Récupération d’’énergie au fil de l’eau.

[yvon l]

Bonjour,
Supposons que l’on dispose d’un courant d’eau de débit 2 M³/s La configuration du lit donne une vitesse de l’eau par exemple 3,3m/s.

L’énergie cinétique contenue dans l’eau qui passe en 1 sec à un endroit donné est de:
E=1/2MV² = 1/2*2000*3,3²=10000 J
1- Quelle puissance mécanique pourrait-on tirer en moulinant cette eau (ou en turbinant) ?
2—Est ce que le volume, et /ou la longueur de la machine (suivant le fil de l’eau) est-il un paramètre pour déterminer le rendement de l’opération ?
Rem on dispose de la même énergie si on fait tomber ces 2M³ de 0,5 m (E= mgH = 2000*10*0,5= 10000 J
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[chatelot16]

la vitesse et le debit ne font pas une puissance disponible ... si la vitesse est juste la vitesse que ça prend en écoulement naturel , il n'y a aucune energie a recuperer

pour recuperer de l'energie il faut modifier le cours d'eau ! il faut le rendre plus large pour que le debit passe facilement sans perte de hauteur ... et concentrer la hauteur de chute d'eau a l'endroit ou l'on met la turbine ou la roue ... puissance = pression x debit

il faut modifier le cours d'eau aussi bien en amont qu'en aval ... creuser un canal d'evacuation le plus bas possible est aussi efficace que de construire un bief le plus haut possible

[XK150]

Bonjour ,

Une roue au fil de l'eau rentre dans le régime générale avec un débit et , forcément un dénivelé .

Je vous laisse trouver les liens des calculs de base sur Internet .
Pour l'application pratique , je pense que ce sera difficile à cause des divers rendements à évaluer .

[chatelot16]

l'energie cinetique de l'eau qui passe dans une riviere dans son etat naturel est un chiffre inutile !

on prend toute l'eau qui passe en une seconde , et on recupere l'energie pour l'arrèter , la mettre a vitesse nulle ... et une fois qu'on a arèté cette eau on fait quoi ? ou va on mettre l'eau qui arrive a la seconde suivante ?

il n'y a qu'un cas ou cette notion d'energie cinetique est valable : turbine Pelton : il y a un jet d'eau a forte pression et faible debit , qui tape dans une roue a cuilère qui exploite toute l'energie cinetique , et cette eau tombe en vrac a vitesse presque nulle

[A voir en vidéo sur Futura]

[vincent66]

Bonsoir...

A faible pression une turbine linéaire genre Kaplan est préférable...

Belle soirée...!

[yvon l]

Grand merci pour les réponses.
En rebondissant sur ma 2eme question:

2—Est ce que le volume, et /ou la longueur de la machine (suivant le fil de l’eau) est-il un paramètre pour déterminer le rendement de l’opération ?

On pourrait dire que la machine complète qui permet le transfert d'énergie est constituée d'une turbine combinée avec un bief (sa longueur). On récupère ainsi une partie de l'énergie au passage de l'eau dans la turbine grâce à la modification du "fonctionnement" du cours d'eau.
Plutôt que d’être convertie en énergie thermique dans le courant d'eau (pendant la diminution de l'énergie potentielle de l'eau) , de l'énergie potentielle est (reste) disponible pour faire travailler la turbine.
Le fait qu'en amont de la turbine, on a une étendue d'eau calme (bief) montre bien comment on diminue le transfert potentiel -> cinétique ->calorifique en amont de la turbine (à comparer avec le courant d'eau primitif)..
Pourrait-on conclure ainsi ?

[chatelot16]

quand on laisse la riviere dans son etat naturel elle prend le niveau juste suffisant pour faire passer tout le debit en perdant toute l'energie en frottement

quand on fait un barrage on augmente le niveau donc on augmente la section de passage , donc on reduit la perte de charge , et la pente devient pratiquement nulle : et si le bief est suffisament long on a une denivellation pour faire marcher une roue ou une turbine ... il y a une multitude de solution et le meilleur rendement n'est pas forcement n'importe quelle turbine : les roue sagebien aient un très bon rendement , mais le defaut de tourner très lentement donc d'etre très grosse (donc chere ) pour leur puissance

avec les turbine on se contente souvent de rendement assez moyen pour ne pas etre trop chere ... mais il n'y a pas de maximum theorique ... si on y met les moyen on peut aprocher autant que l'on veut du 100%

une qualité a prendre en compte pour choisir une roue ou une turbine est la variation du rendement en fonction de la hauteur de chute et du debit ... une turbine a bon rendement dans ses condition nominale dont le rendement se reduit lamentablement quand ça varie n'est pas la meilleure ... on prefere souvent des solution a rendement maximum moins bon mais meilleure dans les condition variable

[barda]

En fait, il est tout à fait possible de récupérer l'énergie d'une rivière "au fil de l'eau" sans aménagement particulier de la rivière; l'énergie récupérée sera celle de l'énergie cinétique de l'eau en mouvement, le rendement théorique étant calculable à partir de la masse d'eau concernée par le dispositif et la différence de vitesse entre l'entrée et la sortie. C'est exactement le même principe qu'une éolienne.

