Titre de l'invention : système de production d'énergie hydroélectrique et procédé de fonctionnement d'un tel système

Domaine Technique

[0001] L'invention se rapporte au domaine général de la production d'énergie hydroélectrique.

[0002] Elle concerne plus précisément un système de production d'énergie hydroélectrique - également appelé surpresseur gravitaire - et son procédé de fonctionnement.

Technique antérieure

[0003] L’énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique renouvelable qui est issue de la conversion de l’énergie hydraulique en électricité. Typiquement, l'énergie cinétique du courant d'eau, naturel ou généré par une différence de niveau, est transformée en énergie mécanique par une turbine hydraulique, puis en énergie électrique par une génératrice électrique synchrone.

[0004]Ainsi, l'énergie hydroélectrique provenant d'un barrage est basée sur la hauteur d'une colonne d'eau qui fournit à une turbine placée en aval, une énergie potentielle proportionnelle à cette hauteur, dite hauteur de charge. Dans le cas d'un dispositif dit « au fil de l'eau », c'est principalement l'énergie cinétique apportée par le débit du courant d'eau (par exemple une rivière) qui fournit la puissance nécessaire pour entraîner la rotation d'une ou plusieurs turbines. Dans ce cas précis, l'énergie potentielle, compte tenu de la faible déclivité du cours d'eau, permet seulement d'assurer le débit.

[0005] Les systèmes connus de production d'énergie hydroélectrique provenant d'un barrage présentent de nombreux inconvénients, notamment d'ordre écologique. Les effets d'un barrage avec retenue d'eau sur les écosystèmes sont effet multiples : disparition des populations végétales et animales dans les zones immergées, modification de la qualité de l'eau des rivières et donc des populations aquatiques dans les retenues d'eau, perturbation de la continuité fluviale tant pour les sédiments que pour la faune, modification de l'hydrologie, production de gaz à effet de serre du fait de la dégradation de la végétation immergée, modification du climat local entraînant un déplacement des populations et une modification de leurs moyens de subsistance, danger sur la faune aquatique et en particulier sur les passes à poisson, etc.

[0006] Plus précisément, un barrage accumule les sédiments dans la retenue et les filtres en fonction de leur granulométrie. Les sédiments grossiers forment un atterrissement à la queue de la retenue qui peut se propager plus en amont dans un tourbillon solide. L’élévation du lit peut alors aggraver les conditions d’inondation des riverains. Selon la nature du bassin versant, les sédiments sont susceptibles de fixer les polluants présents dans l’eau et peuvent être riches en matière organique.

[0007]Que ce soit lors des opérations de vidange ou de curage, l’impact environnemental résulte de la dégradation de la qualité physico-chimique de l’eau liée à la mise en suspension des limons. Les matières en suspension peuvent être une cause de mortalité piscicole en colmatant les branchies des poissons. De plus, les sédiments vaseux du fond de la retenue constituent des milieux anoxiques, donc réducteurs. La mise en suspension de vase peut donc être associée à la libération de polluants et de substances consommatrices d’oxygène. La dégradation de la qualité de l’eau résulte également de la libération de matières azotées sous forme réduite, notamment l’ammoniac, toxique à faible concentration et dont l’oxydation en nitrites puis en nitrates va contribuer au déficit en oxygène dissous. Enfin, les sédiments fins rejetés dans un cours d’eau contribuent à colmater le fond et le rendent impropre à la reproduction des poissons.

[0008] De plus, l’aménagement hydraulique modifie l’hydrologie et stoppe tout ou partie des apports solides provenant de l’amont. Sur une rivière naturelle, il existe un équilibre entre l’hydrologie du cours d’eau, le débit solide et les caractéristiques morphologiques du lit : pente, largeur, nature des fonds. La modification de cet équilibre se traduit par une réaction de la morphologie du lit pour s'adapter à ces nouvelles conditions. Les effets de cette modification sont un déficit en matériaux érosifs et un déficit de la capacité de transport.

