La turbine hydraulique est une turbomachine appartenant à la famille des machines hydrauliques. Dès 100 av. J.-C. environ, le prototype de la turbine hydraulique, la roue à eau, a vu le jour. À cette époque, sa fonction principale était d'actionner des machines pour le traitement des céréales et l'irrigation. La roue à eau, dispositif mécanique utilisant le courant de l'eau comme source d'énergie, a évolué pour devenir la turbine hydraulique moderne, et son champ d'application s'est considérablement étendu. Quels sont donc les principaux usages des turbines hydrauliques modernes ?
Les turbines sont principalement utilisées dans les centrales de pompage-turbinage. Lorsque la charge du réseau électrique est inférieure à la charge nominale, elles fonctionnent comme une pompe à eau, utilisant la capacité de production d'électricité excédentaire pour pomper l'eau du réservoir aval vers le réservoir amont et stocker ainsi de l'énergie sous forme d'énergie potentielle. Lorsque la charge du réseau est supérieure à la charge nominale, elles fonctionnent comme une turbine hydraulique, produisant de l'électricité pour réguler les pics de consommation. Par conséquent, une centrale de pompage-turbinage pure ne permet pas d'augmenter la puissance du réseau électrique, mais elle améliore la rentabilité des centrales thermiques et le rendement global du réseau. Depuis les années 1950, les centrales de pompage-turbinage ont connu un essor rapide et une forte croissance dans le monde entier.
La plupart des centrales de pompage-turbinage développées initialement ou nécessitant une hauteur de chute importante sont de type triaxial : elles se composent d'un groupe électrogène, d'une turbine hydraulique et d'une pompe à eau montés en série. Leur principal avantage réside dans la conception indépendante de la turbine et de la pompe, ce qui leur confère un rendement supérieur. De plus, le groupe tourne dans le même sens lors de la production d'électricité et du pompage de l'eau, et peut passer rapidement de la production d'électricité au pompage, et inversement. La turbine peut également servir au démarrage du groupe. Leur principal inconvénient est leur coût élevé et l'importance des investissements nécessaires à la centrale.
Les pales de la roue de la turbine-pompe à flux oblique peuvent pivoter, et elle conserve de bonnes performances malgré les variations de hauteur de chute et de charge. Cependant, en raison des limitations de ses caractéristiques hydrauliques et de la résistance des matériaux, au début des années 1980, sa hauteur de chute nette n'était que de 136,2 mètres (centrale hydroélectrique de Takagen, au Japon). Pour des hauteurs de chute plus importantes, des turbines-pompes Francis sont nécessaires.
La centrale hydroélectrique à accumulation par pompage comporte un réservoir supérieur et un réservoir inférieur. À capacité de stockage d'énergie égale, l'augmentation de la hauteur de chute permet de réduire la capacité de stockage, d'accroître la vitesse de l'unité et de diminuer le coût du projet. C'est pourquoi les centrales hydroélectriques à accumulation par pompage de plus de 300 mètres se sont rapidement développées. La centrale hydroélectrique de Baina Basta, en Yougoslavie, est équipée d'une turbine-pompe Francis possédant la plus grande hauteur de chute au monde. Depuis le XXe siècle, les centrales hydroélectriques ont évolué vers des performances élevées et une capacité importante. Face à l'augmentation de la capacité des centrales thermiques et au développement de l'énergie nucléaire, et afin de résoudre le problème de la régulation des pics de consommation, outre le développement ou l'extension de centrales hydroélectriques de grande envergure sur les principaux cours d'eau, les pays du monde entier construisent activement des centrales à accumulation par pompage, ce qui explique le développement rapide des turbines-pompes.
Machine transformant l'énergie du courant d'eau en énergie mécanique rotative, la turbine hydraulique est un élément indispensable d'un groupe hydroélectrique. Face à l'aggravation des enjeux environnementaux, l'utilisation et la promotion de l'hydroélectricité, source d'énergie propre, sont en plein essor. Afin d'exploiter pleinement les diverses ressources hydrauliques, les marées, les rivières à faible dénivellation et même les vagues suscitent un intérêt croissant, entraînant un développement rapide des turbines tubulaires et autres petits groupes hydroélectriques.
Date de publication : 23 mars 2022
