Turbine hydraulique

Une turbine hydraulique est une roue à aubes que l’eau sous pression fait tourner très vite, dans un carter fermé ou sous un jet. Comme la roue hydraulique, elle tire son énergie d’une chute d’eau, mais dans une machine bien plus petite et plus rapide, et depuis les années 1880 elle entraîne les alternateurs des centrales hydroélectriques.

Ce que c’est

Une turbine hydraulique est une roue garnie d’aubes courbes, que l’eau sous pression fait tourner à grande vitesse. Comme la roue hydraulique, elle puise son énergie dans l’eau qui tombe d’une certaine hauteur. Mais une roue en dessus tourne à l’air libre sous le poids de l’eau de ses augets, une roue en dessous sous la poussée du courant, à quelques tours par minute. La turbine reçoit l’eau par une conduite et tourne des dizaines ou des centaines de fois plus vite : une machine bien plus petite fournit la même puissance.

Sa vitesse lui permet d’entraîner un générateur électrique avec peu ou pas d’engrenages. Presque toutes les centrales hydroélectriques utilisent l’un de trois modèles : la roue Pelton, la turbine Francis ou la turbine Kaplan.

Comment ça marche

Dans une turbine à action, un injecteur transforme toute la pression en un jet rapide et la roue tourne dans l’air. Dans une turbine à réaction, la roue est enfermée et noyée ; la pression baisse entre ses aubes, qui travaillent comme des ailes courbes.

L’arête de chaque auget coupe le jet en deux et renvoie les deux moitiés vers l’arrière.

La roue Pelton est une turbine à action, faite pour les hautes chutes et les petits débits. Une arête partage chaque auget en deux : elle fend le jet et renvoie chaque moitié presque à l’opposé. La turbine Francis, à réaction et la plus répandue, couvre les chutes moyennes, d’environ 40 à 600 mètres. La turbine Kaplan, une hélice dont les pales pivotent sur le moyeu, sert pour les basses chutes et les gros débits, au-dessous de 80 mètres environ.

La planche montre un groupe Francis. L’eau descend par la conduite forcée (1) jusqu’à la bâche spirale (2), qui se rétrécit en s’enroulant autour de la machine pour que l’eau arrive également de tous les côtés. Les directrices (3) la mettent en rotation et règlent le débit. Elle traverse la roue (4) de l’extérieur vers le centre, puis repart vers le bas par l’aspirateur (5), un conduit évasé qui la ralentit peu à peu et récupère une partie de l’énergie qui lui reste.

La puissance disponible vaut P = ρ·g·Q·H·η : masse volumique de l’eau ρ (environ 1 000 kg/m³), pesanteur g (9,81 m/s²), débit Q en m³/s, hauteur de chute nette H en mètres et rendement η. Avec 100 mètres de chute, 0,2 m³/s et 85 % pour la turbine et l’alternateur ensemble, P = 1 000 × 9,81 × 0,2 × 100 × 0,85 ≈ 167 kW. Une grande turbine Francis dépasse à elle seule 90 %.

L’alternateur (7) est calé sur le même arbre, et sa fréquence suit sa vitesse. Le régulateur (6) maintient cette vitesse en fermant les directrices quand l’arbre accélère et en les ouvrant quand il ralentit. Il doit agir progressivement : fermer brusquement une longue conduite provoque un coup de bélier, une surpression capable de la faire éclater. À 100 tours par minute, un alternateur doit avoir 60 pôles pour donner 50 hertz.

Comment la construire

Une roue de cuillères alimentée par un tuyau d’arrosage depuis un ruisseau peut allumer une lampe de vélo. Demandez d’abord l’accord du propriétaire et de l’administration chargée de l’eau : dans la plupart des pays, prélever l’eau d’un cours d’eau demande une autorisation.

Mesurer la chute. Déroulez un tuyau de la prise d’eau jusqu’à l’emplacement de la roue, tenez son extrémité haute sous l’eau et laissez-le couler jusqu’à ce qu’il ne sorte plus d’air. Fermez ensuite l’extrémité basse par un manomètre : chaque bar de pression statique correspond à environ 10,2 mètres de chute. Un niveau de chantier et une mire, déplacés vers l’aval d’un repère à l’autre, permettent de vérifier.

Mesurer le débit. Pour un filet d’eau de moins de 5 litres par seconde environ, faites-le passer par un tuyau dans un petit barrage de terre et chronométrez le remplissage d’un seau. Pour un ruisseau plus fort, chronométrez un flotteur sur 10 mètres, multipliez sa vitesse par 0,85 environ, puis par la largeur et la profondeur moyenne.