[0009] Par ailleurs, l'abaissement du lit par érosion peut entraîner des désordres pour les ouvrages en aval : prises d'eau devenues trop hautes, soulèvement des fondations des ponts, etc. L'abaissement du lit peut traverser toute la couche alluviale et atteindre la roche mère : la nature du fond et la morphologie du lit sont alors totalement transformées. L'abaissement du cours d'eau entraîne l'abaissement de la nappe alluviale d'accompagnement, perturbant les prélèvements dans la nappe et la végétation qui évolue vers des formes plus sèches. Le colmatage des substrats est particulièrement préjudiciable dans les rivières à saumon où il entraîne une diminution du développement de la microfaune benthique qui sert de nourriture aux poissons. Il limite également les surfaces favorables au frai qui nécessitent des fonds de graviers bien oxygénés.

[0010] L'impact de la perturbation du transport solide par les barrages apparaît d'autant plus important qu'il se superpose généralement à celui des autres interventions anthropiques. Pratiquement toutes les interventions humaines sur les cours d'eau contribuent dans le même sens à une diminution des apports solides disponibles pour la mobilité du lit : extraction de graviers, digues, occupation des sols dans les bassins versants comme la déprise agricole, la restauration des terrains en montagne qui assèchent la source des matériaux.

[0011] Dans une zone contaminée, les microparticules de polluants sont transportées depuis la source par les eaux de ruissellement et les cours d'eau. Elles se répandent dans tout l'environnement aquatique, y compris les réservoirs, les lacs, les eaux souterraines et les océans. Dans les écosystèmes aquatiques, elles sont présentes dans tous les compartiments : elles sont dissoutes dans la colonne d'eau, adsorbées dans les sédiments et accumulées dans les organismes vivants. Ces trois compartiments échangent des particules jusqu'à ce qu'un équilibre soit atteint. Ainsi, en fonction des conditions chimiques, les sédiments déposés et les matières en suspension peuvent soit piéger par adsorption le polluant présent dans la colonne d'eau, soit le libérer par désorption. [0012] Les retenues de barrage accumulent le polluant apporté par la rivière de deux manières : d'une part, la surface de sédiments déposée au fond de la retenue absorbe le polluant présent dans l'eau et, d'autre part, les matières en suspension polluées vont se déposer et être stockées dans la retenue. Mais, d'autre part, les sédiments pollués des retenues peuvent devenir une source de pollution a) en cas de changement de la qualité de l'eau apportée par la rivière qui peut amener les sédiments déposés à libérer les polluants et b) en cas d'érosion des sédiments de la retenue où les matériaux pollués, alors remis en suspension, vont libérer une partie du polluant dans l'eau pour être transporté en aval.

[0013] La création de réservoirs et de leurs réseaux d'eau associés a un impact sur les principales endémies parasitaires. Dans les régions chaudes et humides, certaines de ces maladies endémiques, qui sont graves en raison de leur chronicité et du nombre de personnes qu'elles touchent, sont causées par des agents pathogènes dont les hôtes vecteurs vivent dans l'eau douce. Ces maladies existaient à l'état endémique avant la création d'un réservoir, mais ce dernier a pour effet de multiplier les sites possibles de vecteurs et, par conséquent, de favoriser leur propagation. Ces principales maladies sont : le paludisme, la bilharziose et l'onchocercose.

Exposé de l'invention

[0014] L'invention a donc pour objet de proposer un système de production d'énergie hydroélectrique qui ne présente pas les inconvénients précités.

[0015]Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un système de production d'énergie hydroélectrique comprenant au moins un module de production d'énergie comprenant : un corps cylindrique divisé dans le sens de la hauteur entre une chambre haute et une chambre basse par un plancher intermédiaire ; - au moins un premier conduit d'admission d'eau destiné à être relié à une source d'eau extérieure, débouchant à l'intérieur de la chambre haute et muni d'une première vanne ;

- des moyens pour effectuer une évacuation de l'eau présente dans la chambre haute vers l'extérieur ;

- un piston qui est monté à une extrémité supérieure d'une tige traversant le plancher intermédiaire et qui est apte à coulisser verticalement à l'intérieur de la chambre haute ;

- un fourreau dont une extrémité supérieure est fixée sur le plancher intermédiaire et à l'intérieur duquel la tige est apte à coulisser verticalement ;

- une chambre annulaire de compression prolongeant le fourreau à l'extrémité inférieure duquel elle est fixée, la chambre de compression se terminant à une extrémité aval par un nez d'injection ;

- au moins un second conduit d'admission d'eau destiné à être relié à une source d'eau extérieure, débouchant à l'intérieur de la chambre de compression au niveau d'une extrémité basse de celle-ci et muni d'une seconde vanne et d'un clapet anti-retour ; et

- une turbine hydroélectrique alimentée en eau sous pression par le nez d'injection de la chambre de compression.

