Les turbines ichtyophiles
Pour des raisons évidentes de fonctionnement efficace, l'écoulement dans une turbine doit minimiser les chocs et les pertes. L'écoulement contourne donc les obstacles harmonieusement. Les poissons qui sont entraînés par l'écoulement ont une densité très voisine de celle de l'eau et donc se comportent à peu près identiquement.
Toutefois, ils ont des dimensions dont une longueur qui font que la géométrie de leur corps peut être soumise à des conditions hydrauliques différentes. On pense à la turbulence, aux chargements mécaniques dus aux contraintes, cisaillements et pressions. De plus, si leur dimension est significative par rapport aux passages hydrauliques, il y a des incompatibilités géométriques. Tous ces phénomènes peuvent désorienter, blesser et même tuer les poissons.
La mort des poissons dans les turbines devient préoccupantes quand, dans le cycle de vie de l'espèce concernée, tous les poissons doivent monter et descendre obligatoirement la rivière et donc franchir les barrages. Ces espèces sont donc critiques. Il y a les poissons anadromes qui remontent les rivières pour se reproduire et les poissons catadromes qui retournent à la mer pour se reproduire. Les saumons, aloses et esturgeons sont anadromes et les anguilles catadromes. Ce sont ces espèces qui suscitent le plus de préoccupations.
Pour la montaison, il y a des passages alternatifs qui permettent efficacement aux poissons de franchir le barrage. Ces installations sont donc construites en parallèle et n'affectent en rien les turbines. Là ou les turbines peuvent être mises à contribution c'est lors de la dévalaison. En effet, pour franchir le barrage, la turbine présente un choix parfois incontournable, ce qui, essentiellement, justifie un travail d'optimisation.
La préoccupation pour la survie des poissons ne date pas d'hier, les premières études en Europe datent de 1930 et dans les années 50 et suivantes plusieurs études sont été effectuées sur le bassin de la rivière Columbia dans l'ouest américain. En 1993, le US Department of Energy (DOE), avec l'Electric Power Research Institute (EPRI) et la Hydropower Research Foundation ont créé le programme "Advanced Hydropower Turbine System Program" qui a été dédié au développement d'une nouvelle turbine minimisant la mortalité des poissons.
Depuis, cette préoccupation a poursuivi son expansion mondiale et récemment on l'a observé dans le sud-est asiatique.
Fondamental : Les causes de mortalité
À la base le risque de mortalité est une probabilité qui augmente avec le nombre d'événements. Donc le nombre de barrages ou de turbines que les poissons doivent franchir pour retourner à l'océan affecte directement le taux de survie de la population. Pour illustrer ces probabilités ou plutôt le risque de mortalité, on a représenté sur les graphiques suivants des taux de survie représentatifs pour différents types de turbine en fonction du nombre de barrages franchis. On comprend aisément que les espèces migratrices soient beaucoup plus affectées que les autres.
Remarque :
Le risque de mortalité est présenté par rapport à l'absolu. De fait, si le milieu était naturel, le taux de survie ne serait pas 100%.
Fondamental : Les mécanismes de blessure
Dans une turbine, il y a plusieurs causes de blessure qui varient avec l'endroit considéré.
Il y a des causes mécaniques qui dépendent des parois solides, on pense :
Aux chocs avec les parois fixes ou mobiles de la turbine.
À l'abrasion par frottement avec ces parois.
Au pincement ou extrusion lorsqu'un courant entraîne le poisson dans un espace où il ne peut passer.
Il y a aussi des causes hydrauliques liées au fluide :
La pression qui varie dans l'espace et fluctue dans le temps.
Les cisaillements.
La turbulence qui peut par les tourbillons étourdir le poisson ce qui le désoriente et le rend victime des prédateurs.
Des études en laboratoire ont permis d'étudier méthodiquement ces mécanismes individuellement sur différentes espèces et dimensions de poisson.
On peut trouver les études des chercheurs suivants :
Turbulence : Odeh, et al 2002[4].
Cisaillement : Neitzel, et al 2004[5].
Chocs: Amaral et al. 2010[6].
Pression : Brown, et al 2012[7].
Abrasion : peu de référence.
Le Pacific North West National Laboratory du Department of Energy est le plus actif présentement sur le sujet et conduit de vaste études autant en laboratoire qu'en rivière et dans les turbines. On leur doit :
Tests en rivière très élaborés.
Mesures en laboratoire.
Simulations numériques.
Mise à disposition d'un logiciel: le BIOPA.
