Energie
hydrauliqueL'énergie hydraulique
résulte du mouvement de masses d'eau coulant le long des pentes naturelles.
Pour pouvoir transformer cette énergie en travail utile, il est nécessaire
de la concentrer, soit en tirant parti de chutes naturelles, soit par l'aménagement
d'un barrage de manière à obtenir une hauteur de chute et un
débit suffisant pour installer une centrale.
Sources principales:
- Sigvard Strandh, "Machines, histoire illustrée", Draeger,
Paris 1979.
- Jean Gimpel, "Le Moyen Age pour quoi faire?", Stock 1986,
pages 96 à 108.
Ordre d'apparition des machines hydrauliques: la roue à palettes, la roue horizontale, la roue verticale avec engrenages (la roue en dessous, la roue de côté et la roue en dessus), les moulins flottants, les moulins à marée, puis, en fin, les turbines.
La roue à palettes: cette roue dont le périmètre est garni de palettes et godets servait à élever l'eau, les palettes plongeant dans la rivière permettant le mouvement de la roue.
La roue horizontale: cette roue, entièrement immergée dans la rivière, est fixée à un arbre vertical avec, à l'autre extrémité, une meule. Ces moulins étaient, donc, exclusivement, dédiés à la mouture de grains. Ils apparaissent au premier siècle ACN (dans le Croissant fertile?).
La roue verticale:
apparait dans les premières décennies de cette ère.
Moulin de Barbegal (Arles): au quatrième siècle, les Romains
y érigent un complexe de huit paires de roues en dessus (2,2 m de diamètre
et 0,7 de large). L'eau était captée dans l'Arcoule par un aqueduc
de 2 m de largeur et 5,6 m de profondeur. A Barbegal, l'aqueduc est incliné
à 30 degrés. Chaque roue entraînant une paire de meules,
on a estimé la production de 2,8 tonnes de farines par jour, la plus
grande partie embarquée dans le port d'Arles et exportée vers
Rome.
Invention de l'arbre à cames au Moyen Age: dès lors, les roues
hydrauliques pourront actionner d'autres machines que les meules et mécaniser
les manufactures. La came va permettre d'écraser mécaniquement
le chanvre (matière première du papier et textile), fouler les
draps, marteler le fer, scier les grumes, broyer les minéraux, actionner
des soufflets,...
1086: le grand cadastre dans le Domesday Book (Livre du Jugement Dernier)
recense 5 624 moulins en Angleterre, soit, selon Lewis Mumford, un moulin
pour 400 habitants.
1276: premières mentions de moulins à papier mus par l'énergie
hydraulique à Fabriano (I). D'autres sont en fonctionnement en 1280
à Xativa (Valencia, E). Vers 1300, ils apparaissent en France. Le moulin
Richard-de-Bas date de 1326.
1848: en France, on dénombre 22 500 moulins à eau (dont 17 300
pour le blé) contre 5 200 machines à vapeur.
Début du 20e siècle: introduction, en Afrique orientale,de
moulins par les coolies indiens venus construire le chemin de fer de Mombassa
en Ouganda.
Malgré un rendement très faible (un demi CV, soit entre 3 et 400 W!), les roues hydrauliques furent utilisées pendant près de deux millénaires.
Les moulins flottants:
ils auraient été inventés, en 537, lors du siège
de Roma par les Goths. Ceux-ci ayant coupé l'alimentation en eau par
les aqueducs et presque tous les moulins romains étant mus par l'eau
des aqueducs, le défenseur de la ville, le général byzantin
Bélisaire, imagina d'installer des moulins à roues à
aubes sur le Tibre, pour assurer l'alimentation de farine de la ville.
Quelques siècles plus tard, on pouvait voir des moulins flottants à
Venizia et à Bagdad. Au douzième, on en construisit trois sous
les arches du Grand Pont de Paris. Au dix-huitième, on pouvait encore
voir à Köln, plusieurs exemplaires de ceux qui avaient été
installés au quinzième siècle sur le Rhein.
Les moulins à marée: on en construisit un, en 1130, près de l'embouchure de l'Adour (F). Un siècle plus tard, on en vit plusieurs près de Venezia. Ce n'est qu'au 20e siècle que l'énergie marémotrice sera utilisée industriellement avec la centrale de l'estuaire de la Rance (Bretagne).