[0016] Le système selon l'invention est remarquable en ce qu'il permet de transformer l'énergie cinétique d'un cours d'eau en énergie potentielle sur la base de l'application du principe d'Archimède aux corps flottants (au contraire des systèmes traditionnels de production hydroélectrique dits « au fil de l'eau » qui n'utilisent que l'énergie cinétique pour produire de l'électricité). En effet, l'énergie cinétique de débit du cours d'eau ne joue ici qu'un rôle passif et ne détermine en rien la puissance apportée à la turbine hydroélectrique. Le débit de cours d'eau permet seulement le remplissage de la chambre haute dans laquelle un corps flottant (i.e. le piston) va s'élever sous l'effet de la pression d'Archimède et enfin redescendre une fois ce volume d'eau chassé de la chambre haute. [0017] Plus précisément, le piston coulisse dans la chambre de compression renfermant un volume d'eau qui va être évacué à son extrémité vers la turbine hydroélectrique pour permettre sa rotation. La pression fournie par le piston au volume d'eau est équivalente à celle apportée par une colonne d'eau sur une surface immergée selon le principe fondamental de l'hydrostatique. L'énergie potentielle équivalente apportée par le système selon l'invention varie en fonction de la masse du piston et de la section de la chambre de compression.

[0018] Par ailleurs, le système selon l'invention présente la particularité, compte tenu de la réduction de la hauteur de colonne d'eau, de n'utiliser que de faibles hauteurs de retenues pour produire la puissance équivalente à celle d'un barrage. Cette hauteur est par exemple de l'ordre de 10 à 15 mètres soit, pour une déclivité de 2% d'un cours d'eau de 10 km de long, la possible insertion le long de ce lit d'un système de production tous les 500 à 750 mètres, soit de 13 à 20 systèmes de production.

[0019] Une autre particularité du système selon l'invention réside dans la séparation du circuit d'eau de production hydroélectrique de celui qui assure la motricité du piston. En effet, le système permet à la faune aquatique de migrer vers l'aval sans risque de mortalité due à son transit dans les pales des turbines grâce aux moyens pour effectuer une évacuation de l'eau présente dans la chambre haute ou la chambre basse vers l'extérieur.

[0020] De la sorte, le système selon l'invention permet d'assurer la protection des écosystèmes et d'en limiter les impacts qui, dans le cas des retenues d'eau nécessaires à l'activité d'un barrage, mettent en péril la faune aquatique, la flore, localement le climat et plus généralement sont générateurs de gaz à effet de serre.

[0021]Selon un mode de réalisation, le plancher intermédiaire comprend au moins un clapet d'évacuation obturable apte à faire communiquer la chambre haute avec la chambre basse lorsqu'il est en position ouverte, et le corps cylindrique du module comprend au moins une trappe s'ouvrant à l'intérieur de la chambre basse et débouchant vers l'extérieur, le clapet d'évacuation obturable et la trappe permettant d'effectuer une évacuation de l'eau présente dans la chambre haute vers l'extérieur.

[0022] Dans ce mode de réalisation, la chambre basse du corps cylindrique du module peut avantageusement renfermer un plancher qui est incliné vers la trappe de façon à faciliter l'évacuation de l'eau.

[0023]Selon un autre mode de réalisation, le corps cylindrique comprend au moins une porte obturable s'ouvrant en partie basse de la chambre haute et débouchant directement vers l'extérieur afin d'effectuer une évacuation de l'eau présente dans la chambre haute vers l'extérieur.

[0024] De préférence, le module comprend en outre des moyens d'amortissement du piston lors de sa descente verticale dans la chambre haute.

[0025] De préférence également, le module comprend en outre des moyens d'amortissement du guidage latéral du piston lors de son déplacement dans la chambre haute.

[0026] La tige du module débouche avantageusement à une extrémité supérieure par l'intermédiaire d'un clapet équilibreur de pression de façon à favoriser l'admission d'air et le remplissage dans la chambre de compression lors de la montée du piston.

