Une turbine hydraulique, les turbines Kaplan, Pelton et Francis étant les plus courantes, est une grande machine rotative qui convertit l'énergie cinétique et potentielle en hydroélectricité. Ces équivalents modernes de la roue hydraulique sont utilisés depuis plus de 135 ans pour la production d'électricité industrielle et, plus récemment, pour la production d'énergie hydraulique.
À quoi servent les turbines hydrauliques aujourd’hui ?
Aujourd'hui, l'hydroélectricité contribue à 16 % de la production mondiale d'électricité. Au XIXe siècle, les turbines hydrauliques étaient principalement utilisées pour la production industrielle, avant la généralisation des réseaux électriques. Aujourd'hui, elles sont utilisées pour la production d'électricité et se trouvent dans les barrages ou les zones à fort débit.
Face à la croissance rapide de la demande énergétique mondiale et à des facteurs tels que le changement climatique et l'épuisement des combustibles fossiles, l'hydroélectricité a le potentiel d'avoir un impact considérable en tant qu'énergie verte à l'échelle mondiale. Face à la recherche constante de sources d'énergie propres et respectueuses de l'environnement, les turbines Francis pourraient devenir une solution très populaire et de plus en plus adoptée dans les années à venir.
Comment les turbines hydrauliques produisent-elles de l’électricité ?
La pression de l'eau, créée par l'écoulement naturel ou artificiel de l'eau, sert de source d'énergie aux turbines hydrauliques. Cette énergie est captée et transformée en énergie hydroélectrique. Une centrale hydroélectrique utilise généralement un barrage sur une rivière active pour stocker l'eau. L'eau est ensuite libérée progressivement, circulant dans la turbine, la faisant tourner et activant un générateur qui produit ensuite de l'électricité.
Quelle est la taille des turbines hydrauliques ?
Selon la hauteur de chute sous laquelle elles fonctionnent, les turbines hydrauliques peuvent être classées en deux catégories : haute, moyenne et basse chute. Les systèmes hydroélectriques à basse chute sont plus grands, car la turbine doit être de grande taille pour atteindre un débit élevé tout en appliquant une faible pression d'eau sur les pales. En revanche, les systèmes hydroélectriques à haute chute n'ont pas besoin d'une surface aussi importante, car ils sont utilisés pour exploiter l'énergie de sources d'eau plus rapides.
Tableau expliquant la taille des différentes parties du système hydroélectrique, y compris la turbine hydraulique
Un tableau expliquant la taille des différentes parties du système hydroélectrique, y compris la turbine hydraulique
Ci-dessous, nous expliquerons quelques exemples de différents types de turbines hydrauliques utilisées pour différentes applications et pressions d'eau.
Turbine Kaplan (0-60 m de hauteur de charge)
Ces turbines sont appelées turbines à réaction à flux axial, car elles modifient la pression de l'eau qui les traverse. La turbine Kaplan ressemble à une hélice et possède des pales réglables pour maximiser l'efficacité sur différentes plages de débit et de pression.
Un diagramme de turbine de Kaplan
Turbine Pelton (300 m à 1 600 m de hauteur de charge)
La turbine Pelton, ou roue Pelton, est une turbine à impulsion qui extrait l'énergie de l'eau en mouvement. Cette turbine est adaptée aux applications à forte hauteur de chute, car elle nécessite une forte pression d'eau pour exercer une force sur les augets en forme de cuillère et faire tourner le disque, produisant ainsi de l'énergie.
turbine Pelton
Turbine Francis (60 m à 300 m de hauteur de charge)
La turbine Francis, dernière et plus célèbre turbine hydraulique, représente 60 % de l'hydroélectricité mondiale. Fonctionnant comme une turbine à impact et à réaction à moyenne hauteur de chute, la turbine Francis combine les concepts d'écoulement axial et radial. Ce faisant, elle comble l'écart entre les turbines à haute et basse hauteur de chute, créant une conception plus efficace, incitant les ingénieurs à l'améliorer encore.
Plus précisément, une turbine Francis fonctionne grâce à l'écoulement de l'eau à travers un carter en spirale vers des aubes directrices (statiques) qui contrôlent le flux d'eau vers les pales mobiles de la roue. L'eau force la roue à tourner sous l'effet combiné des forces d'impact et de réaction, et sort finalement de la roue par un aspirateur qui évacue le flux d'eau vers l'environnement extérieur.
Comment choisir une conception de turbine hydraulique ?
Le choix de la conception optimale de la turbine dépend souvent d'un seul critère : la hauteur manométrique et le débit accessibles. Une fois la pression d'eau exploitable déterminée, vous pouvez décider si une turbine à réaction fermée, comme la turbine Francis, ou une turbine à impulsion ouverte, comme la turbine Pelton, est la plus adaptée.
Schéma de turbine hydraulique
Enfin, vous pouvez établir la vitesse de rotation nécessaire de votre générateur électrique proposé.
Date de publication : 15 juillet 2022
