Turbinage à contre-pression dans les réseaux d'eau

La configuration classique du turbinage de l'eau potable, notamment, comprend un réservoir construit à une altitude suffisante pour les besoins en aval, et une turbine, le plus souvent de type Pelton, installée en bout de conduite forcée et juste au-dessus de cette chambre.

Parfois, la topographie, l'accessibilité du site ou des questions économiques ne permettent pas de disposer de réservoirs. La technologie devra alors assurer une pression spécifique en aval du turbinage. Dans les turbines Pelton à contre-pression, l’air dans lequel tourne la roue est maintenu sous pression. Cela nécessite un compresseur d’air, un carter de turbine étanche à l’eau et à l’air, ainsi qu’une surveillance constante du niveau d’eau dans ce réservoir sous pression.

Au niveau européen, la société suisse Häny AG, membre de Swiss Small Hydro, est actuellement la seule à proposer ce type de turbines. Sa gamme de produits couvre des puissances de 10 kW à 1 MW, avec une contre-pression maximale de 20 m de colonne d’eau.

Parmi les turbines à réaction, bien que plus rare que la Pelton, la turbine Kaplan est une technologie présente sur les réseaux d'eau. Elle connait aujourd'hui des produits dérivés comme la Duo-Turbo et le système Locpower.

Turbine Kaplan standard
Depuis 2010, la station de traitement d'eau potable Poggio Cuculo, de la ville d'Arezzo, est équipée d'une turbine de type Kaplan. Installée en by-pass d'une vanne de dissipation, le turbogroupe de 44 kW exploite une chute brute de 28 mètres, définie par la différence de niveaux d'eau entre le bassin de mise en charge de la conduite forcée et celui en tête de la station de traitement.

Point particulier: l'axe horizontal de la turbine se trouve 3 mètres sous ce niveau d'eau aval, directement à côté de la vanne dissipatrice. Cette implantation est particulièrement intéressante par rapport au phénomène de cavitation. La turbine à 8 pales réglables et distributeur fixe est à vitesse variable de manière à s'adapter aux débits spécifiques de fonctionnement de la station de traitement (ainsi qu'à la forte perte de charge dans la conduite forcée).

Issue des entreprises Brunnbauer-Armaturen GmbH (Autriche) et Valpres (Italie), la technologie Locpower a été développée pour s'intégrer directement dans un réseau. Brevetée dans 22 pays, elle combine la régulation traditionnelle du débit et de la pression dans les canalisations avec une récupération de l'énergie hydraulique.

Parmi les caractéristiques et composants du produit, on peut noter :

• une double régulation du débit: électrique, d'une part, par un servomoteur, et hydraulique, d'autre part, en utilisant une turbine axiale (de type Kaplan)à un ou plusieurs étages, conçue pour s'adapter au corps de la vanne
• un générateur synchrone à aimants permanents, couvrant une plage de puissance de 5 à 300 kW
• un onduleur actif connecté qui fournit la fréquence de courant souhaitée
• une alimentation sans interruption intégrée (ASI), qui permet, en cas de panne de courant, de redémarrer de manière autonome pendant max. 24 heures
• un canal de dérivation interne, qui permet une régulation même en cas de défaillance de la turbine ou lorsque le débit est supérieur à la capacité de la
  turbine; d'où une optimisation de la production d'électricité, une réduction des surpressions inattendues et une meilleure protection de la tuyauterie en aval.

Le pupitre de commande électrique garantit un fonctionnement sans heurts. Un système de diagnostic avancé, pouvant être surveillé à distance, contrôle en permanence la vitesse de rotation de l'arbre et le couple afin d'éviter tout comportement anormal. Des mesures acoustiques et vibratoires permettent de détecter les changements inattendus des conditions de process afin d'éviter la cavitation, l'usure prématurée ou les fuites. La plupart des opérations de maintenance peuvent être effectuées sur place, sans qu'il soit nécessaire de démonter la vanne de la tuyauterie.