[0027] De préférence encore, le système comprend deux modules de production d'énergie destinés à fonctionner à tour de rôle et alimentant en eau sous pression la même turbine hydroélectrique.

[0028] L'invention a également pour objet un procédé de fonctionnement du système de production d'énergie hydroélectrique tel que défini précédemment, comprenant successivement pour chaque module :

- la fermeture des moyens pour effectuer une évacuation de l'eau présente dans la chambre haute vers l'extérieur ;

- l'ouverture de la première vanne et de la seconde vanne pour remplir respectivement en eau la chambre haute et la chambre de compression, le remplissage de la chambre haute entraînant un déplacement du piston vers le haut du corps cylindrique ; et

- une fois la chambre haute entièrement remplie en eau, la fermeture de la première vanne et de la seconde vanne, suivie de l'ouverture des moyens pour effectuer une évacuation de l'eau présente dans la chambre haute vers l'extérieur, la vidange de la chambre haute entraînant un déplacement vers le bas du piston et de sa tige, le déplacement de la tige vers le bas exerçant une forte pression sur l'eau contenue dans la chambre de compression qui s'évacue par le nez d'injection afin d'alimenter en eau sous pression la turbine hydroélectrique.

Brève description des dessins

[0029] [Fig. 1] La figure 1 est une vue en perspective d'un système de production d'énergie hydroélectrique selon un mode de réalisation de l'invention.

[0030] [Fig. 2] La figure 2 est une vue schématique et en coupe du système de la figure 1 dans sa phase initiale.

[0031] [Fig. 3] La figure 3 est une vue du système de la figure 1 dans sa phase de début de remplissage.

[0032] [Fig. 4A-4B] Les figures 4A-4B sont des vues du système de la figure 1, respectivement dans sa phase de fin de remplissage et d'arrêt de remplissage.

[0033] [Fig. 5A-5B] Les figures 5A-5B sont des vues du système de la figure 1, respectivement dans sa phase de début et de fin de vidange.

[0034] [Fig. 6] La figure 6 est une vue en perspective d'un système selon un autre mode de réalisation de l'invention.

[0035] [Fig. 7] La figure 7 est une vue du système en perspective d'un système selon encore un autre mode de réalisation de l'invention.

Description des modes de réalisation [0036] La figure 1 représente en perspective un système de production d'énergie hydroélectrique 2 selon un premier mode de réalisation de l'invention.

[0037] Le système 2 se compose d'un ou plusieurs modules M de production d'énergie, chaque module comprenant un corps cylindrique 4 dont l'axe longitudinal X-X est positionné verticalement. Ce corps cylindrique 4 est divisé dans le sens de la hauteur par un plancher intermédiaire 6 entre une chambre haute 8 et une chambre basse 10.

[0038] Le système 2 comprend également un (ou plusieurs) premier conduit d'admission d'eau 12 qui débouche à l'intérieur dans la partie basse de la chambre haute. Ce premier conduit d'admission d'eau 12 est destiné à être relié à une source d'eau extérieure, typiquement au lit d'une rivière, par l'intermédiaire d'une première vanne 14. Le conduit d'admission d'eau 12 est dimensionné pour permettre un remplissage rapide de la chambre haute.

[0039] Le corps cylindrique 4 du module comprend également au moins une trappe 16 qui s'ouvre à l'intérieur de la chambre basse 10 et qui débouche vers l'extérieur afin de permettre d'effectuer une évacuation de l'eau présente dans la chambre haute vers l'extérieur.

[0040] La chambre basse 10 renferme un plancher 18 qui est incliné vers la trappe 16 de façon à faciliter l'évacuation de l'eau vers l'extérieur.

[0041] Le corps cylindrique 4 du module comprend encore un piston 20 qui est monté à une extrémité supérieure d'une tige 22 centrée sur l'axe longitudinal X-X et traversant le plancher intermédiaire 6. Ce piston 20 est apte à coulisser verticalement de bas en haut à l'intérieur de la chambre haute 8.

[0042] Plus précisément, la tige 22 vient coulisser verticalement à l'intérieur d'un fourreau 24 dont l'extrémité supérieure est fixée sur le plancher intermédiaire 6.