Ce dernier point, le logiciel BioPa, est une innovation remarquable dans l'avancement des turbines ichtyophiles (fish friendly). Ce logiciel récupère la solution d'une simulation numérique CFD pour l'analyser et simuler le passage des poissons dans la turbine. Ensuite, il analyse les différents mécanismes de blessure et leur assigne une probabilité. Il en résulte un résidu à optimiser.
Fondamental : La formulation probabiliste des blessures
Le chiffrage des sources de danger identifiées est un sujet de recherche en constante évolution. Aussi, il peut varier avec les espèces et la dimension du sujet.
La variation de la pression est une des causes importantes de blessures. Sur le graphique suivant sont représentés les principaux paramètres qui influencent le taux de survie :
La pression d'adaptation, PA.
La pression la plus basse, aussi appelée nadir PN.
Le taux de variation de la pression, Rp.
Les études de Cada et al. (1997)[10] ont démontré que le ratio PN/PA a un effet important sur la survie des poissons et l'a mené à recommander un PN/PA >0,6 pour s'assurer de la survie des poissons.
Pour le taux de variation de la pression Odeh et al. (1999)[11] suggère une limite à 550 kPa/s en général alors que Becker et al. (2003)[12] tolère jusqu'à 3500 kPa/s pour les cas limités à de petites zones.
L'étude de Brown (2012)[7] sur les saumons Chinook juvéniles a confirmé l'importance du facteur PN/PA et a présenté une équation pour le taux de survie :
\(Survie_{Pression}=1-\frac{e^{(-5,56+3,85 LRP)}}{1+e^{(-5,56+3,85 LRP)}}\)
où \(LRP = ln{\frac{P_A}{P_N}}\)
La pression minimale PN ne doit pas dépasser une valeur de 69 à 82,7 kPa selon Foust et al. (2013)[13].
Une autre cause de mortalité est l'impact des poissons avec les parois solides de la turbine. Déjà en 1999, Pavlov et al. a démontré une relation directe entre la vitesse relative du poisson (\(V\)) au point d'impact et ses chances de survie. Un choc à 5 m/s cause très peu de dommage alors qu'un autre à 25 m/s est létal. Plus récemment, Amaral et al. (2010)[6] a identifié le ratio longueur du poisson (\(L\)) sur l'épaisseur de la pale (\(T\)) comme ayant une influence sur le taux de survie. Évidemment, la roue présente le risque le plus élevé à cause de la vitesse relative de l'écoulement qui y est plus importante que partout ailleurs dans la turbine.
Pour toute collision, le taux de survie à l'impact peut s'exprimer comme une fonction :
À partir du graphique suivant on peut déduire qu'en limitant les risques de collisions, par exemple en diminuant le nombre de pale, et en maintenant si possible les vitesses d'écoulement en bas de 5 m/s on augmente le taux de survie.
Le point le plus critique est le bord d'attaque des pales. En effet, juste du point de vue géométrique le passage entre 2 pales représente une contrainte que doit franchir le poisson. On identifie les variables suivantes :
tc le temps de passage entre 2 pales pour une roue en rotation
tf le temps pour le poisson pour s'insérer entre 2 pales
On peut donc élaborer le modèle de probabilité de survie à une collision avec un bord d'attaque d'une pale de roue suivant :
\(Taux d'impact = \frac{t_f}{t_c}\)
où
\(t_c = \frac{1}{\frac{nN}{60}}\)
avec \(n\) la vitesse de rotation en tpm et \(N\) le nombre de pale
et
\(t_f=\frac{L \cos \theta}{V_{axial}}+\frac{T}{V_{axial}}\)
\(Taux d'impact = \frac{n N}{60}*\left( \frac{L\cos\theta}{V_{axial}}+\frac{T}{V_{axial}}\right)\)
\(Survie_{Impact}=1-Taux d'impact * f\left(\frac{L}{T}, V\right)\)
On observe aussi des blessures chez les poissons causées par l'abrasion. Il s'agit du frottement du poisson contre la paroi qui cause des blessure aux nageoires et aux écailles. Il y a peu d'études publiées sur ce sujet.
Quant au pincement, Cada et al. (1997)[10] a suggéré de réduire les jeux à moins de 2 mm. Ainsi avec ce jeu réduit on évite de coincer les poissons et de les blesser.
Le cisaillement du aux différences de vitesse entre deux courants voisins est aussi une cause de blessure. Il s'exprime comme le gradient de vitesse :
avec comme unité 1/s. L'étude en laboratoire de Nietzl et Cada en 2000 illustre le potentiel de danger du cisaillement.
On y observe qu'en bas de 350 s-1 le risque est nul. Toutefois, on doit éliminer de ces considérations les effets de couche limite où on peut atteindre 3500 s-1 car le volume affecté est trop près de la paroi (moins de 3-4 mm).
