont porté sur la législation à respecter autour de l’installation d’une microcentrale. Ces lois encadreront les caractéristiques relatives d’une part, à la source d’eau (débit, droit d’eau,…), et d’autre part au réseau électrique qui sera mis en place autour de ce type d’installation.

Concernant le projet de la microcentrale hydraulique, il faut tout d’abord pouvoir prouver l’existence d’un droit d’eau. Pour cela il existe deux possibilités distinctes :

- Le droit d’eau fondé en titre : Il s'agit d'un droit d'eau antérieur à l'abolition des privilèges féodaux (4 août 1789). Il appartient au propriétaire de prouver son existence avant 1789, grâce à des documents tels qu’un acte notarié précisant l’existence du droit d’eau ou tout document attestant l'existence d'une activité économique sur le site avant 1789 consultable aux archives départementale.

- Cas des puissances inférieures à 150 kW antérieures à 1919 : Si une usine d’une puissance maximale brute aussi abrégé PMB (Cf. formule ci-dessous) inférieur à 150 kW avait était autorisée avant la loi de 1919 sur l’énergie hydraulique le droit d’eau est toujours valable sur son emplacement.

Une fois l’existence du droit d’eau reconnue, il faut déterminer sa consistance à l’origine de l’ouvrage. Pour cela il faut calculer sa Puissance Maximale Brut (PMB) définie par :

PMB(enkW )=9.81×(Hhaut−Hbas)×QOù H haut et H bas sont respectivement les hauteurs de prélèvement et de restitution de l’eau et Q est le débit maximum mesuré.

Ensuite il doit se conformer aux articles R214-71 et R214-85 du code de l'environnement. Ceux-ci préconisent l’acquisition d’une autorisation du droit sur l’eau de 1919 en préfecture, et la constitution d’un dossier d’une vingtaine de pièces telles que :

- Une présentation du pétitionnaire-La localisation et les caractéristiques techniques du projet -L’évaluation de l'incidence du projet sur le milieu-Des consignes de surveillance, de mesures de sécurité,...

En cas d’absence de droit d’eau, pour de nouvelles installations, une autorisation d’exploiter la ressource hydraulique doit être demandée auprès du service chargé de la police des eaux. En pratique cette demande autorisation est longue et fastidieuse. On remarquera tout de même que le droit d’eau peut être retiré s’il y a ruine de l’exploitation ou bien si des travaux entrainent la modification du débit ou de la hauteur de chute du cours d’eau.Les récentes normes indiquent toutefois les démarches à réaliser suivant la quantité du débit utilisé.Si on utilise moins de 2% du débit (soit environ2m3/h=0.7 l / s), aucune déclaration ni autorisation n’est nécessaire.Si on utilise entre 2% et 10 % du débit, il faut juste déclarer officiellement que l’on utilise une partie du débit.Et enfin, si on utilise plus de 10% du débit, il faut faire une demande officielle et attendre une autorisation pour savoir si on peut exploiter le ruisseau.

III. La réalisation d’un débitmètre

7 | P a g e

La mesure du débit a été un élément clef de l’étude de la microcentrale. En effet, celle-ci est indispensable pour le dimensionnement de la turbine et donc de la microcentrale. Elle sert plus précisément pour le calcul de la puissance que le système va fournir. De plus, elle fut la première étape (après les recherches sur le droit d’eau) de notre projet.

1. Configuration

La problématique de la configuration du débitmètre s’expose comme cela. Il y a un cours d’eau qui traverse la propriété, l’eau traverse le jardin et coule le long de la maison avant d’arriver dans un petit garage.Sachant cela, il a fallut trouver une méthode pour concevoir un débitmètre fiable (avec une précision de la mesure d’environ 2l/s).

Figure 2 et 3 : Photographies du ruisseau parcourant le jardin

2. Idées et préparations

Dans un premier temps, pour connaître le débit de la rivière, nous avons pensé à le faire suivant l’écoulement. En effet, nous savons que le débit est égal à la vitesse de l’eau multiplié par la section. Il nous a suffit de prendre une bouteille d’eau (pleine afin d’être immerger) et de mesurer le temps qu’elle met à parcourir une distance voulue. Ainsi par la relation "distance x temps" nous obtenons la vitesse d’écoulement du ruisseau. Pour la section nous avons mesuré la partie du cylindre ou circule l’eau.

Les résultats qui en ont découlés nous ont parus absurdes, c’est pour cela que nous n’avons pas poursuivie avec cette méthode. En effet, celle-ci n’est pas satisfaisante du tout

8 | P a g e

pour deux raisons principales. Premièrement, nous avons été réduits à réaliser l’expérience sur une courte distance. Et deuxièmement, la section calculée n’est qu’une estimation car il été difficile de réaliser les mesures avec un tel débit.

Dans un second temps, nous avons décidé d’utilisé une cuve à fuel, la placé sur le chemin de la rivière, et chronométrer le temps qu’elle allait mettre pour se remplir. Mais nous n’avons trouvé aucun moyen efficace de la vider avant qu’elle inonde le garage. Cette solution fut donc rapidement oubliée.

Nous avons par la suite, pensé à un système d’écluse où l’on calculera le temps mis par l’eau pour déborder. L’évacuation de l’eau se fait en ouvrant une trappe. Mais cette méthode posant de nombreux problèmes mécaniques, nous avons choisit une autre solution. Celle retenue et qui nous semblent la plus adapté a été de réaliser un débitmètre en triangle.

Principe du débitmètre en triangle/déversoir triangulaire : Son principe est simple, une plaque d’acier (de préférence) bouche le canal d’eau.

Nous découpons un triangle d’une certaine surface à une certaine hauteur. L’eau monte et passe à travers la plaque, plus le triangle est rempli et plus le débit est important. Ainsi nous relevons la hauteur d’eau et grâce à une courbe de relation hauteur / débit (calculée à partir des formules de Gourley) nous connaissons le débit.

Nous pouvons voir ci-contre un exemple de déversoir en triangle où la hauteur (notée h) correspond à la pointe du triangle jusqu'à la surface de l’eau.

Figure 4 : Exemple de déversoir en triangle (Source : www.aqualyse.fr)

3. Conception du premier débitmètre

Nous avons pensé que la meilleur solution été d’installer le débitmètre dans le garage où la section de passage de l’eau à une forme géométriquement idéal.

Nous nous sommes donc lancé étapes par étapes dans la réalisation d’un déversoir triangulaire. Pour le réaliser, nous avons découpé l’extrémité d’une cuve que nous avons taillée suivant la forme du schéma ci-dessous. Forme correspondante à la section de passage de l’eau et la forme du garage.

9 | P a g e

Figure 5 : Photographie de la cuve Figure 6 : Dessin de conception du débitmètre

Dans notre cas le triangle à été réalisé à une hauteur p=49cm conformément aux indications telles que h=40cm et α=53.1° (d’après le site www.whycos.org)

De plus, par la formule de Gourley nous pouvons mesurer le débit grâce à ces trois éléments. En effet :

Q=1.32× tan ∝2×h2.47

De cette relation, nous pouvons obtenir une courbe représentant le débit d’eau en fonction de la hauteur d’eau. Cette courbe est consultable en annexe 1. Vous pouvez toutefois voir un aperçu ci-dessous de la courbe en taille réduite.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

50

100

150

200

250

300

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Débit en fonction de la hauteur d'eau

débit en m^3/hDébit en l/s

hauteur en cm

m^3

/h

l/s

Figure 7 : Image réduite de la courbe représentant le débit d’eau en fonction de la hauteur d’eau

A la suite de cela, nous avons réalisé des calculs afin de savoir si la plaque pouvait résister à la pression que l’eau exercerait sur celle-ci. Afin de calculer au mieux cette

10 | P a g e

pression, nous avons demandé de l’aide à Madame Cécile Bernard (professeur de mécanique en GTE) pour la méthode a adopté dans ce genre de problème. Nous avons ainsi

utilisé la méthode suivante.

¤ Calcul du volume occupé par l’eau : Nous pouvons considérer que le volume maximum que peut occuper l’eau, se dessine

comme un triangle rectangle en coupe longitudinale. C'est-à-dire que l’on calcul la surface d’une vue en coupe tel que l’image suivante la représente :

Avec un diamètre maximum de passage de

dmax=0.79m

Figure 8 : Schéma du volume maximum (vue en coupe)

¤ Calcul de la pression exercée :

Comme la pression qu’exerce l’eau sur la plaque évolue linéairement ( de haut en bas), nous calculons donc la pression moyenne. Tel que :

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Pression en fonction de la hauteur

Hauteur de la plaque en m

Pre

ssio

n e

n P

a

Figure 9 : Graphique de la pression en fonction de la hauteur

Un volume d’eau de 1m3 pèse 1000 kg car 1 L→1kg et 1 L→1dm3=0.001m3

11 | P a g e

Ainsi, Pressioneau→ plaque=ρ×g×h

2=1000×9.81×0.816

2=4002.5 Pa

Ce qui représente une force de :F eau→plaque=Peau→ plaque×S plaque=4002.5× (0.816×0.79 )=2518.2NEn ajoutant une marge de 10 % d’incertitude (marge standard prise dans les calculs de résistance des matériaux) nous estimons une pression de P=4402.8Pa

¤ Résistance de la plaque : Caractéristique de l’acier :

- module d’élasticité : E = 205000Mpa- module de cisaillement : G = 80000Mpa- limite élastique : Re = 235Mpa- résistance à la rupture à la traction : 340Mpa- masse volumique : ρ = 7800kg/m³

Il faut que Pression≤Rpe pour que la plaque ne cède pas avec Rpe= ℜs

Où Rpe représente la résistance pratique à l’extension en [MPa ]Et s est le coefficient de sécurité ¿5

Nous avons donc Rpe=235×106

5=47MPa

Avec 10% de sécurité en plus (même marge prise que précédemment), si nous possédons un acier peu résistant on obtient :

Rpe=42.3MPa

Comme nous pouvons le constater, nous avonsPression<Rpe, ainsi nous pouvons conclure que la plaque ne cédera pas sous la force exercée par l’eau.

