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Énergie et turbines hydrauliques - Capsules théoriques

Des aspects socio-économiques de l'hydroélectricité à la technique

Les moulins de Barbegal près de Fontvieille en France datent du deuxième siècle. https://www.lemondedelenergie.com/le-mix-energetique-et-les-moulins-de-barbegal/2017/10/03/ Paternité
Hydraulique et hydroélectricité - Mise en oeuvre
Aménagement typique d'une centrale hydroélectrique
Vue en coupe d'une centrale hydroélectrique © Voith Hydro 29 janvier 2019 publié sur Linkedin Paternité
L'hydroélectricité dans le portefeuille énergétique mondial
Position des énergies renouvelables dans le portefeuille mondial en 2018 selon REN21 https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/gsr_2019_full_report_en.pdf Licence : Domaine Public
Nouvelles installations hydroélectriques dans le monde pour l'année 2017 https://www.hydropower.org/news/2018-hydropower-status-report-shows-record-rise-in-clean-electricity Hydropower Status Report 2018 pages 42 et 43. Licence : Domaine Public
Consommation d'électricité mondiale par source d'énergie depuis 1985 Hélène Baril ; Le charbon se porte assez bien, merci ; La Presse+Affaires, La planète économique, 28 octobre 2019. https://www.lapresse.ca/affaires/201910/27/01-5247214-la-planete-economique-le-charbon-se-porte-assez-bien-merci.php Paternité
Proportions des sources d'énergie La presse+ 20170826 Les deux faces de la voiture électrique par Vincent Brousseau-Pouliot Paternité
Capacité en hydroélectricité et éolienne en 2014 et potentiel hydroélectrique techniquement exploitable. https://webstore.iea.org/energy-policies-of-iea-countries-canada-2015-review EnergyPoliciesofIEACountriesCanada2015Review.pdf page 212. Licence : Domaine Public
Coûts comparés des sources d'énergie renouvelable fin 2018. https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/gsr_2019_full_report_en.pdf Licence : Domaine Public
Le contexte d'affaire en hydroélectricité
La centrale Manic-5 et le barrage Daniel Johnson sont une icône du développement hydroélectrique http://www.hydroquebec.com/data/metas/tw/photo-hydro-quebec-2009-253-124080ww.jpg Paternité
La centrale Les Cèdres en 1910 : classée monument historique en 1984. http://www.museevirtuel.ca/sgc-cms/histoires_de_chez_nous-community_memories/pm_v2.php?id=record_detail&fl=0&lg=Francais&ex=744&rd=199270# Licence : Domaine Public
La centrale Les Cèdres en 2009. http://www.museevirtuel.ca/sgc-cms/histoires_de_chez_nous-community_memories/pm_v2.php?id=record_detail&fl=0&lg=Francais&ex=744&hs=0&rd=199272# Licence : Domaine Public
Hydraulique et hydroélectricité - Les enjeux du développement durable
Efficacité énergétique et environnementale
Évolution dans le temps des rendements des turbines hydrauliques https://www.vgb.org/hydropower_fact_sheets_2018.html?dfid=91646 d'après ANDRITZ HYDRO GmbH, 2018 Paternité
Efficacité des différentes sources d'énergie https://www.vgb.org/hydropower_fact_sheets_2018.html?dfid=91646, figure 2, page 14. Paternité
Le taux de retour énergétique
Le Taux de Retour Énergétique selon certaines sources citées par Wikipédia https://fr.wikipedia.org/wiki/Taux_de_retour_%C3%A9nerg%C3%A9tique Licence : Domaine Public
Taux de retour énergétique comparés selon Hydro-Québec https://www.vgb.org/hydropower_fact_sheets_2018.html?dfid=91646, page 13, figure1. D'après Hydro-Québec Direction – Environnement, 2005. Paternité
Vue sur le réservoir amont de Grand Maison situé à plus de 900 m au dessus du réservoir aval https://www.usinenouvelle.com/article/cinq-questions-sur-le-blocage-de-l-usine-hydro-electrique-edf-de-grand-maison.N922124 Licence : Domaine Public
La production de gaz à effet de serre
Comparaison des émissions en GES de différentes filières énergétiques https://www.hydroquebec.com/data/developpement-durable/pdf/emissions-ges.pdf