Les turbines hydrauliques:
Eléments:
La prise d'eau est
constituée par une dérivation dont l'entrée est limitée
par un seuil et qui dirige le débit ainsi dérivé vers
le canal d'amenée. Le contrôle du débit s'effectue le
plus souvent ,soit par un barrage mobile dans la rivière, soit par
une vanne dans le canal d'amenée.
Il relie la prise d'eau à l'entrée de la centrale. Il est habituellement en écoulement libre à ciel ouvert.
Vannes d'isolation généralement rectangulaires, dont le fonctionnement est similaire à celui d'une guillotine, et qui permettent d'isoler la microcentrale de la rivière en cas de nécessité (entretien de l'installation, protection contre les crues,...)
La grille protège la turbine contre les corps charriés par la rivière, tandis que le dégrilleur, sorte de peigne ou de râteau, débarrasse la grille des éléments flottants accumulés.
La conduite forcée est un tuyau qui relie l'extrémité du canal d'amenée (au sommet de la pente) à la turbine (au pied de la pente). Elle supporte à son extrémité inférieure une pression de service voisine de la hauteur de chute.
Dans certains cas, par exemple les anciennes turbines Francis à axe vertical, la conduite forcée est remplacée par une chambre de mise en charge.
La turbine transforme l'énergie de l'eau en énergie mécanique. La turbine a remplacé la roue à aubes qui était utilisée jusqu'au 19ème siècle dans les moulins à eau. Le rendement d'une turbine (de l'ordre de 70%) est nettement supérieur à celui de la roue hydraulique (20%). Une turbine comprend des organes fixes, des organes de réglage et une partie mobile (roue). Les organes fixes et de réglage ont pour rôle essentiel de diriger l'eau sur la roue dans les meilleures conditions possibles; la partie mobile est destinée à produire un couple moteur sur l'arbre en transformant en puissance mécanique la plus grande fraction possible de la puissance disponible.
La régulation synchronise la vitesse de rotation de la turbine avec l'alternateur. Elle permet aussi le démarrage et l'arrêt de la turbine en actionnant le distributeur (voir plus loin ).
L'alternateur permet de transformer l'énergie mécanique en électricité. Il comporte un induit fixe (stator) et un inducteur tournant (rotor). Les alternateurs peuvent être classifiés suivant l'excitation du rotor. En ce qui concerne l'alternateur synchrone, l'excitation est produite par une petite génératrice annexe qui produit un courant créant un champ magnétique dans le rotor. Dans le cas de l'alternateur asynchrone, la fréquence et le voltage du courant sont imposés par le réseau. Il n'y a pas d'excitation du rotor. Cet alternateur est plus simple et plus robuste mais n'est utilisable que lorsque la puissance de la microcentrale est largement inférieure à la puissance du réseau, c'est-à-dire de la charge, qu'il alimente.
L'énergie produite peut être autoconsommée par le producteur (éclairage, matériel électrique, chauffage) ou être revendue au réseau.
Ce canal relie la sortie des turbines au lit du cours d'eau aménagé.
Une microcentrale mal intégrée dans son environnement, peut générer des perturbations de diverses natures.
Cependant, si la microcentrale est bien conçue, la plupart des atteintes à l'environnement peuvent être minimisées.
Les technologies hydroélectriques peuvent aussi tirer parti de l'énergie des marées, bien que dans ce cas, on ne peut plus dire qu'il s'agisse de microhydraulique.
Tout le monde connaît le phénomène de marée par lequel le niveau de la mer monte et descend environ toutes les 12 heures selon une amplitude variable dans le temps et dans l'espace. Ces variations de niveau provoquent la formation de courants périodiques, dits courants de marée.
Les marées sont provoquées par l'attraction exercée par le soleil et la lune sur les océans et sont de plus sensiblement influencées par la forme du relief des fonds marins (phénomène de résonance).
L'énergie hydraulique de la marée peut être transformée en énergie électrique au moyen d'un aménagement comprenant:
Le remplissage du bassin peut être réalisé par passage de l'eau à travers les turbines ou à travers les ouvertures ménagées dans le barrage. Le passage à travers les turbines peut avoir lieu, soit dans un seul sens : cycle à simple effet, soit dans les deux sens : cycle à double effet. Pratiquement, les perfectionnements apportés aux caractéristiques des turbines (groupes "bulbe", voir plus loin) ont rendu possible la réalisation de cycles à double effet dans des conditions satisfaisantes.
