Brevet FR3123690A1 — publié le 20221209

TITRE : Création d’un « accélérateur de vitesse » pour permettre la production d’électricité avec des cours d’eau sans barrage La production hydroélectrique est difficile pour les cours d’eau de plaine pour lesquels la vitesse de l’eau est faible. Elle est réalisée essentiellement par des barrages de faibles hauteurs pour exploiter une énergie potentielle. Avec les barrages, l’énergie cinétique est négligeable. Nous proposons de créer un « accélérateur de vitesse » basé sur un rétrécissement d’un flux d’eau, en hauteur et en largeur, permettant l’augmentation de la vitesse d’un facteur d’environ 40. Le flux est dirigé au-dessus du cours d’eau. On voit alors que l’énergie est essentiellement cinétique et les productions électriques sont augmentées considérablement. De plus, le dispositif ne présente plus d’obstacles à la montaison et dévalaison des poissons et maintient la situation écologique du cours d’eau. Figure pour l’abrégé : [Fig. 2] Création d’un « accélérateur de vitesse » pour permettre la production d’électricité avec des cours d’eau sans barrages La perspective d’une augmentation de la température mondiale, et des graves conséquences qui en résultent imposent de trouver des alternatives à l’utilisation des énergies fossiles. Il est maintenant amplement démontré, en effet, que cette élévation des températures est liée à l’augmentation dans l’atmosphère de la concentration de molécules provoquant un effet de serre. Parmi elles, le CO 2 dû à la combustion des produits pétrolifères, est la molécule jouant le rôle principal. La question de l’énergie est donc centrale pour répondre au défi climatique. Cette question est d’autant plus urgente que le chauffage des bâtiments et le transport des véhicules vont demander de plus en plus d’énergie électrique compte tenu du développement de la pompe à chaleur et des véhicules électriques. Il est donc indispensable de rechercher des sources d’énergie alternatives, qui soient renouvelables puisque les matériaux disponibles sont en quantité limitée. On développe actuellement l’utilisation de l’énergie solaire, grâce à l’installation de panneaux photovoltaïques, à l’énergie du vent avec des éoliennes, et depuis longtemps l’énergie des rivières est utilisée pour produire l’hydroélectricité grâce à l’implantation de barrages et autrefois celle de moulins. Cette question est celle posée par ce projet, et nous verrons quel dispositif nous proposons pour répondre à cet objectif. De nombreuses rivières françaises ne présentent des pentes que de quelques mètres par kilomètre. Nous avons calculé ces pentes moyennes en reportant les élévations à la source et celles de leur arrivée soit à la mer, soit à l’altitude de leur embouchure dans un autre cours d’eau. Lorsque la pente est faible, la vitesse est de l’ordre de 1m/s, c’est le cas par exemple pour la Seine à Paris ou celle-ci est donnée de 1 à 2 km/h, soit de l’ordre de 0,5 m/s. Dans ces conditions, l’utilisation de barrages de faibles hauteurs ne permet que de produire une quantité d’électricité très limitée. Actuellement elle ne représente que 20 TWh par an. Étant donné ces vitesses, les dispositifs tels que ceux utilisant des hydroliennes ne permettent pas d’obtenir une production importante d’électricité, d’autant plus que celles-ci doivent tenir compte d’un rendement limité à une valeur de 59% (loi de Betz). Cependant, on sait qu’un fluide voit sa vitesse v 1 accrue lorsque la surface du fluide perpendiculaire au déplacement est diminuée d’un Point A (surface S 1 ), à un point B (surface S 2 ). Dans ce cas, la vitesse v 2 en B est égale à : [Math 1] v 2 = v 1 *S 1 /S 2 On voit donc que la vitesse de l’eau pourrait être très significativement augmentée, tout en maintenant le débit constant, en procédant à un rétrécissement de la rivière, ou d’une partie de celle-ci. Pour résoudre cette question, nous avons choisi de réaliser cet « accélérateur de vitesse » ainsi que le montre le schéma de principe de l’installation qui est reporté sur la pour la vue de dessus. Dans cet exemple, nous avons considéré une largeur l = 13,0 mètres de la partie du cours d’eau, une longueur L = 20 m et un module de 25 m 3 /s. La représente une coupe perpendiculaire au milieu de la largeur. S 1 est la surface d’entrée du cours d’eau, et celle-ci part depuis le fond de celui-ci, jusqu’à une hauteur qui sera adaptée pour chaque rivière