ENERGIE HYDRAULIQUE

Généralités et le point de la technique

Utilisation de l'énergie hydraulique pour l'irrigation

L'inconvénient principal relatif à l'utilisation de l'énergie hydraulique comme source d'énergie pour l'irrigation est celui du caractère limité du choix possible. En effet, cette technique ne peut être adoptée que pour des débits et des hauteurs d'eau permettant l'installation adéquate des équipements nécessaires. De plus, la plupart des régions dotées d'un riche potentiel hydraulique sont caractérisées par des précipitations abondantes, ce qui fait que le recours à l'énergie hydraulique pour l'irrigation ne serait pas la meilleure solution. D'où le caractère marginal de cette technique. Toutefois, malgré ces inconvénients, certaines régions sont caractérisées par un régime saisonnier de précipitations (où l'eau peut être utilisée pendant les mois chauds et secs d'été afin d'obtenir une récolte supplémentaire ou bien d'augmenter les rendements). Egalement, dans les régions montagneuses, la fonte des neiges pourrait constituer une source d'eau quoique limitée utilisable pendant l'été. Toutefois, les gradients hydrauliques forts des régions montagneuses permettent l'adoption de l'irrigation gravitaire de n'importe quel fond de vallée, à l'aide des canaux à ciel ouvert dont le tracé suit les courbes de niveau. Ces canaux prélèvent l'eau d'un cours d'eau et la transportent le long d'un cheminement en flanc de coteau avec un gradient hydraulique inférieur à celui du cours d'eau principal vers les zones à irriguer. Cette technique est bien entendu bien connue dans une grande partie des régions montagneuses de l'Asie centrale. D'ailleurs, les techniques de pompage sont généralement évitées lorsqu'il est possible d'aménager un adducteur gravitaire.

Les principales utilisations de l'énergie hydraulique pour le pompage de l'eau seront donc dans les plaines basses où de faibles chutes d'eau assurent l'énergie nécessaire pour l'irrigation des terres inaccessibles à l'irrigation gravitaire. Une des utilisations importantes évidentes, très commune en Chine, consiste à étendre la superficie dominée d'un périmètre d'irrigation par gravité en incluant les terrains de côtes supérieures à celle du barrage. Dans certaines régions arides ou bien dans les régions où la saison sèche est bien définie, les courants d'eau des fleuves importants sont utilisés pour élever les eaux avant de les laisser s'écouler à travers des plaines mortes, vers la mer. Même dans certaines régions humides et accidentées, l'énergie hydraulique pourrait être mise à profit pour l'irrigation de terrasses ou de plateaux inaccessibles par gravité. Cette possibilité est d'une grande valeur lorsque les terrains plats irrigables sont pratiquement inexistants.

Donc, dans le cas de l'existence d'un site approprié à proximité de terrains irrigables, l'énergie hydraulique pourrait être très avantageuse pour plusieurs raisons, à savoir:

• elle est généralement disponible 24 heures sur 24
• elle constitue une source d'énergie relativement bien localisée
• l'énergie disponible est facile à calculer dans les régions où l'on dispose de données sur le débit des cours d'eau.

Il s'ensuit que les systèmes utilisant l'énergie hydraulique se distinguent généralement par un rapport (puissance/taille) élevé et par suite, par un (puissance / coût) aussi favorable. De plus, grâce à leur simplicité mécanique et à leur robustesse, ils ont une durée de vie importante et ils n'exigent qu'un entretien simple et limité. Par conséquent, l'énergie hydraulique constitue une source d'énergie très avantageuse chaque fois que l'on dispose de ressources exploitables de ce type.

Principes généraux

Toutes les applications de l'énergie hydraulique sont basées sur le même principe de l'utilisation de l'énergie d'une chute ou d'un écoulement d'eau. L'énergie contenue dans une chute d'eau de débit Q 1/s et d'une hauteur H m est égale à:

avec 9,8 l'accélération de la pesanteur (en unités métriques, soit en m/s²).

Si Q est exprimé en m³/s, la puissance sera exprimée en kw. Autrement dit, 1 m³/s de débit fournit une énergie de 9,8 kw par m de chute. Compte tenu du rendement de l'installation la puissance effectivement obtenue sera sans doute inférieure. Ainsi une installation de 50% de rendement utilise la moitié de la puissance disponible.

Les systèmes fonctionnant à l'aide de l'énergie hydraulique ont un rendement élevé. C'est ainsi qu'une petite turbine de bonne qualité a un rendement de 70%. Même les roues hydrauliques et les autres dispositifs rudimentaires ont des rendements de 30 à 60%, tel qu'indiqué au tableau 21.

Signalons que dans tous les cas ci-dessus, à l'exception des turbopompes et des béliers hydrauliques, l'énergie hydraulique est convertie en énergie mécanique. Le pompage de l'eau requiert l'utilisation d'une pompe ou d'un dispositif élévateur d'eau qui à son tour introduit des pertes d'énergie. Les autres cas exceptionnels sont caractérisés par un rendement défini comme le rapport de la puissance hydraulique utile à la puissance hydraulique initiale. En effet, dans ces systèmes il n'y a pas transformation de l'énergie hydraulique initiale en énergie mécanique.

Il est évident que la hauteur et le débit d'eau sont les deux principaux paramètres indispensables pour la détermination de la puissance intrinsèque d'une source d'énergie hydraulique. Les méthodes utilisables à cet effet sont présentées dans la plupart des ouvrages de référence consacrés à la micro-hydraulique, tels que [61] et [62]. La mesure de la hauteur d'eau statique est la plus simple. Elle peut être faite à l'aide de l'un des instruments suivants:

• le niveau utilisé en topographie;
• niveau à bulle, piquets en bois et règle de précision;
• tronçon d'une conduite muni d'un manomètre (1 m d'eau = 0,1 kg/cm², soit 0,098 bar ou bien encore 1,42 pound/(pouce)² ou 9,81 kPa). Le tuyau est entièrement rempli d'eau, l'extrémité ouverte est plongée dans le plan d'eau supérieur et l'autre extrémité munie du manomètre étant plongée dans le plan d'eau inférieur afin de mesurer la hauteur statique effective; baromètre/altimètre (pour des hauteurs d'eau plus importantes); (c'est-à-dire,
• baromètre/altimètre de topographie);
• cartes précises à grande échelle, avec courbes de niveau.

