Dans un secteur énergétique en constante évolution, la recherche de technologies de production d'électricité efficaces est plus cruciale que jamais. Face au double défi mondial consistant à répondre à la demande énergétique croissante et à réduire les émissions de carbone, les énergies renouvelables occupent une place prépondérante. Parmi elles, l'hydroélectricité se distingue par sa fiabilité et sa durabilité, fournissant une part importante de l'électricité mondiale.
La turbine Francis, composant essentiel des centrales hydroélectriques, joue un rôle essentiel dans cette révolution des énergies propres. Inventée par James B. Francis en 1849, ce type de turbine est depuis devenu l'une des plus utilisées au monde. Son importance dans le domaine hydroélectrique est indéniable, car elle est capable de convertir efficacement l'énergie de l'eau en énergie mécanique, laquelle est ensuite transformée en énergie électrique par un générateur. Avec un large éventail d'applications, des petits projets hydroélectriques ruraux aux grandes centrales électriques commerciales, la turbine Francis s'est avérée être une solution polyvalente et fiable pour exploiter la puissance de l'eau.
Haute efficacité dans la conversion d'énergie
La turbine Francis est réputée pour son haut rendement dans la conversion de l'énergie de l'eau en énergie mécanique, laquelle est ensuite transformée en énergie électrique par un générateur. Ce rendement élevé résulte de sa conception et de ses principes de fonctionnement uniques.
1. Utilisation de l'énergie cinétique et potentielle
Les turbines Francis sont conçues pour exploiter pleinement l'énergie cinétique et potentielle de l'eau. Lorsque l'eau pénètre dans la turbine, elle traverse d'abord le carter en spirale, qui la répartit uniformément autour de la roue. Les pales de la roue sont soigneusement formées pour assurer une interaction fluide et efficace avec l'écoulement de l'eau. À mesure que l'eau se déplace du diamètre extérieur de la roue vers le centre (selon un écoulement radial-axial), l'énergie potentielle de l'eau due à sa hauteur de chute (différence de hauteur entre la source d'eau et la turbine) est progressivement convertie en énergie cinétique. Cette énergie cinétique est ensuite transférée à la roue, la faisant tourner. La trajectoire d'écoulement bien conçue et la forme des pales de la roue permettent à la turbine d'extraire une grande quantité d'énergie de l'eau, assurant ainsi une conversion énergétique hautement efficace.
2. Comparaison avec d'autres types de turbines
Par rapport à d’autres types de turbines hydrauliques, telles que la turbine Pelton et la turbine Kaplan, la turbine Francis présente des avantages distincts en termes d’efficacité dans une certaine plage de conditions de fonctionnement.
Turbine Pelton : La turbine Pelton est principalement adaptée aux applications à haute chute. Elle utilise l'énergie cinétique d'un jet d'eau à grande vitesse pour frapper les augets de la roue. Bien qu'elle soit très efficace à haute chute, elle est moins efficace que la turbine Francis pour les applications à moyenne chute. La turbine Francis, grâce à sa capacité à exploiter à la fois l'énergie cinétique et potentielle et à ses caractéristiques d'écoulement mieux adaptées aux sources d'eau à moyenne chute, peut atteindre un rendement plus élevé dans cette plage. Par exemple, dans une centrale électrique disposant d'une source d'eau à moyenne chute (disons de 50 à 200 mètres), une turbine Francis peut convertir l'énergie hydraulique en énergie mécanique avec un rendement d'environ 90 %, voire plus dans certains cas bien conçus, tandis qu'une turbine Pelton fonctionnant aux mêmes conditions de chute peut avoir un rendement relativement inférieur.
