Brevet FR3090758A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Dispositif hydroélectrique de pompage- turbinage [0001] La présente invention concerne un dispositif hydroélectrique de pompage-turbinage. Ce dispositif fait notamment appel à une turbine de basse ou moyenne chute, à une turbine-pompe de moyenne ou haute chute, et à un alternateur électrique, liés mécaniquement par des dispositifs de liaison et des arbres, et associés dans un carter immergé dans un conduit hydraulique. [0002] A l'heure actuelle, les Stations de Transfert d'Energie par Pompage, ou STEP, sont un des moyens les plus efficaces et les moins coûteux de stocker de l'énergie fournie sous forme électrique. Leur principe est simple : deux bassins à des altitudes différentes sont reliés par un circuit hydraulique. Une pompe, alimentée en électricité, permet de pomper de l'eau depuis le bassin inférieur vers le bassin supérieur, via le circuit hydraulique. L'énergie électrique consommée par la pompe est donc stockée sous forme d'énergie potentielle de l'eau. Un turbine permet de turbiner l'eau passant du bassin supérieur vers le bassin inférieur, via ce même circuit hydraulique, et de transformer l'énergie potentielle de l'eau en énergie électrique, permettant ainsi de la restituer lorsque c'est nécessaire. [0003] De nombreuses STEP existent dans le Monde. Une bonne partie d'entre elles utilisent, en tant que bassin inférieur, une retenue créée par un barrage en rivière. Ce barrage est souvent situé sur une chaine d'ouvrages, et donc lui-même équipé de turbines permettant de turbiner les apports naturels de la rivière qu'il barre, sous une certaine hauteur de chute (souvent de l'ordre de quelques mètres à quelques dizaines de mètres). La STEP fonctionne quant à elle plus souvent sur des hauteurs de chute de l'ordre de quelques dizaines à plusieurs centaines de mètres. [0004] L'exploitation de ce type d'aménagement mixte comportant une STEP dont le bassin inférieur est constitué par une retenue créée par un barrage en rivière (appelé par la suite « barrage aval ») pose fréquemment plusieurs problèmes. [0005] Premièrement, il est fréquent de devoir restituer, à l'aval du barrage aval, des débits les plus constants possibles, pour éviter les variations de débits et de niveaux à l'aval et donc des risques pour les populations et les constructions, une désoptimisation des ouvrages aval et des problèmes pour la navigation éventuelle. Le fait de devoir restituer des débits constants à l'aval va à l'encontre de l'optimisation énergétique, qui requiert souvent de pouvoir moduler la production, et donc les débits turbinés par les turbines de ce barrage aval. [0006] Deuxièmement, les groupes hydroélectriques de la STEP fonctionnant sur des 2 hauteurs de chute souvent très différentes de celles des turbines du barrage aval, il n'est pas possible d'utiliser les mêmes groupes hydroélectriques pour turbiner ou pomper les eaux entre le bassin supérieur et le bassin inférieur de la STEP, et pour turbiner les eaux du bassin inférieur de la STEP vers l'aval du barrage aval. Il est donc souvent nécessaire de réaliser deux usines distinctes comprenant deux types de groupes (souvent des turbines-pompes de type Francis pour la STEP et des turbines de type Kaplan pour le barrage aval), ce qui implique des coûts importants, notamment de génie-civil et de matériels électriques. [0007] Troisièmement, les groupes hydroélectriques de la STEP, lorsqu'ils fonctionnent en pompage, doivent être alimentés en énergie depuis le réseau électrique. Les coûts d'énergie et de raccordement au réseau associés sont souvent importants et grèvent parfois fortement la rentabilité de tels aménagements. [0008] Quatrièmement, les groupes turbine-pompe usuels ne permettent pas de réaliser le réglage du réseau électrique (en tension et en fréquence) et de rendre des services-systèmes lorsqu'ils fonctionnent en mode pompage. Une source importante de bénéfices est ainsi perdue. Les modifications à apporter à ces groupes usuels (passage à vitesse variable) pour permettre ce réglage en mode pompage sont souvent complexes et très coûteux. [0009] Le dispositif objet de la présente invention permet de remédier à ces inconvénients. Il permet en effet de coupler mécaniquement une turbine de basse ou moyenne chute avec une turbine-pompe de haute ou moyenne chute et un alternateur électrique unique, le tout dans un carter immergé du type de ceux habituellement utilisés sur les groupes hydroélectriques bulbes