TABLEAU 21
Rendement des systèmes fonctionnant à partir de l'éneraie hydraulique

FIGURE 140
Mesure du débit au moyen d'un déversoir rectangulaire (d'après BYS Népal)

Le débit peut varier très fortement d'une saison à l'autre, mais c'est la saison d'irrigation qui est toujours prise en considération par les agriculteurs. Sur les cours d'eau importants, en particulier ceux équipés d'aménagements hydro-électriques, des mesures de débit existent déjà et que l'on peut normalement les consulter auprès des autorités fluviales concernées. Toutefois, dans la plupart des petits aménagements hydrauliques sur les cours d'eau, les rivières ou les canaux très petits, les mesures sont soit insuffisantes ou tout simplement inexistantes. Il existe plusieurs méthodes de jaugeage du débit, dont les degrés de sophistication et de précision sont très variables. Nous les présentons ci-dessous:

• couper le courant et mesurer de débit en déterminant le temps nécessaire pour le remplissage d'un récipient par l'eau qui passe au-dessus de la crête de l'obstacle,
• installer un petit déversoir rectangulaire en bois ou en béton, et utiliser la méthode décrite à la figure 140,
• sur les cours d'eau où l'on ne peut facilement aménager un déversoir, mesurer la profondeur du courant à des intervalles égaux par toute la largeur de la section d'écoulement, en un point où le débit est régulier et uniforme, comme indiqué sur la figure 141. Chronométrer ensuite le mouvement d'un flotteur descendant le courant au centre de la section pour obtenir la vitesse de l'écoulement au centre. La vitesse moyenne sera obtenue en multipliant cette vitesse par un facteur de 0,6 à 0,85. Le coefficient 0,6 correspond à un lit rugueux et caillouteux, tandis que le coefficient de 0,85 correspond à des surfaces lisses et boueuses. On calcule ensuite le débit en multipliant la vitesse moyenne par la superficie de la section transversale du courant en utilisant les unités appropriées:

par exemple avec la vitesse moyenne en m/s multiplié par la section transversale en m², le débit sera en m³/s.

Evidemment, il est plus pratique d'utiliser un moulinet ou bien une hélice, s'ils sont disponibles, pour mesurer la vitesse du courant au lieu de chronométrer le mouvement d'un flotteur.

• une nouvelle technique de jaugeage consiste à dissoudre une quantité déterminée de sel au centre du courant en un point donné. Un appareil de mesure de la conductivité électrique est installé en aval de ce point afin de mesurer le taux de dilution. Les données peuvent ensuite servir à calculer le débit;
• l'utilisation des instruments de mesure automatiques du débit. Un déversoir étalonné permet la mesure du débit par la simple transmission à un enregistreur électrique ou à un dispositif approprié des variations de la hauteur d'eau dans le déversoir.

FIGURE 141
Méthode de jaugeage du débit sans déversoir

Dans certains cas, il serait plus intéressant d'utiliser des dispositifs se déplaçant sous l'action du courant liquide de la rivière ou du canal. La mesure de la vitesse de l'écoulement se fait en chronométrant le passage d'un flotteur lancé dans l'eau entre deux points déterminés matérialisés sur le terrain, ou bien en utilisant un moulinet étalonné pour la mesure de la vitesse du courant.

Il est très difficile de mesurer à vue d'oeil la vitesse du courant ou le débit. La faculté humaine est particulièrement réduite pour apprécier correctement ces grandeurs, et elle pourrait conduire à des résultats complètement erronés.

Utilisation des turbines pour l'élévation de l'eau

Principaux types de turbines

Comme pour les pompes, on distingue plusieurs catégories de turbines chacune servant un but bien déterminé. Brièvement, elles peuvent être distinguées comme suit:

La figure 142 A représente un modèle courant d'une petite turbine à hélice à aubes fixes. Ces dispositifs ont un rendement satisfaisant uniquement à l'intérieur d'une fourchette de débits très limitée. Lorsque la turbine doit fonctionner à débit ou à une puissance variable, la turbine sera équipée de vannes réglables, et la roue peut avoir des courbes fixes ou réglables. Ce dernier cas correspond à celui d'une turbine Kaplan dont le rendement est plus fort pour un large intervalle de débit que pour une turbine à hélice à pas fixe. Toutefois, la construction des turbines à aubes réglables est très complexe, ce qui fait que leur coût est prohibitif, et que leur utilisation est normalement limitée aux installations à grande échelle.

Par ailleurs, pour les hauteurs d'eau moyennes on peut utiliser des turbines à écoulement mixte du type hélico-centrifuge, fonctionnant de la même manière de la pompe du même nom mais en sens inverse. Les turbines de ce genre sont entièrement remplies d'eau et classées dans la catégorie dite des turbines à réaction. La turbine à réaction à hauteur d'eau moyenne, et d'utilisation très courante ressemble à une pompe centrifuge (à la seule différence que l'écoulement est radial vers l'intérieur partant de la périphérie à partir d'un carter en volute), et elle s'appelle la turbine Francis (figure 142 B). Les pompes centrifuges inversées ont effectivement servi comme solution de rechange bon marché à l'utilisation d'une turbine. En effet, ils ont un rendement acceptable dans un intervalle limité de débits et de vitesses, sous une charge donnée. La turbine Banki (ou Ossberger, Mitchell ou encore turbine à écoulement radial) est un autre type de turbine à hauteur d'eau moyenne. Dans ce cas un jet d'eau entre par une série d'aubes courbes montées entre deux disques. Ce jet passe ensuite à le centre du rotor, pour sortir par la périphérie. Cette catégorie de turbines n'est pas entièrement remplie d'eau. Ces turbines sont classées parmi les turbines à action, puisque leur mouvement de rotation est dû à la déviation d'un jet d'eau. Pour les fortes hauteurs d'élévation, on a recours généralement à un autre type de turbine, dite roue de turbine Pelton (figure 142 C).