Turbine Kaplan : La turbine Kaplan est conçue pour les applications à faible hauteur de chute et à haut débit. Bien qu'elle soit très efficace à faible hauteur de chute, la turbine Francis la surpasse en termes de rendement lorsque la hauteur de chute atteint une valeur moyenne. Les pales de la turbine Kaplan sont réglables pour optimiser les performances à faible hauteur de chute et à haut débit, mais sa conception n'est pas aussi propice à une conversion d'énergie efficace à moyenne hauteur de chute que celle de la turbine Francis. Dans une centrale électrique d'une hauteur de chute de 30 à 50 mètres, une turbine Kaplan peut être la solution la plus efficace, mais au-delà de 50 mètres, la turbine Francis commence à démontrer sa supériorité en termes de rendement de conversion d'énergie.
En résumé, la conception de la turbine Francis permet une utilisation plus efficace de l'énergie hydraulique dans une large gamme d'applications à moyenne hauteur de chute, ce qui en fait un choix privilégié dans de nombreux projets hydroélectriques à travers le monde.
Adaptabilité aux différentes conditions d'eau
L'une des caractéristiques remarquables de la turbine Francis est sa grande adaptabilité à une grande variété de conditions hydrologiques, ce qui en fait un choix polyvalent pour les projets hydroélectriques du monde entier. Cette adaptabilité est cruciale, car les ressources en eau varient considérablement en termes de hauteur de chute (la hauteur verticale de chute de l'eau) et de débit selon les zones géographiques.
1. Adaptabilité de la hauteur manométrique et du débit
Plage de chutes : Les turbines Francis peuvent fonctionner efficacement sur une plage de chutes relativement large. Elles sont généralement utilisées pour des applications à chutes moyennes, généralement comprises entre 20 et 300 mètres. Cependant, avec des modifications de conception appropriées, elles peuvent être utilisées pour des chutes encore plus faibles ou plus élevées. Par exemple, pour une chute basse, disons entre 20 et 50 mètres, la turbine Francis peut être conçue avec des pales de roue et des géométries de passage d'écoulement spécifiques afin d'optimiser l'extraction d'énergie. Les pales de roue sont conçues pour que l'écoulement, dont la vitesse est relativement faible en raison de la faible chute, puisse néanmoins transférer efficacement son énergie à la roue. À mesure que la chute augmente, la conception peut être ajustée pour gérer un débit d'eau plus élevé. Pour les chutes élevées, approchant les 300 mètres, les composants de la turbine sont conçus pour résister à la haute pression de l'eau et convertir efficacement l'importante quantité d'énergie potentielle en énergie mécanique.
Variabilité du débit : La turbine Francis peut gérer différents débits. Elle fonctionne aussi bien à débit constant que variable. Dans certaines centrales hydroélectriques, le débit d'eau peut varier selon les saisons en raison de facteurs tels que les précipitations ou la fonte des neiges. La conception de la turbine Francis lui permet de maintenir un rendement relativement élevé même lorsque le débit varie. Par exemple, lorsque le débit est élevé, la turbine s'adapte à l'augmentation du volume d'eau en guidant efficacement l'eau à travers ses composants. Le carter en spirale et les aubes directrices sont conçus pour répartir l'eau uniformément autour de la roue, garantissant ainsi une interaction efficace des pales avec l'eau, quel que soit le débit. Lorsque le débit diminue, la turbine continue de fonctionner de manière stable, même si la puissance de sortie diminue naturellement proportionnellement à la diminution du débit.
2. Exemples d'application dans différents environnements géographiques
Régions montagneuses : Dans les régions montagneuses, comme l'Himalaya en Asie ou les Andes en Amérique du Sud, de nombreux projets hydroélectriques utilisent des turbines Francis. Ces régions présentent souvent des chutes d'eau élevées en raison du relief escarpé. Par exemple, le barrage de Nourek au Tadjikistan, situé dans les montagnes du Pamir, possède une chute d'eau élevée. Les turbines Francis installées à la centrale hydroélectrique de Nourek sont conçues pour gérer cette importante différence de hauteur (le barrage a une hauteur de plus de 300 mètres). Elles convertissent efficacement l'énergie potentielle élevée de l'eau en énergie électrique, contribuant ainsi significativement à l'approvisionnement électrique du pays. Les fortes dénivellations des montagnes fournissent la hauteur de chute nécessaire au fonctionnement efficace des turbines Francis, et leur adaptabilité aux conditions de chute élevée en fait le choix idéal pour de tels projets.
