Thread by @Yugnat95

Vendredi dernier, @Edfofficiel a inauguré une nouvelle centrale hydroélectrique ds les Alpes. L’occasion de passer en revue les différentes types de turbine qui peuvent être utilisées pour produire de l’électricité. #Thread ⬇️⬇️⬇️

https://twitter.com/EDFofficiel/status/1314508187308118017?s=20

Tout d’abord, une turbine est dans le cadre générale un mécanisme permettant de convertir l’énergie “interne” d’un fluide en énergie mécanique de rotation. Couplé à un alternateur, ce dernier transformera la rotation en électricité.

L’exemple le plus simple de turbine est le moulin à aubes. Ici, la “turbine” convertit le poids de l’eau contenu dans les aubes pour faire tourner le moulin.

L’énergie “interne” du fluide peut se présenter sous différentes formes:
🔹 pression/température de la vapeur
🔹 vitesse/pression/température de l’air
🔹 vitesse/pression de l’eau

_ “Attends là, de la vapeur et de l’air ? On était pas en train de parler d’hydroélectricité ?”
_ “Si, mais on utilise aussi des turbines dans d’autres moyens de production d’électricité...”

Dans les centrales dites thermiques (charbon, gaz, fioul et nucléaire), la chaleur de la combustion ou du réacteur permet de transformer de l’eau en vapeur. La pression et la température de cette vapeur va aussi être exploité par une turbine pour produire de l’électricité.

Voici une turbine à vapeur démontée, elle est normalement enchâssée sous un capot qui force la vapeur à traverser ses ailettes. Ici, la vapeur pénètre au centre et ressort par les extrémités.
Pour plus de détails, je vous conseille cette super vidéo:

Les turbines à combustion reposent sur le même principe mais avec de l’air et les éoliennes sont aussi des turbines mais qui exploitent la vitesse de l’air.
Le seule moyen de prod d’élec qui n'en utilise pas est le panneau photovoltaïque.
Mais revenons à l’hydroélectricité. 🙂

Les installations hydroélectriques se décomposent en plusieurs types qui dépendent principalement de la typologie du lieu. Elles utilisent donc des turbines différentes pour exploiter au mieux leur potentiel.

Tout d’abord, les centrales sur les fleuves et rivières dites “éclusées” ou “au fil de l’eau” produisent quasi constamment et exploitent de faibles hauteurs de chute mais des volumes d’eau importants.
⅔ de la prod hydro est réalisée par ces 2 modes.

https://twitter.com/Yugnat95/status/1158129166476296193?s=20

La turbine Kaplan est l’une des plus utilisées dans ce cas. Elle est dite à réaction car elle utilise le même principe qu’une aile d’avion; c’est la différence de pression de part et d’autre de la pale qui va créer la force de rotation.

L’autre avantage de cette turbine est la possibilité de régler l’orientation des pales en fonction du débit pour optimiser la production d’électricité. Pour plus de détails, une autre vidéo:

Passons maintenant au cas des lacs/barrages où les hauteurs de chute peuvent être beaucoup plus importantes et les débits plus réduit. En effet, l’eau est stockée à l’automne pour être utilisée en hiver lors des fortes consommation, le débit est donc piloté.

Dans la cas des “grandes hauteurs” de chute (> 400m), la turbine Pelton est la + adaptée. C'est une turbine à action car la pression de l’eau est convertie en énergie cinétique (vitesse) par les injecteurs puis transmise à la roue par les augets (cuillères).

Ce type de turbine est utilisée dans plusieurs centrales en France comme à Grand’Maison ou à la Coche.

“Et du coup, quelle turbine ont-ils choisi pour la nouvelle centrale de Romanche-Gavet ?”
“Ni l’une, ni l’autre !” 😇

En effet, la hauteur de chute totale de l’installation est de 270m, ce qui constitue une chute de catégorie “moyenne” (<400m). Un troisième type de turbine a donc été choisie: la turbine Francis. (Image de l’une des 2 turbines de la centrale à gauche)

Ce type de turbine utilise les 2 effets que nous avons vus auparavant:
1️⃣ comme pour la turbine Kaplan, une première force de réaction est créée par la différence de pression de part et d’autre de la pale due à sa forme supérieure.

2️⃣ puis comme pour la turbine Pelton, une impulsion sur la partie inférieure de la pale donnée par la vitesse de l’eau.
Ceci fournit une grde polyvalence à ce type de turbine qui est utilisé dans de nombreux ouvrages dans le monde.
Plus d’explication ici:

Pour récapituler, nous avons vu 3 types de turbines hydrauliques:
🔹turbine Kaplan pour les faibles hauteurs de chute (<30m)
🔹turbine Pelton pour les grandes hauteurs de chutes (>200m) et faibles débits (<30m3/s)
🔹turbine Francis pour les hauteurs de chute moyennes (10-400m)

Ces 3 types de turbine sont aujourd’hui les plus utilisés dans le monde mais il en existe d’autres que je n’ai pas détaillées ici.
Adapter le type de turbine permet de garantir le meilleur rendement entre l'énergie "interne" du fluide et l'électricité produite (>90%).
#Fin