Ce dispositif consiste à diriger un jet d'eau rapide sur une série de godets montés sur la couronne de la roue. Chaque godet comporte deux compartiments qui divisent le jet en deux et le renvoient pratiquement au même point d'entrée vers l'extérieur et à la périphérie de la roue.

La raison pour laquelle plusieurs sortes de turbines ont été conçues pour travailler sous des différentes hauteurs et débits d'eau c'est afin de maintenir le point de fonctionnement dans une fourchette de rendement et de vitesse de rotation déterminée. Les turbines à faibles hauteurs d'eau, comme les turbines à hélices se caractérisent par une vitesse spécifique élevée. Autrement dit, leurs vitesses de rotation sont plus importantes que la vitesse du courant d'eau qui les traverse. C'est un facteur important aux faibles hauteurs d'élévation, s'il faut entraîner des équipements électriques ou des pompes rotodynamiques. Toutefois, pour les hauteurs d'élévation importantes, la vitesse de rotation des équipements de ce type serait excessivement élevée (en plus d'autres problèmes). D'où la nécessité d'installer des turbines de plus faible vitesse spécifique, lorsque la hauteur d'eau augmente. Le lecteur qui s'intéresse à ce sujet devrait consulter un ouvrage de référence classique consacré aux turbines hydrauliques, puisque l'examen plus approfondi de ce sujet sort du cadre de cette publication.

L'arbre d'une turbine peut être directement accouplé au générateur. Ce dernier à son tour pourrait être utilisé pour l'alimentation de pompes électriques d'irrigation, ou bien être directement accouplée à une pompe centrifuge appropriée ou bien à un autre type de pompe rotodynamique. Compte tenu du caractère fortement saisonnier de l'irrigation par pompage les turbines pourront servir durant la saison morte pour l'irrigation pour la production de l'énergie électrique. En effet, l'électricité produite peut répondre à d'autres besoins, notamment l'éclairage nocturne et le traitement postérieur de la récolte, etc. Or, la production de l'électricité implique forcément une sophistication technique plus poussée et des investissements accrus que pour une simple turbine destinée à l'irrigation par pompage. De plus, toute installation hydro-électrique doit être correctement protégée contre les crues. Tandis qu'une turbine simple accouplée à une pompe est moins sujette à l'arrêt, et elle est donc d'une installation plus simple. Enfin, certaines pertes sont liées à la transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique, au transport de l'électricité et à sa transformation une deuxième fois en énergie mécanique. Ce processus pourrait en effet absorber 25 à 45% de l'énergie à convertir.

FIGURE 142
Principaux types des turbines hydrauliques fonctionnant sous une hauteur d'eau faible, moyenne et élevée

La méthode choisie en définitive serait en réalité dictée par l'importance des ressources hydrauliques disponibles et par la possibilité de trouver d'autres utilisations économiques, et d'un autre côté, par la disponibilité des ressources financières et administratives nécessaires pour l'installation et le fonctionnement de ces équipements.

Turbopompes chinoises

Les chinois ont poussé l'intégration d'une pompe et d'une turbine jusqu'à l'aboutissement logique des efforts par la mise en commun des pompes et des turbines. Bien qu'il s'agisse d'un développement relativement récent (dont l'origine remonte au début des années 1960), les turbopompes déjà installées s'élèvent à 60.000 unités [63] servant à l'irrigation de 400 000 hectares environ en 1979.

Les turbopompes chinoises fonctionnent généralement aux faibles hauteurs d'eau. La source d'énergie hydraulique nécessaire au fonctionnement est obtenue par une sur élévation du plan d'eau dans un canal d'irrigation ou bien à partir d'un déversoir alimentant un réseau de canalisations. Les charges d'eau obtenues sont d'environ 1 à 15 m. Pour cela, les turbines les plus utilisées sont du type à hélice à pas fixe, qui sont destinées à fonctionner aux faibles hauteurs d'eau. Elles sont généralement à un axe vertical muni de vannes fixes. Pour cette raison leur rendement maximum n'est atteint que dans pour une gamme très limitée de débit. La roue d'une pompe centrifuge est fixée dos à dos sur le même arbre de la turbine comme indiqué à la figure 143. Pour les fortes charges d'eau on peut monter sur le même arbre des pompes centrifuges multicellulaires, tel qu'in­diqué à la figure 144. Dans certains cas, on peut prolonger l'arbre de transmission, voir figure 145, ce qui permet d'utiliser la turbine comme source d'énergie pour d'autres usages multiples une fois l'irrigation terminée. A tire d'exemple, on peut facilement utiliser pour le fonctionnement d'une petite rizerie, d'un purgeur d'huile, d'une génératrice. Ces usages permettent d'ac­croître considérablement le rendement économique intrinsèque d'une telle installation.

FIGURE 143
Turbopompe monocellulaire& à forte hauteur d'eau (section transversale)

FIGURE 144
Turbopompe multicellulaire à forte hauteur d'eau (section transversale)

Un grand choix de turbopompes de tailles et de types différents existe dans le marché. Ces turbopompes sont fabriquées par un grand nombre de petits fabricants chinois, et à des prix très bas subventionnés à l'exportation. Le tableau 22 donne les caractéristiques des pompes monocellulaires à turbine fabriquées par une unité de production typique, l'usine de turbopompes Youxi, de Fujian, ainsi que les prix à l'exportation proposés par la Société provinciale d'import-export de machines agricoles de Fujian.

Il est sans doute faux d'évaluer les caractéristiques économiques du matériel chinois en se basant uniquement sur les prix à l'exportation convertis au taux de change en vigueur. Pour cela, il serait plus réaliste de comparer le coût des turbo-pompes d'origine chinoise au prix des autres installations de pompage utilisées dans ce même pays. L'examen du tableau 23 nous montre que les pompes à turbine sont nettement moins chères que les pompes électriques, ou bien les pompes à moteur, comme on pourrait s'y attendre. Il reste à savoir si les mêmes résultats pourraient être obtenus dans les pays autres que la Chine. Mais il est presque acquis que la pompe à turbine soit certainement plus économique chaque fois que l'on dispose de sites appropriés pour l'utiliser dans les projets d'irrigation.