Plaines fluviales : Dans les plaines fluviales, où la hauteur de chute est relativement faible mais le débit peut être important, les turbines Francis sont également largement utilisées. Le barrage des Trois-Gorges en Chine en est un parfait exemple. Situé sur le fleuve Yangtze, ce barrage présente une hauteur de chute adaptée aux turbines Francis. Les turbines de la centrale hydroélectrique des Trois-Gorges doivent gérer un important débit d'eau du fleuve Yangtze. Les turbines Francis sont conçues pour convertir efficacement l'énergie de ce débit important, malgré une hauteur de chute relativement faible, en énergie électrique. Leur adaptabilité à différents débits leur permet d'exploiter au mieux les ressources en eau du fleuve, produisant ainsi une quantité importante d'électricité pour répondre aux besoins énergétiques d'une grande partie de la Chine.
Environnements insulaires : Les îles présentent souvent des caractéristiques uniques en matière de ressources en eau. Par exemple, dans certaines îles du Pacifique, où l'on trouve des rivières de petite et moyenne taille dont le débit varie selon les saisons des pluies et des sécheresses, des turbines Francis sont utilisées dans de petites centrales hydroélectriques. Ces turbines s'adaptent aux variations des conditions hydriques, fournissant ainsi une source d'électricité fiable aux communautés locales. En saison des pluies, lorsque le débit est élevé, les turbines peuvent fonctionner à une puissance plus élevée ; en saison sèche, elles peuvent continuer à fonctionner avec un débit réduit, mais à une puissance moindre, assurant ainsi une alimentation électrique continue.
Fiabilité et fonctionnement à long terme
La turbine Francis est très appréciée pour sa fiabilité et ses capacités de fonctionnement à long terme, qui sont cruciales pour les installations de production d’électricité qui doivent maintenir une alimentation électrique stable sur de longues périodes.
1. Conception structurelle robuste
La turbine Francis présente une structure robuste et bien conçue. La roue, élément rotatif central de la turbine, est généralement fabriquée à partir de matériaux à haute résistance tels que l'acier inoxydable ou des alliages spéciaux. Ces matériaux sont choisis pour leurs excellentes propriétés mécaniques, notamment leur résistance à la traction, à la corrosion et à la fatigue. Par exemple, dans les turbines Francis de grande taille utilisées dans les grandes centrales hydroélectriques, les pales de la roue sont conçues pour résister à un débit d'eau à haute pression et aux contraintes mécaniques générées pendant la rotation. La conception de la roue est optimisée pour assurer une répartition uniforme des contraintes, réduisant ainsi le risque de points de concentration de contraintes susceptibles d'entraîner des fissures ou des défaillances structurelles.
Le carter spiralé, qui guide l'eau vers la roue, est également conçu pour durer. Il est généralement constitué de plaques d'acier à parois épaisses, capables de résister à la haute pression du flux d'eau entrant dans la turbine. La liaison entre le carter spiralé et les autres composants, tels que les aubes directrices et les bases, est conçue pour être robuste et fiable, garantissant le bon fonctionnement de l'ensemble de la structure dans diverses conditions d'exploitation.
2. Faibles besoins d'entretien
L'un des principaux avantages de la turbine Francis réside dans ses besoins d'entretien relativement faibles. Grâce à sa conception simple et efficace, elle comporte moins de pièces mobiles que d'autres types de turbines, ce qui réduit le risque de défaillance des composants. Par exemple, les aubes directrices, qui contrôlent le débit d'eau dans la roue, sont dotées d'un système de liaison mécanique simple. Ce système est facilement accessible pour l'inspection et la maintenance. Les tâches d'entretien courantes comprennent principalement la lubrification des pièces mobiles, l'inspection des joints pour éviter les fuites d'eau et la surveillance de l'état mécanique général de la turbine.