4. Installation du premier débitmètre

Pour l’installation nous avons effectué de nombreuses tentatives.Dans un premier temps, nous avons installé des rails de chaque cotés des murs de façon à bloquer le débitmètre. Nous avons du l’enlever et redécouper l’extrémité du débitmètre car il ne rentrait pas. Par la suite nous l’avons réinstallé et avons constaté de nombreuses fuites sur les cotés. Grâce à des joints sur les cotés nous avons retenté d’installer le débitmètre mais la pression étant trop forte les joints ce sont avérés inutiles et nous avons du par la suite abandonné cette méthode. En effet, pour installer le déversoir triangulaire il été nécessaire de frapper avec une masse et en vue des nombreuses tentatives de mise en place, nous l’avons endommagé.

Malgré une première approximation du débit (environ 52l/s) lors des essais de mis en place du débitmètre, nous avons de décider de refaire une tentative en réalisant un autre

12 | P a g e

déversoir à un autre endroit car la mesure de débit est très importante pour la suite du projet.

5. Conception du deuxième débitmètre

Pour le second débitmètre, l’installation a été faite dans le jardin sur une section de passage plus large. Nous avons utilisé exactement la même méthode que pour le débitmètre précédent avec les mêmes dimensions.

Nous avons découpé la forme de la section et du triangle dans une porte en bois et une fine plaque d’acier que nous avons fixé ensemble avec des vis.

Figure 10 : Photographie du deuxième débitmètre fabriqué

6. Installation du deuxième débitmètre

L’installation s’est faite facilement, la plaque correspondait parfaitement à la section. Bien évidement il y a eu des fuites mais nous les avons réduites en ajoutant des cailloux. L’apport naturelle de saleté, terre sable par le courant d’eau nous a permis de boucher les fuites et ainsi avoir notre mesure de débit.

Selon la même courbe que le débitmètre précédent (Cf. annexe 1), nous obtenons un débit d’eau de 69 l/s. Ce débit fut pris le lendemain d’une journée pluvieuse. Nous avons ainsi, par la suite, pris plusieurs mesures, à des jours différents et des météos différentes. Nous avons donc pu établir que le débit d’eau du ruisseau est compris en 51 et 69 l/s.

13 | P a g e

Figure 11 : Photographie du débitmètre installé dans le lit du ruisseau

IV. Le choix d’une grille d’entrée

Le dégrillage est une partie essentielle dans l’installation d’une microcentrale. En effet, le dégrilleur (qui permet le dégrillage) est une installation de prétraitement permettant de

retenir les matières en suspension grossières par une grille. Un dégrilleur est ainsi une grille qui permet de stopper les résidus transportés par l’eau (bois, plastique, métaux …), notamment avant son entrée dans la turbine dans le cadre des centrales d’hydroélectricité. Dans notre projet, l’eau puisée dans le ruisseau comporte des déchets végétaux et il est donc nécessaire d’installer un dégrilleur afin de les éliminer.

14 | P a g e

Les déchets véhiculés par l’eau sont éliminés dès leur arrivée dans la station par l’intermédiaire d’un dégrillage mécanique.L’eau du ruisseau passe ainsi par des grilles de plus en plus fines où les matières

volumineuses sont retenues telles que les feuilles et les brindilles de bois.

Il existe deux types de dégrillage :- le dégrillage grossier qui épure l’eau avec des grilles espacées de quelques

millimètres pour retirer les déchets dont le volume est supérieur à 2 ou 3 centimètres.- le dégrillage fin, constitué de grilles encore moins espacées, va éliminer les déchets

d’un volume supérieur à un centimètre.Tous les dégrilleurs vendus par des professionnels sont équipés d’un dispositif de

relevage et d’éjection automatique des déchets. Dans le cas d’installation de dégrilleurs pour des grosses installations les déchets sont ensuite compactés, envoyés en benne, puis en usine de traitement d’ordures ménagères pour y être incinérés. Dans notre situation, les déchets seraient simplement éjectés sur une parcelle du terrain où se situe le réservoir.

Analysons désormais le dégrilleur automatique vertical ainsi que le dégrilleur courbé.

Dégrilleur automatique vertical : Ce type de dégrilleur (Entrefer de 6 à 20 millimètres) est spécialement adapté aux

eaux chargées de matières solides difficiles à séparer. Cet appareil permet la remontée des matières solides arrêtées à un niveau tel qu'elles seront automatiquement déversées dans une benne, sans manipulations manuelles (sans avoir besoin de l’intervention d’une personne)

Ce type de dégrillage est particulièrement bien adapté aux abattoirs, tanneries, conserveries, …

Dégrilleur courbé (dégrillage fin) : Le dégrilleur courbé est un appareil destiné à retenir les objets volumineux solides

dont les dimensions sont supérieures à la maille du dégrilleur choisi.Ces dégrilleurs s'utilisent le plus souvent lors d'une arrivée gravitaire de l'effluent, ou

encore après un poste de pompage pour protéger les installations aval.L'appareil est entièrement automatique et sa mise en route peut se faire de deux façons différentes au choix de l'utilisateur:

- Asservissement à un contacteur à flotteur, dès que le niveau en amont de l'appareil s'élève à cause de la perte de charge provoquée par la grille colmatée - Asservissement à une horloge qui le fera démarrer deux à trois fois par jour

Dans le cas de notre projet de microcentrale, le type de dégrilleur le plus adapté serait un dégrilleur courbée. Or ce type d’installation coûte cher et le retour sur l’investissement se verrait rajouter plusieurs années. En effet, d’après la documentation technique de la société Hydranet, pour un débit de 180 m3/h et une largeur de chenal de 0.9 mètre le prix d’un dégrilleur courbé est d’environ 6500 euros. Nous avons donc du rechercher une solution pour réduire le coût d’un tel système pourtant nécessaire dans l’installation d’une microcentrale hydraulique.

15 | P a g e

Figure 12: Dessin légendé d’un type de dégrillage

Pour remédier à ce problème nous avons trouvé une solution : "l’effet Coanda". En effet, depuis quelques années, une nouvelle technologie de prise d’eau (= dégrillage) à vue le jour : la prise d’eau "Coanda" ou à "effet Coanda". Ce nom provient du nom de l’ingénieur

roumain qui mit en évidence ce phénomène de mécanique des fluides au vingtième siècle. Le principe de l’effet "Coanda" est très simple ; lorsqu’un fluide en écoulement rencontre une paroi, il a tendance à adhérer à la paroi même s’il lui faut pour cela, faire un "virage en épingle à cheveux". La prise d’eau "Coanda" repose sur le fait qu’une partie du

cours d’eau passe sur une grille très fine (que l’on appelle également "écran Coanda" et qui correspond à notre gille de dégrilleur cité précédemment), par effet "Coanda" l’eau adhère à la structure de la grille qui est telle qu’elle filtre les débris les plus fins et capte une partie du cours d’eau qu’elle dirige directement vers une conduite ou un canal.

Ce type de dégrillage comporte plusieurs avantages. En effet, cette technologie possède trois avantages majeurs :

- la grille permet à la fois de filtrer les gros débris (ils passent au dessus de la grille) et les petits, ils sont filtrés par la structure très fine de la grille

- la grille est autonettoyante, puisqu’en permanence de l’eau s’écoule sur la grille- la structure est allégée : une seule grille et aucun dessableur.Ainsi, la technologie "Coanda" permet de diminuer les coûts d’entretien et de génie

civil et l’impact visuel de la prise d’eau.Cependant, comme tout matériel, celui-ci comporte également des inconvénients. La construction d’une telle grille est assez complexe (finesse de la construction, robustesse des matériaux, design) : elle ne peut être réalisée que par une entreprise spécialisée.

16 | P a g e

Figure 13 : Schéma de principe de la prise d’eau "Coanda"

V. Exploration de la conduite forcée

1. Préparation du terrain

Concernant l’exploration de la conduite forcée, lors de nos premiers pas dans ce projet la fosse dans le garage des propriétaires était inondée. En effet, nous avons pu observer environ trente centimètres d'eau, beaucoup de gravats et de dépôts. L'eau coulait par l'ancienne conduite en béton. De plus, la fosse sceptique d'un voisin, installée dans un coin de la fosse, était encore en service. Ainsi, son contenu se déversait par le trop plein pour atterrir dans l'eau de la fosse. L'eau stagnait dans la fosse de la turbine car l'évacuation était bouchée. Nous avons donc du débarrasser l'eau des immondices visibles en surface grâce à un seau. Ensuite, les dépôts et gravats ont été enlevés pour rendre la fosse un peu plus accessible. Le propriétaire a du investir dans une petite pompe afin de vider l'eau restante. Nous avons ensuite pu travailler dans des conditions plus ou moins acceptables pour démonter les éléments de la turbine.

