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LA MICRO-HYDROÉLECTRICITÉ

L’énergie hydroélectrique n’est pas seulement produite par les gros barrages, une production à petite échelle est aussi parfois possible ! 

Parmi les centrales hydroélectriques, on pense le plus souvent aux grands barrages. Il existe néanmoins d’autres types de centrales, dites « au fil de l’eau », qui ne nécessitent pas ou très peu d’ouvrages de retenues. Celles-ci sont de tailles beaucoup plus modérées, et peuvent convenir à des usages plus spécifiques tels que les maisons, chalets, ranches, auberges, camps, parcs ou encore petites collectivités isolées ou hors réseau. Parmi ces centrales hydroélectriques de taille assez modestes, on distingue la classification suivante :

Capacité inférieure à 100 kW : centrales micro-hydroélectriques
Capacité entre 100 kW et 1 MW : mini-systèmes hydroélectriques
Capacité de 1 à 10 MW (parfois jusqu’à 50 MW) : petits systèmes hydroélectriques
Les micro-systèmes fournissent une énergie suffisante pour alimenter des habitations isolées. Ils sont particulièrement intéressants à exploiter quand les conditions le permettent, car ils fournissent une source d’énergie économique, fiable et avec très peu d’impact sur l’environnement en raison de l’utilisation d’une simple fraction du débit disponible du cours d’eau (pas de réservoir d’eau n’est construit, et aucune terre n’est inondée).

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L’énergie hydraulique

L'énergie produite par l’eau est déjà utilisée depuis de nombreuses années. L’eau est en effet 800 fois plus dense que l'air, ce qui implique que même un ruisseau qui coule lentement peut produire une quantité considérable d'énergie. L’énergie hydraulique est une force mécanique qui peut être utilisée sous plusieurs formes :

Energie hydraulique
  • Elle peut être directement utilisée en tant qu’énergie mécanique comme par exemple dans les moulins à eau, dont les roues sont placées sur le cours d’eau. Cette énergie est utilisée pour faire tourner une meule et ainsi, moudre le grain.

  • L’énergie hydraulique peut aussi servir à produire de l’électricité. Voici quelques-unes des principales méthodes :

    • Les centrales hydroélectriques qui utilisent l’énergie produite par une chute d’eau (barrages hydroélectriques).

    • L’énergie des marées est utilisée dans les centrales marémotrices.

    • Les hydroliennes sont placées sous l’eau et utilisent la force des courants marins.

    • Certains essais ont aussi été faits avec l’énergie produite par la force des vagues.

L’énergie hydraulique est une énergie bien connue et très exploitée. On l’utilise depuis plus de deux millénaires pour des utilisations mécaniques comme des moulins à farine, à scie. Les successeurs de ces moulins à eau sont les centrales hydroélectriques, qui captent l’énergie cinétique des cours d’eau ou des chutes, la transforment en énergie mécanique à l’aide de roues hydrauliques ou de turbines, et la convertissent en énergie électrique grâce à des génératrices. Cette énergie est considérée comme renouvelable car elle provient du cycle naturel d’évaporation-précipitation de l’eau. Même si elle représente seulement 2.3 % de la production mondiale d’énergie primaire, elle est la deuxième source d’énergie renouvelable au monde derrière celles associées à la biomasse (près de 10 % de la production mondiale d’énergie primaire) et elle tient la première place des énergies renouvelables utilisées pour la production d’électricité. En 2010, c’est 16 % de la production mondiale d’électricité qui était assurée par l’hydroélectricité. 

Une centrale micro-hydroélectrique a un fonctionnement simple. Les éléments minimum de ce type de systèmes sont communs à toutes les configurations de terrains ou d’installations :

Une turbine hydraulique qui transmet l’énergie de l’eau à une génératrice produisant de l’électricité ;
Un mécanisme de régulation pour assurer un approvisionnement stable en électricité ;
Un réseau électrique de transport et de distribution.
On retrouve souvent ces éléments caractéristiques dans des kits « clés en mains » qui permettent à des particuliers d’installer eux-mêmes un microsystème hydroélectrique sur leur propriété. Néanmoins, ces types de systèmes sont de taille modeste, et pour des installations très standards. Il faudra le plus souvent faire appel à un expert en énergie qui sera capable de proposer la solution la plus appropriée aux besoins énergétiques de l’utilisateur, la plus adaptée à la topographie du terrain, et la mieux optimisée tant du point de vue économique que technique.En effet, les microsystèmes hydroélectriques sont généralement plus complexes que les simples éléments évoqués ci-dessus, et nécessitent des ouvrages de génie civil pour capter une fraction suffisante du débit du cours d’eau. Chaque site est unique.

