Brevet FR2941502A1 — publié le 20100730

INSTALLATION DE CONVERSION D'ENERGIE HYDRAULIQUE EN ENERGIE MECANIQUE OU ELECTRIQUE La présente invention a trait à une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, une telle installation comprenant une turbine hydraulique destinée à être traversée par un écoulement forcé d'eau provenant d'une retenue d'eau, telle qu'un réservoir de barrage ou équivalent. Dans certaines conditions, un barrage hydroélectrique peut être une source de gaz à effet de serre. En effet, par exemple en milieu tropical, la décomposition de la matière organique d'origine végétale ou géologique qui est immergée dans la retenue d'eau peut conduire à la formation de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2) ou d'autres gaz. Un tel phénomène se produit notamment dans les retenues d'eau bordées de forêts ou lorsque la retenue d'eau à été créée au dessus d'une forêt pré-existante. Le méthane se forme principalement dans les zones du réservoir pauvres en oxygène, c'est-à-dire au voisinage du fond et des rives stagnantes du réservoir. Le dioxyde de carbone se forme principalement en surface. Le méthane a un effet de serre plus important que le dioxyde de carbone. Les gaz ainsi formés peuvent être rejetés dans l'atmosphère par différentes voies. Ils sont émis par diffusion et par ébullition, ces phénomènes pouvant être repartis sur la totalité de la surface de la retenue d'eau et ne pouvant, en pratique, pas être évités. Ces gaz sont également émis au niveau des turbines du barrage dans la mesure où, en traversant les turbines, l'eau subit une forte chute de pression. En effet, avant de traverser la turbine, l'eau est à une pression élevée qui dépend de la profondeur de la prise d'eau de la conduite d'alimentation dans la retenue d'eau de sorte qu'une quantité importante de chaque gaz a pu être dissoute dans l'eau. En sortie de turbine, l'eau est à pression relativement basse, c'est-à-dire à une pression proche de la pression atmosphérique, de sorte que l'eau est moins susceptible de contenir du gaz dissous. Une quantité relativement importante de méthane et d'autres gaz dissous dans l'eau est donc susceptible d'être libérée par ébullition du fait de l'abaissement de la pression de l'eau résultant de son passage à travers la ou les turbines d'un barrage. C'est à ce problème qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant de limiter l'émission des gaz à effet de serre dans les installations hydrauliques, telles que les barrages, et ce, sans perturber le fonctionnement de ces installations. A cet effet, l'invention concerne une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, cette installation comprenant au moins une turbine hydraulique ainsi qu'un conduit de circulation d'un écoulement d'eau en aval de la turbine. Cette installation est caractérisée en ce qu'au moins une chambre de collecte de gaz est en communication fluidique avec le volume interne du conduit aval précité. Grâce à l'invention, la chambre de collecte de gaz permet de récupérer les gaz qui sont libérés par ébullition du fait de la chute de pression de l'écoulement d'eau traversant la turbine, ce qui évite que ces gaz ne se propagent vers l'atmosphère et participent à l'effet de serre. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une telle installation peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises dans toute combinaison techniquement admissible : - Le conduit aval comprend une partie sensiblement horizontale et la chambre de collecte de gaz est en communication fluidique avec une zone supérieure du volume interne de ce conduit, dans cette partie sensiblement horizontale. - La ou les chambre(s) est ou sont reliée(s) au volume interne du conduit par une ou plusieurs ouvertures qui sont réparties parallèlement à un axe longitudinal de la partie sensiblement horizontale du conduit. - La chambre de collecte de gaz est unique et reliée au volume interne du conduit par plusieurs