Dimensionnement d’une vis d’Archimède pour l’hydro-électricité – INSA Strasbourg. Optimisation d’une vis d’Archimède pour la production d’énergie dans les micro-centrales hydroélectriques.

par Guilhem DELLINGER, Abdelali TERFOUS, Abdellah GHENAIM, Pierre-André Garambois

MOTS-CLÉS : Mécanique des fluides, Energie renouvelable, Microcentrale hydroélectrique, Vis d’Archimède, Expérimentation

Résumé

L’utilisation de la vis d’Archimède dans les micro-centrales hydroélectriques est un moyen de production d’énergie renouvelable récent et en voie de développement. Elle est principalement utilisée pour exploiter les chutes d’eau de faibles débits et de faibles hauteurs. Nous proposons dans cet article d’étudier expérimentalement les performances de ce type de turbine en fonction des paramètres hydrauliques et géométriques. Une première partie montre l’influence du niveau d’eau en aval de la vis sur les performances de la turbine. Les rendements et les couples sont ensuite mesurés expérimentalement en fonction de la vitesse de rotation de la vis à débit fixe puis, en fonction du débit à vitesse de rotation fixe. Les résultats obtenus donnent des informations essentielles sur la conception de ce type de micro-centrale.

Introduction

Le principe de la vis d’Archimède est connu depuis plus de 2000 ans. Bien que cela soit contesté par de nombreux historiens, on attribue généralement l’invention de cette vis à Archimède de Syracuse (287-212 avant J-C). C’est à partir du 14ème siècle qu’on a commencé à utiliser la vis d’Archimède pour élever de grandes quantités d’eau sur de faibles hauteurs. Aujourd’hui, on l’utilise encore couramment pour l’élévation des eaux usées dans les stations d’épuration par exemple. Ce n’est qu’en 1992 que Karl-August Radlik propose pour la première fois l’utilisation de la vis d’Archimède, ou vis hydrodynamique, en tant que turbine afin de produire de l’énergie [RAD 97]. La première micro-centrale à vis d’Archimède en milieu naturel est ensuite installée en 1997
sur la rivière Eger à Aufhausen (Allemagne) et développe une puissance de 4 kW . Il existe maintenant plus de 180 installations de ce genre à travers l’Europe et plus de 400 à travers le monde [LAS 11]. D’après Williamson et al. [WIL 14] ces micro centrales ont un potentiel élevé sur les chutes d’eau de faibles hauteurs et de faibles débits. La hauteur maximale est d’environ 10 m et le débit peut atteindre les 10 m3 .s-1 . La centrale la plus puissante installée à ce jour se trouve sur le canal Albert (Belgique) et développe une puissance de 400 kW . Parmi les principaux avantages de ce type de centrale, on retiendra, en premier lieu, sa capacité à garder un rendement élevé malgré les fluctuations du débit. Ainsi, le débit peut varier de plus ou moins 20 % autour du débit nominal sans que cela n’ait d’impact sur le rendement [BRA 93]. Une étude récente menée sur 70 micro centrales en Europe a montré que le rendement moyen de l’ensemble de ces installations était de 69 % avec un maximal de 75 % [LAS 12]. Deux autres qualités importantes sont sa robustesse et le fait que ce soit une installation dite ichtyophile. En effet, d’après une étude mené par Kiebel et al. [KIE 09], pour les vitesses de rotations généralement utilisées et pour des poissons de taille inférieure à 1 m, ces derniers peuvent traverser la micro centrale sans être blessés.
L’utilisation de la vis hydrodynamique pour la production d’énergie est une technologie récente qui ne cesse de se développer. Malgré cela, la littérature à propos de la vis d’Archimède utilisée pour la production d’énergie est toujours insuffisante pour la conception réellement optimisée d’une micro centrale. Dans ce contexte, on se propose ici d’étudier expérimentalement les performances hydrauliques de la vis d’Archimède pour des paramètres géométriques et des conditions hydrauliques de fonctionnement différents. Ces résultats expérimentaux sont obtenus à l’aide d’un dispositif expérimental installé à l’INSA de Strasbourg. Les résultats obtenus permettront de comprendre l’influence de chaque paramètres et donc, par la suite, de pouvoir optimiser les performances de la vis d’Archimède.

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