usuels. Ce dispositif permet particulièrement mais non limitativement de diminuer très nettement les coûts globaux des installations hydroélectriques comprenant une STEP dont le bassin inférieur est constitué par un barrage en rivière, ainsi que les coûts de pompage, de rendre des services systèmes au réseau, y compris en pompage, et d'optimiser énergétiquement l'aménagement. [0010] 11 comporte en effet une turbine hydraulique de basse ou moyenne chute, avec pales réglables, par exemple de type Kaplan. Le débit turbiné par cette turbine est noté QI et la hauteur de chute exploitée par cette turbine est notée Hl. Les pales de la turbines sont réglables de manière à ce que l'on puisse choisir son sens de rotation en turbinage, en jouant sur l'orientation des pales. [0011] Cette turbine est liée à un premier arbre pouvant tourner autour du même axe que la turbine, et peut l'entrainer en rotation dans les deux sens. Ce premier arbre est lié mécaniquement, par l'intermédiaire d'un premier dispositif de liaison, à un second arbre, pouvant tourner autour du même axe. Ce premier dispositif de liaison peut être une liaison directe (dans ce cas ces deux arbres peuvent n'en former qu'un) ou un multiplicateur de vitesse. Ce premier dispositif de liaison lie en rotation ces deux arbres, à la 3 même vitesse ou à des vitesses différentes selon le dispositif choisi. Cc second arbre peut entrainer en rotation un alternateur électrique, dans les deux sens de rotation. Cet alternateur électrique permet la transformation de la puissance mécanique fournie par le second arbre en puissance électrique, qui peut ensuite être évacuée, par exemple sur un réseau électrique. [0012] Ce second arbre est également lié mécaniquement, par l'intermédiaire d'un deuxième dispositif de liaison, à un troisième arbre, pouvant tourner autour du même axe, dans les deux sens de rotation. Cc deuxième dispositif de liaison peut être liaison directe (dans cc cas ces deux arbres peuvent n'en former qu'un), ou un coupleur hydraulique ou un coupleur mécanique. Ce deuxième dispositif de liaison permet à n'importe lequel de ces deux arbres d'entrainer l'autre en rotation ou d'être entrainé par l'autre en rotation. Il permet aussi de dissocier ces deux arbres, et permet donc à n'importe lequel de ces deux arbres de tourner sans entrainer l'autre. [0013] Ce troisième arbre est lié directement à une turbine-pompe de moyenne ou haute chute, par exemple de type Francis, pouvant tourner autour du même axe, dans les deux sens dc rotation. Ce troisième arbre peut donc cntraincr en rotation la turbine-pompe, ou être entrainé en rotation par elle. Le débit turbiné par cette turbine-pompe est nommé Q2, et la hauteur de chute sur laquelle il peut être turbiné est nommée H2, le débit pompé est lui noté Q3, et la hauteur de chute sur laquelle il peut être pompé est noté H3. L'aval dc la turbine-pompe est relié à la partie amont du conduit hydraulique, dans lequel la turbine-pompe peut prélever ou restituer de l'eau. L'amont de la turbine-pompe est connecté, par exemple via une bâche spirale, à une conduite forcée qui traverse le carter et le conduit hydraulique. [0014] Cette conduite forcée peut par exemple être reliée à un bassin supérieur permettant de stocker de l'eau. [0015] Les arbres, l'alternateur électrique, les dispositifs de liaisons et l'ensemble des auxiliaires nécessaires au fonctionnement sont placés dans un carter immergé, par exemple du type de celui des carters utilisés habituellement pour les groupes hydroélectriques immergés usuels de type bulbe. Ce carter forme, avec les structures d'étanchéité de la turbine et de la turbine-pompe, un ensemble étanche ou quasiment étanche, à l'intérieur duquel les différents éléments sus-cités sont placés. [0016] Ce carter est placé dans un conduit hydraulique. Ce conduit hydraulique permet la circulation de l'eau depuis l'amont vers l'aval de la turbine, et donc la mise en mouvement de celle-ci, à l'image des conduits hydrauliques dans lesquels sont habituellement placés les groupes hydroélectriques bulbes usuels. Ce conduit hydraulique peut, si nécessaire, être muni de vannes (par exemple vanne amont et/ou vanne aval) et/ou d'un mécanisme de réglage du débit ou de l'écoulement et/ou d'un distributeur. [0017] Plusieurs modes de fonctionnement sont possibles, dont les trois principaux sont dé- taillées ci-dessous. [0018] Le premier mode de fonctionnement principal, appelé mode « simple turbinage », consiste à déconnecter le arbre (et donc la