ouvertures. - En variante, plusieurs chambres sont réparties sur la longueur de la partie sensiblement horizontale du conduit et reliées chacune par au moins une ouverture au volume interne du conduit. Dans ce cas, les chambres sont avantageusement reliées entre elles par un tuyau de récupération de gaz. - L'installation comprend un dispositif apte à imposer un mouvement ascendant à un flux d'eau progressant dans la retenue d'eau en direction de l'embouchure de la conduite forcée et des moyens de collecte de gaz disposés au-dessus d'une partie du dispositif dans laquelle a lieu le mouvement ascendant du flux d'eau. - Le dispositif précité comprend au moins deux panneaux disposés dans la retenue d'eau et définissant entre eux un volume de circulation ascendante du flux d'eau, un premier panneau étant situé en amont du deuxième panneau, selon le sens général d'écoulement de l'eau dans la retenue, alors que le premier panneau s'étend à distance du fond de la retenue d'eau, un passage d'entrée du flux d'eau dans le volume de circulation ascendante étant ménagé entre un bord inférieur du premier panneau et le fond de la retenue d'eau, alors que le deuxième panneau s'étend jusqu'au fond de la retenue d'eau et alors qu'un passage de sortie du flux d'eau, par rapport au volume de circulation ascendante, est ménagé entre un bord supérieur du deuxième panneau et la surface de la retenue d'eau. - Les moyens de collecte de gaz comprennent une chambre formée par une structure concave dont la concavité est tournée vers une partie du dispositif et qui est ouverte vers le bas. - La ou chaque chambre est reliée par au moins un tuyau à une unité d'évacuation et/ou de traitement des gaz collectés. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de deux modes de réalisation d'une installation conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique de principe, en section axiale selon l'axe de rotation de la roue d'une turbine, d'une installation conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue à de plus grande échelle du détail Il à la figure 1 ; - la figure 3 est une section selon la ligne III-III à la figure 2, - la figure 4 est une vue à plus grande échelle du détail IV à la figure 1 ; et - la figure 5 est une vue analogue de la figure 2, pour une installation conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention. L'installation I représentée aux figures 1 et 2 comprend une turbine 1 de type Francis dont la roue 2 est destinée à être mise en rotation, autour d'un axe vertical X2, par un écoulement forcé E provenant d'une retenue d'eau R délimitée par une digue D. Un arbre 3 solidaire de la roue 2 est couplé à un alternateur 4 qui délivre un courant alternatif à un réseau non représenté, en fonction de la rotation de la roue 2. L'installation I permet donc de convertir l'énergie hydraulique de l'écoulement E en énergie électrique. L'installation I peut comprendre plusieurs turbines 1 alimentées à partir de la retenue d'eau R. En variante, l'arbre 3 peut être couplé à un ensemble mécanique, auquel cas l'installation I convertit l'énergie hydraulique de l'écoulement E en énergie mécanique. Une conduite d'alimentation 5 permet d'amener l'écoulement E à la roue 2 et s'étend entre la retenue d'eau R et une bâche 6 équipée de directrices 61 qui permettent de réguler l'écoulement E. Un conduit 8 est prévu en aval de la turbine 1 pour évacuer l'écoulement E et le renvoyer vers le lit d'une rivière ou d'un fleuve à partir de laquelle ou duquel est formée la retenue R. Une unité de commande 10 est prévue pour piloter la turbine 1 en fonction, notamment, des besoins en électricité du réseau alimenté à partir de l'alternateur 4. L'unité 10 est capable de définir plusieurs points de fonctionnement de l'installation I et d'adresser, respectivement à l'alternateur 4 et aux directrices 61, des signaux de commande S, et S2. Le conduit 8 comprend une partie amont 81 sensiblement verticale, tronconique et centrée sur