La turbine est à réaction lorsque la pression à l'entrée de la roue est plus grande que la pression à la sortie de la roue. Elle se compose des éléments suivants:
Utilisées pour les hautes chutes et faibles débits,
elles sont réalisées avec axe horizontal ou, de plus en plus
fréquemment, vertical.
La roue mobile comporte un certain nombre d'augets, en forme de double cuillère avec échancrure médiane. Leur nombre varie avec la hauteur de chute et la vitesse spécifique de rotation.
Le système de distribution est constitué par un injecteur comprenant une buse, une aiguille d'injection et un déflecteur. Ce dernier a pour objet de dévier brusquement le jet de la roue lorsque celle-ci tend à s'emballer, tandis que l'aiguille peut fermer ensuite l'injecteur aussi lentement qu'il est nécessaire. Une fermeture trop rapide peut en effet provoquer des coups de bélier dans la conduite d'alimentation. Aiguille et déflecteur sont actionnés par des servomoteurs à huile séparés, placés sous la dépendance d'un régulateur automatique. Un déviateur, appelé contre-jet, permet d'arrêter rapidement la roue lorsque l'admission d'eau est coupée (pour éviter que des vibrations n'abîment la fixation des axes de la turbine).
La constitution
des bâtis varie suivant la disposition des machines, axe vertical
ou horizontal, une ou deux roues, un ou plusieurs injecteurs.
La turbine Francis est composée de 8 à 15 aubes, de
surface gauche et de profil type "aile d'avion". La roue a donc l'aspect
d'un cylindre évidé en son centre d'un espace conique. L'eau
pénètre les côtés du cylindre par l'intermédiaire
d'un distributeur. Celui-ci est constitué d'un ensemble de directrices
mobiles parallèles à l'axe de rotation de la roue; elles sont
fixées à un disque fixe d'une part, et à un dispositif
mobile de commande, appelé "cercle de vannage", d'autre part. Le
rôle du distributeur est double: il sert avant tout à donner
aux filets d'eau une direction convenable à l'entrée de la
roue, afin d'éviter les chocs, mais également à régler
le débit.
Ce type de turbine
est principalement utilisé pour les basses et moyennes chutes (de
5 à 100 m), les débits pouvant atteindre 30 m3/s. Pour les
chutes supérieures à 6 m une bâche spirale amène
graduellement l'eau au distributeur. On rencontre aussi bien la disposition
avec arbre horizontal qu'avec arbre vertical.
La turbine Banki est également appelée "Cross-flow turbine"
ou turbine Mitchell.
Le nom "Cross-flow"
(débit traversant en anglais) vient du fait que l'eau traverse la
roue. L'eau actionne les ailettes à la fois à l'entrée
et à la sortie de la roue.
Cette turbine peut fonctionner sous une large gamme de débits et
de hauteurs.
La turbine hélice est constituée d'une hélice
à pales fixes dont l'axe est parallèle au flux. La turbine
hélice est bien adaptée aux basses chutes. Elle ne dispose
pas de distributeurs pour les petites puissances.
La turbine Kaplan
est une turbine hélice à pales mobiles. Cela permet un meilleur
fonctionnement de la turbine sur une plus grande gamme de débits.
Le groupe bulbe est constitué d'une turbine Kaplan et d'un alternateur
constituant un ensemble complète-ment entouré par le courant
d'eau: l'alternateur est contenu dans un bulbe métallique fermé.
Cet ensemble tourne autour d'un axe horizontal, dans une conduite de diamètre
légèrement supérieur à celui du cercle balayé
par la roue.
Ce groupe permet de faire des économies importantes en génie
civil.
Les premières machines transformatrices d'énergie furent des roues hydrauliques utilisables seulement pour les basses chutes.
Les roues hydrauliques à axe horizontal sont classées en trois types:
Malheureusement, une bonne partie de l'énergie de la chute est perdue en raison de l'alimentation de la roue par un conduit ouvert.
Le rendement global d'une roue hydraulique est de l'ordre de 20%.
L'expérience montre, pour la roue de dessus, que les augets ne peuvent être remplis qu'aux deux tiers maximum et que la partie inférieure de la roue doit rester hors de l'eau.