2. Exploration

Lors de notre première visite sur les lieux nous avons pris connaissance de l’existence d’une canalisation qui alimentait autrefois en eau la centrale hydraulique de l’ancienne scierie qui est désormais l’habitation des propriétaires. En aval, du coté de la turbine sous le garage, nous voyons que la canalisation dans le mur est toujours reliée à la turbine, il va donc falloir couper la canalisation pour pouvoir l’observer et voir si elle est réutilisable. Nous voyons aussi une conduite carrée à coté et on suppose que ce doit être une alimentation en eau plus vieille encore. Ensuite nous sommes montés voir dans quel état était le réservoir plusieurs mètres en amont. De la terre s’était accumulée au fond de ce bassin désormais totalement à sec puisque qu’un petit éboulement à obstrué son raccordement au ruisseau. Après nous être employés à évacuer la terre aux alentours de la bouche d’entrée de canalisation nous avons pu observer qu’elle semblait encore en bonne état, du moins sur les quelques premiers mètres. Cette bouche de canalisation a une forme conique qui permet de diminuer les pertes de charge ponctuelles à cet endroit. Nous avons donc relevé des mesures relatives à sa géométrie comme vous pouvez le voir sur le schéma ci-après :

Figure 14 : Schéma de l'entrée de la conduite forcée

17 | P a g e

Monsieur Desmoulins, notre tuteur de projet, nous dévoile alors les plans du cadastre (Cf. annexe 2, 3 et 4) du voisinage sur lesquels on peut imaginer la trajectoire et la longueur de la canalisation. Nous notons donc une longueur de 125 mètres sur un dénivelé de 27 mètres. Nous voyons aussi, vu l’orientation de la conduite au départ et l’emplacement de son arrivée, qu’elle comporte un coude quelque part.

Nous essayons une première tentative d’exploration. Pour cela une caméra d’exploration de canalisation a été loué mais elle n’était pas adaptée aux larges diamètres comme celui de notre canalisation, donc le fil trop souple s’enroulait en spirale contre les parois jusqu’au moment où il s’est avéré impossible de pousser davantage. Pour tenter de palier à ce problème nous avons attaché la caméra à un skateboard, cela nous a permis le gagner quelques mètres mais pas suffisamment. Nous pouvons tirer de cette vidéo (vous pouvez consulter les vidéos sur le site internet dans la rubrique "galerie photo") que sur 35 mètres après le début de la canalisation elle est encore propre et en très bon état. La canalisation reste en faible pente sur les premiers mètres puis plonge plus brutalement ensuite mais nous n’avons pas encore rencontré le coude qui nous permettrait de revenir dans l’axe du garage.

Suite aux conseils de Monsieur Dyon, expert en hydraulique, nous tentons une nouvelle technique d’exploration, à savoir attacher une boule (type balle de baby-foot) à du fil de pêche sur un moulinet et la lancer dans la canalisation, la longueur de fil déroulé nous donnant la distance parcourue avant l'obstacle probable. Afin de véhiculer notre balle dans la canalisation nous avons décidé de créer un barrage dans le réservoir, alimenté par de l'eau détournée de la rivière grâce à des tuyaux et des travaux de terrassement afin de réduire le dénivelé entre le ruisseau et le réservoir. Par ce système nous somme arrivés à stocker un volume d'eau conséquent et nous avons effectué un lancer. Le fil c'est déroulé sans encombre sur environ 60 mètres, nous entendons à ce moment là un bruit sourd et nous observons sur le fil un entortillement puis le fil continu droit ça route et peu après, entre 70 et 80 mètres, le fil s’emmêle de nouveau pour ensuite repartir une fois de plus droit. Le schéma suivant décrit l’état du fil à son inspection une fois retiré :

-----------------------------------------------------------X----------X-----(X : perturbations)

Nous notons donc deux perturbations lors de l’écoulement de l’eau. Le gros inconvénient de cette méthode est qu’elle ne nous donne aucune information sur la nature des obstacles rencontrés. Toutefois nous pouvons émettre l’hypothèse, sachant qu’il y a forcément un coude à un endroit de cette canalisation permettant d’être dans l’axe du garage, que ces deux perturbations correspondent à l’entrée et la sortie de ce coude s’il est étendu ce qui parait logique dans l’optique de minimiser les pertes de charges. Néanmoins, ces perturbations peuvent tout aussi bien être dues à des tourbillons provoqués par une rupture de la canalisation à travers laquelle l’eau s’infiltrerait. De plus, cette dernière hypothèse serait appuyée par le fait que l’eau envoyée dans la canalisation ne ressort pas au niveau de la turbine, sous le garage de M. Darvogne.

18 | P a g e

En faisant quelques recherches sur les prestations qu’offraient des professionnels qui font de l’exploration de canalisation. Il en résulte qu’ils utilisent des rovers d’exploration d’où notre idée d’utilisé une voiture télécommandée munie d’une caméra. Nous avons trouvé des modèles de caméra bon marchés sur internet mais Nicolas Martin a pu en trouver une fonctionnant sans fil, par connexion hertzienne. Il s’est avéré que la portée maximale de la commande de la voiture était bien insuffisante et qu’en marche forcée la voiture se retournait très vite. Monsieur Desmoulins nous a alors suggéré de "bricoler" nous même la voiture pour la transformer en filaire mais après quelques recherches cela c’est avéré bien trop ambitieux pour les quelques notions d’électrotechnique que nous avions.

Nous avons ensuite eu une autre idée pour mener à bien cette exploration. Nous avons construit un charriot d’exploration à partir d’une boite en plastique transparente, d’un appareil photo en mode "caméra", de roulettes et de LED pour l’éclairage. Nous l’avons fixé sur des cannes de ramonage qui ont l’avantage d’être plus rigides que le fil gainé de la caméra que nous avions loué mais assez souple pour passer un coude. Nous avons pu récupérer une grande longueur de canne de ramonage et nous avions prévu un assemblage en bout de ces cannes avec des bambous pour gagner encore en longueur.

Après de nombreux essais nous sommes parvenus à obtenir une image nette et bien éclairée des 53 premiers mètres (ce système finissant lui aussi par se bloquer) de l’intérieur de la canalisation qui s’avère en très bon état et propre (cette vidéo est également consultable sur le site internet du projet dans la rubrique "galerie photo"). Nous observons un mince filet d’eau au fond de la canalisation, pourtant cette eau ne s’écoule pas en sortie. Ceci laisse présager un obstacle ou un effondrement de la canalisation qui empêche cet écoulement.

Nous voyons aussi clairement vers la fin le changement de direction de la canalisation qui se fait sur plusieurs mètres de long pour nous placer dans l’axe du garage et que nous pouvons estimer à une distance du réservoir d’environ 40 mètres. A la fin de cette exploration située à environ 53 mètres, sur l’enregistrement on ne voit pas d’obstacle à l’avancement du charriot. Il se bloque donc certainement à cause d’un trop grand frottement du charriot et des cannes au passage du coude.

Entre temps nous sommes parvenu à découper le coude de la canalisation en aval ce qui nous a permis de tenter la même expérience en partant du garage cette fois. Cette fois l’exploration fut brève puisqu’au bout d’environ 5 mètres on se retrouve devant un éboulis qui obstrue complètement la canalisation. Néanmoins nous nous sommes rendus compte peu après qu’on avait accès directement à la canalisation juste derrière cet éboulis par une trappe au fond du garage que nous n’avions pas repérée avant.

19 | P a g e

Les recherches continues alors et nous réussîmes cette fois à effectuer environ la même distance qu’en partant du réservoir (48 mètres cette fois). Nous n’avons toujours pas découvert d’obstacle particulier au passage de l’eau mais comme précédemment le charriot se bloque à une certaine distance. Toutefois on constate sur les enregistrements que la canalisation est en très mauvais état sur les 40 premiers mètres environ (canalisation e tôle) puis soudainement elle devient propre et en bon état (canalisation en béton). Il nous reste donc une vingtaine de mètres inexplorés où il y a de bonne chance que la canalisation soit cassée.

Pour vérifier encore cela nous décidons de tenter à nouveau de faire un lâcher d’eau pour vérifier si ce n’est pas l’éboulis découvert à 5 mètres de la sortie en aval qui empêchait l’eau de ressortir. Au final l’eau lâchée au réservoir ne passe jamais sous la trappe du fond du garage située après l’éboulis, ce qui semble confirmer qu’il reste un obstacle dans cette zone inexplorée.

Figure 15 : Trois photographies du charriot d'exploration

Monsieur Desmoulins nous expose alors une hypothèse intéressante. En effet, cette zone que nous ne sommes pas parvenus à explorer correspond, selon les plans du cadastre, à l’endroit où la canalisation et le ruisseau se croise. Donc si la canalisation et cassée à ce niveau il y a de bonnes chances que les lâchers d’eau que nous avons effectués soient partis dans le ruisseau. Pour vérifier cela nous sommes dans un premier temps descendus dans la

20 | P a g e

buse dans laquelle passe le ruisseau sous la route pendant que nous avions installé un débit d’eau en continu dans la canalisation au niveau du réservoir. Après avoir minutieusement inspecté cette voie souterraine sur tout son long nous n’avons vu aucune trace d’une fuite de la canalisation venant se jeter dans le ruisseau. Ensuite, afin d’être sûres de na pas l’avoir manqué nous avons utilisé de la fluorescéine dans la canalisation et nous nous sommes postés en divers endroits du ruisseau jusqu’au jardin pour tenter de repérer une trace de fluorescéine dans le ruisseau qui serait la preuve que la canalisation serait belle et bien cassée. Toutefois cette expérience n’a une nouvelle fois pas donné de résultat.