l'axe de rotation X2 de la roue 2. Le conduit 8 comprend également une partie aval 82 centrée sur un axe X82 sensiblement horizontal. Au sens de la présente demande, l'axe X82 est sensiblement horizontal en ce sens qu'il forme avec un plan horizontal un angle inférieur à 20°. En pratique, l'axe X82 peut être légèrement ascendant dans le sens de l'écoulement E. Un coude 83, à 90°, relie les parties 81 et 82 du conduit 8. La valeur de l'angle formé par le coude 83 peut être inférieure à 90°. On note V8 le volume interne du conduit 8. Une chambre 12 est ménagée au-dessus de la partie 82 du conduit 8 et communique avec le volume V8 au moyen de plusieurs ouvertures 14 pratiquées dans la paroi 16 du conduit 8, en partie supérieure de cette paroi. Les ouvertures 14 sont réparties sur la longueur de la partie 82, le long de l'axe X82. Ainsi, lorsque des bulles B de méthane se forment dans l'écoulement E, en sortie de la turbine 1, du fait de l'abaissement de la pression de cet écoulement E résultant du passage de l'écoulement à travers la roue 2, ces bulles migrent vers la partie supérieure S8 du volume V8 dans sa partie aval 82 et traversent les ouvertures 14, comme représenté par les flèches F1 aux figures 2 et 3, de telle sorte que la chambre 12 collecte une partie du gaz présent dans l'écoulement E. La chambre 12 permet donc de récupérer une partie substantielle du méthane libéré par l'écoulement E, évitant ainsi que ce méthane ne se propage vers l'atmosphère. La chambre 12 est reliée par un tuyau 18 à une cuve 20 dans laquelle peut être accumulé le méthane. Un robinet 22 permet de contrôler la circulation du méthane de la chambre 12 vers la cuve 20. L'unité 10 commande le robinet 22 par un signal S8. En pratique, la chambre 12 permet de collecter les différents gaz qui sont libérés du fait de la chute de pression de l'écoulement E dans la turbine 1 et, lorsqu'on mentionne le méthane ci-dessus, ceci concerne également les autres gaz. La cuve 20 peut être amovible, afin d'être remplacée lorsqu'elle est pleine. A la place d'une cuve 20 de stockage du ou des gaz collectés dans la chambre 12, on peut prévoir une unité de traitement de ces gaz, afin de les rendre moins nocifs par rapport à l'atmosphère ambiante. Cette unité peut comprendre un brûleur qui permet de produire des calories. On note d1 la distance, prise parallèlement à l'axe X82, entre l'axe X2 et le bord amont 121 de la chambre 12. On note d2 la distance, prise parallèlement à l'axe X82, entre l'axe X2 et le bord aval 122 de la chambre 12. Les bords 121 et 122 forment respectivement le bord amont de l'ouverture 14 la plus amont et le bord aval de l'ouverture 14 la plus aval. Pour une installation dont la roue 2 a un diamètre D2 de 5 mètres environ, la distance d1 est supérieure à 5 mètres, de préférence égale à 10 mètres environ, alors que la distance d2 est supérieure à 10 mètres, de préférence égale à 15 mètres environ. On peut considérer que le rapport d1/D2 est supérieur à 1, par exemple égal à 2, alors que le rapport d2/D2 est, supérieur à 2,par exemple égale à 3 lorsque d1/D2 vaut 2. Ces valeurs sont indicatives et peuvent être adaptées à la configuration du conduit 8, notamment en cas de réhabilitation d'un barrage existant. . La chambre 12 est délimitée par une coque 24 en acier qui est rapportée sur la partie supérieure 161 de la paroi 16 et y est raccordée de façon étanche, par exemple par soudage. La coque 24 peut être réalisée dans un matériau différent de l'acier, notamment en matériau synthétique ou en béton. La construction relativement simple de l'ensemble formé des pièces 18 à 24 permet d'envisager de modifier des installations existantes afin de récupérer les gaz à effet de serre, tel que le méthane. Bien entendu, l'installation peut également être mise en oeuvre avec des installations neuves. Un dispositif 200 est prévu dans la retenue d'eau R pour imposer à l'eau se dirigeant vers l'embouchure 51 de la conduite 5 un mouvement