turbine-pompe) des deux autres arbres, via le deuxième dispositif de liaison, et à turbiner avec la turbine un débit Q1 sur la hauteur de chute Hl . Cette turbine tourne alors dans un premier sens, appelé « sens A ». Dans ce cas, l'alternateur électrique est entrainé par cette turbine, via le premier et le second arbre ainsi que le premier dispositif de liaison, et il produit une puissance électrique Pl . Pl est égale au produit du rendement de l'installation dans cette configuration rl (comprenant entre autres le rendement de la turbine, du premier dispositif de liaison, et de l'alternateur électrique) par Hl et Q1 : Pl = rl * Q1 * H1. La turbine-pompe est quant à elle à l'arrêt. [0019] Le deuxième mode de fonctionnement principal, appelé mode « double turbinage » consiste à connecter le troisième arbre au second arbre, via le second dispositif de liaison. La turbine est entrainéc par un débit Q1' sur une hauteur de chute Hl', et tourne dans le sens A, comme dans le mode précédent. Elle permet à l'alternateur électrique de produire une puissance électrique Pl '. La turbine-pompe fonctionne quant à elle en mode turbine, et voit transiter un débit Q2 sur une hauteur de chute H2, via la conduite forcée. En mode turbinage, la turbine-pompe tourne également dans le sens A. Elle est alimentée en eau depuis la conduite forcée traversant le conduit hydraulique. La puissance électrique P2 développée par l'alternateur électrique de par l'action mécanique de la turbine-pompe est égale au produit du rendement de l'installation dans cette configuration r2 (comprenant entre autres le rendement de la turbine-pompe, du deuxième dispositif de liaison, et de l'alternateur électrique) par H2 et Q2 : P2 = r2 Q2 H2. L'alternateur électrique fournit donc une puissance électrique Ptot = PI' + P2, en recevant mécaniquement les puissances développées par la turbine et par la turbine-pompe, qui fonctionnent toutes les deux en mode turbinage et dans le même sens, entrainant l'alternateur électrique. A la sortie basse pression de la turbine-pompe, l'eau turbinée par la turbine-pompe est restituée dans la partie amont du conduit hydraulique. Elle peut donc ensuite être turbinée par la turbine. [0020] Le troisième mode de fonctionnement principal, appelé mode « turbinage-pompage » consiste à connecter le troisième arbre au second arbre, via le deuxième dispositif de liaison, et à orienter les pales de la turbine de façon à ce que le turbinage (toujours depuis l'amont du conduit hydraulique vers l'aval) fasse tourner cette turbine dans le sens inverse des deux modes précédents, appelé « sens B ». La turbine est donc entrainée par un débit Ql" sur une hauteur de chute HI", toujours en turbinage d'amont vers l'aval, mais tourne cette fois-ci dans le sens B, l'orientation des pales de cette turbine ayant été inversée. La turbine-pompe fonctionne donc quant à elle en mode pompage, son sens de rotation étant également inversé. Elle voit donc transiter, en pompage, un débit Q3 sur une hauteur de chute H3. Les caractéristiques des débits Ql" et Q3 peuvent être ajustées par les organes de réglage pour que l'ensemble de la puissance mécanique produite par la turbine en turbinage soit absorbé par la turbine-pompe pour le pompage. Ce transfert de puissance mécanique entre la turbine (productrice de puissance) et la turbine-pompe (consommatrice de puissance), se fait directement via les arbres et les dispositifs de liaison, avec peu de pertes. L'alternateur électrique est mis en rotation, niais peut ne pas produire ou consommer d'électricité. La turbine entraine donc mécaniquement la turbine-pompe qui fonctionne en pompe. Cette turbine-pompe prélève l'eau dans la partie amont du conduit hydraulique, et la restitue dans la conduite forcée. Dans ce mode de fonctionnement, il est possible de fournir des services-systèmes au réseau, en effectuant des opérations de réglage sur la turbine (réglage des pales par exemple), alors que la turbine-pompe est en train de pomper. [0021] A titre totalement indicatif, on peut noter qu'en mode de turbinage double, l'ordre de grandeur du produit Hl '"Q1' est le même que celui du produit H2*Q2, modulo les divers rendements et pertes. De la même manière, en mode turbinage-pompage, l'ordre de grandeur du produit Hl "*Q1" est le même que celui du produit H3*Q3, modulo les divers rendements et pertes, là encore. [0022] L'ensemble de cc dispositif peut être notamment mais non limitativement placé au niveau d'un barrage en rivière créant la