Les matériaux utilisés pour la construction de la turbine contribuent également à réduire ses besoins de maintenance. Les matériaux résistants à la corrosion utilisés pour la roue et les autres composants exposés à l'eau réduisent les remplacements fréquents dus à la corrosion. De plus, les turbines Francis modernes sont équipées de systèmes de surveillance avancés. Ces systèmes surveillent en continu des paramètres tels que les vibrations, la température et la pression. L'analyse de ces données permet aux opérateurs de détecter les problèmes potentiels à l'avance et d'effectuer une maintenance préventive, réduisant ainsi les arrêts imprévus pour des réparations majeures.
3. Longue durée de vie
Les turbines Francis ont une longue durée de vie, souvent de plusieurs décennies. Dans de nombreuses centrales hydroélectriques du monde, des turbines Francis installées il y a plusieurs décennies sont toujours en service et produisent de l'électricité efficacement. Par exemple, certaines des premières turbines Francis installées aux États-Unis et en Europe fonctionnent depuis plus de 50 ans. Grâce à un entretien approprié et à des mises à niveau ponctuelles, ces turbines peuvent continuer à fonctionner de manière fiable.
La longue durée de vie de la turbine Francis est non seulement avantageuse pour le secteur de la production d'électricité en termes de rentabilité, mais aussi pour la stabilité globale de l'approvisionnement électrique. Une turbine durable permet aux centrales électriques d'éviter les coûts élevés et les perturbations liés à leurs remplacements fréquents. Elle contribue également à la viabilité à long terme de l'hydroélectricité en tant que source d'énergie fiable et durable, garantissant la production continue d'électricité propre pendant de nombreuses années.
Rapport coût-efficacité à long terme
Si l’on considère le rapport coût-efficacité des technologies de production d’énergie, la turbine Francis s’avère être une option favorable pour l’exploitation à long terme des centrales hydroélectriques.
1. Investissement initial et coût d'exploitation à long terme
Investissement initial : Bien que l’investissement initial dans un projet hydroélectrique à turbine Francis puisse être relativement élevé, il est important de considérer une perspective à long terme. Les coûts associés à l’achat, à l’installation et à la configuration initiale de la turbine Francis, y compris la roue, le carter en spirale et d’autres composants, ainsi qu’à la construction de l’infrastructure de la centrale, sont importants. Cependant, cet investissement initial est compensé par les avantages à long terme. Par exemple, dans une centrale hydroélectrique de taille moyenne d’une capacité de 50 à 100 MW, l’investissement initial pour un ensemble de turbines Francis et les équipements associés pourrait s’élever à des dizaines de millions de dollars. Cependant, comparé à d’autres technologies de production d’électricité, comme la construction d’une nouvelle centrale au charbon, qui nécessite des investissements continus dans l’approvisionnement en charbon et des équipements complexes de protection de l’environnement pour respecter les normes d’émission, la structure de coûts à long terme d’un projet hydroélectrique à turbine Francis est plus stable.
Coût d'exploitation à long terme : Le coût d'exploitation d'une turbine Francis est relativement faible. Une fois la turbine installée et la centrale opérationnelle, les principaux coûts récurrents sont liés au personnel de surveillance et de maintenance, ainsi qu'au remplacement progressif de certains composants mineurs. Le rendement élevé de la turbine Francis lui permet de produire une grande quantité d'électricité avec une quantité d'eau relativement faible. Cela réduit le coût par unité d'électricité produite. En revanche, les centrales thermiques, comme les centrales au charbon ou au gaz, ont des coûts de combustible importants qui augmentent avec le temps en raison de facteurs tels que la hausse des prix du combustible et les fluctuations du marché mondial de l'énergie. Par exemple, une centrale au charbon peut voir ses coûts de combustible augmenter d'un certain pourcentage chaque année, car les prix du charbon sont soumis à la dynamique de l'offre et de la demande, aux coûts d'extraction et aux coûts de transport. Dans une centrale hydroélectrique alimentée par une turbine Francis, le coût de l'eau, qui est le « combustible » de la turbine, est pratiquement gratuit, à l'exception des coûts liés à la gestion des ressources en eau et des éventuels droits d'utilisation de l'eau, qui sont généralement bien inférieurs aux coûts du combustible des centrales thermiques.
