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Analyse énergétique des centrales électriques Filière Ingénieur Électronique, É

Analyse énergétique des centrales électriques Filière Ingénieur Électronique, Électrotechnique et Automatique. Année universitaire 2020/2021 Centrales hydroélectriques L'énergie hydraulique est l'énergie fournie par le mouvement de l'eau, sous toutes ses formes: chute; cours d'eau; marée. Centrales hydroélectriques Ce mouvement peut être utilisé: Directement: lorsque la consommation finale est une énergie mécanique; Indirectement: après conversion, lorsque la consommation finale est une énergie autre que mécanique, par exemple, l’électricité. Dans ce cas, la conversion se fait au sein d’une centrale hydroélectrique. Centrales hydroélectriques L'énergie hydraulique est une énergie: cinétique dans le cas des marées : vagues, courants marins, etc. cours d'eau: rivières, ruisseaux, etc. potentielle dans le cas des chutes: barrages. La centrale hydroélectrique utilise l’énergie de la hauteur de chute et du débit d’un cours d’eau. Centrales hydroélectriques: Principe de fonctionnement Centrales hydroélectriques: Principe de fonctionnement Il s'agit de capter la force motrice de l'eau pour produire de l'électricité. L'eau accumulée dans les barrages ou dérivées par les prises d'eau, constitue une énergie potentielle disponible pour entraîner en rotation la turbine d'une génératrice. L'énergie hydraulique se transforme alors en énergie cinétique puis en énergie mécanique. Cette turbine accouplée mécaniquement à un alternateur l'entraîne en rotation afin de convertir l'énergie mécanique en énergie électrique. Année universitaire 204/2015 Centrales hydroélectriques: Principe de fonctionnement La puissance disponible résulte de la conjonction de deux facteurs : hauteur de la chute; débit de la chute; La définition de l'énergie potentielle est : W=m.g.h W : énergie potentielle en joules (J); m : masse de l’eau en kilogrammes (kg); g : accélération de la pesanteur en mètres/secondes² (m/s²) ou Newton/Kilogrammes (N/Kg) ( g = 9,81) h: hauteur de la chute d'eau en mètres(m). Centrales hydroélectriques: Principe de fonctionnement La définition de la puissance est : Pp=dW/dt Avec : Pp : puissance utile de la chute d'eau en Watt, (W) dt : durée en secondes (s) On peut alors calculer la puissance d'une chute d'eau en fonction de sa hauteur et de son débit : Pp = d(m.g.h)/dt Centrales hydroélectriques: Principe de fonctionnement Or : m =.V Avec : : masse volumique en kilogrammes/mètres3, (kg/m3) V : volume en mètres3, (m3) Donc : Pp = d(.V.g.h)/dt et : Q = dV/dt avec : Q : débit de la chute d'eau en mètres3/secondes, (m3/s) Centrales hydroélectriques: Principe de fonctionnement Ce qui donne : Pp = Q..g.h On voit que, pour avoir une puissance importante, le produit Q.h doit être le plus élevé possible. L'idéal est d'avoir un grand débit sur une grande hauteur de chute. Malheureusement ces deux conditions sont rarement réunies. Les termes et g étant constants. Remarque : La masse volumique de l'eau est 1, donc 1 m3 correspond à une masse de 1000 kg. On obtient alors une expression de Pp en kilo Watt (kW) : Pp = Q.g.h Centrales hydroélectriques: Types Les centrales hydrauliques basses chutes (ou au fil de l'eau) Centrales hydroélectriques: Types Elles sont caractérisées par un débit très important mais avec une faible hauteur de chute. Les centrales de basse chute, se trouvent sur les grands fleuves et fonctionnent au fil de l'eau et produisent sans interruption. Centrales hydroélectriques: Types Les usines de basse chute sont équipés de turbine à réactions type Kaplan avec des pales qui s'orientent en fonction du débit. Centrales hydroélectriques: Types Les centrales hydrauliques moyennes chutes Centrales hydroélectriques: Types Les centrales de moyennes chutes sont caractérisées par une hauteur de chute comprise entre 30 et 200 m. L'usine se situe généralement au pied du barrage. Ce sont souvent des usines de retenues. Elles se trouvent en moyenne montagne, elles utilisent les réserves d'eau accumulées sur de courtes périodes. Ces centrales d'éclusée servent pour la régulation journalière ou hebdomadaire de la production. Centrales hydroélectriques: Types Les centrales hydrauliques moyennes chutes Centrales hydroélectriques: Types Les centrales hydrauliques hautes chutes Centrales hydroélectriques: Types Les centrales de hautes chutes sont caractérisées par une forte hauteur de chute h>200 m. L'usine est toujours située à une distance importante de la prise d'eau parfois plusieurs kilomètres. Elles se trouvent en altitude, les usines de lacs disposent de plus de 400 heures de réserves. Leur rapidité de démarrage permet de répondre au besoin de consommation, notamment en hiver. Centrales hydroélectriques: Types Les usines de haute chute sont généralement équipés de turbines Pelton : l'eau arrive en jets à la roue équipée de pales en forme de godets. Centrales hydroélectriques: Types Remarque : Le rapport moyen Puissance électrique / Puissance Potentielle de la chute d'eau est en moyenne d'environ 0,7. Le rendement est ainsi de 70%. La puissance électrique Pe = 0.7Pp <=> Pe = 7.Q.h (0.7g = 7) Avec : Pe : Puissance électrique injectée au réseau en kilo Watt (kW) ou en kilo Volt Ampère (kVA). Centrales hydroélectriques: Types Plus généralement d'après le rendement  caractéristique de la centrale (plus particulièrement du couple turbine - alternateur inscrit par le fabricant) on a : Pe = .g.Q.h Centrales hydroélectriques: Types Les micros centrales hydrauliques Centrales hydroélectriques: Types Le principe est identique mais en miniature et pour des particuliers. L'électricité produite est directement utilisée ou stockée dans des accumulateurs ou alors elle peut être revendue à un réseau électrique. Il n'y a pas d'énormes barrages : poissons et canoéistes peuvent circuler librement grâce aux dispositions prises par les exploitants. Centrales hydroélectriques: Types Centrales hydroélectriques: Types La qualité de l'eau est préservée : au maximum 10 % du débit d'eau est turbiné, les propriétés physico-chimiques de l'eau étant ainsi conservées. Certains exploitants vont même jusqu'à dépolluer les rivières (poubelles des riverains, pneus, plastiques...). Centrales hydroélectriques: Types Centrales hydroélectriques: Rentabilité/Coût Investir à l'échelle d'un particulier, pour être rentable, une telle installation doit faire au moins 10 kW. Que peut on faire avec 10 kW ? Chauffer un volume de 300 à 500 m3; Alimenter 100 ampoules de 100W; Faire fonctionner simultanément 10 fers à repasser; Produire 2500 litres d'eau chaude en 8 heures; Etc. Cette puissance convient très bien à une résidence principale, chauffage et climatisation compris. Centrales hydroélectriques: Rôle régulateur L'électricité ne peut être stockée à l'échelle industrielle, il faut donc constamment adapter la production à la demande, qui est aléatoire. Contrairement aux centrales thermiques, les turbines hydroélectriques peuvent démarrer en quelques minutes. Grâce à leur souplesse d'exploitation, les usines hydrauliques permettent de faire face dans un délai très court, aux variations de la consommation. Centrales hydroélectriques: Rôle régulateur Elles interviennent alors dans la régulation de la fourniture de l'énergie. Certaines d'entre elles sont utilisées pour fournir de l'électricité aux heures de pointe, ou pendant les jours d'hiver les plus froids. Exemple : Deux minutes suffisent à certaines usines pour fournir plus de 1 GW. Centrales hydroélectriques: Avantages Production d'énergie active durant les heures de fortes consommations d'électricité. Pompage durant les heures creuses afin de reconstituer la réserve d'eau dans le bassin de retenu. Ce procédé permet de stocker l'énergie électrique en surplus du réseau en une énergie potentielle qui sera transformée à nouveau. Démarrage et arrêt des centrales très rapides. Aucune pollution n'est dégagée lors de la production d'électricité. Production d'électricité décentralisée (pas de pertes liées aux transports). Facilitée d'entretien et faible usure du matériel qui travaille à vitesse et à température modéré. Haut niveau de rendement des machines, capable de transformer 90% de l'énergie de l'eau en énergie mécanique. Souplesse d'exploitation, permettant d’accroître encore les progrès de l'automatisme et des télécommandes. Centrales hydroélectriques: Inconvénients Modification du débit et du niveau de l'eau. Perturbation de la faune et de la flore. Surcoût lié à la nécessité d'installer des passes à poissons. Risque pour les personnes en aval lié au barrage. Centrales hydroélectriques: Turbines Les centrales hydroélectriques peuvent être équipées de différents types de turbines, on trouve: Francis; Pelton; Kaplan; Centrales hydroélectriques: Turbine Francis Une turbine Francis est une turbine hydraulique de type à réaction, car la partie mobile provoque une différence de pression entre l'entrée et la sortie . Elle est adaptée pour des hauteurs de chute relativement faibles (entre 20 et 350 mètres), pour des puissances et débits moyens (de quelques kilowatts à plusieurs centaines de mégawatts avec des débits jusqu'à 30 000 l/s). Centrales hydroélectriques: Turbine Francis Caractéristiques Le diamètre de la roue varie de quelques décimètres jusqu'à environ 10 mètres. Vitesse de rotation : entre 70 et 1000 tr/min. Elle a un rendement qui varie de 80% à 95%. Centrales hydroélectriques: Turbine Francis Centrales hydroélectriques: Turbine Pelton Une turbine Pelton est de type « à action » car l’énergie potentielle de l’eau venant d’une conduite forcée est transformée en énergie cinétique, par l’action d’un jet d’eau sur les augets de la roue. Centrales hydroélectriques: Turbine Pelton Centrales hydroélectriques: Turbine Pelton Ce type de turbine ne dispose pas de diffuseur (ou aspirateur) en sortie d’eau, car celle-ci s’écoule librement à la pression atmosphérique. D’après le calcul de la vitesse spécifique, ces turbines sont adaptées à des chutes dites « hautes chutes », supérieures à 400 m avec un faible débit d’eau (< 15 m³/s). Centrales hydroélectriques: Turbine Kaplan Une turbine Kaplan est une turbine hydraulique à hélices de type propulsion. Elle a été inventée en uploads/Litterature/ analyse-energetique-des-centrales-electriques-filiere-ingenieur-electronique-electrotechnique-et-automatique.pdf