ascendant. On note Eo l'écoulement d'eau dans la retenue d'eau R, en direction de l'embouchure 51. Cet écoulement a lieu globalement en direction de la digue D. Le dispositif 200 comprend un premier panneau 202 qui s'étend sur sensiblement toute la largeur de la retenue d'eau R, c'est-à-dire la dimension de cette retenue d'eau parallèle à la digue D. Le dispositif 200 comprend également un deuxième panneau 204 sensiblement parallèle au premier panneau 202 et qui s'étend également sur sensiblement toute la largeur de la retenue d'eau R. Par rapport au sens d'écoulement de l'eau dans la retenue d'eau R, le panneau 202 est en amont du panneau 204. Dans le cas d'une retenue d'eau R de grande largeur, les panneaux 202 et 204 peuvent s'étendre sur une partie seulement de la largeur de la retenue d'eau, pour autant que toute l'eau destinée à pénétrer dans la conduite 5 transite entre ces panneaux. Pour ce faire, des cloisons perpendiculaires à la digue D peuvent être prévues afin d'isoler l'embouchure 51 d'une partie de la retenue d'eau R. Le panneau 202 est supporté par des pieds 206 qui sont régulièrement espacés, sur la longueur du panneau, de telle sorte que le bord inférieur 208 du panneau 202 s'étend à une hauteur H1 non nulle par rapport au fond F de la retenue d'eau R. Les hauteurs des pieds 206 et du panneau 202 sont choisies telles que celui-ci dépasse de la surface SE de l'eau dans la retenue d'eau R. Le panneau 204 repose, quant à lui, sur le fond F et son bord supérieur 210 est immergé dans la retenue d'eau R, à une profondeur P1 qui dépend du niveau de l'eau dans la retenue R. Des tiges de contreventement 212 sont installées entre les panneaux 202 et 204, ce qui confère une bonne stabilité au dispositif 200. On note V200 le volume défini entre les panneaux 202 et 204. Comme le panneau 204 est en appui sur le fond F de la retenue d'eau R, l'écoulement Eo qui se dirige vers l'embouchure 51 de la conduite 5 doit nécessairement passer au dessus du bord supérieur 210 du panneau 204. Pour ce faire, l'écoulement E0 doit avoir un mouvement ascendant dans le volume V200. L'écoulement Eo pénètre entre les panneaux 202 et 204 en passant à travers un premier passage 214 défini, en hauteur, entre le bord 208 et le fond F et, en largeur, entre deux au moins des pieds 206. A partir du passage 214, l'écoulement E0 a un mouvement ascendant, à l'intérieur du volume V200, jusqu'à se déverser vers la partie aval de la retenue R, entre le panneau 204 et la digue D, pour s'engager dans la conduite 5. Ce déversement de l'écoulement Eo a lieu à travers un passage 216 défini entre le bord supérieur 210 du panneau 204 et la surface SE. Du fait du mouvement ascendant de l'écoulement Eo dans le volume V200, l'eau constituant cet écoulement est soumise à une pression décroissante. En effet, la pression d'eau est importante au voisinage du fond F, alors qu'elle diminue sensiblement au voisinage de la surface SE, puisque cette pression est proportionnelle à la profondeur de l'eau. Ainsi, le mouvement ascendant de l'écoulement Eo dans le volume V200 a pour effet de diminuer la pression à laquelle est soumis l'écoulement Eo, au point que des bulles B de méthane ou d'autres gaz se forment dans l'écoulement E0, à proximité de la surface SE. En d'autres termes, le fait d'imposer à l'écoulement E0 un mouvement vertical ascendant, dans le volume V200, avant de pénétrer dans l'embouchure 51 de la conduite 5 a pour effet de libérer, par ébullition, le méthane et les autres gaz présents dans cet écoulement. Des moyens de collecte et de récupération des bulles de méthane ainsi libérées sont prévus sous la forme d'un radeau 400 flottant sur la surface SE et immobilisé au-dessus du volume V200 et du panneau 204. Ce radeau 400 comprend un boudin 402 assurant sa flottaison, ainsi qu'une coiffe 404 de forme concave, dont la concavité est tournée vers la surface SE. Ainsi, des bulles B de méthane et/ou d'autres gaz qui parviennent à la surface de la