[0043] Une chambre annulaire de compression 26 prolonge le fourreau depuis l'extrémité inférieure de celui-ci sur laquelle elle est fixée. Cette chambre de compression 26 s'étend le long de l'axe longitudinal X-X vers le fond 28 du corps cylindrique pour se prolonger par un coude 30 qui se termine à une extrémité aval par un nez d'injection 32. [0044]Au moins un second conduit d'admission d'eau 34 débouche à l'intérieur de la chambre de compression 26 au niveau d'une extrémité basse de celle-ci. Ce second conduit d'admission d'eau 34 est destiné à être relié à une source d'eau extérieure, typiquement au lit d'une rivière, par l'intermédiaire d'une seconde vanne 36. Il est par ailleurs muni d'un clapet anti-retour 38.

[0045] Le système 2 selon l'invention comprend également une turbine hydroélectrique 40 qui est alimentée en eau sous pression par le nez d'injection 32 de la chambre de compression 26. Cette turbine hydroélectrique 40 est par exemple une turbine Pelton, Kaplan, Francis, ou autre.

[0046] De plus, la tige 22 débouche à une extrémité supérieure par l'intermédiaire d'un clapet équilibreur de pression 42 de façon à favoriser l'admission d'air et le remplissage de la chambre de compression 26 lors de la montée du piston 20.

[0047] Dans ce premier mode de réalisation, le plancher intermédiaire 6 comprend une pluralité de clapets d'évacuation 44 obturables qui sont aptes à faire communiquer la chambre haute 8 avec la chambre basse 10 lorsque ces clapets sont en position ouverte (et à empêcher toute communication entre les chambres haute et basse lorsqu'ils sont en position fermée).

[0048] Plus précisément, ces clapets d'évacuation 44 se présentent ici sous la forme de découpes circulaires pratiquées dans le plancher intermédiaire qui sont régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal X-X. Ces découpes circulaires sont dimensionnées pour permettre le passage des poissons présents dans la rivière.

[0049] Pour les obturer, une plaque circulaire 46 positionnée en dessous du plancher intermédiaire et munie des mêmes découpes circulaires 48 peut pivoter autour de l'axe longitudinal entre une position angulaire dans laquelle les découpes respectives du plancher intermédiaire et de la plaque 46 sont alignées (cette position correspond à la position ouverte des clapets d'évacuation 44), et une position angulaire dans laquelle la plaque 46 vient obturer les découpes pratiquées dans le plancher intermédiaire (cette position correspond à la position fermée des clapets d'évacuation). [0050] En liaison avec les figures 2, 3, 4A, 4B, 5A et 5B, on décrira maintenant un procédé de fonctionnement du système de production d'énergie hydroélectrique selon ce premier mode de réalisation.

[0051] La figure 2 représente le système 2 dans sa phase initiale, c'est-à-dire que la première vanne 14 et la seconde vanne 36 sont fermées et le piston 20 est dans sa position basse.

[0052] Les vannes 14 et 36 sont ensuite ouvertes pour permettre à l'eau issue de la rivière en amont (non représentée) de remplir à la fois la chambre de compression 26 et la chambre haute 8 par leur extrémité basse respective. Il s'agit de la phase de début de remplissage représentée sur la figure 3.

[0053]Au cours de ce remplissage, le piston 20 remonte vers le plafond 50 du corps 4 du système et la tige 22 coulisse à l'intérieur du fourreau 24. Le clapet équilibreur de pression 42 permet l'entrée d'air suite à la dépression qui se créé à l'intérieur du fourreau de façon à favoriser le remplissage de la chambre de compression 26 et la montée du piston.

[0054] La figure 4A représente le système dans sa phase de fin de remplissage. Dans cette phase, le piston 20 a atteint le niveau du plafond 50 du corps 4 et le fourreau 24 est entièrement immergé (la chambre de compression 26 est entièrement remplie d'eau). La première vanne 14 et la seconde vanne 36 peuvent alors être fermées (figure 4B).

[0055]Comme représenté sur la figure 5A, la phase de vidange démarre ensuite en ouvrant les clapets d'évacuation 44 (ici en faisant pivoter la plaque circulaire 46 positionnée en dessous du plancher intermédiaire 6). L'eau (avec éventuellement des poissons) présente dans la chambre haute 8 du corps 4 se vide dans la chambre basse 10, puis à l'extérieur du système en passant par la trappe 16.