Équivalent en CO2 pour un cycle de vie moyen https://www.world-nuclear.org/information-library/energy-and-the-environment/nuclear-energy-and-sustainable-development.aspx Licence : Domaine Public
Projection des émissions nettes de GES par Hydro-Québec https://www.hydroquebec.com/data/developpement-durable/pdf/emissions-ges.pdf Licence : Domaine Public
Dangers et risques comparés des sources d'énergies
Taux de mortalité par source d'énergie Deaths by Energy Source in Forbes Brian Wang | June 11, 2012 https://www.nextbigfuture.com/2012/06/deaths-by-energy-source-in-forbes.html Paternité
La source d'énergie la plus sûre vous surprendra Published on May 10, 2018 By Jeff Desjardins https://www.visualcapitalist.com/worlds-safest-source-energy/ Licence : Domaine Public
Emprises sur la biosphère
Étude détaillée des effets des mesures de mitigation https://www.hydroquebec.com/data/romaine/pdf/romaine-bilan-environnement-2018.pdf Paternité
Aménagements de frayères http://www.hydroquebec.com/data/romaine/pdf/frayere.pdf Paternité
Partage de l'espace https://www.hydroquebec.com/data/administrations-municipales/pdf/20190326-installations-amenagement-territoire.pdf Paternité
Cheminement du mercure peu après la mise en eau des réservoirs https://www.hydroquebec.com/developpement-durable/documentation-specialisee/mercure.html Figure 1.3 Paternité
Évolution de la teneur en mercure des dorés jaunes https://www.hydroquebec.com/developpement-durable/documentation-specialisee/mercure.html Figure 1.6 Paternité
Augmentation de l'oxygène dissout
Essai modèle montrant la perte de rendement Papillon B., Kirejczyk J., Sabourin M., Determination of Similitude Rules for Hydroturbines Aeration, HydroVision, Charlotte North Carolina, 2000. Paternité
Localisation des points d'entrée et d'injection d'air pour une aération centrale Papillon B., Kirejczyk J., Sabourin M., Determination of Similitude Rules for Hydroturbines Aeration, HydroVision, Charlotte North Carolina, 2000. Paternité
Comparaison de 3 points de fonctionnement, faible, coeur et pleine charge dans aération, avec aération centrale et périphérique Papillon B., Sabourin M., Couston M., Deschênes C., Methods for Air Admission in Hydroturbines, Proceedings of the XXI IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, Lausanne, 2002. Paternité
L'aération centrale est aussi utilisée pour atténuer le bruit et les fluctuations de pression avec très peu d'air Papillon B., Kirejczyk J., Sabourin M., Atmospheric air admission in hydroturbines, Hydrovision 2000, Charlotte, USA. Paternité
Observation du volume de la torche sous différentes chutes Papillon B., Kirejczyk J., Sabourin M., Determination of Similitude Rules for Hydroturbine Aeration Paternité
Validation et limite de la similitude Papillon B., Kirejczyk J., Sabourin M., Determination of Similitude Rules for Hydroturbines Aeration, HydroVision, Charlotte North Carolina, 2000. Paternité
Représentation schématique du dispositif d'aération de GE ©GE, Scott David, Simmons Neal, Bornard Laurent, Toussaint Kristopher, "New aerating turbine for increasing dissolved oxygen levels at High Rock Dam", Charlotte, HydroVision 2018. Paternité
Distribution de l'air introduit au bord d'attaque d'un profil inter-aube. ©GE, Scott David, Simmons Neal, Bornard Laurent, Toussaint Kristopher, "New aerating turbine for increasing dissolved oxygen levels at High Rock Dam", Charlotte, HydroVision 2018. Paternité
Vanne de fond utilisé pour vidanger un réservoir de ses sédiments Ludovic Péron, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ad/Vanne_de_fond_du_barrage_de_l%27Hongrin_dans_le_L%C3%A9man.jpg Licence : Domaine Public
Passage pour saumons adultes à la centrale de McNary https://www.salmonrecovery.gov/Hydro/Structuralimprovements/AdultFishLadders.aspx Licence : Domaine Public
Les turbines ichtyophiles