retenue d'eau R, à l'intérieur du boudin 402, peuvent être récupérées par une chambre de collecte 412 formée par la coiffe 404. La coiffe 404 est reliée par un conduit souple 406 à une cuve 420 supportée par la digue D et dans laquelle sont stockés les gaz récupérés dans la chambre 412. La cuve 420 peut être amovible, afin d'être remplacée lorsqu'elle est pleine. En pratique, l'écoulement Eo peut comprendre plusieurs gaz et des bulles B peuvent être des mélanges de gaz différents, ces différents gaz étant collectés par le radeau 400 et acheminé à la cuve 420. Les panneaux 202 et 204 peuvent être réalisés en métal, en béton ou en matériau composite ou synthétique. Ils sont immobilisés à l'intérieur de la retenue d'eau R par des moyens non représentés tels que, par exemple, des plots d'ancrage et/ou des jambes de forces prenant appui sur la digue D. Le dispositif 200 et les moyens de collecte 400 permettent de compléter l'action de la chambre de collecte 12. L'utilisation de ces moyens 200 et 400 n'est toutefois pas obligatoire. Selon des variantes non représentées, l'un au moins des panneaux 202 et 204 peut être en partie ou en totalité mobile et une torchère peut être montée sur le radeau 400 pour brûler les gaz collectés dans la chambre 412. Des moyens non représentés, tels que des amarres fixées sur le panneau 202, sont prévus pour retenir le radeau 400 au-dessus du volume 200 et du passage 216. Selon une variante non représentée de l'invention, des moyens de collecte des bulles de gaz créées par le mouvement ascendant de l'écoulement Eo dans le dispositif 200 peuvent être supportées par la partie supérieure du panneau 202, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'avoir recours à un radeau. La structure du dispositif 200 et du radeau 400 est relativement simple à mettre en oeuvre, de sorte qu'elle peut être utilisée non seulement pour des installations neuves mais également pour la réhabilitation d'installations existantes. Dans le second mode de réalisation de l'invention représentée à la figure 5, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent les mêmes références. Dans ce qui suit, on ne décrit que ce qui distingue ce mode de réalisation du précédent. Dans ce mode de réalisation, trois chambres 12, 12' et 12" sont reparties sur la longueur de la partie aval 82 du conduit 8, le long de l'axe X82. Ces chambres sont chacune reliée par une ouverture 14, 14', 14" à la partie supérieure S8 du volume intérieur V8 du conduit d'évacuation 8 de l'installation, de telle sorte qu'elles permettent de collecter les bulles B de méthane ou d'autres gaz à effet de serre qui se forment dans ce conduit. Les différentes chambres sont connectées entre elles par des portions, d'un conduit 18 qui les relie collectivement à une cuve, telle que la cuve 20 du premier mode de réalisation, ou à une unité de traitement des gaz collectés. Comme dans le premier mode de réalisation, on note d1 et d2 les distances prises parallèlement à l'axe X82 entre l'axe de rotation de la roue de la turbine et, respectivement, le bord amont 121 de la chambre 12 et le bord aval 122 de la chambre 12. Avec les mêmes notations que pour le premier mode de réalisation, le rapport d1/D2 est supérieur à 1 alors que le rapport d2/D2 est supérieur à 2 et à d1/D2. Selon un mode de réalisation non représenté, chacune des chambres 12, 12' ou 12" peut être reliée au volume intérieur V8 du conduit 8 par plusieurs ouvertures, elles-mêmes reparties selon l'axe X82. Les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes envisagés ci-dessus peuvent être combinées entre elles dans le cadre de l'invention. L'invention n'est pas limitée aux installations comprenant une turbine Francis. Elle peut être mise en oeuvre dans toutes les installations comprenant une turbine d'un autre type, par exemple une turbine Kaplan ou une turbine bulbe, dans lesquelles un ou des gaz dissous dans l'eau peuvent être libérés du fait du passage d'un écoulement d'eau