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Description d'une centrale micro-hydroélectrique

Barrage / prise d’eau : afin de faire fonctionner le système, il faut dériver la quantité d’eau nécessaire pour que la turbine reçoive le débit d’eau requis pour son fonctionnement. Afin d’assurer un débit stable de l’eau, un barrage à faible hauteur de chute sera souvent nécessaire. Une rampe de dégravage est nécessaire pour empêcher les débris, le gravier et le sable de passer par la prise d’eau. Un déversoir permet également d’évacuer l’excédent d’eau et de protéger la prise d’eau. Il faudra également prévoir un passage pour les poissons.
Canal d’amenée : à ciel ouvert ou dans une canalisation, ce canal permet d’acheminer l’eau de la prise d’eau au bief d’amont.
Bief d’amont : il est le dernier rempart à la conduite forcée. Une fine grille permet d’éliminer les derniers débris et la glace qui pourraient endommager la turbine, et un désableur permet de faire précipiter les fines particules puis de les éliminer.
Conduite forcée : c’est elle qui achemine l’eau sous pression jusqu’à la turbine. C’est souvent l’élément le plus cher de l’installation (autour de 40 % du coût du projet) ; il faut donc porter un soin particulier à cet élément lors de la conception. Les pertes de charge de cette conduite sont liées à la vitesse d’écoulement de l’eau, la rugosité de la conduite, sa longueur et son diamètre (plus on augmente le diamètre, plus le coût de la conduite augmente). Il faudra réduire ces pertes de charge tout en minimisant le coût de la conduite. En plus du diamètre, l’épaisseur de la conduite ainsi que son matériau seront également très déterminants dans le coût. On les choisira principalement selon la pression maximale d’eau attendue dans le circuit, pour que la conduite n’éclate pas. D’autres paramètres rentrent également en compte : enfouissement de la conduite ou non, gel, résistance à l’environnement (intempéries, animaux, chutes d’arbres, …).

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Dimensionnement d'une centrale micro-hydroélectrique

La théorie est très simple pour évaluer son potentiel hydroélectrique puisqu’il suffit de connaître le débit ainsi que la hauteur de chute de son cours d’eau. La formule magique pour la micro-hydroélectricité est la suivante, et vous permettra de déterminer votre potentiel électrique[1] :

Cette formule très simple n’est cependant pas si facile à calculer, car il faut évidemment savoir quoi prendre comme valeur. Pour cela, voyons voir en détail à quoi correspondent ces différents facteurs et comment les calculer :

Le débit utilisable d’eau

C’est la quantité d’eau qui franchit un point pendant un temps donné. On peut l’exprimer en m3/s, ou encore en L/s (dans ce cas attention aux unités : la formule précédente donnera une production électrique en W et non en kW). Ce paramètre est le plus compliqué à déterminer car le débit d’eau d’une rivière varie généralement au cours d’une année. Un cours d’eau présentant une valeur stable de débit d’eau sera plus intéressant qu’un autre qui aura des plus fortes variations et un grand écart entre les débits minimum et maximum. Le débit minimum correspond généralement à celui de la saison sèche, soit près de la fin de l’été pour le sud du Québec, et du milieu de l’hiver pour le nord ; le débit maximum a lieu au printemps. On se basera idéalement sur le débit minimum annuel pour calculer le débit de conception du système, et ainsi assurer une alimentation suffisante en électricité durant l’année. Une valeur minimale de 0,6 L/s (10 gal/min) est généralement considérée pour qu’une installation devienne intéressante.

L’évaluation du nombre de jours pendant lequel une valeur de débit sera dépassée est ainsi très importante pour les plus gros systèmes les plus importants (au-dessus de 10 kW), alors qu’elle l’est moins pour les plus petits systèmes qui détournent une faible fraction du débit disponible. Pour des calculs précis, mieux vaut faire appel à un hydrologue ou un consultant professionnel qui établira une courbe des débits classés (CDC) du cours d’eau (en classant les débits mesurés par ordre décroissant d’un cours d’eau, on peut déterminer sa capacité énergétique potentielle de façon plus précise).