Devant le nombre de nos échecs à explorer entièrement cette canalisation nous finissons par convenir que nous aurons besoin de l’aide d’un professionnel. Nous avons alors rédigé un cahier des charge afin d’expliquer au mieux le travail qui doit être réalisé (Cf. annexe 5). Nous avons alors trouvé une entreprise dans la région qui pourrait effectuer cette exploration grâce à du matériel perfectionné auquel nous n’avons pas accès nous même, et cela pour la somme de six cents euros.

3. Remise en état de la conduite

Une fois que l’exploration aura été effectuée il nous faudra installer des tuyaux pour véhiculer l’eau à l’intérieur de la canalisation.

Dans un premier temps nous pensions installer quatre tuyaux en Polyéthylène (appelé PE) raccordés chacun à un injecteur qui seraient employés où non selon le débit fluctuant du ruisseau. Or plusieurs raisons nous ont fait abandonner cette idée. En effet, après avoir effectué les calculs de pertes de charge induites par cette installation (détaillés dans la prochaine partie de ce rapport) nous nous sommes rendu compte qu’elles étaient bien trop importantes. En outre le prix d’une telle installation, rien que pour les quatre tuyaux en PE de 125 mètres, s’est avéré lui aussi très dissuasif. Nous avons également évalué les pertes de charges pour un seul tuyau PE de 25 centimètres de diamètres.

Nous avons alors appris qu’il existait une autre manière pour refaire une conduite ancienne sans ouvrir de tranchée. Une technologie récente de gainage par "chaussette". L’entreprise EBL Polyester propose notamment ce produit sous la dénomination "gaine vapeur". Nous leur avons donc envoyé une demande de devis accompagné d’un cahier des charges relatif à notre chantier (Cf. le site d’EBL Polyester pour avoir toutes les caractéristiques de la gaine vapeur). Après deux semaines sans réponse nous les avons recontactés et ils nous ont précisé qu’une telle opération coûte environ 10 000 euros.

21 | P a g e

VI. Etude de la turbine Turgo

La turbine Turgo comme la turbine Pelton fonctionne à la pression atmosphérique. Elles sont constituées chacune d'un injecteur qui transforme l'énergie potentiel de l'eau en énergie cinétique. L'eau percute ensuite des augets qui fournissent de l'énergie mécanique à un axe de rotation grâce à l'utilisation de l'énergie cinétique du jet.

1. Détail des formules utilisées

Le jet d'eau applique une force sur l'auget qui est en fonction : de la vitesse du jet : V i

de la vitesse de la roue : V r

du débit massique d'eau : qm de l'angle entre le plan de la roue et le jet α rayon de la roue : rroue

F eau→auget=2qm×(V i×V r)× cos∝ (en Newton)

On en déduit la puissance de la turbine :P=Ω [rad / s ]×C [N .m ] (en Watt)

Avec le couple : C=Feau→auget×r roue

Et la vitesse de rotation :

Ω=V r

r roue

On a alors : P [W ]=F [N ]×V r[ms ]=2qm×(V i−V r)×cos∝×V r

22 | P a g e

Figure 16 : Photographie d’une turbine Turgo

La puissance délivrée par la turbine dépend de la vitesse de la roue

Or, dPdV r

=2qm×cos∝×(V i−2V r) donc la puissance est maximum pour V r=V i

2

On obtient : Pour faire varier la puissance, il faut faire varier le débit d'eau dans la turbine. Le débit d'eau dans la turbine est contrôlé par la section de l'injecteur.

La puissance maximale à récupérer étant la puissance cinétique du fluide

On trouve le rendement de la turbine :Généralement les constructeurs préconisent un angle de 20° pour que l'eau puisse bien circuler dans l'auget, on obtient ainsi un rendement théorique de 94% (dans la pratique il ne dépasse pas 83% sur les petites turbines). Ce rendement ne prend pas en compte les pertes de charges, il s'applique sur la hauteur d'eau nette.

Calcul de la vitesse du jet à la sortie de l'injecteur : Dans ces deux turbines la vitesse du jet dépend de la hauteur entre la turbine et du réservoir. Nous pouvons écrire le théorème de Bernoulli entre l'entrée du réservoir et la sortie de l'injecteur :Ptotal à la surfacedu réservoir=Ptotal à la sortie du jet + Pertes de charges

Si l'on note le point R la surface du réservoir et le point I la sortie de l'injecteur, on en déduit la formule suivante :

PR+ρV R

2

2+ ρgZR=PI+

ρV I2

2+ρgZ I+Pdc

Nous notons H la différence d'altitude et nous s' simplifions l'équation car Pr=Pi=P atmosphérique et Le niveau d'eau dans le réservoir est globalement contant donc Vr=0Nous arrivons donc à une expression de la vitesse du jet à la sortie de l'injecteur qui est en fonction de la différence de hauteur entre la turbine et le réservoir, et des pertes de charges.

V i=√2(gH−Pdcρ )≈21m / s

23 | P a g e

Calcul du diamètre de l'injecteur :

qm=ρ×V i×Sinjecteur

Nous pouvons calculer le diamètre de l'injecteur à choisir :

Dinjecteur=√ 4×qmρ×π ×V i

Calcul de la vitesse de rotation : Nous avons vu que la roue tourne à la moitié de la vitesse du jet, nous pouvons donc

trouver la vitesse de rotation en tour par seconde de la roue en fonction de la taille de la roue. Cela nous permettra de trouver un moyen de transformation en énergie électrique adapté.

Ω( trs )= V jet

π× Droue

Nous voulons récupérer de l’énergie électrique grâce à un moteur asynchrone. Pour avoir un bon rendement, il faut que le moteur choisi tourne à une vitesse de 1 500 tours/minutes (soit 25 tours/seconde).Nous allons donc déterminer quel est le diamètre de la turbine à une vitesse minimale de 1 500 tours/minutes

Ω( trs )>25 trs

Droue≤V jet

π ×Ω≤ 20π×25

≤255milimètres

Calcul des pertes de charge dans la conduite et dans l'injecteur :

Dans la conduite : La vitesse du jet doit être la plus grande possible pour que l'on dispose d'un maximum d'énergie cinétique. Nous allons donc essayer de réduire un maximum les pertes de charge entre le réservoir et l'entrée de la turbine. Le réseau d'acheminement en eau appelé conduite forcée possède trois points de pertes de charge :

- régulière : le long de la conduite- singulière : rétrécissement au niveau du réservoir et déviation de direction de la

conduite

Ces pertes de charges sont proportionnels à et fonction de la rugosité du matériau utilisée. Il faudra donc utiliser un diamètre le plus grand possible.

24 | P a g e

Dans l'injecteur : la géométrie non linéaire d'un injecteur entraîne des pertes de charge singulières quand le diamètre de passage de l'eau va se rétrécir brutalement et entraîner une augmentation de la vitesse de l'eau. Ce rétrécissement brusque va entraîner des pertes de chargesEn effet, comme nous l'avons vu précédemment, la vitesse de l'eau à la sortie de la conduite ne dépend pas du diamètre de sortie de la conduite. Le débit du ruisseau va donc nous fixer le diamètre de sortie de l'injecteur.

Pertes de charges régulières :

Re=

4×Q volumique

πDv

La valeur du Reynold et la rugosité de la conduite nous donne la valeur du coefficient λ entrant dans la formule des pertes de charges.

Pdcrégulière=L . λD× 1

2×ρ×V 2

Pertes de charges singulières : Pdc singulière=ξ×

12× ρ×V 2

ξ un est facteur qui détend de chaque singularités de la conduite.

2. Application des formules à notre projet

La conservation du droit d'eau implique l'utilisation de l'ancienne conduite qui a les caractéristiques suivantes :

un coude à 120° un rétrécissement au niveau du réservoir longueur : 130 mètres diamètre : 30 centimètres

Nous envisageons deux solutions, la première est d'utiliser tout le diamètre de la conduite pour avoir des pertes de charges négligeable. La deuxième solution est de dérouler des tuyaux plastiques dans la conduite. En effet, la remise en état de la conduite fissurée oblige de creuser sur toute la longueur ou de la recouvrir d'enduit. Cette solution entraînera un surcoût d'investissement qu'il faut prendre en compte.

Première solution : Insertion de tube PE dans l'ancienne canalisation Si l'on doit insérer un tuyau souple dans une conduite, le diamètre du tuyau sera

nécessairement inférieur à la conduite pour permettre aux tuyaux souple de pouvoir être insérer. Nous choisissons donc d’insérer plusieurs tuyaux dans la conduite de trente centimètres de diamètre

25 | P a g e

Avec 1 tuyau : D = 25cm ou 20cmAvec 2 tuyaux : D = 15cm Avec 3 tuyaux : D = 13cm Avec 4 tuyaux : D = 9cmAvec 7 tuyaux : D = 8cm

Calcule numérique des pertes de charge régulières :

Pdcrégulière=L . λD× 1

2×V

²

gDans cette formule les pertes de charges nous sont données en mètres de colonne

d'eau ce qui est plus facile pour mesurer la puissance perdu.

Il faut chercher le coefficient lambda : Nous déterminons ce coefficient grâce a un abaque dépendent du Reynold et de la rugosité de la conduite (Cf. abaque annexe 6).Les tubes PE ont une rugosité ε=0,003mm et υ=1,386.10^-6 kg/ms

Re=

4×Q volumique

π × Dv

Avec un diamètre allant de 30 à 8 centimètres et un débit allant de 40 à 70l/s, on remarque que le Re en 10^6 et 10^7. Donc le coefficient de perte de charge régulière est constant : λ = 0,014.

