Une turbine hydraulique, dont les turbines Kaplan, Pelton et Francis sont les plus courantes, est une grande machine rotative qui convertit l'énergie cinétique et potentielle en hydroélectricité. Ces équivalents modernes de la roue à eau sont utilisés depuis plus de 135 ans pour la production d'énergie industrielle et, plus récemment, pour la production d'énergie hydroélectrique.
À quoi servent les turbines hydrauliques aujourd'hui ?
Aujourd'hui, l'hydroélectricité contribue à hauteur de 16 % à la production mondiale d'électricité. Au XIXe siècle, avant la généralisation des réseaux électriques, les turbines hydrauliques étaient principalement utilisées pour la production d'énergie industrielle. Actuellement, elles servent à la production d'électricité et se trouvent dans les barrages ou les zones de fort débit.
Face à la demande énergétique mondiale croissante et à des facteurs tels que le changement climatique et l'épuisement des ressources fossiles, l'hydroélectricité présente un fort potentiel en tant que source d'énergie verte à l'échelle mondiale. Dans la poursuite de la recherche de sources d'énergie propres et respectueuses de l'environnement, les turbines Francis pourraient s'avérer une solution très populaire et de plus en plus répandue dans les années à venir.
Comment les turbines hydrauliques produisent-elles de l'électricité ?
La pression de l'eau, créée par un cours d'eau naturel ou artificiel, constitue la source d'énergie des turbines hydrauliques. Cette énergie est captée et transformée en énergie hydroélectrique. Une centrale hydroélectrique utilise généralement un barrage sur un cours d'eau pour stocker l'eau. L'eau est ensuite relâchée par paliers, traversant la turbine qui la fait tourner et actionne un générateur qui produit alors de l'électricité.
Quelle est la taille des turbines hydrauliques ?
Selon la hauteur de chute à laquelle elles fonctionnent, les turbines hydrauliques se classent en trois catégories : haute, moyenne et basse chute. Les centrales hydroélectriques à basse chute sont plus imposantes, car la turbine doit être de grande taille pour obtenir un débit élevé malgré une faible pression d'eau sur les pales. À l'inverse, les centrales hydroélectriques à haute chute n'ont pas besoin d'une surface aussi importante, car elles exploitent l'énergie de sources d'eau à courant plus rapide.
Tableau expliquant la taille des différentes parties d'un système hydroélectrique, y compris la turbine à eau.
Un tableau expliquant la taille des différentes parties d'un système hydroélectrique, y compris la turbine à eau.
Nous allons ci-dessous expliquer quelques exemples de différents types de turbines hydrauliques utilisées pour différentes applications et pressions d'eau.
Turbine Kaplan (hauteur manométrique de 0 à 60 m)
Ces turbines sont appelées turbines à réaction axiale, car elles modifient la pression de l'eau qui les traverse. La turbine Kaplan ressemble à une hélice et possède des pales réglables afin d'optimiser son rendement pour différentes pressions d'eau.
Diagramme de turbine Kaplan
Turbine Pelton (hauteur manométrique de 300 à 1600 m)
La turbine Pelton, ou roue Pelton, est une turbine à impulsion qui exploite l'énergie de l'eau en mouvement. Elle est particulièrement adaptée aux applications à forte chute, car elle nécessite une pression d'eau élevée pour actionner les godets en forme de cuillère et entraîner la rotation du disque, générant ainsi de l'énergie.
turbine Pelton
Turbine Francis (hauteur de pression de 60 à 300 m)
La turbine Francis, la plus célèbre et la plus récente, représente 60 % de la production hydroélectrique mondiale. Fonctionnant selon le principe de l'impact et de la réaction à une chute moyenne, elle combine les concepts d'écoulement axial et radial. De ce fait, elle comble l'écart entre les turbines à haute et basse chute, offrant une conception plus efficace et incitant les ingénieurs à l'améliorer encore.
Plus précisément, une turbine Francis fonctionne grâce à l'eau qui circule dans une enveloppe en spirale et est dirigée vers les aubes directrices (statiques) qui contrôlent son flux vers les pales (mobiles) de la roue. L'eau, par la combinaison des forces d'impact et de réaction, entraîne la rotation de la roue, puis s'échappe par un tube d'aspiration qui rejette l'eau dans l'environnement extérieur.
Comment choisir le modèle d'une turbine hydraulique ?
Le choix de la turbine optimale dépend souvent d'un seul facteur : la hauteur de chute et le débit disponibles. Une fois la pression d'eau exploitable déterminée, vous pouvez choisir entre une turbine à réaction fermée, comme la turbine Francis, et une turbine à impulsion ouverte, comme la turbine Pelton.
Schéma de la turbine hydraulique
Enfin, vous pouvez déterminer la vitesse de rotation nécessaire de votre générateur électrique.
Date de publication : 15 juillet 2022