retenue aval d'une STEP. La conduite forcée peut par exemple être reliée à une bassin situé en altitude, constituant la retenue amont de la STEP, dans lequel l'eau est prélevée lorsque la turbine-pompe est en mode turbinage, ou dans lequel elle est restituée lorsque la turbine-pompe est en mode pompage. [0023] Ainsi, ce dispositif permet soit le turbinage simple par la turbine, soit le turbinage double par la turbine et la turbine-pompe, pour la production d'électricité, soit le transfert de puissance mécanique direct entre la turbine et la turbine-pompe, pour assurer le pompage par exemple sans avoir recours à l'énergie électrique, en mode turbinage-pompage. El permet donc de réaliser l'ensemble des opérations que permet de réaliser l'association d'un barrage en rivière et d'une STEP, mais avec des coûts de construction et d'installation (génie-civil et matériels électriques notamment), et des coûts de pompages bien inférieurs, et en permettant la fourniture de services systèmes au réseau lorsque la turbine-pompe est en mode pompage, et avec peu de variation du débit restitué à l'aval. [0024] [fig.1] illustre l'invention et présente une vue en coupe générale et schématique d'un mode particulier de réalisation du dispositif objet de l'invention. [0025] En référence à ce dessin, le dispositif comporte un conduit hydraulique (100) dont la 6 partie amont (101) et la partie aval (102) sont séparés par une turbine (1) hydraulique de basse ou moyenne chute. Cette turbine (1) peut entrainer mécaniquement en rotation un premier arbre (2) tournant autour du même axe. Cet entrainement peut se faire dans les deux sens de rotation. Un dispositif de réglage (3) permet la manoeuvre des pales de la turbine (1), à l'ouverture, dans un sens comme dans l'autre, et à la fermeture. [0026] Ce premier arbre (2) peut entrainer en rotation un deuxième arbre (4) tournant autour du même axe, via un premier dispositif de liaison (5). Cet entrainement peut se faire dans les deux sens de rotation. Ce deuxième arbre (4) peut entrainer lui-même alternateur électrique (6) tournant autour du même axe. [0027] Ce deuxième arbre (4) est également lié, via un deuxième dispositif de liaison (7), à un troisième arbre (8) tournant autour du même axe. Ce troisième arbre (8) peut être entrainé en rotation par l'arbre (4), ou entrainer en rotation l'arbre (4), via le deuxième dispositif de liaison (7). Le troisième arbre (8) est lui-même lié mécaniquement à une turbine-pompe (9) de moyenne ou haute chute, tournant autour du même axe. Cette turbine-pompe (9) peut être entrainée en rotation parce troisième arbre (8) ou l'entrainer en rotation. [0028] La sortie basse-pression de cette turbine-pompe (9) communique avec la partie amont (101) du conduit hydraulique (100). La sortie haute-pression de cette turbine-pompe (9) est une bâche spirale (10) dont l'exutoire est une conduite forcée (11). [0029] Le premier arbre (2), le dispositif de réglage (3) des pales, le second arbre (4), le premier dispositif de liaison (5), l'alternateur électrique (6), le second dispositif de liaison (7), le troisième arbre (8) ainsi que tous les éléments nécessaires au fonctionnement de ces organes sont disposés dans un carter (12), qui, avec les dispositifs d'étanchéité de la turbine-pompe (9) et de la turbine (1) forment un ensemble étanche ou quasiment étanche, à l'image du carter d'un groupe hydroélectrique usuel de type bulbe. Ce carter (12) est placé dans le conduit hydraulique (100), et place la turbine-pompe (9) dans la partie amont (101) de ce conduit hydraulique, et la turbine (1) entre la partie aval (102) et la partie amont (101) de ce conduit hydraulique (100). Un puits (13) permet d'accéder à l'intérieur du carter (12), de réaliser le montage et la maintenance. [0030] Selon un mode particulier de réalisation, la turbine (1) peut être de type Kaplan, à pales réglables dans les deux sens. [0031] Selon un mode particulier de réalisation, la turbine-pompe (9) peut être de type Francis réversible. [0032] Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif de liaison (5) peut être un mul- tiplicateur de vitesse, ou une liaison directe, ou un coupleur hydraulique, ou un coupleur mécanique. [0033] Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif de liaison (7) peut être un 7 coupleur hydraulique ou un coupleur mécanique, ou une liaison directe, ou un multiplicateur de vitesse. [0034] Selon une variante particulière, le carter (12) peut être muni de pièces mobiles permettant de guider