Calcule numérique de pertes de charge singulière : Les pertes de charges singulières dépendent de la vitesse de l'eau est de la géométrie de la conduite.

Pdcrégulière=δ×12× V

²

gAvec un facteur de pertes dont la valeur est la suivante :

δ (coude a moins de 90°) = 0,5 δ (rétrécissement) = 0,5 δ (vanne quart de tour) = 1

Nous obtenons une valeur des pertes de charges qui dépend de la vitesse et du diamètre :

Pdctotal=(2+0.013× LD )× 1

2× V ²g (en mètre de colonne d’eau)

Nous allons donc étudier les pertes de charge en fonction du débit dans la turbine et du nombre de tuyaux.

26 | P a g e

Première solution:

Nous n’avons qu'un seul tuyau et nous voulons choisir quel diamètre entraîne des pertes de charges raisonnable.

Nous constatons d’après le graphique ci-dessous que si le diamètre est plus grand que 20 centimètres alors les pertes de charge seront plus petites qu’un mètre de colonne d'eau. De plus, au dessus de 30 centimètres de diamètre, les pertes de charges ne diminuent plus franchement ce qui est en accord avec l'installation actuel qui a un diamètre de 30 centimètres.La remise en état sera donc la solution idéale au niveau de pertes de charges

27 | P a g e

Figure 17 : Graphique réalisé pour calculer les pertes de charge avec un seul tuyau PE

Deuxième solution:

Nous allons essayer de voir si les pertes de charge restent raisonnables en ajoutant plusieurs tuyaux dans la conduite.

Figure 18 : Graphique réalisé pour calculer les pertes de charges en fonction du débit

Nous pouvons noter qu’à partir d’un nombre de tuyaux supérieur à deux, nous ne pouvons pas visualiser la courbe des pertes de charges car celles-ci sont trop importantes. L'utilisation de plus d’un tuyau entraîne des pertes de charges de plus de trois mètres de colonnes d’eau. En effet, l'utilisation de plusieurs tuyaux permet de ne pas diminuer la section de passage est donc d'obtenir une vitesse faible dans la conduite. Cependant, plus on ajoute de tuyaux, plus le périmètre de la conduite est grand par rapport à la section de passage. Cela entraîne plus de frottements donc beaucoup de pertes de charges.

L'étude des pertes nous permet de conclure que l'insertion de plusieurs tubes dans la conduite n'est pas judicieuse car il nous entraînerait des pertes de charges supérieures à 2,5

28 | P a g e

mCE. Sur 25 mètres de chutes, cela implique une baisse de puissance disponible d’au moins 10%.

De plus, nous en concluons qu'un diamètre de 30 centimètres de canalisation est l'idéale avec notre débit. Nous savons également maintenant qu'un diamètre de 25 centimètres entraîne 30mCE de pertes de charge et 1mCE pour un diamètre 20 centimètres de canalisation. La recherche de solution technique va donc déterminer la solution la plus rentable en fonction du coût des travaux et de la perte de puissance dû aux pertes de charges.

VII. Finalisation de la remise en état de la conduite

Insertion d'une conduite en plastique : Comme nous l'avons vu précédemment nous ne pouvons pas utiliser de tuyaux de

moins de 20 centimètres de diamètre. Et la conduite actuelle nous limite à un diamètre de 30 centimètres. Nous allons donc étudier les pertes de charges pour des diamètres compris entre 20 et 30 centimètres. Cela nous permettra de savoir s’il est préférable d'avoir une installation avec des pertes de charge négligeable et un coût d'investissement important ou si une installation moins coûteuse permet de gagner de l'argent.

Figure 19 : Graphique réalisé pour un diamètre de 25 centimètres

29 | P a g e

Les pertes de charges dépendent du débit. Nous allons donc différencier le débit circulant dans le ruisseau en hiver et en été réciproquement proche de 70 et 40 litres par seconde.Pertes d'énergie sur une année de la turbine :

E [kWh ]=qm {moyen }×g×Pdc× temps [h ]

Pertes de charge en été

Pertes de charges en

hivers

Énergie Perdue par an(kWh)

Diamètre de 25 cm

30 cm 90 cm 3250

Chemisage de la conduite :

Figure 20 : Graphique réalisé pour un diamètre de 30 centimètres

Avec un diamètre de 30 centimètres les pertes de charges dans la conduite ne dépassent pas 40 centimètres de colonne d'eau, ce qui limite la perte de puissance à 1,2%.Les pertes de charges entraînent une perte de 1460 kWh par an.

Coût technique de la rénovation :

30 | P a g e

Nous avons réalisée des devis auprès d'entreprise pour estimer le coût des matières premières et de la main d’œuvre afin de chemiser la conduite ou de la retuber.

Nous nous sommes intéressés à une entreprise de chemisage de conduite par injection de résine. Nous nous sommes renseignés auprès d'entreprise de matériaux pour les tubes PE.

Comparatif des solutions de remise en état de la conduite

Le chemisage de la conduite entraîne le moins de pertes de charges mais cette solution est également la plus chère. Nous allons voir quelle solution est la plus avantageuse sur plusieurs années.

Énergie perdu par an (kWh)

Argent perdu par an

(8,57cts/kWh)

Investissement Pertes au bout de 5

ans

Pertes au bout de 10

ans

Chemisage 1460 87,60 € 10 000,00 € 438,00 € 876,00 €

Tubage 25 cm 3250 195,00 € 12 050,00 € +2000€ de

terrassement

975,00 € 1950,00 €

Les 2 000 € de terrassement prennent en compte le prix d’une location d’une pelleteuse (avec chauffeur) pour une journée, ainsi que le coût dû à l’ouverture de la canalisation (au niveau du coude).

La solution de la gaine vapeur est la plus adapté pour la remise en état de la conduite de la turbine. En effet, elle coûte moins cher que l'achat de tubes PE qui sont vendu en tronçon de 10 mètres pour ce diamètre. De plus, cette solution permet de conserver un diamètre maximum, ce qui implique de faibles pertes de charge.

Nous pouvons considérer que comme le débit moyen est de 60 l/s au vu des mesures réalisées avec le débitmètre les pertes de charge de l'installation sont donc de 30 centimètres de colonne d’eau.

VIII. Choix d’un injecteur

L'injecteur d'une turbine sert à transformer l'énergie potentielle en énergie cinétique. Le choix d'un injecteur détermine le débit d'eau et donc la puissance de la turbine.Le débit de la turbine est donné par la vitesse du jet et la surface de l'injecteur.On rappel : V jet=√2 (gH )

On obtient le diamètre de l'injecteur en fonction de notre débit et de la vitesse du jet :

D=√4×Qm

π× ρ×V jet

31 | P a g e

Qm en kg/s V jet en m/s ρ en kg/m^3

Dans une installation de turbine hydraulique il est possible d'installer un ou plusieurs injecteurs. Nous allons donc faire une étude avec un injecteur et une autre avec plusieurs injecteurs.

1. Injecteur à pointeau

Cet injecteur permet de faire varier le débit dans la turbine grâce à un pointeau qui diminue ou rétrécie la surface de sortie de l'injecteur.

Lorsque l'on calcule le diamètre d’un injecteur, il faut prendre en compte le fait que la formule précédente nous donne le diamètre du jet et non le diamètre de l'injecteur. En effet, le jet met quelques millimètres avant de revenir totalement à la pression atmosphérique. Le jet va donc avoir un diamètre inférieur au diamètre de l'injecteur, on choisit donc un injecteur de diamètre 1,2 fois plus grand.

On a alors : Dinjecteur=1.2×√4×Qm

π ×ρ×V jet

Débit en kg/s

10 20 30 40 45 50 60 70

D en mmpour en vitesse

de 21m/ssoit

25mCE

29,5 41,8 51,2 59 62,7 66 72,4 78,2

L'injecteur de la turbine Pelton de chez Monsieur et Madame Darvogne est un injecteur à pointeau. Le diamètre maximal de l'injecteur est de sept centimètres, il est donc conçu pour un débit maximal d'environ 55 kg/s. Notre débit maximal étant celui de la rivière soit 70kg/s, nous pouvons utiliser les dimensions de cet injecteur en les modifiant légèrement.

32 | P a g e

Figure 21 : Photographie de l’injecteur des propriétaires

2. Injecteur à débit constant

Le débit délivré par ce type d'injecteur est constant. L’intérêt d'un tel injecteur est qu'il coûte beaucoup moins cher qu’un injecteur à pointeau.

Le diamètre d’un injecteur à débit constant se calcule de la même manière que pour un injecteur à débit pointeau.

3. Installation de plusieurs injecteurs sur la turbine

L'ajout d'injecteurs supplémentaires permet de mieux régler le débit de la turbine. Dans cette configuration il faut prendre en compte les pertes de charges supplémentaires. En effet, les coudes, les vannes et la division des conduites principales créées de nouvelles pertes de charges.

Coudes : il faut compter deux coudes supplémentaires si l'on rajoute un injecteur pour que le jet soit dans le sens opposé au premier.

δ (coude à 90°) = 1δ (division) = 3 δ (vanne) = 1

Pdc supplémentaire parinjecteur=3× V ²g (en mètres de colonne d’eau)

33 | P a g e

Figure 22 : Graphique réalisé pour l’ajout d’un injecteur

Au vu des calculs des pertes de charge, nous pouvons en conclure que les pertes de charges entre le réservoir et les injecteurs ne dépasserons pas le mètre de colonne d'eau ce qui est acceptable.