TABLEAU 22
Dimensions types et coûts des turbopompes chinoises

Le tableau 24 donne les performances d'un ensemble de turbopompes de petite taille fonctionnant à des hauteurs d'eau faibles, moyennes et élevées, ainsi que des estimations de la puissance mécanique et du rendement. Le rendement global des modèles considérés est d'environ 32-50%. Ce qui laisse supposer que les turbines et les pompes ont séparément des rendements de l'ordre de 56 à 71 %, et ce en supposant que leurs rendements individuels sont identiques. Même, le rendement global de certains modèles peut atteindre 58%.

FIGURE 145
Turbopompe à long arbre moteur (représentée partiellement en coupe)

Les turbines hélices à pas fixe ne peuvent fonctionner correctement et avec un bon rendement que dans un domaine d'utilisation très limité. Il serait donc très important qu'elles soient bien conçues pour répondre aux conditions de débit et de hauteur d'eau. Si le débit d'eau est variable, il est d'usage courant d'installer plusieurs petites turbines plutôt qu'une grande. En effet, dans ces conditions chacune d'entre elles fonctionne toujours au voisinage de la valeur optimale du débit. Ces unités seront arrêtées succes­sivement l'une après l'autre pour adapter l'installation au débit réduit. Une autre solution plus commode consiste à installer deux turbines, le débit de l'une étant le double de celui de l'autre. Les deux turbo­pompes fonctionnent ensemble au débit maximum la plus grande pouvant absorber à elle seule 2/3 du débit maximum, et la plus petite le tiers. Cette disposition offre de bonnes conditions de fonctionnement pour un débit égal au tiers, aux deux tiers et à la totalité du débit maximum.

TABLEAU 23
Comparaison des coûts d'irrigation en Chine

Les turbopompes sont normalement installées sur une plate-forme en béton, faisant partie d'un déversoir comme l'indique la figure 146. Ainsi, bien que le coût propre d'une turbopompe n'est pas fort, le coût des ouvrages de génie civil risque de son coté d'être assez important suivant le site considéré. Les canalisations sont aussi chères, mais à un débit donné, elles auront le même coût indépendamment du système de pompage choisi.

TABLEAU 24
Performances des petites turbopompes

Enfin, les turbopompes peuvent être montées en série ou en parallèle, selon le cas pour servir à des hauteurs d'eau fortes, ou bien de fournir à des débits plus élevés.

Le bélier hydraulique

Le principe de la pompe à bélier hydraulique^- a été initialement mis au point en France en 1796, par les frères Montgolfier, plutôt connus pour leurs travaux de recherche consacrés aux ballons dirigeables à l'air chaud. Le bélier hydraulique (représenté schématiquement à la figure 147) est essentiellement un dispositif de pompage automatique qui utilise l'énergie d'une petite chute d'eau pour élever une fraction du débit d'entrée à un niveau nettement supérieur. Autrement dit, comme la turbopompe, ce dispositif utilise l'énergie de chute d'un débit d'eau important sur une petite hauteur pour élever un débit d'eau plus faible sur une hauteur importante. L'avantage essentiel du bélier hydraulique c'est qu'il ne comporte aucune pièce mobile importante. Ceci lui confère une très grande simplicité mécanique, et par suite une très haute fiabilité. D'autre part, les béliers hydrauliques sont d'un entretien facile et réduit au minimum et ils ont une longue durée de vie.

Le principe de fonctionnement des béliers hydrauliques repose sur l'utilisation des effets du "coup de bélier" dans une conduite. Le rendement des béliers hydrauliques dans des conditions de fonctionnement favorables est très satisfaisant. Le schéma de principe est présenté à la figure 147. Au départ, la soupape de choc (1) est ouverte, l'écoulement se fait par gravité dans la conduite (2) à partir de la source d'alimentation en eau (3) protégée par une crépine (4) destinée à empêcher l'entrée des débris dans le bélier hydraulique). Au fur et à mesure que l'écoulement s'accélère, la pression hydraulique sur la soupape de choc ainsi que la pression statique dans le corps du bélier hydraulique (5) augmentent jusqu'à ce que les forces ainsi exercées neutralisent le poids propre de la soupape de choc qui commence à se fermer. Aussitôt que la soupape commence à se fermer, la pression hydraulique augmente très rapidement provoquant la fermeture brusque de la soupape. La colonne d'eau en mouvement dans la conduite d'amenée est alors bloquée par la fermeture de la soupape de choc et sa vitesse diminue brusquement. Cette fermeture sera suivie d'une très forte surpression dans l'ensemble du circuit hydraulique, ce qui provoque l'ouverture de la soupape refoulement (6) dans le réservoir d'air (7). Lorsque la pression dans le réservoir d'air dépasse la hauteur statique de refoulement, l'eau est évacuée par la canalisation de refoulement ((8). L'air contenu dans le réservoir est en même temps comprimé jusqu'à une pression supérieure à la pression de refoulement. En définitive, la colonne d'eau bloquée dans la conduite d'amenée finit par s'arrêter, et la pression statique dans le corps de la pompe tombe pratiquement à la pression statique correspondante à la charge d'eau de la source d'alimentation. Il s'ensuit la fermeture de la soupape de refoulement sous l'effet de la pression dans le réservoir d'air qui est plus forte que la pression régnant dans le corps de la pompe. L'eau continue à être évacuée à travers le clapet de retenue (9) même après fermeture de la soupape de refoulement, jusqu'à ce que la pression de l'air comprimé dans le réservoir redevienne égale à celle correspondante à la hauteur de refoulement. En même temps, aussitôt la soupape de refoulement se referme, la baisse de pression dans le carter du bélier hydraulique permet l'ouverture de la soupape de choc, et ainsi de suite.

