Charge hydraulique

La charge hydraulique est une valeur qui mesure la quantité d'énergie mécanique disponible dans l'eau d'une rivière, d'un ruisseau ou même d'un lac. La charge hydraulique est équivalente au niveau de l'eau dans un plan d'eau statique (non coulant). Dans sa forme la plus simple, la charge hydraulique est une mesure de la hauteur d'une colonne d'eau statique au-dessus d'un point arbitraire, généralement exprimée en mètres (ou pieds aux États-Unis). Plus le niveau d'eau ou la charge hydraulique est élevé, plus d'énergie l'eau possède à un endroit spécifique.

Dans une installation hydroélectrique, la quantité d'énergie captée dépend de la différence entre le niveau de l'eau dans le réservoir hydroélectrique en amont du barrage et le niveau de l'eau en aval du barrage hydroélectrique. C'est ce qu'on appelle différence de charge hydraulique, représentant la quantité d'énergie qui peut être transformée en électricité par les turbines et générateurs. Des calculs plus détaillés montrent que ce n'est pas seulement la différence de hauteur de l'eau qui détermine la quantité d'énergie exploitable, mais qu'il existe une variété de pertes appelées pertes de charge qui résultent du frottement dans les tuyaux. Lorsque les pertes de charge sont prises en compte, la quantité réelle d'énergie exploitable est réduite. Cette valeur réduite de la charge hydraulique avec les pertes prises en compte est appelée charge effective.

L'eau du réservoir, qui se trouve à une plus grande altitude, possède plus d'énergie potentielle gravitationnelle parce qu'elle se trouve à une position verticale plus élevée que le canal de fuite. L'énergie utilisée pour produire de l'électricité en déplaçant les turbines provient de l'utilisation de l'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau du réservoir lorsqu'elle descend dans les conduites forcées. L'utilisation de l'équation de Bernoulli peut aider à illustrer ce processus. Dans l'ensemble, la charge hydraulique est une façon de représenter l'énergie stockée d'un fluide - en l'occurrence, de l'eau - par unité de poids.

Figure 1. Un schéma étiqueté d'une centrale hydroélectrique, comprenant la charge hydraulique.

La valeur de la charge hydraulique est utilisée dans l'équation de la puissance hydroélectrique pour déterminer la puissance disponible d'un système hydroélectrique. Elle est l'un des composants principaux de cette équation, représentée par :

[math]\displaystyle{ P = \rho Q g \Delta h }[/math]

où :

• [math]\displaystyle{ P }[/math] est la quantité de puissance calculée, mesurée en joules par seconde (J/s), également appelée watt (W).
• [math]\displaystyle{ \Delta h }[/math] est la différence de charge hydraulique sur le barrage ou la turbine, exprimée en mètres (m).
• [math]\displaystyle{ ρ }[/math] est la densité du fluide, mesurée en kilogrammes par unité de volume (kg/m³).
• [math]\displaystyle{ Q }[/math] est la décharge hydroélectrique volumétrique (le débit) du fluide, mesurée en volume par unité de temps (m³/s).
• [math]\displaystyle{ g }[/math] est l'accélération due à la gravité, mesurée en mètres par seconde (m/s).

Notez que plus grande est la différence de charge dans l'expression ci-dessus, plus forte est l'énergie mécanique potentielle de l'eau dans un réservoir.

Classifications

Il existe trois grandes classifications de barrages basées sur les différences de charge hydraulique : élevée, moyenne et basse. Les caractéristiques de ces types sont décrites ci-dessous.

Charge élevée

Les différences de charge de 100 mètres ou plus sont considérées comme des charges élevées. Dans ce type de centrale, l'eau qui traverse la turbine provient d'une élévation nettement supérieure, ce qui signifie que le système requiert un plus faible volume d'eau pour produire une quantité d'énergie équivalente. En général, ces systèmes nécessitent également des turbines plus petites, car il y a moins d'eau qui circule à travers la turbine.

En plus d'une turbine plus petite, il est nécessaire d'utiliser une conduite forcée plus longue pour guider l'eau vers le bas à partir du réservoir à haute altitude. En général, les grandes installations hydroélectriques ont une charge élevée ou moyenne.

Charge moyenne

Les systèmes à charge moyenne présentent généralement des différences de charges entre 10 et 100 mètres. La conduite forcée d'un barrage à charge moyenne est légèrement plus courte que celle d'un barrage à charge élevée, car le dénivelé est moins prononcé. Ce type de barrage repose à la fois sur un volume d'eau significatif qui circule et sur son dénivelé considérable.

Charge basse

Les barrages à faible charge sont généralement classés comme des systèmes présentant des différences de charge d'environ 10 mètres ou moins. Les turbines hydroélectriques à faible charge sont généralement utilisées dans des installations telles que les systèmes au fil de l'eau, où la rivière coule et où le dénivelé est faible.

Ces systèmes à faible charge transportent généralement de grands volumes d'eau et nécessitent, donc, des turbines plus larges pour convertir efficacement l'énergie de l'eau en électricité. Dans ces installations, un grand barrage n'est pas nécessaire pour bloquer l'eau car il y a très peu de stockage d'eau.

Pertes de charge

La différence de hauteur entre le réservoir d'eau et le canal de fuite d'une installation hydroélectrique est appelée charge brute. Elle détermine la quantité maximale d'énergie qui peut être produite. Cependant, des pertes d'énergie se produisent lorsque l'eau se déplace dans les tuyaux en raison du frottement, ce qui réduit le taux réel de la production d'énergie. Ces pertes réduisent la charge globale et donnent un chiffre appelé charge effective ou charge nette. La charge effective est égale à la charge brute moins la somme de toutes les pertes de charge. Les pertes de charge se produisent dans toutes les installations hydroélectriques et sont classées comme pertes de charge majeures et mineures. Ces pertes de charge sont mesurées, calculées et exprimées de la même manière que la charge hydraulique, c'est-à-dire en mètres de hauteur d'eau équivalente. Dans ce cas, il faut soustraire la quantité de puissance perdue par la charge de la puissance brute globale pour obtenir la puissance nette réelle que l'on peut obtenir. L'équation peut être présentée comme suit :

[math]\displaystyle{ P_{nette} = P_{brute} - P_{perdue} }[/math]

Les types de pertes de charge comprennent :

• Pertes de charge majeures : les pertes de charge majeures résultent principalement du frottement dans les tuyaux et se produisent sur de grandes longueurs de tuyaux, comme dans la conduite forcée.
• Pertes de charge mineures : Les pertes de charge mineures proviennent de tout autre endroit que le frottement dans les tuyaux. En fait, des pertes mineures se produisent chaque fois que le tuyau se courbe ou que la vitesse de l'eau change.

Malgré leurs noms, les pertes de charge majeures ne sont pas toujours supérieures aux pertes de charge mineures - c'est simplement la combinaison des pertes de charge mineures et majeures qui est importante pour déterminer la puissance nette d'une centrale hydroélectrique.