Courbe des débits classés
Voici un exemple de courbe des débits classés pour une rivière avec un débit assez stable. Dans le cas d’un système micro-hydro pour une habitation isolée et hors-réseau, on choisit pour débit de conception celui qui sera disponible au moins 95 % du temps. Dans l’exemple ci-contre, il sera d’environ 5 m3/s.

Il existe plusieurs méthodes pour mesurer le débit de son cours d’eau. Celles-ci sont plus ou moins adaptées selon le type de rivière, la précision que l’on cherche, ainsi que les moyens dont on dispose. On trouve facilement des explications détaillées de ces méthodes sur internet, il faut être ingénieux en s’adaptant à la situation de son cours d’eau pour adopter la méthode la plus adaptée . Plutôt qu’une liste exhaustive des différentes techniques, voici notre conseil méthodique pour évaluer le débit de son cours d’eau.

Facteurs de correction
Figure 1: Facteurs de correction (Microsystèmes hydroélectriques, Guide de l’acheteur. RNCan.
On commence par une méthode grossière et assez imprécise, mais donnant un bon aperçu de la valeur du débit : la méthode des objets flottants. Cela consiste à évaluer la section moyenne du cours d’eau (A en m²) sur une longueur donnée (L en m), et à poser des objets flottants au début de cette longueur. On mesure alors le temps (T en s) qu’il faut à des objets flottants pour parcourir la distance L. En multipliant la formule  à un facteur de correction en fonction du type de cours d’eau, on obtient une valeur approximative du débit en m3/s.

Une méthode extrêmement précise mais plus compliquée à mettre en œuvre est la méthode du contenant. On dérive complètement le cours d’eau pour remplir un contenant de volume connu et on mesure le temps de remplissage de ce contenant pour en déduire le débit. Cette méthode est à réserver pour les cours d’eau assez petits qu’il est facile de dériver entièrement, donc en général pour des débits inférieurs à 20 L/s.
Enfin, afin de mesurer le débit du cours d’eau et évaluer ses variations durant l’année, la méthode du déversoir sera la plus pratique et facile à réaliser. On aménage un barrage sur toute la section du cours d’eau, avec une ouverture pour laisser s’écouler l’eau. Une mesure de la différence de niveau d’eau en amont et en aval de cette ouverture donnera une approximation du débit. En fonction de l’ordre de grandeur des débits que l’on s’apprête à mesurer, on choisira des ouvertures de taille et de forme différentes (typiquement une ouverture rectangulaire pour les forts débits, et une triangulaire pour les plus faibles). La formule reliant la différence de niveau de part et d’autre du déversoir sera différente selon votre configuration de déversoir et il vous faudra élaborer vous-même cette formule de calcul . Cette mesure a l’avantage d’être simple et rapide à effectuer, donc bien adaptée à un suivi régulier. Il suffira d’empêcher l’accumulation des sédiments dans le déversoir.
[1] Pour les scientifiques avertis, cette équation n’est pas exactement balancée. En effet, pour des raisons de simplification nous préférons omettre sciemment la densité de l’eau égale à 1 kg/L qui n’agit pas sur le calcul.

La hauteur de chute

Hauteur de chute
Figure 2 : Hauteur de chute : (Microsystèmes hydroélectriques, Guide de l’acheteur. RNCan.
C’est la distance verticale en mètres entre le niveau de pénétration de l’eau dans le système et le niveau de départ de l’eau de la turbine. Une valeur minimale de 1 m (3 pi) est généralement considérée pour qu’une installation devienne intéressante.

Vous pouvez faire appel à un arpenteur pour avoir une mesure précise de la hauteur de chute. Il est néanmoins possible de faire une estimation préliminaire de façon rapide et moins coûteuse. Selon la situation, on choisira les méthodes adaptées au terrain pour avoir la mesure la plus précise possible. La précision de cette mesure étant très importante pour la conception et l’établissement des coûts du système, il est conseillé de répéter plusieurs fois la méthode retenue et également d’utiliser plusieurs méthodes pour pouvoir recouper les résultats et retenir la valeur la plus représentative. Voici un éventail des méthodes disponibles.

