AQUIDEAS

     En disposant d’une petite rivière ou d’un ruisseau sur votre propriété, vous pourriez peut-être vous fournir en électricité pour vos installations piscicoles ou autres. Car le coût de l’énergie n’est pas gratuit et ne fait qu’augmenter au fil du temps ...surtout en cette période.

     Pour qu’un moulin à eau puisse opérer, il vous suffit d’avoir un terrain légèrement en pente et d’une source d’eau approchant certaines caractéristiques. Prenez les exemples suivants :

• Premier cas (dans le Maine, U.S.A.) - Avec une chute d’eau (sol en pente) de 2 mètres (m) entre les points bas et haut et en tournant à 154 révolutions par minute (rpm), une petite turbine peut produire 25 cheval vapeur à l’arbre pouvant fournir quelques 14 Kilowatts (Kw). Si l’on prend seulement une sortie de 10 Kilowatts et une estimation de 0,1€/Kw heure (KwH), un générateur modeste vous donne 720€/mois, soient 8.640€/an.

• Second cas (en Ecosse, U.K.) - En conduisant l’eau par une canalisation de section réduite, une mini-turbine peut générer 43Kw avec une chute d’eau de 2,4 m. Pour une valeur de 0,05€/KwH, cette installation est capable de générer plus de 15.000€/an ...ce qui n’est pas négligeable !

• Troisième cas (dans le Wicklow, Irlande) – En disposant d’un moulin à eau (petit barrage + roue à aubes¹ ...construits par le propriétaire), un différentiel de tracteur est capable de porter la très faible vitesse de rotation de la roue à 1.600 rpm nécessaire pour entraîner un alternateur/générateur de 6Kw.

• Quatrième cas (province du Luxembourg, Belgique) – Avec une chute d’eau de 7,2 m, un tuyau d’amenée d’eau de 0,4 m de diamètre, on peut obtenir 10 Kw avec un débit de 68 000 L/min (soient 1 133 litres/seconde) et au final 49 Kw (la turbine possède une hélice de 0,5 m).

     En pisciculture, il est souhaitable d‘avoir une chute d’eau minimum de 1,5 m, ce qui peut générer 1Kw avec un débit d’eau de 7 m³/minute (soient 116 litres/seconde). Lorsque l’eau provient d’un étang ou d'un gros réservoir situé à plus de 15 m en amont et que le débit de l’eau avoisine quatre fois cette quantité volumétrique, vous pouvez franchement intensifier un élevage de truites dans des raceways (longs bassins en parpaings/ciments) en y plaçant des aérateurs/oxygénateurs.

     Voici comment on peut estimer la puissance hydraulique (brute) générée par la roue d’un moulin à eau :

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P = ρ x g x Q x H

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P = la puissance en Watt

ρ = la masse volumique de l’eau (environ 1000 kg/m³)

g = l’accélération de la pesanteur (9,81 m/s²)

Q = le débit moyen (en m³/s)

H = la hauteur d’eau entre les niveaux amont et aval (en m).

     La chute d’eau est la hauteur (H ; une mesure verticale) à laquelle l’eau tombe d’un point (en amont) à l’autre (en aval). H peut également varier en fonction du débit (Q) et tend à diminuer avec les hauts débits.

Exemple d’usage de la roue à eau : la meunerie

     Le débit peut être une moyenne annuelle ou le minimum observé lors d’une saison, cela dépend du schéma d’utilisation de l’énergie. Si l’usage a lieu essentiellement en hiver, alors il faudra tenir compte du minimum durant cette saison.

     Donnons trois autres exemples :

1) Un moulin à eau sur une rivière au débit moyen de 1 m³/s et équipé d’un seuil formant une chute de 1 m donne une puissance (P) = 1 000 x 9,81 x 1 x 1 = 9 810 Watts, soient 9,81 Kw ;

2) Situé sur une rivière au débit moyen de 2 m³/s et équipé d’un seuil formant une chute de 2 m, le moulin à eau donne P = 1 000 x 9,81 x 2 x 2 = 39 240 Watts, soient 39,24 Kw ;

3) Avec un débit moyen de 3 m³/s et équipé d’un seuil formant une chute de 2 m, le moulin à eau donne P = 1 000 x 9,81 x 3 x 2 = 58 860 Watts, soient 58,86 Kw ;