Enfin, une dernière cause de blessure est la turbulence. L'écoulement dans une turbine est hautement turbulent et ce phénomène couvre une large plage de grandeur de tourbillons. Dans les petites dimensions, les tourbillons imposent des contraintes mécaniques sur le poisson causent des déformation de son corps alors que les grands tourbillons le font tourner à haute vitesse ce qui tend à le désorienter et à le rendre susceptible à la prédation. La figure suivante illustre les phénomènes.
Odeh et al. (2002) statue que la cisaillement turbulent peut être utilisé pour quantifié le niveau de dommage causé au poisson. Cette valeur à 50N/m² évite la plupart de la mortalité indirecte par prédation. Au niveau de la conception une valeur de 35 N/m² est préconisée ce qui correspond à ne énergie turbulent k= 3,5 m²/s².
Méthode : Détection des événements détrimentaux
Différents outils peuvent être utilisés pour détecter et quantifier les événements dangereux pour les poissons.
Du point de vue expérimental le PNNL a conduit plusieurs campagnes de mesure dans les rivières et les turbines avec des poissons vivants instrumentés lâchés dans les rivières et des détecteurs embarqués dans des dispositifs simulant le poisson. Ces détecteurs étant lâchés à différentes altitude à l'entrée de la turbine. Ces données ajoutées aux essais en laboratoires documentent certaines variables physiques et les comportement des poissons.
Pour la conception de la machine, toutefois, les mesures effectués sur des modèles réduits et transparents au laboratoire du USACE à Vicksburg est une méthode comparative très éloquente pour qualifier la turbulence et les impacts.
On y conduit des essais axés sur la visualisation des écoulements
Essai sous la chute de Froude
Traceur à l'encre
Poissons simulés par des petites pièces de plastique à flottaison nulle.
Essais comparatifs de différentes conceptions et arrangements
Plus intensément utilisé est la CFD couplé avec un analyseur d'événement comme le BioPa du PNNL. On y évalue de façon quantitative les différents dangers et on obtient un chiffre indicatif du taux de survie pour l'ensemble des événements se produisant dans la turbine. Ces dangers sont localisés, ce qui permet de modifier localement la géométrie afin de les réduire.
https://waterpower.pnnl.gov/hydropower/technologiesproducts.asp
https://availabletechnologies.pnnl.gov/technology.asp?id=373
Choc:
Détecté par la courbure 3D locale de la trajectoire.
Occurrence:
Bord d'attaque des avant-directrices et directrices
Bord d'attaque de la roue
Nez de pile de l'aspirateur
Profil en périphérie à cause du tourbillon des fuites marginales
Vérification si l'écoulement croise:
Des jeux étroits
Des surplombs de directrices
Exemple : Les solutions favorisant la survie des poissons
Voici quelques exemples de solutions technologiques favorisant la survie des poissons.
La roue à jeu minimal (MGR)
Il s'agit d'éliminer les sources de coincement et de cisaillement pour les poissons. C'est souvent une exigence des contrats où il y a des poissons migrateurs.
C'est que les roues de type Kaplan ont des pales qui pivotent et dans leur course extrême, il se crée un jeu en forme de coin entre la pale et le moyeu. La roue MGR limite ce jeu à environ 2 mm.
On pourrait considérer le remplacement d'une Kaplan par une hélice qui a naturellement cette particularité.
La maîtrise des accélérations et décélérations dans l'écoulement.
En limitant les expansions brusques, les accélérations violentes à la rencontre de bords aigus et en augmentant les rayons de courbure on contribue à diminuer les gradients de pressions, la cavitation, la turbulence, l'abrasion et d'autres effets nuisibles.
La maîtrise des jeux aux directrices
En rapprochant les directrices des avant-directrices on limite les débits qui peuvent entraîner les poissons et les coincer. Les flasques usinés en 5 axes permettent de limiter le jeu du au surplomb des directrices.
Complément : Observations sur les solutions itchtyophiles
En plus d'augmenter le taux de survie des poissons, les solutions qui modifient les composants de la turbines tendent à:
Augmenter les rendement.
Diminuer la cavitation.
Augmenter les coûts des équipements.
Il faut noter qu'il existe une solution utilisant une grille à poisson qui a pour rôle de dévier les poissons vers une passe qui les amène à l'aval de la turbine sans la traverser.
Cette solution est très coûteuse énergétiquement et elle crée de la turbulence et des cisaillements importants qui sont nuisibles aux poissons qui l'ont évitée.