Calculer la puissance. Avec 8 mètres de chute et 0,3 litre par seconde dans le tuyau, l’eau porte P = 1 000 × 9,81 × 0,0003 × 8 ≈ 24 W. Le tuyau et la buse perdent une partie de la chute, et une roue et une dynamo artisanales ne transforment en électricité qu’une part modeste du reste. Comptez sur quelques watts, peut-être assez pour une dynamo de vélo de 3 watts, et mesurez ce que vous obtenez vraiment. Laissez l’essentiel du ruisseau aux poissons.

Deux cuillères côte à côte forment un auget double rudimentaire.

Faire la roue. Fixez un disque de contreplaqué d’environ 30 cm de diamètre sur un axe en acier tournant dans deux paliers. Vissez sur son pourtour huit à dix paires de cuillères à soupe, côte à côte, dont les creux dépassent du bord, tournés vers le jet, et se rejoignent en une arête.

Orienter le jet. Fixez une buse à jet au bout du tuyau et bridez-la pour que le jet frappe les arêtes tangentiellement. Sans pertes, il sortirait à 12,5 m/s ; avec les frottements du tuyau, 10 m/s environ est plus probable. Les cuillères donnent le meilleur à la moitié de la vitesse du jet, mesurée sur le cercle où il les frappe : environ 270 tours par minute si ce cercle mesure 35 cm de diamètre.

Ajouter la dynamo. Montez sur l’axe un second disque lisse d’environ 35 cm et appuyez contre son bord le galet d’une dynamo bouteille. À 270 tours par minute, ce bord se déplace comme le pneu d’un vélo à 18 km/h environ. Reliez-la à une lampe de vélo par deux fils isolés : sur un vélo, le cadre sert de retour au courant ; ici, il faut un fil. Renvoyez au ruisseau l’eau qui sort de la roue.

Sécurité. Ne travaillez jamais seul au bord d’un ruisseau et n’y entrez pas quand il est en crue : une eau rapide et froide renverse et noie. Un tuyau qui descend de 8 mètres contient presque un bar de pression. Ouvrez et fermez lentement les longues conduites, car un arrêt brusque provoque un coup de bélier qui fait sauter les raccords. Gardez les yeux et les doigts hors du jet, protégez la roue par un carter et coupez l’eau avant de la toucher. Isolez chaque connexion et gardez aussi les doigts loin du galet de la dynamo. Les générateurs plus gros atteignent des tensions dangereuses : n’en branchez jamais un sur l’installation électrique d’un bâtiment.

Histoire et évolutions

Dans la turbine de Fourneyron, l’eau va du centre vers l’extérieur, des directrices fixes vers la couronne mobile.

En 1825, Claude Burdin, professeur à l’École des mines de Saint-Étienne, construit à Pontgibaud une turbine d’un rendement de 67 %. Son ancien élève Benoît Fourneyron en fait une machine industrielle : en avril 1827, aux forges de Pont-sur-l’Ognon, il installe une turbine de six chevaux sous une chute de 1,40 mètre.

En 1849, à Lowell, dans le Massachusetts, James B. Francis construit une turbine centripète perfectionnée et publie ses essais en 1855. Dans les régions aurifères de Californie, Lester Pelton bâtit sa première roue en 1878 et fait breveter l’auget double en 1880.

En 1878, Lord Armstrong éclaire sa maison de Cragside, dans le Northumberland, avec des lampes à arc alimentées par l’eau des lacs du domaine. À Appleton, dans le Wisconsin, une centrale fournit du courant continu à partir du 30 septembre 1882. En 1895, la centrale Adams des chutes du Niagara met en marche des alternateurs Westinghouse de 5 000 chevaux, en courant alternatif selon le système de Nikola Tesla ; à partir de novembre 1896, son courant atteint Buffalo. Viktor Kaplan dépose en 1913 son brevet de pales de roue orientables, et la première turbine Kaplan industrielle tourne à Velm, en Autriche, en 1919.

Le monde comptait 1 412 GW de puissance hydroélectrique en 2023. Le barrage des Trois-Gorges, en Chine, atteint à lui seul 22,5 GW, et environ 1,3 million de personnes ont été déplacées pour sa retenue. Les barrages bloquent les poissons migrateurs et retiennent les sédiments : selon une étude publiée en 2019, seuls 37 % des 246 plus longs cours d’eau du monde coulaient encore librement sur toute leur longueur.