2. Réduction des coûts globaux de production d'énergie grâce à un fonctionnement à haut rendement et à une faible maintenance
Fonctionnement à haut rendement : La capacité de conversion d'énergie à haut rendement de la turbine Francis contribue directement à la réduction des coûts. Une turbine plus efficace peut produire plus d'électricité à partir de la même quantité de ressources en eau. Par exemple, si une turbine Francis a un rendement de 90 % pour convertir l'énergie hydraulique en énergie mécanique (qui est ensuite convertie en énergie électrique), comparé à une turbine moins efficace avec un rendement de 80 %, pour un débit d'eau et une hauteur manométrique donnés, la turbine Francis à 90 % d'efficacité produira 12,5 % d'électricité en plus. Cette puissance accrue signifie que les coûts fixes associés à l'exploitation de la centrale, tels que les coûts d'infrastructure, de gestion et de personnel, sont répartis sur une plus grande quantité d'électricité produite. Par conséquent, le coût par unité d'électricité (le coût moyen actualisé de l'électricité, LCOE) est réduit.
Faible maintenance : La faible maintenance de la turbine Francis joue également un rôle crucial dans sa rentabilité. Grâce à la réduction du nombre de pièces mobiles et à l'utilisation de matériaux durables, la fréquence des opérations de maintenance majeure et des remplacements de composants est faible. Les tâches de maintenance régulières, telles que la lubrification et les inspections, sont relativement peu coûteuses. En revanche, d'autres types de turbines ou d'équipements de production d'électricité peuvent nécessiter une maintenance plus fréquente et plus coûteuse. Par exemple, une éolienne, bien qu'étant une source d'énergie renouvelable, possède des composants, comme le réducteur, sujets à l'usure et pouvant nécessiter des révisions ou des remplacements coûteux tous les deux ou trois ans. Dans une centrale hydroélectrique à turbine Francis, les longs intervalles entre les opérations de maintenance majeures réduisent considérablement le coût global de maintenance sur toute la durée de vie de la turbine. Ceci, combiné à sa longue durée de vie, réduit encore le coût global de production d'électricité au fil du temps, faisant de la turbine Francis un choix rentable pour la production d'électricité à long terme.
Respect de l'environnement
La production d’hydroélectricité basée sur la turbine Francis offre des avantages environnementaux significatifs par rapport à de nombreuses autres méthodes de production d’électricité, ce qui en fait un élément crucial dans la transition vers un avenir énergétique plus durable.
1. Réduction des émissions de carbone
L'un des principaux avantages environnementaux des turbines Francis est leur faible empreinte carbone. Contrairement à la production d'électricité à partir de combustibles fossiles, comme les centrales au charbon et au gaz, les centrales hydroélectriques utilisant des turbines Francis ne brûlent pas de combustibles fossiles pendant leur fonctionnement. Les centrales au charbon sont d'importantes émettrices de dioxyde de carbone (CO2), une centrale au charbon de grande taille émettant généralement des millions de tonnes de CO2 par an. Par exemple, une centrale au charbon de 500 MW peut émettre environ 3 millions de tonnes de CO2 par an. En comparaison, une centrale hydroélectrique de capacité similaire équipée de turbines Francis ne produit pratiquement aucune émission directe de CO2 pendant son fonctionnement. Cette caractéristique zéro émission des centrales hydroélectriques alimentées par des turbines Francis joue un rôle essentiel dans les efforts mondiaux de réduction des émissions de gaz à effet de serre et d'atténuation du changement climatique. En remplaçant la production d'électricité à partir de combustibles fossiles par l'hydroélectricité, les pays peuvent contribuer de manière significative à atteindre leurs objectifs de réduction des émissions de carbone. Par exemple, des pays comme la Norvège, qui dépendent fortement de l’hydroélectricité (les turbines Francis étant largement utilisées), ont des émissions de carbone par habitant relativement faibles par rapport aux pays qui dépendent davantage des sources d’énergie fossiles.