Passage pour saumons adultes à la centrale de McNary https://www.salmonrecovery.gov/Hydro/Structuralimprovements/AdultFishLadders.aspx Licence : Domaine Public
Localisation des dangers de blessures dans une turbine www.esd.ornl.gov/human_health_risk/env_analysis/hydro_effects.shtml Paternité
Évolution des pressions dans une turbine James M. Becker, C. Scott, Abernethy, and Dennis D. Dauble, “Identifying the Effects on Fish of Changes In Water Pressure during Turbine Passage”, Hydro Review, Volume 22, Number 5, September 2003 Paternité
Taux de survie à l'impact Stephen V. Amaral and George E. Hecker, “Designing leading edges of turbine blades to increase fish survival from blade strike”, EPRI 2010 Paternité
Un modèle de collision Z. Deng, T. J. Carlson, G. R. Ploskey, M. C. Richmond, “Evaluation of Blade-Strike Models for Estimating the Biological Performance of Large Kaplan Hydro Turbines”, PNNL November 2005 Paternité
Effet du cisaillement sur la mortalité des poissons mesuré en laboratoire D. A. Nietzel, G. F. Čada, “Laboratory Studies on the Effects of Shear on Fish”, DOE, September 2000 Paternité
Effet de la turbulence et dimension des tourbillons dans la turbine Mufeed Odeh, John F. Noreika, Alex Haro Aubin Maynard, Ted Castro-Santos, and Glenn F. Cada, “Evaluation of the effects of turbulence on the behavior of migratory fish”, DOE-BPA (Bonneville Power Administration), March 2002 Paternité
Étude des phénomènes nuisibles aux poissons dans les turbines https://www.ge.com/news/reports/go-with-the-flow-these-engineers-are-building-a-fish-friendly-hydropower-plant Paternité
Consommation de matériaux
Matériaux utilisés par les différentes sources d'énergie https://www.world-nuclear.org/information-library/energy-and-the-environment/nuclear-energy-and-sustainable-development.aspx Paternité
Brève initiation technique au monde de l'hydraulique
Les types d'installation
Les principaux types de barrage et digue © GE 2016 /PEAUGER Christian Paternité
La centrale Beauharnois comporte 26 turbines Francis et 10 turbines hélices. Elle est au fil de l'eau. http://www.hydroquebec.com/data/metas/fb/photo-hydro-quebec-2012-250-D6Q9785.jpg Paternité
Carte du barrage des Trois Gorges https://fr.wikipedia.org/wiki/Barrage_des_Trois-Gorges
Les Trois Gorges - vue aérienne https://fr.wikipedia.org/wiki/Barrage_des_Trois-Gorges
Vue du déversoir et du barrage des Trois Gorges https://fr.wikipedia.org/wiki/Barrage_des_Trois-Gorges
Carte du barrage d'Itaipu au Brésil https://fr.wikipedia.org/wiki/Barrage_d'Itaipu
Centrale d'Itaipu https://fr.wikipedia.org/wiki/Barrage_d'Itaipu
Barrage d'Itaipu panorama https://fr.wikipedia.org/wiki/Barrage_d'Itaipu
Carte de la centrale Robert Bourrassa à la Baie James https://fr.wikipedia.org/wiki/Am%C3%A9nagement_Robert-Bourassa
Vue aérienne de l'aménagement de LG2 https://fr.wikipedia.org/wiki/Am%C3%A9nagement_Robert-Bourassa
Vue intérieure de la centrale Robert Bourrassa https://fr.wikipedia.org/wiki/Am%C3%A9nagement_Robert-Bourassa
Pour une compréhension intuitive du fonctionnement d'une turbine hydraulique
La rencontre de 2 rotations http://dbhsarl.eu/forum/viewtopic.php?t=701 PACER 724-247-1F Turbines hydrauliques.pdf Paternité
Un tourbillon libre dans ma piscine ! © Michel Sabourin 2018 Paternité
Rôle hydraulique des composantes de la turbine
Coupe d'un groupe turbine-alternateur (Churchill Falls) ©GE dessiné à la main par M. Blanchet il y a plus de 40 ans. Licence : Domaine Public
La conduite forcée
Des conduites forcées
Conduite forcée de la centrale des Sept-Chutes (1915) à Saint-Ferréol-les Neiges http://dev.chateaumontsainteanne.com/blogue/wp-content/uploads/2013/08/20130709_145448.jpg Licence : Domaine Public
Aménagement de Kootenay Canal (1976) avec ses conduites forcées https://www.bchydro.com/community/recreation_areas/kootenay_canal.html Paternité
Ancrages de la conduite forcées aux changements de direction https://www.atbrc.com/en/business-sectors/hydropower/penstocks.html Paternité