Le réservoir d'air est un élément essentiel. En effet, d'une part il favorise l'augmentation du rendement du système par le maintien du débit même après la fermeture de la soupape de refoulement, et d'autre part il contribue d'une manière efficace à l'amortissement des chocs qui pourraient se produire du fait de l'incompressibilité de l'eau. Si par accident ou pour n'importe quelle autre raison, le réservoir d'air se remplit complètement d'eau, les performances du dispositif seront inacceptables, de plus tous les éléments du système (le corps de la pompe, la conduite d'amenée, et même le réservoir d'air proprement dit) seront exposés à des risques d'éclatement sous l'effet du coup de bélier hydraulique. Comme l'eau peut bien dissoudre l'air, en particulier sous pression, les surpressions dues à chaque cycle de fonctionnement vont au bout d'un certain temps épuiser l'air contenu dans le réservoir qui sera entraîné par l'eau au refoulement. Plusieurs techniques ont été adoptées dans les béliers hydrauliques afin de résoudre ce problème. La technique la plus simple consiste à arrêter de temps à autre le bélier hydraulique et à purger le réservoir d'air en ouvrant deux robinets, un pour l'admission de l'air et l'autre pour l'évacuation de l'eau. Une autre technique utilisée dans les béliers hydrauliques les plus perfectionnés consiste à installer un reniflard qui assure l'introduction automatique de l'air à la base du réservoir lorsque la pression hydraulique tombe momentanément au-dessous de la pression atmosphérique. Ceci correspond à l'instant où l'écoulement reprend dans la conduite d'amenée suite à l'ouverture de la soupape de choc. Pour des installations de ce genre, il est très important de vérifier de temps à autre le bon fonctionnement du reniflard et d'enlever les saletés ou débris qui pourraient le colmater.

Le rythme de fonctionnement du bélier hydraulique est dicté par les caractéristiques de la soupape de choc. En effet, on peut toujours lui adjoindre des surcharges ou bien de la soumettre à une tension préalable au moyen d'un ressort réglable. D'une manière générale l'extrémité de la conduite d'alimentation est munie d'un filetage qui permet de modifier à volonté l'ouverture maximum de la soupape de choc. Le rendement obtenu, défini comme le rapport du débit pompé au débit d'amenée, dépend dans une large mesure du réglage de la soupape. En effet, si la soupape de choc reste ouverte plusqu'il ne le faut, seule une fraction réduite du débit va être pompée, et le rendement serait plus faible. Par contre si la fermeture de la soupape intervient subitement la pression n'aura pas le temps d'atteindre la valeur recherchée à l'intérieur du bélier hydraulique, et la quantité d'eau fournie sera également moins importante. Pour cela on prévoit une vis de réglage permettant de limiter l'ouverture de la soupape à une valeur préalablement fixée pour assurer le réglage du dispositif de façon à optimiser son fonctionnement. Un technicien qualifié doit pouvoir régler sur place la soupape de choc afin d'optimiser le fonctionnement en fonction du type du bélier, du site d'installation.

FIGURE 146
Installation type d'une turbopompe

FIGURE 147
Représentation schématique d'un bélier hydraulique

Par conséquent, le débit fournit par un bélier hydraulique est constant, (24 heures par jour) et il ne peut être facilement modifié. Un réservoir de stockage est généralement installé au sommet de la conduite de refoulement pour pouvoir puiser des quantités variables d'eau en fonction de la demande.

Conditions d'installation requises

La charge d'alimentation d'une installation du type bélier hydraulique est obtenue en aménageant un petit canal de dérivation d'un cours d'eau, le long d'une courbe de niveau. Dans certains cas (en particulier lorsqu'il s'agit de petits cours d'eau) on peut se contenter de la construction d'un déversoir avec le bélier hydraulique juste en dessous.

Pour les débits importants, il est d'usage courant d'associer plusieurs béliers hydrauliques en parallèle. Cette solution permet l'adaptation du nombre de béliers en service à chaque instant aux variations du débit d'alimentation ou aux modifications des besoins en eau.

Le diamètre et la longueur de la conduite d'amenée doivent être choisis en fonction de la pression de service (ou charge) du bélier hydraulique. D'autre part, comme la conduite d'amenée est soumise à de fortes charges dynamiques internes dues aux coups de bélier, elle doit donc être en acier de bonne qualité. D'une manière générale elle doit avoir une longueur égale à 3 à 7 fois la hauteur d'alimentation. Cependant, la longueur idéale de la conduite d'amenée doit être au moins égale à 100 fois son propre diamètre. Par exemple, la longueur théorique d'une conduite d'amenée de 100 mm de diamètre devrait être de 10 m environ, et de 15 m si son diamètre est de 150 mm. La conduite doit être rectiligne, car la présence d'un coude quelconque provoquera non seulement des pertes supplémentaires de rendement, mais aussi l'apparition des poussées latérales variables susceptibles d'entraîner sa rupture.

Le corps du bélier hydraulique doit être fermement boulonné à un socle de béton, car les chocs créés par son fonctionnement entraînent des charges dynamiques importantes. Il faut aussi l'installer de sorte que la soupape de choc soit toujours au-dessus du niveau des crues, car le dispositif cesse de fonctionner en cas d'immersion de la soupape. La conduite de refoulement peut être constituée de n'importe quel matériau pouvant supporter à la pression de refoulement de l'eau vers le réservoir. Dans toutes les installations, sauf pour des hauteurs d'élévation très importantes, les tuyaux en plastique peuvent être utilisés. Par les hauteurs d'eau importantes, la partie inférieure de la conduite de refoulement doit être de préférence en acier. Le diamètre de la conduite doit être tel que les pertes de charge par frottement soient acceptables pour acheminer le débit nécessaire le long de la conduite de refoulement à la hauteur voulue. Il est recom­mandé d'installer soit une vanne de manoeuvre ou un clapet de retenue (clapet anti-retour) sur la conduite de refoulement juste à la sortie du bélier hydraulique pour éviter le vidange de la conduite de refoule­ment en cas d'arrêt de l'installation pour une raison quelconque, notam­ment pour une mise au point. De plus, cette protection permet d'arrêter le débit de retour d'eau à travers la soupape de refoulement vers le réservoir d'air, ce qui améliore le rendement du dispositif.

FIGURE 148
Bélier hydraulique classique (Blakes) de fabrication européenne

Conception du bélier hydraulique

Les modèles traditionnels, tels que ceux représentés sur la figure 148 et mis au point il y a déjà un siècle en Europe, sont très robustes. Ils sont généralement fabriqués de grosses pièces en fonte. Ils ont la réputation de fonctionner d'une manière fiable pour une durée de 50 ans au moins. Des béliers du même modèle sont encore fabriqués en faibles quantités en Europe et aux Etats-Unis. Le bélier hydraulique de la figure 148 diffère du schéma de principe de la figure 147 par la soupape de choc qui est située du côté de la conduite d'amenée, mais le principe de fonctionnement est le même.