     Il est à noter que la puissance hydraulique ci-dessus calculée ne donne qu’un ordre de grandeur, car pour obtenir la puissance hydroélectrique réelle obtenue à la sortie du générateur il faudra tenir compte de certains paramètres de correction. Ainsi, la turbine, la roue ou la vis, le multiplicateur et le générateur/l’alternateur n’offrent jamais 100 % de rendement étant donné qu’il y a toujours des pertes de puissance tout au long de la chaîne cinétique^2,3. Si des grilles (pour empêcher les feuilles, animaux et objets flottants) traversent l’eau en amont, il faudra aussi introduire un coefficient de correction à votre débit d’eau. Enfin, si une canalisation est utilisée pour amener l’eau au moulin, il faudra également tenir compte de la friction de l’eau sur le matériau dont est fait le conduit.

     En ce qui concerne les multiplicateurs (voir le schéma plus haut), compte tenu des faibles vitesses des roues, il est nécessaire de multiplier celles-ci pour que les générateurs/alternateurs puissent tourner de façon optimale. Les plus adaptés sont du type à engrenages parallèles et à bain d’huile. Les meilleurs auront 2% de perte par train d’engrenage.

     En ce qui concerne les micro-centrales performantes, on utilise généralement des turbines à hélices (du type Kaplan, ci-dessous) ou impulsion radiale. Le rendement des centrales est généralement compris entre 0,6 et 0,9.

                                                                                Turbine à hélice Kaplan

     Il existe aussi des moteurs hydrauliques sous forme de vis d’Archimède, ayant des rendements de plus de 90 %.

                                                   Turbine à vis d’Archimède

                                                           Une application de la turbine (x2) à vis d’Archimède

     Le type de turbine et son coût ont bien sûr leur importance. Ainsi les turbines Pelton⁴ (voir photo ci-après) n’opèrent qu’au-delà de 15M de chute d’eau. D’autres (comme les Francis⁵ et les turbines à hélices ; plus loin) peuvent être utilisées entre 1 et 15M. Entre 5-20Kw, attendez-vous à devoir donner au moins 1 000€ par Kw de capacité. En-dessous de 5Kw le prix par Kw augmente, au-dessus de 20Kw, ce coût décroît.

Turbine Pelton

                                                                                                Turbine Francis

     Pour revenir à notre roue à eau, il faudra également effectuer des dépenses supplémentaires pour quelques tuyaux et valves, ainsi qu’un caisson de protection pour votre mini-turbine. Généralement les petites turbines sont amorties sur 2-6 ans en excluant toute taxe, les bénéfices de la dépréciation et en assumant que l’énergie n’augmentera pas.

     Il est à noter que dans certains pays, comme en Europe, l’état impose une demande d’autorisation (pas toujours justifiée) pour pouvoir utiliser l’eau d’une rivière ou d’un ruisseau qui traverse votre propriété. Pour profiter d’une opportunité naturelle, c’est aussi le cas pour y installer une retenue d’eau.

     Il faudra enfin tenir compte de la faune endémique à la rivière pour ne pas occasionner de mortalité chez les espèces aquatiques : aucun obstacle ne devra perturber de possibles migrations saisonnières concernant certaines poissons, écrevisses, etc. qui vivent dans cette rivière.

     Dans tous les cas, vous devrez toujours tenir compte du fait que s’il y a d’autres utilisateurs d’eau de la rivière en aval, il faudra démontrer aux autorités officielles que vous ne réduirez pas sensiblement le débit et que l’eau rejetée après usage ne sera pas polluée. Il se pourrait enfin que la mise en place d’une installation ne générant pas plus de 100Kw ait une procédure administrative plus légère.

     Dans tous les cas, vous aurez opté pour l’acquisition d’une énergie certainement plus propre, d’un point de vue écologique, car l’usage de l’eau (hydroélectricité) est bien mieux que de brûler des produits classiques, comme les combustibles (liquides ou gazeux) issus du pétrole, le charbon et même le bois.

Références :

• connaissancedesenergies.org

• Cours d’ingénierie hydraulique (bibliothèque personnelle).

• Expériences de l’auteur dans plusieurs projets internationaux.

• Fish farms using hydropower offer energy independence ; reduce costs, D. McGuigan, 1981.

• moulinsdefrance.org

• moulindewanlin.be

• moulinsdu18.fr

Annexe : Rendement de différents types de turbines hydrauliques

                      (Utilisées pour de grosses productions industrielles d’électricité)

                         (Hauteur d'eau)                                                         

                                                                                                                                             (Débit d’eau)

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