Cartes. On peut consulter des cartes topographiques pour faire une estimation approximative de la hauteur de chute. On préfèrera bien sûr les cartes les plus détaillées, et avec la plus petite échelle possible pour avoir une plus grande résolution du relief (< 1/ 20 000 est préférable). De telles cartes peuvent être trouvées de différentes façons et il vous sera sans doute utile de déterminer votre numéro de référence de carte pour une recherche plus rapide. On peut notamment utiliser cette méthode estimative à l’origine d’un projet, pour sélectionner la zone d’implantation la plus judicieuse sur un terrain de superficie importante par exemple.
Exploitation des mesures de l'inclinomètre, Microsystèmes hydroélectriques

Figure 3 : Exploitation des mesures de l'inclinomètre (Microsystèmes hydroélectriques, Guide de l’acheteur. RNCan.


Manomètre. Cette méthode est la meilleure des méthodes simples. Il vous faudra un tuyau en plastique, flexible ou non, et un manomètre. On remplit d’eau le tuyau et on le place sur la pente dont on veut calculer la hauteur. Avec le manomètre, on mesure la pression statique de l’eau et on la convertit en hauteur de chute considérant qu’à chaque 9,8 kPa correspond un dénivelé de 1 m (1 lb/po² = 2,31 pi).  Pour les hauteurs de chute élevées à mesurer, cette méthode reste très pratique car on peut la renouveler plusieurs fois sur la pente et additionner les valeurs obtenues.

Inclinomètre ou niveau d’Abney. Cet instrument permet de mesurer l’angle d’inclinaison d’une pente et d’en déduire la hauteur. Cette mesure peut être précise si elle est bien réalisée, et s’adapte bien à des hauteurs importantes.
Méthode simple pour faible hauteur et pente abrupte

Figure 4 : Méthode simple pour faible hauteur et pente abrupte (Microsystèmes hydroélectriques, Guide de l’acheteur. RNCan.
Niveau à lunette fixe et théodolite. C’est l’outil le plus couramment utilisé mais il doit l’être par des opérateurs d’expérience pour le réglage du niveau. Cette mesure consiste à viser avec l’appareil une mire tenue par une autre personne, et de déduire de la mesure d’angle la hauteur de la pente.

Tube d’eau et tige. Cette méthode précise pour la mesure de faibles hauteurs de chute repose sur le principe des vases communicants. Elle est simple et peu coûteuse à réaliser. Pour les pentes abruptes, on peut utiliser une simple planche de bois avec un niveau à bulle et un mètre pour calculer précisément la hauteur.
Altimètre. Cette méthode approximative peut être utile pour les études de préfaisabilité et pour des sites à hauteur de chute élevée. Elle consiste à mesurer la pression atmosphérique, et à considérer qu’une variation de 9 mm dans la colonne de mercure correspond à une différence de niveau de 100 m (il faut cependant tenir compte des fluctuations des conditions atmosphériques de pression).
Le facteur d’efficacité

Sans tenir compte du facteur d’efficacité (c’est-à-dire en le prenant égal à 1), le calcul effectué donnerait le potentiel physique théorique. C’est sans compter que l’on a dans tout le système hydroélectrique de nombreuses pertes dues au réseau, à l’efficacité des équipements ou encore liées à la conversion de l’énergie. On a typiquement une efficacité des turbines proche de 80 %, ainsi que des pertes de charge par frottement dans la conduite forcée entre 5 et 10 %. Ainsi, le facteur d’efficacité global d’un système micro-hydroélectrique variera généralement entre 50 et 70 %. On pourra alors utiliser un facteur d’efficacité de 0,5 pour les petits systèmes (< 10 kW) et un facteur d’efficacité de 0,7 pour les plus grands systèmes (> 10kW).