en fonction du niveau des hautes eaux. On a supposé ici que celle-ci avait une profondeur de 3 mètres dans le cas des hautes eaux annuelles. Par conséquent, la surface S 1 prend la valeur de 39 m 2 [Table 1]. A la sortie de l’accélérateur, l’eau est dirigée à l’entrée de la turbine avec une surface S 2 qui d’après la [Table 1] serait de 0,98 m 2 . Dans le cas de rivières moins ou plus profondes, il faudra bien entendu adapter les valeurs de h, l et L, S 1 , S 2 , pour tenir compte des hauteurs réelles et du module du cours d’eau ainsi que le propose [Table 1]. Si ce module est supérieur à 25 m 3 /s on devra multiplier les accélérateurs en parallèle. Dans le cas où la rivière a un module faible et en particulier un faible débit l’été il faudra choisir une turbine de plus faible puissance et en particulier un diamètre d’entrée de la turbine, d, et donc la surface S 2 , plus petit de telle manière que le rapport S 1 /S 2 soit le plus grand possible. Cependant, on peut vérifier que pour les rivières ayant de très petits débits, (D 3 /s) il ne sera pas possible d’obtenir une valeur de D max suffisante (comme on le verra ultérieurement) pour répondre aux critères imposés par l’accélérateur. De plus, afin de tenir compte du débit du cours d’eau, il faudra également mettre en œuvre un rapport S 1 /S 2 qui soit compatible, comme on va le voir, aux possibilités de la turbine choisie et de son diamètre d’entrée. À l’arrivée S 2 , le jet puissant qui aura été accéléré depuis S 1 jusqu’en S 2 pourra venir frapper la roue et les godets de la turbine, suivant la . Enfin, pour maintenir le volume d’eau prélevé dans son espace « pseudo conique », on devra couvrir l’installation sur une longueur qui dépendra du débit D. Dans l’exemple choisi, cette couverture est d’environ 130 m 2 . Mais elle pourra être adaptée en longueur et en forme pour permettre au rapport S 1 /S 2 de rester le plus grand possible. Nous avons calculé l’énergie potentielle de l’eau pour diverses valeurs de la hauteur h et divers débits D. Toutefois pour tenir compte de crues exceptionnelles nous avons considéré que la hauteur h pouvait dépasser celle des crues annuelles de 2 mètres, et par conséquent cette hauteur réelle peut s’écrire ici : 2+h*3/4. Ces énergies E p sont reportées dans la [Table 1]. Sur le même [Table 1] sont indiqués les l’énergies d’origine cinétique E c pour diverses valeurs de v 2 comme on l’a vu et en adoptant les valeurs de S 1 /S 2 et de D précédentes. [Table 1] montre que E c dépasse largement E p . De même, E c dépasse très largement les valeurs en kW, qu’auraient un barrage de 2 mètres en considérant un débit de 25 m 3 /s. Dans la [Table 1] on trouve une puissance de 18958 kW contre 491kW avec un barrage de 2 mètres. Cette puissance serait donc 39 fois plus grande ! Même en construisant une installation plus haute, et donc plus coûteuse, on ne pourrait pas atteindre les valeurs obtenues avec l’énergie cinétique. Il faut toutefois tenir compte de deux conditions. D’une part le point A devra être placé de telle sorte que l’entrée et la sortie de la turbine soient situées au-dessus du niveau de l’eau en cas de crue annuelle. Il est nécessaire d’entrer dans la turbine au-dessus du niveau de la rivière. En cas de crue exceptionnellement haute, nous avons vu qu’il faut garder une certaine marge en hauteur pour mettre l’entrée de la turbine hors de l’eau. D’autre part, il faut également veiller à ce que l’arrivée d’une masse d’eau correspondant au débit entrant dans la surface S 2 , soit à l’entrée de la turbine, dont le diamètre d’entrée est d [Table 1] ne dépasse pas un débit limite D max . Celui-ci, est donné en fonction de d et v 2 par l’expression : [Math 2] D max = (3,14/4)*d 2 *v 2 (1) Les valeurs pour diverses valeurs de v 2 et d sont reportées dans la [Table 1] On constate donc, que quelles que soit ces conditions, la valeur de D max est toujours plus grande que les débits que l’on a considérés, par conséquent, la turbine pourrait toujours fonctionner dans nos conditions. Bien entendu, cette vitesse finale et le débit en S 2 devront être choisis pour être compatibles avec les caractéristiques de la turbine. Nous ne définirons pas ces caractéristiques, car elles dépendront du site et de la rivière étudiée. Même en considérant un débit très faible de 2 m 3 /s nous pourrions encore obtenir une énergie cinétique de 1171 kW, alors que la puissance obtenue avec un