Tout comme la turbine Kaplan (turbine axiale), la turbine Francis (turbine radiale) fait partie des turbines dites «à réaction», dans lesquelles l'énergie de pression est principalement dissipée à l'intérieur de la roue. Cette technologie présente sur les réseaux d'eau connait des produits dérivés développés particulièrement en
Amérique du Nord.

«In-Line»
La société américaine Canyon Hydro a développé une technologie sur la base d'une turbine Francis, reconfigurée avec des brides en ligne ou «in-line flanges» pour en faciliter l'intégration directement dans le réseau. Un système de directrices ajustables permet de réguler à la fois le débit et les pressions tout en optimisant la plage de fonctionnement de la turbine en termes de rendement.

Ainsi, Canyon Hydro propose 5 types de turbines «In-line» pouvant s'adapter à des diamètres de conduite allant de 6 à 24 pouces (152 à 610 mm), pour des débits maximaux variant entre 0.9 et 1.6 m3/s sous une chute turbinable maximale de 175 m. Soit une gamme de puissance maximale comprise entre 100 et 2000 kW, suivant les modèles. Une technologie intéressante, mais malheureusement, encore non disponible sur le marché européen.

Bearstream
La société canadienne Bearstream propose des microturbines correspondant chacune à une puissance dissipée de 15 kW. Conçue pour s'adapter à des conduites de 100 à 200 mm de diamètre, la microtubine peut être utilisée dans une gamme de pression de 50 à 100 psi (de 3.4 à 6.9 bar).

La pompe inversée ou PAT (« Pump as turbine ») est une technologie très souvent utilisée pour le turbinage dans les réseaux, car bien connue des personnes y travaillant. De plus, son coût d'achat est souvent intéressant pour des puissances de moins de 50 kW. Assurer une pression aval n'est pas non plus problématique.

Pour exemple, une offre établie en juin 2023 par un des nombreux fournisseurs suisses présents sur le marché des pompes, répondait à une demande de 6 bar de pression aval avec une pompe à volute monocellulaire. Pour un débit de 90 l/s et une chute nette turbinable de 67 m, le rendement sur l'arbre était annoncé à 68 % en ce point (soit une puissance de 41 kW). Et le prix de 30 000 CHF rendait le projet de turbinage de l'eau potable envisageable pour justifier de continuer avec une étude détaillée, notamment, de la régularité en pressions et débits du réseau d'eau.

En effet, la pompe est très peu flexible. Le mieux est de disposer d'un réservoir-tampon en amont, permettant d'accumuler une certaine quantité d'eau de manière à fonctionner dans un régime correct pour la pompe, tout en limitant les séquences ON/OFF qui usent les organes d'ouverture, et peuvent causer des nuisances sonores et vibratoires problématiques pour les habitants à proximité du local de turbinage.

De plus, outre un by-pass de dissipation, la pompe inversée devra la plupart du temps être équipée d'un organe de régulation des débits, de vannes de révision permettant sa mise hors-eau et de tout organe de sécurité jugé utile. Ainsi, tout projet de pompe inversée devra-t-il s'intéresser aux coûts des organes annexes en balance avec les coûts d'exploitation, la durée de vie et l'électricité produite.

Ce panel dressé, qui ne se veut pas exhaustif, il s'agirait de s'intéresser, concernant les technologies hydrides notamment, à leur exploitation, comme évoqué brièvement pour la pompe inversée, et de collecter des retours de terrain.

Le marché international montre de plus en plus d'intérêt pour la récupération d'énergie. On peut constater une tendance à combiner les fonctions, à travers des «turbines augmentées» ou autres «PRV augmentées». Malgré les côtés innovateurs des approches, la sécurité doit rester primordiale, une redondance avec l'intégration d'un organe dissipateur classique en by-pass pourrait ne pas être un luxe.

Auteurs:
Aline Choulot et Jürg Breitenstein pour Swiss Small Hydro