4. Fixation de l’injecteur

Figure 23 : Schéma de la fixation de l’injecteur

L'injecteur est la partie de la centrale où l'on transforme l'énergie potentielle en énergie cinétique. Nous allons effectuer un bilan des forces qui s'applique sur l'injecteur.

F fluide−injecteur=|qm (V sortie−V entrée )+(P sortie×Ssortie−Pentrée×Sentrée )|

34 | P a g e

¿|70× (20−3 )+(105×π×0.0352−3×105×π ×0.152)|¿19.63 kN

La valeur de cette force va nous servir pour dimensionner la structure de support de l'injecteur. En effet, nous pouvons calculer les dimensions de la barre métallique qui va supporter l'injecteur.

F fluide−injecteur×20d3 ≤2.1×1011

Cette formule étudie les contrainte sur une barre de forme carré est en acier. Si la longueur est de 50 centimètres, il faudra que les cotés de la barre d'acier soit au minimum de 1 centimètre.

L'injecteur devra également être fixé avec un angle d'environ 20° selon l’indication du fournisseur pour que le jet ait une bonne trajectoire dans l’auget.

IX. Etude de l’injecteur avec le logiciel solidworks

Le but de ces dessins assistés sur ordinateur, étaient de réaliser au plus fidèlement possible le système à mettre en place ainsi que l’endroit où nous allions poser l’ensemble. Le logiciel utilisé réaliser cela est solidworks. Vous pouvez consulter le dimensionnement des pièces en annexe 7.

La fosse : La fosse est simple à

réaliser, une cuve rectangulaire, avec une dalle pour surélever le système.

La fosse possède une évacuation afin d’éviter que l’eau ne la remplisse et donc inonde le garage.

Pour remettre la fosse en état, il suffit de couler une dalle de béton comme sur le dessin ci-contre.

Figure 24 : Dessin de la fosse sous solidworks

35 | P a g e

L’injecteur :

L’injecteur est constitué de trois éléments principaux :

- le nez de l’injecteur - le coude- le pointeau

Figure 25: Dessin de l’injecteur sous solidworks

Nous pouvons noter également la présence de bride de fixation des différents éléments. L’injecteur fut plus complexe à réaliser sur le logiciel car il fait intervenir plus de fonctions. Monsieur Desmoulins nous a aidés à le réaliser en nous donnant les principales notions à connaître pour pouvoir le réaliser.

Nez de l’injecteur

Pointeau

Coude de l’injecteur

Figure 26 : Dessin de l’injecteur sous solidworks (avec légende)

36 | P a g e

Figure 27 : Dessin des pièces détachées de l’injecteur

X. Etude d’installation d’une pompe à chaleur

Actuellement, les propriétaires ont une chaudière fioul âgée d'une cinquantaine d'années et dont le bruleur a été remplacé l'année dernière. Afin de réaliser un dimensionnement du chauffage et de la ventilation de la maison de Monsieur et Madame Darvogne, nous allons effectuer plusieurs études sur le logiciel climawin disponible à notre IUT. La première étude sera réalisée grâce aux données existantes de la maison. Les études suivantes nous permettrons de faire leur faire des propositions pour remplacer leur chaudière en fonction de l’étude climawin et de l’étude technique sur la remise en marche de l’ancienne turbine.

1. Descriptif du bâtiment

Réalisons un descriptif thermique du bâtiment grâce à une visite chez les propriétaires. L'étude porte sur un projet de chauffage d'une maison individuelle grâce à la remise en marche de la turbine de l'ancienne scerie.la maison est située à Saint Martin d'Uriage (38, Isère), à une altitude de 650 mètres.

Maison individuelle non climatiséeMaison de deux étages habitablesSurface habitable : 180 m²

37 | P a g e

La surface habitable est située au dessus du garagePlancher bas sur garage : Parpaing 20 cm et dalle en béton de 5 cmPlancher intermédiaire : 20 cm de flocon de laine de rocheIsolation du plafond : 20 cm de laine de verreECS : un ballon d'eau chaude pour la salle de bain et un pour la cuisine

-atlantique:1800w – 150L – vertical (cuisine)-atlantique:1650w – 150L – vertical (salle de bain)

Chaudière chauffage : chaudière fioul haute température avec bruleur de 30 kWEmetteurs : radiateurs hautes températures avec robinets thermostatiques Fenêtres et portes-fenêtres : double vitrage bois 4/12/4 avec voletsPorte d'entrée : en bois non isoléeVentilation : naturel (simple flux en cours d'installation)Zone de bruit : calme

2. Descriptif du bâtiment

La maison est proche de nombreux reliefs qui influe sur l'environnement et sur l'ensoleillement avec notamment Chamrousse au Sud

Nous obtenons les masques lointains suivants :Nord - Est : 950 mètres à 5 kmSud - Est : 1120 mètres à 9,5 kmSud : 2240 mètres à 21 kmSud - Ouest : 1050 mètres à 16 km

3. Etude climawin

Grâce au logiciel climawin nous avons pu faire le dimensionnement de la pompe à chaleur avec les radiateurs actuels (type haute température).

L'étude nous a révélé que la maison possède une déperdition maximale de 13 kW avec les conditions climatique du département de l’Isère à une altitude de 650 mètres.

4. La pompe à chaleur (appelée PAC)

Définition de la pompe à chaleur :

C’est un système qui transfert la chaleur d'un milieu froid vers un milieu chaud ou inversement. En effet, naturellement, la chaleur se diffuse du chaud vers le froid mais grâce à cette technologie on peut prélever de la chaleur dans un milieu froid pour l'amener dans un milieu plus chaud. C'est le principe d'un cycle frigorifique. Les frigos, la climatisation ou les réfrigérateurs fonctionnent sur le même principe que les pompes à chaleur.

38 | P a g e

Du fluide frigorigène circule dans le circuit frigorifique. Le compresseur comprime le fluide frigorigène. La température de celui-ci s'élève et le fluide sort du compresseur sous forme de vapeur. Ensuite, le fluide passe à travers un condenseur qui fait liquéfier le fluide. En effet, la chaleur qu'a acquise le fluide est transmise au médium (air d'un local par exemple). Un condenseur peut se présenter sous la forme de radiateurs, de ventilo-convecteurs ou d'un plancher chauffant par exemple. Ensuite, une fois liquéfié, le fluide passe dans un détendeur. Celui-ci permet d'abaisser la température et la pression du fluide frigorigène. Il sort du détendeur sous un état diphasique (liquide+vapeur). Le fluide à basse pression se dirige ensuite dans un évaporateur. Ici, le médium (de l'air, de l'eau ou le sol par exemple) donne sa chaleur au fluide frigorigène qui s'échauffe alors et s'évapore. Le fluide frigorigène est alors une autre fois comprimé et suit le même cycle que précédemment.Les fluides frigorigènes les plus courants pour les pompes à chaleur sont : le R407c, le R410a et le R134a (qui va bientôt ne plus être utilisé pour des raisons environnementales), etc.

COPPAC = QutileWabs

Selon notre étude Climawin, la pompe à chaleur à installer dans la maison du particulier a une puissance de chauffage (Qutile) de 4kW et une puissance électrique/absorbée (W|¿|¿) de 1kW. Donc le coefficient de performance de celle ci est de 4.De plus, selon l'étude Climawin, la maison serait chauffée par une pompe à chaleur d'une puissance de 12 kW (ou plus afin de sur dimensionner un peu le système pour pouvoir toujours chauffer la maison en toutes circonstances).

Bien sur, pour ne pas trop chauffer ou refroidir un local les pompes à chaleur sont toutes équipées d'un régulateur (thermostat). Il permet de fixer et de régler la température dans la maison ou le bâtiment. La régulation qu'il faut installer dans cette maison est une régulation Proportionnelle Intégrale Dérivée (PID). En effet, il existe des systèmes

39 | P a g e

Figure 28 : Schéma de principe d’une pompe à chaleur

fonctionnant en régulation Tout Ou Rien (TOR). C'est-à dire que la pompe à chaleur s’arrête lorsque la température souhaitée est atteinte et redémarre quand l'installation redemande de la chaleur. Ce système est très mauvais pour la durée de vie du compresseur de la pompe à chaleur puisque il supporte mal des mises en route et des arrêts répétés.

Il existe de nombreux types de pompes à chaleur. Les principaux types sont détaillés ci dessous :

- Les pompes à chaleur géothermiques : transfert de la chaleur du sol vers une habitation. Il est donc nécessaire de poser des sondes géothermiques verticales, horizontales dans le jardin du particulier. Les sondes verticales sont adaptées pour une habitation possédant un petit jardin. Il faut alors forer le sol grâce à une foreuse à une profondeur inférieure à 100m de profondeur (profondeur légale). Si la puissance récupérée par ce système n'est pas suffisante, il faudra alors forer d'autres puits dans le jardin. Cette technologie possède de bons coefficients de performance. Les sondes horizontales servent pour les habitations possédant un jardin plus grand. En effet, il faut creuser à environ 50cm ou plus du sol de base pour que les sondes géothermiques puissent récupérer la chaleur du sol. Cette technologie a des coefficients de performance un peu plus faible que la précédente.