barrage de 2 mètres de haut n’est que de 39 kW, soit 30 fois moins. Nous pouvons conclure qu’une installation telle que celle proposée permet d’augmenter de façon considérable la production électrique. D’autres remarques doivent être soulignées. Le fait de n’avoir pas à construire un barrage et de laisser le cours d’eau à la même hauteur, avant et après l’installation, permet de maintenir une partie du cours d’eau ouvert. Ainsi, la montaison et la dévalaison des poissons sont continuellement possibles. La libre circulation de ceux-ci, et des sédiments, devraient permettre aux administrations de ne pas s’opposer à toute installation nouvelle comme elle menace de le faire le plus souvent. Il n’est pas non plus nécessaire de prévoir la construction d’une passe à poissons, ce qui diminue aussi le coût de l’installation. Enfin, l’absence d’un barrage devant résister à la pression d’une retenue d’eau représente une économie très importante. Bien qu’il soit difficile d’évaluer avec précision les investissements nécessaires pour mettre en œuvre notre installation, il semble justifier de prévoir un budget nettement moins important. Les investissements concernent la construction de murs de bétons soit environ 1000 m 2 , et donc environ 300 m 3 de béton qui au prix du marché de 60 €/m 3 représentent un budget de l’ordre de 18000 €. En tenant compte de dépenses similaires, à celles du kW installé de 3000 € admis pour les barrages (1, 2), on voit d’après [Table 1] que cette partie de l’investissement ne représente que 1,3 € /kW, ce qui est à comparer aux 3000 € du kW proposé dans les références (1,2). Ces travaux sont donc beaucoup moins coûteux que ceux présentés pour le barrage récent de Hauterive (3). Ceux-ci font apparaître en effet un coût de 6000 € par kW installé pour ce qui représenterait pour les 18958 kW installés un budget de 137 M€ ! À l’évidence, l’installation nécessaire serait infiniment moins coûteuse, même avec la valeur de 3000 € par kW installé. On peut donc conclure que le projet que nous proposons apparaît prometteur. À notre connaissance, aucun équipement hydroélectrique français (ou dans le monde) ne repose sur les idées présentées dans ce projet. Les puissances installées pourraient être considérables, l’installation prévue est simple et peu coûteuse. On peut considérer que notre dispositif peut se comparer à un barrage d’altitude conduisant plusieurs centaines de mètres plus bas à une turbine recevant par une conduite forcée un flux liquide animé d’une très grande vitesse et donc ayant une énergie cinétique importante. Le système proposé est donc similaire en transposant un système vertical en un équipement horizontal. Mais il suffit de quelques dizaines de mètres pour aboutir à ces énergies considérables, sans nécessiter d’infrastructures complexes. Puisque la vitesse v 2 est élevée au niveau de l’entrée de la turbine, de façon semblable à celle des barrages de montagne possédant une chute importante, il semble préférable d’utiliser une turbine Pelton à axe horizontal dont on sait que les rendements sont excellents de l’ordre de 90 %. Mais d’autres configurations seraient envisageables. Celle-ci est schématisée sur la . Il serait donc possible d’utiliser une multitude de rivières de plaines qui sont actuellement sans équipement hydroélectrique. Mais, bien entendu, cet accélérateur de vitesse pourrait être aussi utilisé pour de cours d’eau de montagne. Il éviterait ainsi de devoir noyer des vallées. Enfin, chaque équipement est réalisé sans construction de barrages et par conséquent laissant toute possibilité au cours d’eau de rester ouvert, permettant ainsi la circulation des poissons et des sédiments. Ainsi, avec un fleuve de 150 mètres de large, et un débit de 220 m 3 /s, une seule installation comprenant donc 10 éléments accélérateurs, la puissance totale pourrait être de 150 MW. Ce système est présenté sur la . Remarquons qu’il nous semble utile, sinon nécessaire, de prévoir des murs M, de telles sortes que la pression de l’eau maintienne le flux d’eau en direction des turbines. Nous estimons la longueur de ces murs à 2 fois la longueur L de l’accélérateur. Pour calculer la production annuelle, on tiendra compte du facteur de rendement, soit 0,9 pour celui de la turbine Pelton mais aussi 0,9 pour le rendement électrique. Par conséquent la puissance effective sera kW eff = 150000*0,8 = 120000 kW effectifs, et, avec 8000 heures