FIGURE 149
Bélier hydraulique utilisé au Sud-Est de l'Asie

Des modèles plus légers, en tôle d'acier soudée (figure 149), ont été d'abord utilisés au Japon, ensuite dans d'autres régions tel que le sud-est de l'Asie, notamment à Taiwan et en Thaïlande. Ils sont certaine­ment moins coûteuses. Mais, comme ils sont faits de matériaux légers, leurs durées de vie sont plus courtes (une dizaine d'année) et ils sont facilement sujets à la corrosion. Néanmoins du point de vue qualité-prix, ils peuvent être considérés comme économiquement rentables, et ils ont un fonctionnement faible pendant une durée de vie plus ou moins longue. Les béliers hydrauliques sont pour la plupart utilisés pour l'alimentation en eau potable. Ils fonctionnent à des hauteurs d'eau plus importantes, et des débits plus faibles que ceux normalement nécessaires pour l'irrigation. Vraisemblablement, les béliers hydrauliques conçus pour l'irrigation seront ceux les plus importantes, i.e. ils sont équipés de conduites d'amenée de 100 à 150 mm de diamètre (de 4" à 6"). D'autres modèles plus simples, de fabrication artisanale avec les pièces spéciales des conduites (coudes, manchons etc.;) ont également été mis au point par des agences d'aide (voir notamment le modèle représenté à la figure 150). D'autres modèles plus rudimentaires ont été montés, notamment au sud du Laos en se servant de matériaux de rebut, tels que les matériaux de récupération des restes de ponts bombardés. Des bouteilles de propane vides ont été utilisées comme réservoirs d'air. Ces dispositifs sont évidemment bon marché, et les canalisations coûtent en définitive beaucoup plus que le bélier hydraulique proprement dit. Bien que leur fiabilité ne soit pas du tout comparable à celle des modèles traditionnels, ils sont néanmoins d'une fiabilité acceptable et faciles à réparer en cas de panne.

FIGURE 150
Bélier hydraulique peu coûteux fabrique à partir des pièces spéciales des conduites

Caractéristiques de fonctionnement

Le tableau 25 (tiré de [64]) donne les débits d'alimentation des béliers hydrauliques de tailles différentes. Ce débit d'alimentation permet de déterminer le débit pouvant d'être obtenue pour une hauteur de refoulement donnée. La limite inférieure indique la valeur du débit d'alimentation minimum pour le fonctionnement du dispositif. Tandis que la limite supérieure correspond au débit maximum utile. Le tableau 26 [64] indique le volume d'eau pouvant être pompé en litres par 24 heures, pour chaque unité de débit d'alimentation exprimée en litres/min.

TABLEAU 25
Débit d'alimentation des béliers hydrauliques

TABLEAU 26
Performances d'un bélier hydraulique

Les coûts propres des béliers hydrauliques sont a priori faibles. Mais chaque fois qu'il faut pomper de forts débits d'eau à des hauteurs plus petites; les dimensions du dispositif, et plus particulièrement celles de la conduite d'amenée deviennent importantes, et il en sera de même pour les coûts. Les béliers hydrauliques sont plus particulièrement destinés à fonctionner à des débits faibles et à des hauteurs d'eau importantes (par exemple pour l'irrigation des pépinières en terrasses situées dans les régions montagneuses). Tandis qu'une turbopompe, comme celle de la section précédante, semble avoir un fonctionnement plus satisfaisant pour le pompage des débits forts à des hauteurs plus faibles. Ce dernier cas est le plus rencontré dans l'irrigation des cultures de rente des exploitations agricoles marginales.

Roues hydrauliques et norias

La roue hydraulique à action par en dessous est sans doute la méthode la plus évidente et la plus ancienne pour la mise à profit de l'énergie des cours d'eau. Dans la plupart des cas, l'écoulement normal de l'eau suffit à lui seul pour faire tourner un dispositif simplement plongé dans le cours d'eau (voir figure 151). Le modèle (au Vietnam) représenté sur la figure comporte une structure ossature entièrement composée de bambou. De petits tronçons de bambou dont une extrémité est fermée, sont fixés sur tout le pourtour de la roue. Lors de la rotation de la roue, ces petits tronçons de bambou plongent dans le courant d'eau d'où ils ressortent remplis d'eau. L'eau ainsi puisée est ensuite élevée jusqu'au voisinage du sommet de la roue pour être déversée dans une auge. Les dispositifs de ce genre sont couramment utilisés au Sud-Est de l'Asie, notamment au Chine, au Japon, et en Thaïlande, et ils sont connus sous le nom de "norias". La figure 152 représente un modèle de fabrication chinoise et montre très clairement le principe de fonctionnement et la technique de fabrication. A de nombreux égards la noria est similaire à la roue à sabots (Roue persane) déjà décrit.

FIGURE 151
Roues hydrauliques en bambou (Vietnam)

FIGURE 152
Modèle chinois de noria de petites dimensions

FIGURE 153
Pompe à chaine-hélice entraînée par une roue hydraulique (voir également figure 150)

Le principal désavantage de la noria vient de la nécessité d'avoir une roue de diamètre légèrement supérieur à la hauteur d'élévation de l'eau. Par suite, elles sont plutôt adaptées à l'élévation de l'eau aux faibles hauteurs. En effets, pour les hauteurs d'élévation fortes elles deviennent trop encombrantes. La figure 151 représente une noria de 10 m de diamètre, conçue pour irriguer une superficie d'environ 8 ha [65]. On voit aussi sur le schéma qu'il y a un petit déversoir assurant une charge d'eau de 100 mm environ à partir du point le plus bas de la roue, ce qui améliore notablement le rendement. La noria vietnamienne de 10 m de diamètre tourne à une vitesse de 1 tour par 40 secondes environ et fournit normalement un débit de 7 1/s. Son coût s'élève de 250 à 400 $/E-U environ [65]. La noria est un dispositif élévateur d'un coût relativement faible, de fabrication locale ou artisanale, mais les sites favorables à son installation sont rares et spécialement exposés aux risques d'inondation. Par suite, les frais annuels de remise en état de ces norias de type vietnamien [65] peuvent atteindre 30 à 50% du coût d'investissement initial. Toutefois, et dans le contexte vietnamien, la même source indique que les études effectuées sur certaines installations types ont montré que le revenu obtenu, en termes de production céréalière, est de 24 à 60% supérieur aux frais de fonctionnement.