Conduites forcées par ATB Riva Calzoni https://www.atbrc.com/en/business-sectors/hydropower/penstocks.html Paternité
L'aménagement de Cleuson-Dixence où les conduites forcées sont très importantes https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e3/Installations_hydro%C3%A9lectriques_de_la_Grande_Dixence.svg Licence : Domaine Public
Effet de dépression lors d'un transitoire à Bear Creek http://deereault.com/hydroelectric-services/bear-creek-hydroelectric-project.php Paternité
Explosion de la conduite forcée de Sorang http://www.himdhara.org/2015/12/11/submission-to-directorate-of-energy-on-failure-of-safety-control-and-impact-monitoring-in-hydroprojects/ Paternité
L'avant-distributeur et les avant-directrices
Le distributeur et les directrices

Hydraulique de base pour les turbines

Mécanique des fluides et définitions
Les équations de base pour les turbines hydrauliques
Continuité - conservation de la masse
Comparaison des lignes de courant dans un aspirateur à deux points de fonctionnement © 2017 General Electric Company, Images not for distribution or reproduction unless authorised by GE Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale
L'hydrostatique et l'équilibre des forces dans un champ d'accélération
Coupe d'un barrage © Michel Sabourin 2017 Paternité
Configuration des parties supérieures et influence sur la poussée axiale
Calcul par volume de contrôle ou CFD Papillon B., St-Hilaire A., Lindstrom M., Sabourin M., Analysis of Francis turbines head cover pressure and flow behavior inside runner cone, HydroVision 2004, Montréal, Québec, Canada Licence : Domaine Public
Configuration 1. Aucune fuite permise. © Michel Sabourin 2018 Paternité
Cône à aillette Papillon B., St-Hilaire A., Lindstrom M., Sabourin M., "Analysis of Francis turbines head cover pressure an flow behavior inside runner cone", HydroVision 2004, Montréal. Licence : Domaine Public
Équation de la conservation de la quantité de mouvement ou équation de Newton(1687)
Écoulement dans un coude et réaction © Michel Sabourin 2017 Paternité
Moulinet © Michel Sabourin 2017 Paternité
Vitesses à la sortie du moulinet © Michel Sabourin 2019 Paternité
L'équation de Bernoulli - conservation de l'énergie
Étude de la perte aspirateur © Michel Sabourin 2017 Paternité
Le cheminement de l'énergie hydraulique dans une installation hydroélectrique
Les lois de similitude et de transposition
Les lois de similitudes
Les lois de similitude - Utilité et définition
Application de la similitude mécanique à un écoulement visqueux
Écoulement de Couette ©Michel Sabourin 2017 Paternité
Similitude partielle pour les machines hydrauliques
Impact de la cavitation sur le comportement des turbines
Une diminution de hs (ou augmentation de l'enfoncement) réduit la cavitaton mais augmente les coûts du civil. adapté de Franc J.P., et al., La cavitation – Mécanismes physiques et aspects industriels, Presses universitaires de Grenoble,1995. p. 344. Paternité
Une dérive de sigma ©Michel Sabourin Paternité
Diminution de la chute vue par la roue ©Michel Sabourin adapté de CEI60193 Paternité
Les données de l'exercice ©Michel Sabourin Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale
©Michel Sabourin adapté du CEI60193 Paternité
Cavitation - paramètres d'essai ©CEI60193 Tableau 4 Paternité
Les nombres utilisés pour caractériser la similitude
Le système n11 Q11
Les collines de rendement, un outil de sélection
Colline 1, nQE=0,177 ©Michel Sabourin 2017 Paternité
Colline 2, nQE=0,106 ©Michel Sabourin 2017 Paternité
Colline 3, nQE=0,189 ©Michel Sabourin 2017 Paternité
©Michel Sabourin Paternité
L'effet d'échelle
Comparaison du rendement obtenu par différentes méthodes pour un même tracé hydraulique St-Hilaire A., Ludewig P., Loiseau F., Tadel J., Bornard L., Sabourin M., Performance of the St-Lawrence Rehabilitated Turbines : Step-up from Model to Prototype, HydroVision 2004, Montréal, Canada. Licence : Domaine Public