l'écoulement, selon le mode d'utilisation du dispositif. [0035] [fig.2] et [Fig. 3] illustrent la variante de l'invention où le carter (12) est muni de telles pièces mobiles, et présentent chacune une vue en coupe générale et schématique d'un mode particulier de réalisation de cette variante, dans deux modes différents de fonctionnement. [0036] En référence à ces dessins, une série de dispositifs de transmission de mouvement (201) permet le mouvement d'une série de pièce mobiles (202). Le mouvement de ces pièces mobiles (202) permet de modifier les propriétés hydrodynamiques de l'ensemble, et donc de modifier l'écoulement dans la partie amont (101) du conduit hydraulique (100). Les flèches évidées (301) représentent le sens de l'écoulement dans le conduit hydraulique (100). Les flèches pleines (302) représentent le sens de l'écoulement dans la conduite forcée (11). [0037] [fig.2] représente le dispositif en mode « double turbinagc ». Le positionnement des pièces mobiles (201) permet à l'eau d'être restituée avec peu de pertes de charges dans la partie amont (101) du conduit hydraulique (100), après la sortie de la turbine-pompe (9). L'écoulement vers la turbine (1) n'est ainsi pas perturbé. La turbine-pompe (9) est alimentée par l'eau provenant de la conduite forcée (11). [0038] [fig.3] représente le dispositif en mode « turbinage-pompage ». Le positionnement des pièces mobiles (201) permet à l'eau d'être captée dans la partie amont (101) du conduit hydraulique (100) et d'être acheminée avec peu de pertes de charges jusqu'à la roue de la turbine-pompe (9) pour y être pompée. L'écoulement vers la turbine (1) n'est ainsi pas perturbé. L'eau pompée par la turbine-pompe (9) est évacuée par la conduite forcée (11). [0039] Selon un mode particulier de réalisation de cette variante, les dispositifs de mise en mouvement (201) peuvent être des vérins hydrauliques. [0040] Selon un mode particulier de réalisation de cette variante, les pièces mobiles (202) peuvent être réalisées de la même façon que les directrices des groupes hydroélectriques usuels et l'ensemble des pièces mobiles (202) et des dispositifs de mise en mouvement (201) peut être réalisés de la même façon que les distributeurs réglables des groupes hydroélectriques usuels. [0041] En pratique, et à titre d'exemple non limitatif, les débits et hauteurs de chutes concernés par le dispositif peuvent avoir les ordres de grandeur suivants. Le débit 8 turbiné par la turbine (1) basse ou moyenne chute peut aller de l'ordre de quelques m3/s à plusieurs centaines de m3/s. La hauteur de chute exploitée par la turbine (1) de basse ou moyenne chute peut aller de l'ordre de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres. Le débit turbiné ou pompé par la turbine-pompe (9) peut aller de l'ordre de quelques m3/s à plusieurs centaines de m3/s. La hauteur de chute exploitée par la turbine-pompe (9) peut aller de l'ordre de quelques dizaines de mètres à plusieurs centaines de mètres. [0042] Le dispositif objet de la présente invention permet donc le turbinage simple par la turbine (1) des débits à rejeter à l'aval du dispositif, et la production d'énergie électrique grâce à ce turbinage, le turbinage double, par la turbine (1) et par la turbine-pompe (9), et la production d'énergie électrique grâce à ces deux turbinages, sur un alternateur électrique commun, le turhinagc-pompage, où la turbine (1) fournit mécaniquement et directement la puissance nécessaire à la turbine-pompe (9) pour qu'elle puisse pomper, sans passage par le réseau électrique. [0043] Le dispositif objet de la présente invention peut donc être destiné notamment, mais non limitativement, à l'équipement industriel d'aménagements hydroélectriques associant une Station de Transfert d'Energic par Pompage et un barrage en rivière. Dans le cas où le barrage en rivière constitue le barrage de la retenue inférieure de la STEP, l'invention est tout particulièrement adaptée. [0044] L'invention présente notamment les avantages non-limitatifs ci-après. Elle permet de réduire notablement les coûts de construction de ce type d'aménagements. Elle permet d'éviter des variations de débit à l'aval du barrage aval sans désoptimisation énergétique. Elle permet la réduction des coûts de pompage. Elle permet de réaliser du réglage et donc de fournir des services-systèmes au réseau, même lorsque la turbine-pompe est en mode pompage. [0045] La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation particuliers décrits ou représentés. 9