- Les pompes à chaleur air/air (évaporateur à air/condenseur à air) : transfert de la chaleur de l'air extérieur vers une habitation. Le coefficient de performance de cette technologie est plus faible que le coefficient de performance d'une pompe à chaleur géothermique. De plus, il y a des risques de givrage si la température extérieure est trop faible. L'investissement du particulier est par contre moins important qu'avec la précédente technologie.

- Les pompes à chaleur eau/eau (évaporateur à eau/condenseur à air) : transfert de la chaleur d'une source d'eau froide (nappe phréatique, ruisseau) vers l'eau d'une habitation. Dans notre cas, le particulier se servira de la chaleur prise à l'eau du ruisseau pour chauffer l'eau passant dans les radiateurs de son habitation.

Nous utiliserons donc chez le particulier la technologie eau/eau.

Mais attention ! Une pompe à chaleur n'est intéressante seulement si elle est reliée à des émetteurs de chaleur (condenseur) dimensionné pour des basses températures. En effet, une pompe à chaleur fonctionne avec des basses températures allant de 50 à 65°C. Il faudra donc installer des radiateurs basse température dans la maison du particulier.

Les prix :

Le prix d'une pompe à chaleur varie selon : - le type de pompe à chaleur- la puissance de la pompe à chaleur- sa qualité/la marque

Le choix d'une pompe à chaleur dépend de : - la surface de l'habitation et du nombre de pièces de la maison- le nombre d'occupants

40 | P a g e

- le climat de la région- la présence ou non d'un chauffage existant dans la maison- des accessoires (pompes de relevage, sondes, régulateur, etc.)-des options supplémentaires (inversion de la pompe à chaleur, rafraîchissement,

production d'eau chaude sanitaire, chauffage d'une piscine, etc.)

Selon notre étude, nous choisirons la pompe à chaleur de chez Viessemann, Vitocal 300-G WW/WWC110, d'une puissance de chauffage de 13,6 kW. Ceci va coûter 7000 euros de matériel (pompe à chaleur + redimensionnement des radiateurs de la maison qui correspond à une gamme de 300 à 500 euros de radiateurs basse température) et 5000 euros de pose. La pompe à chaleur va donc coûter 12 000 euros au total pour le particulier. De plus, la maintenance d'une pompe à chaleur coûterait environ 150 €/an.

Retour sur investissement :

Nous allons maintenant calculer le retour sur investissement de la pompe à chaleur. Pour cela, nous calculerons le prix et la consommation d'énergie de l'ancienne chaudière du particulier, puis nous comparerons avec le prix et la consommation d'énergie de la pompe à chaleur.

Ancienne consommation et prix :

Consommation de fioul du particulier : 2 000 L/anPrix du fioul : 0,993 €/LCoût annuel de fioul : 2 000 x 0,993 = 1986 €/anPCI du fioul : 10 kWh/LRendement de la chaudière : 80%Consommation d'énergie : 10 kWh/L x 2 000L/an x 80% = 16 000 kWh/an

Consommation et prix de la pompe à chaleur : Consommation d'énergie de la maison : 16 000 kWh/anCOPPAC = 4Consommation d'énergie du compresseur : 16 000/4 = 4 000 kWh/anPrix de l'électricité : 0,1211 €/kWhCoût annuel d'électricité : 0,1211x4 000 = 484,4 €/an

Calculons maintenant la rentabilité d'installer une pompe à chaleur à la place de la chaudière à mazout actuelle.

Rentabilité : Le coût du à la consommation de la chaudière est régit par la fonction suivante :Coût = n x coût annuel de mazout avec n = nombre d'annéesCoût = n x 1986Le coût du à la consommation électrique de la pompe à chaleur est guidé par cette fonction :Coût = Coût de la PAC + n x (Maintenance annuelle PAC + Coût annuel d'électricité)

41 | P a g e

Coût = 12 000 + n x (150 + 484,4)Coût = 12 000 + n x 634,4

En rentrant ces formules dans un tableur, on peut en déduire la durée au bout de laquelle la pompe à chaleur est amortie et devient rentable pour le particulier. On en a tiré la courbe suivante :

Pour que la pompe à chaleur devienne rentable, il faut neuf ans d'utilisation. Sachant qu'une pompe à chaleur bien entretenue à une durée de vie d'environ vingt ans (entre 15 et 25 ans), le particulier réussira à diviser par deux sa facture d'énergie sur cette période. Il économisera environ 15 000 euros au bout des vingt années d'utilisation.

Consommation de la pompe à chaleur en eau : En général, le débit d’une pompe à chaleur est de 2 l/mn par kW thermique restitué

Nous avons une PAC d’une puissance thermique restituée de 13.6 kW, donc notre PAC consomme 27.2 litres par minute. Cela équivaut à un débit de 0.45 l/s.

Nous devons vérifier que ce débit soit inférieur à 2% du débit total du ruisseau (à savoir en moyenne sur l’année de 45 l/s). Or, 0.45 l/s correspond à 1.0 % du débit total du ruisseau. Les propriétaires n’ont donc pas à déclarer l’utilisation des 1 % du débit du ruisseau pour leur pompe à chaleur.

42 | P a g e

0 5 10 15 20 25 30 35 400

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

Coût des deux systèmes en fonction des années

Coût ancienne chaudière (€)Coût pompe à chaleur (€)

années

Coût

du

syst

ème

(€)

Figure 29 : Graphique représentant de coût d’une PAC en fonction des années

XI. Etude de faisabilité finale du projet microcentrale

Intéressons nous maintenant à une des parties la plus importante de ce projet. Il s’agit de chiffrer en intégralité la mise en place d’une microcentrale chez Monsieur et Madame Darvogne à Saint Martin d’Uriage. Pour reprendre les points saillants de ce rapport faisons un résumé de ce que nous avons besoin pour créer cette installation. Ainsi, pour la microcentrale hydraulique, nous installerons une grille "à effet Coanda", dans le ruisseau, en amont du réservoir. Il faut également réaliser la rénovation de la conduite forcée grâce à un gainage par chaussette (entreprise basée à Pau). De plus, nous prendrons une turbine et un injecteur d'un diamètre de 34mm à un industriel Slovène (Monsieur Tomas Razpet). Un autre injecteur (de chez Hartvigsen) est nécessaire pour pouvoir augmenter le débit dans la conduite, quand celui du ruisseau est suffisant. Un arbre relie la turbine à un alternateur de chez Alxion. Quatre roulements guident cet arbre axialement et latéralement.

Figure 30 : Schéma de principe du roulement à billesMaintenant que le rappel sur les composants nécessaires est fait, procédons au détail des prix de l'installation :

Exploration de la canalisation : 600€Alxion alternateur 190K6M : 1 610 €Turbine Turgo : 500 €Prix chaussette : 10 000 €Arbre basique moteur/générateur : 20 €1 injecteur Razpet 34 mm : 1 000 €1 injecteur conique avec vanne 1/4tour : 66dollars = 50 €4 roulements 30 mm diamètre et paliers à roulements Koyo : 4x30 € = 120 €Grille Coanda : 6 500 €Remise en état du réservoir : 300 €Pose de la microcentrale : 10 000 €Entretien : 0 € car le propriétaire le fait lui mêmeTurbine complète

- JLA : Banki 12000€ (en Belgique)

43 | P a g e

- IREM (Italie) : Pelton 15 000€- Tincz Ingeneering (Slovénie) : probablement 15 000 à 20 000 €- En chine : 3 000 €

Total microcentrale en assemblage : 30 700 €

Total microcentrale avec turbine complète de chez Tincz Ingeneering : de 42 400 à 47 400 €Total microcentrale avec turbine complète de JLA : 39 400 €Total microcentrale avec turbine complète d’IREM : 42 400 €Total microcentrale avec turbine complète provenant de Chine : 30 400 €

Pour finir, étudions le gain financier du projet. Tout d’abord, l 'exploitation du ruisseau générerait un gain financier grâce à la vente de l'électricité produite à EDF.

Prix d'achat du kWh par EDF: 8,57ct d'euroProduction d'énergie grâce à l'alternateur :

Production=ηélectrique×ηturbine×qm×g×Hηélectrique=0.9ηturbine=0.83ηglobal=0.75

Le débit moyen est de 45 l/s est la hauteur de 24 mètres.P = 7.914 kW

Production énergétique actuel Gain financier annuel

69.3 MWh/an 5940 €/an

La centrale hydroélectrique permet donc de produire une quantité annuel importante car son fonctionnement est continuel toute au long de l'année.

Calculons désormais le retour sur l’investissement :

Pour une microcentrale en assemblage, nous obtenons un retour sur l’investissement de cinq ans et demi. Cependant, ce retour sur l’investissement est théorique car nous n’avons pas pris en compte le surcoût lié à l’acheminement de l’injecteur depuis la Slovénie. Nous pouvons donc dire qu’en réalité le retour sur l’investissement avoisinera les six ans.

Concernant une microcentrale avec une turbine complète de chez Tincz Ingeneering, nous obtenons un retour sur l’investissement théorique de huit ans et donc un retour sur l’investissement réel d’environ neuf ans en comptant le surcoût dû à l’acheminement de la turbine depuis la Slovénie.

44 | P a g e

Pour une microcentrale avec une turbine provenant d’Italie, nous avons un retour sur l’investissement théorique de sept ans et donc réelle d’environ sept ans et demi pour prendre en compte le surcoût d’acheminement.

Pour une microcentrale avec une turbine provenant de Belgique, le retour sur l’investissement théorique est d’un peu plus de six ans et demi, donc d’environ sept ans et demi en réalité dû au coût d’acheminement de la turbine.