[0056]Ce système de chasse permet le vidage quasi-instantané de l'eau présente dans la chambre haute. Au cours de ce vidage, le piston 20 descend sous l'effet de son propre poids et comprime l'eau présente dans la chambre de compression 26. L'eau sous pression s'évacue alors par le nez d'injection 32 pour alimenter la turbine hydroélectrique 40. [0057] Une fois l'eau entièrement chassée du système et de la chambre de compression (figure 5B), un nouveau cycle peut recommencer.

[0058] La figure 6 représente en perspective un module d'un système 2' selon un second mode de réalisation de l'invention (le système comprenant de préférence deux modules identiques fonctionnant l'un après l'autre).

[0059] Le module de ce second mode de réalisation se distingue du premier en ce que le corps cylindrique 4 comprend au moins une porte obturable 52 qui s'ouvre en partie basse de la chambre haute 8 du corps 4 et qui débouche directement vers l'extérieur afin d'effectuer une évacuation de l'eau présente dans la chambre haute vers l'extérieur.

[0060] En d'autres termes, dans ce second mode de réalisation, l'eau qui vient remplir la chambre haute est vidangée directement vers l'extérieur du système sans transiter par la chambre basse (la vidange est ainsi plus rapide). La chambre basse est dépourvue de trappe et de plancher incliné.

[0061]On notera que la porte obturable 52 est dimensionnée pour permettre le passage d'éventuels poissons provenant de la rivière et ayant été introduits dans la chambre haute du système.

[0062] Par ailleurs, le dispositif (non représenté sur la figure 6) pour obturer la porte 52 pourra être par exemple une vanne à guillotine (ou tout autre dispositif équivalent).

[0063] Par rapport au premier mode de réalisation, le système peut être plus compact (moins encombrant en hauteur), du fait de l'absence de transition de l'eau par la chambre basse.

[0064]Quel que soit le mode de réalisation, le système peut comprendre en outre des moyens d'amortissement du piston 20 lors de sa descente verticale dans la chambre haute 8.

[0065] Par exemple, comme représenté sur la figure 6, ces moyens d'amortissement peuvent se présenter sous la forme d'une pluralité d'amortisseurs axiaux à ressort 54 montés sur la périphérie extérieure du plancher intermédiaire 6, régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal X-X et venant en appui contre la surface inférieure du piston 20.

[0066] De plus, toujours quel que soit le mode de réalisation, le système peut comprendre des moyens d'amortissement du guidage latéral du piston 20 lors de son déplacement dans la chambre haute 8.

[0067] Dans l'exemple de réalisation de la figure 6, ces moyens d'amortissement se présentent sous la forme d'amortisseurs radiaux à ressorts 56 s'étendant radialement et coopérant avec les amortisseurs axiaux à ressort 54 au niveau de l'extrémité inférieure du piston. D'autres amortisseurs radiaux à ressort 56' peuvent être montés au niveau de l'extrémité supérieure du piston.

[0068]Quel que soit le mode de réalisation, le système peut comprendre deux modules de production d'énergie tels que décrits précédemment destinés à fonctionner à tour de rôle et alimentant en eau sous pression la même turbine hydroélectrique.

[0069]Ainsi, dans le mode de réalisation de la figure 7, le système 2" comprend deux modules Ml, M2 de production d'énergie semblables à celui décrit en liaison avec la figure 1 (c'est-à-dire avec des moyens pour effectuer une évacuation de l'eau présente dans la chambre haute vers l'extérieur qui se présentent sous la forme des clapets d'évacuation pratiqués dans le plancher intermédiaire et de la trappe réalisée dans la chambre basse du module Ml, M2).

[0070] Dans ce mode de réalisation, les chambres de compression 26 respectives des deux modules Ml, M2 partagent le même coude 30 et débouchent vers une turbine hydroélectrique 40 qui est commune.

[0071] Dans ce mode de réalisation, les modules Ml, M2 de production d'énergie fonctionnent l'un après l'autre, c'est-à-dire que l'un des modules suit le procédé de fonctionnement décrit précédemment et dès que la vidange est terminée, l'autre module débute son remplissage de manière à ce que la turbine hydroélectrique commune n'arrête pas de fonctionner.