2. Faibles émissions de polluants atmosphériques
Outre les émissions de carbone, les centrales électriques à combustibles fossiles rejettent également divers polluants atmosphériques, tels que le dioxyde de soufre (SO2), les oxydes d'azote (NOx) et les particules fines. Ces polluants ont de graves répercussions sur la qualité de l'air et la santé humaine. Le SO2 peut provoquer des pluies acides, qui endommagent les forêts, les lacs et les bâtiments. Le NOx contribue à la formation de smog et peut provoquer des problèmes respiratoires. Les particules fines, en particulier les particules fines (PM2,5), sont associées à divers problèmes de santé, notamment les maladies cardiaques et pulmonaires.
Les centrales hydroélectriques à turbine Francis, en revanche, n'émettent pas ces polluants atmosphériques nocifs pendant leur fonctionnement. Cela signifie que les régions dotées de centrales hydroélectriques peuvent bénéficier d'un air plus pur, ce qui améliore la santé publique. Dans les régions où l'hydroélectricité a remplacé une part importante de la production d'électricité à partir de combustibles fossiles, la qualité de l'air s'est sensiblement améliorée. Par exemple, dans certaines régions de Chine où de grands projets hydroélectriques équipés de turbines Francis ont été développés, les niveaux de SO2, de NOx et de particules dans l'air ont diminué, ce qui a entraîné une diminution des cas de maladies respiratoires et cardiovasculaires au sein de la population locale.
3. Impact minimal sur l'écosystème
Lorsqu’elles sont correctement conçues et gérées, les centrales hydroélectriques à turbine Francis peuvent avoir un impact relativement faible sur l’écosystème environnant par rapport à d’autres projets de développement énergétique.
Passage des poissons : De nombreuses centrales hydroélectriques modernes équipées de turbines Francis sont conçues avec des dispositifs de passage des poissons. Ces installations, telles que des échelles à poissons et des ascenseurs à poissons, sont construites pour faciliter la migration des poissons vers l'amont et l'aval. Par exemple, sur le fleuve Columbia, en Amérique du Nord, les centrales hydroélectriques ont installé des systèmes sophistiqués de passage des poissons. Ces systèmes permettent aux saumons et autres espèces de poissons migrateurs de contourner les barrages et les turbines, leur permettant ainsi d'atteindre leurs frayères. La conception de ces dispositifs de passage des poissons tient compte du comportement et des capacités de nage des différentes espèces de poissons, garantissant ainsi un taux de survie maximal des poissons migrateurs.
Eau – Maintien de la qualité : Le fonctionnement des turbines Francis n’entraîne généralement pas de modifications significatives de la qualité de l’eau. Contrairement à certaines activités industrielles ou à certains types de production d’électricité qui peuvent contaminer les sources d’eau, les centrales hydroélectriques équipées de turbines Francis préservent généralement la qualité naturelle de l’eau. L’eau qui traverse les turbines n’est pas chimiquement altérée et les variations de température sont généralement minimes. Ceci est important pour la santé des écosystèmes aquatiques, car de nombreux organismes aquatiques sont sensibles aux variations de qualité et de température de l’eau. Dans les rivières où sont implantées des centrales hydroélectriques équipées de turbines Francis, la qualité de l’eau reste adaptée à une vie aquatique diversifiée, notamment aux poissons, aux invertébrés et aux plantes.
Date de publication : 21 février 2025