Pour finir, pour une microcentrale avec une turbine provenant de Chine, nous obtenons un retour sur l’investissement théorique d’un peu plus de cinq ans et donc d’un retour sur l’investissement réel d’environ sept ans pour prendre en compte l’acheminement de la turbine.

XII. Visite d’une microcentrale dans la commune de Saint Agnès en Isère

Par l’intermédiaire de Monsieur Do (enseignant en Génie Thermique et Energie), nous avons pu visiter une microcentrale hydro-électrique située à Saint Agnès. Le jeudi 8 décembre, quatre membres du groupe de projet tuteuré (Guillaume, Jeremy, Benjamin et Bastien) sont allés à la rencontre de Monsieur Claude Blanc Coquand, maire de la ville de Saint Agnès et chef de projet dans la création de cette centrale.

Nous pouvons détailler l’installation en deux partiesPremière partie de l’installation :

L’installation de production se situe sur le site de Clafey, sur la commune de Sainte Agnès. La mise en service a été réalisée en février 2005. La microcentrale se compose d’une turbine Pelton en inox à axe horizontal, d’un jet (modèle Z6CND 13.4) et d’une génératrice asynchrone.

45 | P a g e

Deuxième partie de l’installation :

Etudions les caractéristiques énergétiques et hydrauliques. La hauteur de chute disponible est de 390 mètres tandis que le débit est de 10 L/s. Quant à la productibilité moyenne annuelle elle est estimée à 294 000 kWh pour une tension de livraison de 380 volts.

Sur le plan investissement et subventions :

Les revenus annuels attendus sont de 15 000 euros. De plus, le prix de la turbine était de 46 000 euros et le prix de pose et raccordement de 49 900 euros. Nous pouvons remarquer ainsi un montant total d’installation de 95 000 euros. Le retour sur l’investissement est don d’une durée de six ans environ. Etant installée en 2005, la centrale est actuellement déjà amortie.

46 | P a g e

Figure 31 : Photographies à gauche de l’injecteur à droite d’une vue d’ensemble de l’installation

Conclusion

Le projet tuteuré nous a permis de travailler sur une application concrète des connaissances théoriques, acquises au sein du D.U.T Génie Thermique et Energie. Nous avons ainsi pu découvrir quelques aspects du travail en entreprise.

En effet, durant cette expérience, nous avons appris qu’il était important de répartir correctement les taches à l’intérieur même du groupe. Il a fallu distinguer plusieurs tâches et se les répartir équitablement afin de réaliser un travail efficace.

Plusieurs travaux importants ont pris beaucoup de temps, comme l’extraction de l’ancienne turbine, l’exploration de la conduite, les demandes de devis, le dimensionnement du nouveau système, etc.…

Le travail de groupe et les réflexions collectives nous ont permis de réaliser cette faisabilité et ainsi pouvoir proposer de vraies solutions aux propriétaires.

Notre avis sur le projet d’installation est d’installer la turbine en assemblage d’un coût de 30 700 euros. En effet, cette solution nous semble le plus rendable. C’est un bon compromis entre coût d’achat et rentabilité, grâce à un retour d’investissement estimé à six ans.

Ce projet reste une bonne expérience pour chacun, il nous permet maintenant de savoir ce qu’il faut faire ou non, pour être utile à un groupe. On peut dire que cela permet de s’initier au monde du travail.

47 | P a g e

Bibliographie

Dans le cadre de notre projet nous avons décidé de créer un site internet : projetmicrocentrale.free.fr

Pour mener à bien notre projet nous avons du consulter un certain nombre d’ouvrages et de sites internet. Pour commencer voici les livres que nous avons regardé lors de notre projet (les livres ont été trouvé sur internet ou à la bibliothèque municipal de Grenoble) :

- Les petites centrales hydroélectriques de LE GOURIÉRÈS D.- L’énergie de l’eau - Une richesse à exploiter dans le respect de l’environnement de l’Agence

Environnement Maîtrise Énergie- Les cours d’eau et le droit de MARC Philippe- Analyse de projets de petite centrale hydoélectrique / Analyse de projets d’énergies

propres : Manuel d’ingénierie et d’études de cas RETScreen- Guide pour le montage de projets de petite hydroélectricité de Jean-Marc PAGES

Nous avons également consulté les sites internet suivant :- http://fr.wikipedia.org/wiki/Petite_centrale_hydro%C3%A9lectrique- http://www.france.cuma.fr/dossiers/international/proaerenewsletters/unit-9-

hydraulique.pdf - http://www.hydranet.fr/doc/gegrilleurs_courbes.pdf - http://www.riaed.net/?Prise-d-eau-classique-et-prise-d - www.whycos.org - http://ceaeq.gouv.qc.ca/documents/publications/echantillonnage/

debit_conduit_ouvC7.pdf - http://www.etapenergie.com/microcentrale.html - http://fr.ekopedia.org/Micro-hydraulique#cite_note-1 pour la partie droit d’eau- http://www.puy-de-dome.equipement.gouv.fr/IMG/pdf/

03_anciens_moulins_cle5671d5-1.pdf

48 | P a g e

Annexes

Annexe 1   : Etalonnage du débitmètre - Courbe représentant le débit en fonction de la hauteur d’eau

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

50

100

150

200

250

300

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Débit en fonction de la hauteur d'eau

débit en m^3/hDébit en l/s

hauteur en cm

m^3

/h

l/s

49 | P a g e

Annexe 2   : Photographie aérienne (avec surimpression du cadastre) de la maison de Monsieur et Madame Darvogne ainsi que des voisins

50 | P a g e

Annexe 3   : Cadastre de la parcelle de Monsieur et Madame Darvogne ainsi que des voisins

Annexe 4   : Cartographie IGN 1/25000 51 | P a g e

Annexe 5   : Cahier des charges (exploration d’une conduite forcée)

52 | P a g e

1 - Présentation du site :

Voir plan ci-dessous. Adresse : M. et Mme Darvogne

987 route de Chamrousse 38410 Saint Martin d’Uriage

Il s'agit d'une conduite forcée ancienne, qui alimentait une scierie inactive depuis un demi-siècle, et qu'on envisage de remettre en service pour alimenter une pico-centrale électrique. La prise d'eau se trouve à 200 m environ de la maison (trajet non direct). Derrière cette prise d'eau se trouve un bassin de décantation d'environ 4 m x 4 (81). La conduite part presque à l'horizontale sur le fond de ce bassin. Elle chemine en souterrain. Elle traverse successivement la propriété d'un voisin (82, 83), la route de Chamrousse, une autre propriété (parcelle 372), le jardin des propriétaires (447) et pour finir la maison (446). La maison est construite sur le bâtiment de la scierie et la conduite forcée arrive donc dans un sous-sol où se trouvait une turbine Pelton.

Le trait mauve indique l'emplacement présumé de la conduite. La partie en traits pleins a été explorée. Le trait en pointillé indique la zone non encore explorée.Longueur totale de la conduite : 130m (estimation). Dénivelé : environ 23 m.Le trait en bleu représente le ruisseau.

2 – Explorations menées jusqu'ici. :53 | P a g e

Exploration par la parcelle 81 : Exploration sur 53mètres à l’aide de cannes de curage ainsi que d’une caméra.

Présence d'un coude dans le plan vertical (changement de pente) à faible distance, puis d'un de changement de direction de la conduite (vers 40 m ?). Position du second coude par rapport au terrain inconnue : avant la route, sous la route ?La conduite est circulaire, en béton, d’un diamètre de 300mm. Elle est très propre (simple filet d’eau au fond).

Exploration par la parcelle 446 : Exploration avec des cannes de curage et une caméra.

La conduite a été remontée sur 48mètres. Sur 30mètres environ la conduite est en très mauvais état. En effet, elle est en tôle/acier et, au fil des années, elle s’est désagrégée. Ensuite, à partir d’environ 30m on retrouve une conduite circulaire très propre en béton.Il n'y a pas de filet d’eau sur le fond de la conduite. De l'eau envoyée depuis le haut n'arrive pas en bas : il existe donc une obstruction entre les deux zones explorées. Il est possible qu'elle résulte de travaux sous la route (refaite un peu dans l'urgence pour les jeux olympiques de 1968) ou dans la propriété située en aval.

3 - Accessibilité du site : Au niveau de la parcelle 446 : l’arrivée de la conduite est située au fond du garage. Il y a une distance d’environ 10 mètres entre la route et l’arrivée de la conduite.Au niveau de la parcelle 81 : Il faut emprunter un chemin en terre de 20 m de long pour seulement 2m de large environ. Un véhicule de type Kangoo ou Berlingo peut passer. Une fois arrivée au bout du chemin il reste environ 15m à parcourir à pied avant d’arriver à l’entrée de la conduite.

4 – Travail demandé : - Exploration vidéo de la partie non encore explorée, depuis le haut et depuis le bas. - Identification de la cause de l'obstruction.- Repérage précis sur le terrain du coude de changement de direction, avec évaluation de

l'angle et si possible de la profondeur.- Repérage précis sur le terrain de l'obstruction, avec si possible évaluation de la profondeur.- Etablir un rapport d'exploration avec les conclusions et les photos extraites de la video

d'exploration.

5 – Délai : Les travaux devront être exécutés avant la fin du mois d'avril 2012.

Annexe 6   : Abaque dépendent du Reynold et de la rugosité de la conduite

54 | P a g e

Annexe 7   : Dimensions de l’injecteur (avec une règle de trois)

55 | P a g e

56 | P a g e