Ce qu’il faut retenir sur la micro-hydroélectricité:

Les centrales micro-hydroélectriques (< 100 kW) exploitent l’énergie potentielle d’un cours d’eau pour la transformer en énergie électrique. Ce type d’énergie renouvelable est un excellent moyen de production autonome d’électricité, si les conditions le permettent.
Les microsystèmes hydroélectriques peuvent être installés rapidement et ont une durée de vie très importante (20 à 30 ans en général).
Pour identifier le potentiel d’un cours d’eau, il faut estimer son débit (et ses variations de débit au cours d’une année) ainsi que sa hauteur de chute. On peut en déduire le potentiel théorique exploitable du cours d’eau, et le comparer à l’évaluation de ses besoins électriques.
Divers équipements seront nécessaires pour une installation : des ouvrages de génie civil pour capter une fraction du débit et la dévier jusqu’à la turbine, une turbine pour capter l’énergie mécanique de l’eau, une génératrice pour convertir cette énergie mécanique en énergie électrique, un réseau de transport et de régulation de l’électricité produite.
L’installation d’une centrale micro-hydroélectrique a peu d’impact sur l’environnement en raison de sa petite taille. On évite ainsi les inconvénients environnementaux et sociaux des grandes centrales. Il faudra néanmoins obtenir les autorisations légales nécessaires pour l’utilisation de l’eau.
La micro-hydroélectricité est une des formes d’énergie renouvelables les plus rentables lorsque le potentiel d’exploitation est suffisant. Les coûts d’installation sont plus élevés que pour des génératrices diesel, mais les coûts d’exploitation sont quasiment nuls.

L'hydroélectricité ne produit pratiquement pas de dioxyde de carbone ou d'autres émissions nocives, contrairement à la combustion de combustibles fossiles. L'hydroélectricité peut être beaucoup moins coûteuse que l'électricité produite à partir de combustibles fossiles et l'énergie nucléaire.

Les avantages de l’énergie hydroélectrique

1. Une fois le barrage construit, l'électricité peut être produite à un rythme constant.
2. Si l'électricité n'est pas nécessaire, les vannes peuvent être fermées arrêtant la production d'électricité. L'eau peut être stockée pour être utilisée à un autre moment où la demande d'électricité est élevée.
3. Les barrages sont conçus pour durer plusieurs décennies et contribuent ainsi à la production d'électricité pendant de nombreuses années / décennies.
4. Le lac qui se forme derrière le barrage peut être utilisé pour les sports nautiques et de loisirs. Souvent, les grands barrages sont devenus des attractions touristiques à part entière.
5. L'eau du lac peut être utilisée à des fins d'irrigation.
7. Lors de l'utilisation, l'électricité produite par des systèmes de barrage ne produit pas de gaz à effet de serre. Ils ne polluent donc pas l'atmosphère.

Les inconvénients de l'énergie hydroélectrique

1. Les barrages sont des édifices extrêmement coûteux et complexes à construire.

2. Le coût élevé de la construction de barrages qui signifie qu'ils doivent fonctionner pendant de nombreuses décennies pour être rentables. 
Energie hydraulique3. La présence d’un barrage provoque l’inondation et les destructions de zones naturelles. Parfois des villages se retrouvent complètement engloutis. 
4. Certains barrages ont provoqué des déplacements de populations. 
5. La construction de grands barrages peut provoquer de graves dommages géologiques et environnementaux. Par exemple, la construction du barrage Hoover aux États-Unis a déclenché quelques tremblements de terre. Autre exemple, le barrage d’Assouan en Égypte a modifié le niveau de la nappe phréatique.
6. La conception d’un barrage nécessite de longues années d’études, car le moindre accident se révèle dramatique. Un barrage qui cède inonde les vallées en aval. La force de l’eau ravage tout sur son passage. 
7. L’eau des rivières est utilisée pour l’agriculture, la pêche et l’utilisation domestique. Ce sont d’autres facteurs qui peuvent créer des conflits lors de la création d’un barrage. Ces conflits peuvent être extrêmement graves lorsque plusieurs pays se partagent le même cours d’eau.

Conclusion

L’énergie hydraulique est une énergie renouvelable, peu polluante. Cependant, comme dans le cas des barrages hydroélectriques, cela peut être très perturbant pour l’environnement et les populations locales. De plus, ce sont des projets extrêmement coûteux. Enfin, un autre problème se pose : l’eau est une denrée qui tend à se raréfier et dont tout être vivant a besoin pour vivre. Pour éviter toute perturbation supplémentaire, lesprojets hydroélectriques sont abandonnés au profit d’autres énergies hydrauliquescomme l’énergie marémotrice ou les hydroliennes qui interviennent en milieux marins et qui sont en pleine phase de développement.