En Wallonie, une vingtaine
de centrales hydro-électriques indépendantes produisent environ
6 050 000 kWh/an soit l'énergie électrique nécessaire
à 1 730 ménages (2 000 tonnes de CO2 en moins). Elles sont réparties
sur l'Amblève, la Vesdre, la Lomme et la Lesse. La Lomme, une des rivières
les plus pentues de Belgique, rassemble une dizaine de sites de Saint-Hubert
à Libin.
Témoins historiques
Belgique
Abbaye de Val-Dieu (Herve): ce moulin à grain a été reconverti en bar-restaurant, mais l'intégralité du mécanisme et des meules ont été conservés sur le site.
Moulin de Donstienne: ce moulin à grain a entièrement restauré pour la meunerie à l'ancienne.
France
Ambert (Puy-de-Dôme): moulin Richard-de-Bas, le plus vieux moulin à papier de France (1326).
Barbegal à Fontvieille (à quelques kms au Nord-Est de Nîmes). Ruines d'un grand complexe antique de 16 moulins à roue verticale. Voir l'historique
Moulin de Bassilour
Moulin à farine et boulangerie (fermée le mardi)
Quartier Bassilour
F-64210 Bidart (Pays basque)
Tél.: 59 41 94 49
Barrage du Bazacle (Toulouse): ce barrage du 12e siècle sur la Garonne entraînait 12 moulins horizontaux.
Nederland
Réseau des moulins de Kinderdijk-Elshout (inscrit comme bien culturel du Patrimoine mondial). Ces moulins ont servi à l'assèchement des polders pour favoriser la colonisation agricole et humaine.
Portugal
25 000 moulins à roue horizontale y ont été recensés.
Suisse
Moulins souterrains du Col-des-Roches: dès 1549, un moulin à farine fut construit sur le parcours d'une rivière souterraine de 2 500 m. A l'apogée de l'exploitation, il y avait sous la montagne une huilerie, deux moulins à farine, un battoir et une scierie. Abandonnés en 1890, les moulins sont dégagés et restaurés depuis 1973.
Visites de mai à
octobre:
Fondation des moulins souterrains du Col-des-Roches
CH-2412 Col-des-Roches
Tél.: 41/39 31 89 89
Microcentrales contemporaines
En Wallonie:
Belgique
Abelpha
Association belge des producteurs autonomes
Marc Baudewins
39, Grand'rue
B-4960 Ligneuville
Fax: +32 (0)61/ 61 24 00
Amis des moulins asbl
Rue des Bollandistes, 45
B-1040 Bruxelles
tél. : +32 2 732 80 08 & fax : +32 2 735 96 40
amis.moulins.wal.bx@chello.be
http://users.skynet.be/moulins/
t'Serstevens Jean-Jacques
(inventaire des moulins en Belgique francophone)
Tel :+32 2 732 13 89
jjtec@chello.be
France
La Fédération
Francaise des Amis des Moulins
recense les moulins en France
5, rue Villiot
F - 75012 Paris
Tél : +33 1 43 47 43 47
Usine marée
motrice de la Rance
F-35780 La Richardais
Tél.: +33 (0)2 99 16 37 14
case
studies - Roues hydrauliques
des forges en Savoie
Anonyme.
Micro-hydro design manual. A guide to small-scale water power schemes.
Adam Harvey.
Anonyme.
Les petits aménagements hydroélectriques. Guide pour la conception,
la réalisation, la mise en service et l'exploitation.
Société hydrotechnique de France. 199, rue de Grenelle, 75007
Paris, France.
Anonyme.
Adaptation du comportement dynamique des régleurs de turbines hydrauliques
pour le réglage de réseaux.
Rev. Brown Boveri, Tome 47, N 10/11.
André, H.,
Audinet, M., Mazeran, G. et Richer, C.
Hydrométrie pratique des cours d'eau.
Eyrolles Editeurs. Paris, France.
Association européenne
de la petite hydraulique.
Esha Info.
Revue disponible au 50, rue du Taciturne, 1040 Bruxelles, Belgique.
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Prentice-Hall, INC., Englewoord Cliffs, NJ 07632.
L'eau au moulin
Trimestriel de liaison pour les petites centrales hydroélectriques
et les technologies durables. Rédacteur: Jean-Jacques t'Serstevens
(APERe)
Edité par l'APERe asbl
Journée des moulins en France
chaque 3e dimanche de juin
Organisé par la Fédération française des Amis
des Moulins
Paul De Neyer, mars
2005
Le logogramme hydraulique et le fond de page ont été
adaptés pour le Web par Marilyn
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