Une version moderne de la noria à été mise au point récemment: il s'agit des pompes chaine-hélice à flotteur testées par Sydfynsgruppen (financé par Danida) à Wema sur la rivière Tana au Kenya par les Scouts du Danemark, sur le Nil Blanc à Juba, au sud du Soudan, et enfin par l'Agence allemande de coopération BORDA sur le Niger près de Bamako au Mali [66] (voir figure 153). Le principe de fonctionnement de la pompe chaine-hélice est présenté à la section Pompes spirales et pompes chaîne-hélice, chapitre 3, et illustré à la figure 50. Ces systèmes expérimentaux récents pour l'irrigation par pompage utilisent l'énergie d'une rivière et ils sont constitués de roues hydrauliques flottantes actionnées par en dessous (montées sur des pontons flottants réalisés au moyen de fûts d'huile vides). Ces roues sont associées à des pompes chaine-hélice pour permettre l'élévation de l'eau à une hauteur nettement supérieure au diamètre de la petite roue hydraulique installée sur le ponton. A titre d'exemple, avec un rotor de 2 à 3 m de diamètre on peut atteindre une hauteur d'élévation de 10 à 15 m.

Les performances annoncées dans les catalogues de constructeurs pour les prototypes de pompes flottantes à chaine-hélice sont d'environ 6,6 1/s pour une hauteur de refoulement de 5 m, pour une vitesse d'écoulement de 1,2 m/s de la rivière Tana à Wema. Pour des raisons encore inconnues, le même prototype a été installé sur le Nil et il a fourni seulement un débit de 0,7 1/s, pour la même hauteur d'élévation d'eau soit de 5 m, et la même vitesse d'écoulement de 1,2 m/s. En pratique ces dispositifs exigent des courants très rapides, dont la vitesse d'écoulement est comprise entre 1 m/s et 2 m/s (de 2 à 4 noeuds). Le prototype essayé au Kenya était fabriqué essentiellement en plastique de verre armé (fibre de verre). Son coût s'élève à 4000 $ E.-U. en 1979. Tandis que le prototype testé au Soudan et dont le rendement était nettement moins bon, était fabriqué en acier et en bois et dont la pompe chaine-hélice comportait un tuyau en plastique souple. Son coût est de 350 $ seulement. Dans les deux cas, le tuyau souple nécessaire représentait près du tiers du coût total du fait de sa grande longueur.

FIGURE 154
Vue en coupe d'une installation à pompe Plata

Le Département Royal d'Irrigation en Thaïlande a mis au point un dispositif à roue hydraulique flottante actionné par en dessous. Le principe est tout à fait analogue à celui que nous venons de décrire. Mais la roue est mécaniquement accouplée à une pompe à piston classique par l'intermédiaire d'un pignon à chaîne. Ce dispositif exige une vitesse minimum d'écoulement de 1,1 m/s et un débit minimum de 0,6 m/s. Le débit de pompage varie de 0,3 à 1,5 1/s pour des hauteurs d'eau respectives de 60 et 15 m. Son coût s'élevait à 1450 $, conduite de refoulement et réservoir de tête non compris.

Les roues hydrauliques posent généralement certains problèmes de transmission. En effet, lorsque l'entraînement est assuré par l'arbre principal, les coûts deviennent trop importants pour la puissance mise enjeu. Le système de transmission mécanique doit être lent et de dimensions importantes (et donc coûteuses), pour la transmission du couple assez fort mis en jeu. D'autre part, pour des vitesses de rotation de l'arbre comprises entre 1 et 5 tr/min. (comme c'est le cas pour la plupart des roues hydrauliques), il faut soit utiliser des pompes à cylindrées importantes, ou bien utiliser tout un train d'engrenages pour faire tourner les pompes les plus petites à la vitesse requise. Dans les deux cas les coûts liés aux systèmes de transmission sont forts pour la puissance mise enjeu. Ainsi, bien que les roues hydrauliques, semblent offrir des solutions simples, elles ne sont pas toujours faciles à adapter pour fonctionner avec des dispositifs mécaniques d'élévation de l'eau tel que des pompes, comme on pourrait s'y attendre à première vue.

Nouveaux dispositifs à force motrice hydraulique

La pompe Plata

La pompe Plata (figure 154) est une alternative de remplacement à l'utilisation d'une petite roue hydraulique pour l'entraînement des pompes de petite taille. Ce dispositif a été mis au point en Nouvelle-Zélande. Malgré les efforts déployés pour le commercialiser, son utilisation demeure semble-t-il très limitée.

La pompe Plata possède une série de petits rotors de turbine montés sur un arbre simple installé le long de l'axe d'une conduite cylindrique de 2,5 m de long et de 0,5 m de diamètre. Il s'agit en quelque sorte d'une turbine à hélice à roues multiples, bien qu'il n'y ait pas de diffuseur ou d'aubes fixes pour contrôler le mouvement de rotation du fluide. L'arbre entraîne deux pompes à piston à simple effet montées en opposition, par l'intermédiaire d'un arbre vilebrequin. La pompe Plata est censée être installée sur un barrage ou bien sûr un déversoir de faibles hauteurs. Son axe est légèrement incliné pour faciliter l'écoulement de l'eau à l'intérieur de la pompe. Il n'est pas nécessaire qu'elle soit entièrement remplie d'eau, mais il est préférable qu'elle soit remplie aux deux tiers ou aux trois quarts. En effet, lorsqu'elle est entièrement remplie, la vitesse de rotation communiquée à la masse liquide en mouvement de translation est à l'origine d'une perte de rendement.