Les types de perte
Diagramme de Moody Tom Davis, http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/7747-moody-diagram?focused=5061561&tab=function Paternité
Expansion brusque ©Michel Sabourin 2017 Paternité
Autres méthodes pour calculer l'effet d'échelle
La cavitation
Cavitation - La théorie
La cavitation un phénomène nuisible https://fr.wikipedia.org/wiki/Cavitation Paternité - Partage des Conditions Initiales à l'Identique
Cavitation de vortex ©Guennoun M.F., Étude physique de l'apparition et du développement de la cavitation sur une aube isolée, EPFL Thèse no 3574 (2006). Paternité
Cavitation dans une pompe M. Farhat. Contribution `a l'´ Etude de l' ´ Erosion de Cavitation : M´ecanismes Hydrodynamiques et Pr´ediction. PhD thesis, Th`ese de doctorat, EPFL, Suisse, 1994. Paternité
Cavitation - Un phénomène à expliquer
Diagramme Pression-Température Adapté de https://fr.wikipedia.org/wiki/Cavitation Paternité - Partage des Conditions Initiales à l'Identique
©Guennoun M.F., Étude physique de l'apparition et du développement de la cavitation sur une aube isolée, EPFL Thèse no 3574 (2006). Paternité
Comportement stable et instable ©Michel Sabourin adapté de Wikipedia, Thierry Dugnolle Paternité
Dynamique d'une bulle entrainée dans un écoulement à pression variable ©Franc J.P., et al., La cavitation – Mécanismes physiques et aspects industriels, Presses universitaires de Grenoble,1995. Paternité
Les matériaux anti-cavitation
Comparaison des différents matériaux
Résistance des matériaux à la cavitation ©Laurent Tôn-Thât, Hydro-Québec, IREQ Paternité
L'opération de la turbine : de la colline stationnaire aux transitoires
Le comportement de la turbine en régime stationnaire
Une vision statique du fonctionnement : la lecture de la colline
Les 4 quadrants du fonctionnement d'une turbine © Michel Sabourin 2018 adapté de CEI60193 page 460 Paternité
CEI 60193 page 464. Paternité
Une prise de charge en turbine ©Michel Sabourin Paternité
Colline de rendement © Michel Sabourin 2018 Paternité
Prise de charge © Michel Sabourin 2018 Paternité
La prise de charge sur la colline de rendement
© Michel Sabourin 2018 Paternité
© Michel Sabourin 2018 Paternité
© Michel Sabourin 2018 Paternité
© Michel Sabourin 2018 Paternité
© Michel Sabourin 2018 Paternité
© Michel Sabourin 2018 Paternité
L'opération normale de la turbine
Le démarrage de la turbine
Le démarrage de la turbine © Michel Sabourin 2019 Paternité
Vue en coupe d'une centrale hydroélectrique © Voith Hydro 29 janvier 2019 publié sur Linkedin Paternité
Opération en mode production et l'interaction avec le réseau
L'opération et le comportement de la turbine en régime transitoire
Effet de dépression lors d'un transitoire à Bear Creek http://deereault.com/hydroelectric-services/bear-creek-hydroelectric-project.php Paternité
Explosion de la conduite forcée de Sorang http://www.himdhara.org/2015/12/11/submission-to-directorate-of-energy-on-failure-of-safety-control-and-impact-monitoring-in-hydroprojects/ Paternité
L'effet d'une variation d'ouverture sur les conditions hydrauliques - Cas 1, le coup de bélier de masse
Effet de la compressibilité de l'eau - Cas 2, le coup de bélier acoustique
Calcul d'un transitoire sur un groupe turbine alternateur avec la méthode d'Allievi
© Michel Sabourin 2019 Paternité
Coupure linéaire de débit ©Michel Sabourin 2018 Paternité
Représentations du transitoire sur la colline
Calcul simplifié d'un transitoire de turbine avec un tableur
Données de base du calcul © Michel Sabourin 2019 Paternité

Hydraulique contemporaine

Les solutions environnementales
Vieille centrale à réhabiliter Joubarne É., Auger-Habel D., Refurbishment of a centenary small hydro-turbine power plant: issues and challenges , HydroVision 2015, Portland, Oregon. Paternité