forcé à travers la turbine. D'autres variantes peuvent également être envisagées. Ainsi, dans le cas d'une installation à réhabiliter, le conduit d'évacuation existant peut être prolongé pour permettre la mise en place de la chambre de collecte du gaz. En variante, la chambre de collecte de gaz peut être formée par un dispositif de type � cloche � disposé à la sortie du conduit d'évacuation, par exemple sur un radeau flottant à la surface du cours d'eau, en aval de l'installation, ou accroché à l'extrémité aval du conduit d'évacuation. REVENDICATIONS1. Installation (I) de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, cette installation comprenant au moins une turbine hydraulique (1) et un conduit (8) de circulation d'un écoulement d'eau (E) en aval de la turbine, caractérisée en ce qu'au moins une chambre (12 ; 12, 12', 12") de collecte de gaz est en communication fluidique avec le volume interne (V8) du conduit (8). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conduit (8) comprend une partie sensiblement horizontale (82) et la chambre (12 ; 12, 12', 12") est en communication fluidique avec une zone supérieure (S8) du volume interne (V8) du conduit dans la partie sensiblement horizontale. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la ou les chambre(s) est ou sont reliée(s) au volume interne du conduit par une ou plusieurs ouvertures (14 ; 14, 14', 14") qui sont réparties parallèlement à un axe longitudinal (X82) de la partie sensiblement horizontale (82) du conduit (8). 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que la chambre (12) est unique et reliée au volume interne du conduit par plusieurs ouvertures (14). 5. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que plusieurs chambres (12, 12', 12") sont réparties sur la longueur de la partie sensiblement horizontale (82) du conduit (8) et reliées chacune par au moins une ouverture (14, 14', 14") au volume interne (V8) du conduit (8). 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les chambres (12, 12', 12") sont reliées entre elles par un tuyau (18) de récupération de gaz. 7. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comprend : - un dispositif (200) apte à imposer un mouvement ascendant à un flux d'eau (Eo) progressant dans la retenue d'eau (R) en direction de l'embouchure (51) de la conduite forcée (5) et- des moyens (400) de collecte de gaz disposés au-dessus d'une partie (V200) du dispositif dans laquelle a lieu le mouvement ascendant du flux d'eau (E0). 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif comprend au moins deux panneaux (202, 204) disposés dans la retenue d'eau (R) et définissant entre eux un volume (V200) de circulation ascendante du flux d'eau (E0), en ce que, parmi les deux panneaux, un premier panneau (202) est situé en amont du deuxième panneau (204), selon le sens général d'écoulement (Eo) de l'eau dans la retenue (R), en ce que le premier panneau s'étend à distance (HI) du fond (F) de la retenue d'eau, en ce qu'un passage (214) d'entrée du flux d'eau dans le volume de circulation ascendante (V200) est ménagé entre un bord inférieur (208) du premier panneau et le fond (F) de la retenue d'eau, en ce que le deuxième panneau (204) s'étend jusqu'au fond (F) de la retenue d'eau (R) et en ce qu'un passage (216) de sortie du flux d'eau, par rapport au volume de circulation ascendante (V200), est ménagé entre un bord supérieur (210) du deuxième panneau (204) et la surface (SE) de la retenue d'eau. 9. Installation selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que les moyens de collecte de gaz comprennent une chambre (412) formée par une structure concave (404) dont la concavité est tournée vers une partie du dispositif (200) et qui est ouverte vers le bas. 10. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la ou chaque chambre (12 ; 12, 12', 12", 412) est reliée par au moins un tuyau (18, 406) à une unité (20, 420) d'évacuation et/ou de traitement des gaz collectés.