par année, on obtient une production de 960000 MWh. Ces résultats sont donc beaucoup plus importants que ceux que pourraient obtenir des hydroliennes. En admettant un rachat de la production à 100 € du MWh (3), les revenus annuels sont de 96 M € ce qui est considérable. Il faudrait pouvoir évaluer le coût de l’installation, mais il semble que l’investissement puisse être rentabilisé en un très petit nombre d’années. Il faut naturellement ajouter qu’une telle installation nécessite de la protéger par trois types de grilles. L’une, G1, sur disposant de très larges mailles, sera destinée à arrêter des branches ou de gros débris qui pourraient endommager les turbines. Une deuxième grille G2 obligera les poissons à se diriger vers le passage permettant leur dévalaison et leur montaison. Enfin, par mesure de sécurité, il faut également prévoir une troisième grille G3, qui devra prévenir tout accident, sera installé à l’entrée de chaque dispositif d’accélération. Il est intéressant de voir si notre dispositif appliqué à l’ensemble des cours d’eau français permettrait de résoudre la question posée en introduction : la possibilité d’obtenir une énergie électrique suffisante pour subvenir aux besoins nationaux en une énergie renouvelable, non polluante et bon marché. En effet, en considérant les 1410 cours d’eau de France, pour lesquels on dispose des principales caractéristiques, nous avons montré que les accélérateurs de vitesse appliqués à chacun d’eux permettraient la production annuelle de 737 TWh, alors qu’avec les mêmes emplacements, la technique du barrage ne permettrait d’obtenir que 29 TWh. Bien entendu, puisque les cours d’eau de plaine ont des vitesses faibles mais variables, il convient de rechercher l’emplacement où cette vitesse initiale sera le plus élevée possible. Rappelons que la production totale d’électricité en France, toutes filières considérées, est annuellement de l’ordre de 550 TWh. Références, Table et Figures Coûts de production du MWh par différentes filières de production électrique. http://www.hydro21.org/div_media/pdf/pdf_economie_fr.pdf. Juin 2004 Document Economie de l’hydraulique. Jean-Marie Martin-Amouroux 2 Synthèse publique de l’étude des coûts de référence de la production électrique : https://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/20140407_Synthese-publique-couts-ref-prod-electrique.pdf 3 Barrage de Hauterive, https://bourgogne-franche-comte.ademe.fr/sites/default/files/eas-centrale-hydroelectrique-hauterive.pdf : Schéma d’un accélérateur de vitesse. Vue de dessus. : Accélérateur de vitesse. Coupe au milieu de la largeur. Hauteur des crues : C, hauteur des hautes eaux : H.E, hauteur de l’étiage, B.E, Fond du cours d’eau : FE : Entrée de l’eau accélérée et injecteur (I) dans une turbine Pelton (T. P), crue : C. : Équipement d’un cours d’eau de 160 mètres de large avec 10 accélérateurs de 13 mètres de large (A), les turbines (T), les grilles G1, G2, G3 et 4 murs (M). [Table 1] : Caractéristiques d’accélérateurs de diverses tailles. Hauteur h, largeur l et longueur L de l’accélérateur, Production électrique potentielle E p et cinétique E c en kW, surfaces, vitesse de l’eau (m/s) en S1, S2, S3, S4 et S5 et diamètre d en S 2 . Calcul final de la vitesse de l’eau v 2 . Valeur maximum du débit D max compte tenu des caractéristiques considérées. Nous revendiquons la création d’un accélérateur de vitesse de l’eau des cours d’eau, basé sur une diminution de la largeur et de la hauteur d’un flux d’eau de celle-ci, ou d’une part majeure du cours d’eau, de façon à réduire la taille de ce flux d’un facteur d’environ 40. Ce flux est alors suffisamment puissant pour dépasser le niveau du cours d’eau pour être utilisable par une turbine. On a montré que dans ces conditions, même les rivières de plaine présentant des vitesses de l’eau de l’ordre de 1 m/s, peuvent produire une énergie électrique environ 40 fois plus grande que celle qui serait possible d’obtenir avec la technique du barrage. L’énergie cinétique de l’eau est alors prépondérante. Un système de calcul sous Excel permet de définir les meilleures conditions nécessaires, et les caractéristiques techniques, pour que la réalisation soit possible et qu’en particulier on ne dépasse pas un débit maximum acceptable pour la turbine considérée. Le dispositif est mis en place, sans avoir besoin de barrage, pour permettre la continuité écologique du cours d’eau.