La pompe Plata est conçue pour fonctionner pour des hauteurs d'eau de 0,25 à lm. Normalement, ceci est vite fait en installant la pompe suivant une inclinaison adéquate dans le lit d'un cours d'eau. La charge nécessaire au fonctionnement est créée par un petit déversoir en pierre ou tout autre matériau. D'après les mesures effectuées, le rendement global de la pompe Plata est compris entre 6 et 30% pour des hauteurs de refoulement de 6 à 90 m [66]. Le meilleur rendement observé correspond à une hauteur de refoulement de 24 m. Un débit d'alimentation de 85 1/s permet normalement d'obtenir un débit de refoulement de 1,3 1/s à 6 m de hauteur, et un débit de 0,5 1/s à 24 m de hauteur, et un débit de 0,11 I/s à 38 m de hauteur. Par ailleurs, il faut un débit d'alimentation de 153 I/s pour atteindre une hauteur de refoulement de 90 m.

Le prix de la pompe Plata livrée en kit est d'environ 2000 $ E.-U. (en 1980) [66]. C'est un prix relativement élevé pour les performances obtenues, comparé notamment aux prix des turbopompes chinoises décrites plus haut. D'autre part, cette pompe a un rendement plus faible et elle est moins robuste que la turbopompe.

Turbine au fil de l'eau

L'énergie cinétique de l'écoulement de l'eau dans un fleuve, rivière ou un canal est proportionnelle à la puissance d'ordre 3 de la vitesse, comme pour l'énergie éolienne. La relation entre la puissance et la vitesse s'écrit comme suit:

avec la densité de l'eau (1000 kg/m³ pour l'eau douce), A la section transversale de l'écoulement en m², et V la vitesse moyenne en m/s. Cette relation donne les densités suivantes de puissance par m² de section d'écoulement (tableau 27):

TABLEAU 27
Densité de puissance des écoulements d'eau en fonction de la vitesse de l'eau

FIGURE 155
Pompe turbine IT au fil de l'eau

Il est intéressant de comparer ces valeurs avec celles du tableau 16 qui donne les caractéristiques équivalentes pour l'énergie éolienne. La même puissance est observée pour une vitesse de l'eau égale au l/9^ème de la vitesse du vent, à cause de la densité beaucoup plus élevée de l'eau. Donc, comme une vitesse moyenne du vent d'environ 9 m/s est considérée particulièrement intéressante pour une exploitation rentable de la puissance éolienne, par similitude une vitesse d'écoulement d'eau d'environ 1 m/s pourrait être considérée comme une source adéquate d'énergie à condition d'être bien exploitée. D'un autre coté l'énergie hydraulique ne pose pas le problème des vitesses variables comme c'est le cas avec l'énergie éolienne. En effet si la vitesse du vent est variable au cours d'une journée, de son côté la vitesse d'écoulement d'un cours d'eau est généralement régulière tout le long d'une journée (24 heures par jour) [67].

La technique traditionnelle la plus évidente qui est celle de roues hydrauliques actionnées par dessous, n'est malheureusement pas la technique la plus efficace pour l'exploitation de l'énergie des cours d'eau. La grande partie du dispositif se trouve en permanence en dehors de l'eau, donc inactive. L'Intermediate Technology Development Group (RU)a entrepris un programme de recherches, financé par le Gouvernement des Pays-Bas, visant à mettre au point des turbines pouvant être entièrement immergées afin d'obtenir la plus grande puissance mécanique à partir de l'énergie d'un cours d'eau. L'auteur de ce bulletin signale l'intérêt spécial qu'il apporte à ce sujet, puisque ce dispositif a été mis au point sous sa direction technique.

Le principal dispositif utilisé est une turbine à écoulement transversal à axe vertical. Le principe est similaire à celui de l'éolienne de Darrieus. Il présente l'avantage de comporter un arbre moteur vertical dont la prolongation au-dessus du plan d'eau facilite l'installation de toutes les pièces mécaniques sur le tablier d'un ponton au-dessus de l'eau. Contrairement à la roue hydraulique, ce dispositif peut intercepter un courant d'eau de section transversale relativement importante et ce, en utilisant un matériel très limité, en plus du rotor dont la vitesse de rotation est nettement supérieure à celle du cours d'eau (13,5 tr/min. en l'occurrence avec un courant de 1 m/s), ce qui réduit le train d'engrenage nécessaire pour entraîner une pompe à une vitesse suffisante. Le schéma de la figure 155 illustre le principe de fonctionnement. Par ailleurs, une unité a été effectivement mise en service sur le Nil Blanc près de Jbua au sud de Soudan. Cette unité à été utilisée pour l'irrigation par pompage et son fonctionnement a été satisfaisant et fiable. L'unité comprend un rotor de 3 m de diamètre à axe vertical (de superficie égale à 3,75 m²), entraînant une pompe centrifuge par l'intermédiaire d'un multiplicateur à courroie dentée à deux étages. Les essais ont montré qu'elle peut pomper un débit de 3,5 1/s à une hauteur d'eau de 5 m, dans courant d'une vitesse égale à 1,2 m/s. Pour un rendement de rotor de 25 à 30% (comparable à celui d'une petite éolienne), le rendement global de système a été de 6% du fait des pertes dans les canalisations ainsi que les pertes dans la pompe et dans la transmission. Le prototype dont le coût de construction s'élève à près de 5000 $ E.-U. a été utilisé avec succès pour irriguer une superficie de 6 ha de légumes. Des modèles plus petits, plus simples et moins coûteux ont été également testés près de Juba. Bien qu'il est difficile de se servir des prototypes pour déterminer les coûts, mais il semble d'ores et déjà que le dispositif présente effectivement des avantages économiques certains.

Les possibilités d'utilisation de l'énergie d'un cours d'eau pour pomper son eau propre ont été confirmées. Cependant il faut poursuivre les travaux entrepris pour optimiser le dispositif mis au point et passer à la fabrication en chaîne. Toutefois, l'énorme potentiel énergétique que représentent les cours d'eau, les canaux et en l'occurrence les marées devraient accélérer la prise en compte de cette source d'énergie peu connue dans le passé pour la mettre en définitive en exploitation. Ceci constitue une source importante d'énergie car les plus grands fleuves (tel que le Nil, l'Euphrate, le Zambèse, et l'Indus) traversent soit des régions arides ou bien des régions caractérisées par plusieurs mois de sécheresse.