De nombreux dispositifs se servent de ce principe, depuis les générateurs d'électricité pour voiliers (commercialisés par diverses marques) jusqu'aux hydroliennes, en phase plus ou moins expérimentale. D'une façon générale, ce sont des hélices qui sont utilisées, mais il y a quelques tentatives avec des systèmes "Voith-Schneider", notamment pour des dispositifs flottants...

Les rendements sont bien inférieurs à ceux obtenus dans les barrages, mais l'investissement et l'impact sur l'environnement sont bien moindre...

[yvon l]

En fait, il est tout à fait possible de récupérer l'énergie d'une rivière "au fil de l'eau" sans aménagement particulier de la rivière; l'énergie récupérée sera celle de l'énergie cinétique de l'eau en mouvement, le rendement théorique étant calculable à partir de la masse d'eau concernée par le dispositif et la différence de vitesse entre l'entrée et la sortie. C'est exactement le même principe qu'une éolienne.
...

L'eau étant incompressible, comment assure-ton le delta Vitesse ?

[yvon l]

Encore un grand merci pour vos réponses
Je m’intéresse plus particulièrement à la régulation de micros turbines pour l’amener à son rendement maximum.
Prenons par exemple d’une turbine convenablement dimensionnée pour un débit d’eau moyen donné. On désire renvoyer dans un réseau électrique constamment l’énergie récupérée à l’aide d’une machine asynchrone (moteur) (cas ou le tarif du KWH est unique).
Le moteur asynchrone assure la régulation de vitesse (légèrement au-dessus de la vitesse de synchronisme) et permet une solution simple de régulation par le réseau.
Reste à adapter la vitesse de la turbine avec la vitesse pratiquement constante de la machine asynchrone. On sera donc amené à choisir un rapport de vitesses turbine-roue de façon que la puissance électrique transférée soit maximale. C’est très simple à mesurer (wattmètre).
Maintenant si l'on considère les variations autour du débit moyen.
On doit pouvoir faire varier le rapport des vitesses de façon à pouvoir se placer à la puissance maximum. La régulation consiste à ajuster le rapport suivant le débit : le plus simple est de mesurer ce débit et ajuster le rapport en fonction de cette mesure ( après réglage de la courbe rapport/débit) (à déterminer par essais préalables)
Cette solution est électriquement simple mais mécaniquement un peu compliquée.
Pour avoir une solution mécaniquement simple, il faut utiliser un générateur électrique couplé avec un rapport constant et bien adapté avec la turbine, L'électronique de puissance constituée d’un onduleur, assurera le transfert maximal d’énergie en adaptant la valeur de consigne en fonction du débit par exemple (de la vitesse de l’ensemble) ou de la puissance mesurée.
Par ces moyens on peut éviter la construction d’un bief de volume élevé (je n'ai pas dit de longueur élevé) car la machine s’adapte aux variations naturelles du débit.

Dans le cas opposé d’une micro turbine alimentant un réseau privé, le problème est différent car la maîtrise de la puissance à fournir est du ressort de l’utilisateur.
Mais ceci est une autre histoire.
Par exemple bief de volume suffisamment important pour accumuler l’énergie…
Assurer la fréquence du micro réseau … Etc

Qu’en pensez vous ?

[f6bes]

Bjr à toi,
Tu n'a rien à assurer, tu laisses faire ton parcours de l'eau.
Je suppose que la pression de l'eau va légérement augmenter à l'arriére ( arrivée ).
Les pales vont "géner" le débit de l'eau...donc augmentation de pression.
Il y aura donc une surpession à l'arriére et par voie de conséquenbce une dépression APRES
le passage.
C'est du moins comme cela que je le vois!
Bonne journée

[yvon l]

...
Je suppose que la pression de l'eau va légérement augmenter à l'arriére ( arrivée ).
Les pales vont "géner" le débit de l'eau...donc augmentation de pression.
Il y aura donc une surpession à l'arriére et par voie de conséquenbce une dépression APRES
le passage. ...

Oui, ça je comprends bien, (variation de pression * débit) mais j'ai du mal à "visualiser cela du point de vue énergétique.
Comment, par exemple dans un tuyau horizontal, l'énergie mécanique fournie par l'hélice emprunte cette énergie à l'énergie cinétique de l'eau ? Je ne vois pas bien où est la variation de vitesse de l'eau.

[antek]

Si la turbine intercepte la section du tuyau il n'y a pas de variation entre avant et après la turbine !
Il y a une différence de débit entre avec et sans installation.

[barda]

L'eau étant incompressible, comment assure-ton le delta Vitesse ?

En quoi la compressibilité de l'eau aurait-elle un rôle à jouer? Ce n'est pas un barrage qui bloque tout mouvement de liquide...

[yvon l]

Après réflexion, je pense avoir compris.
Quand on prélève de l'énergie à un flux d'eau (transfert mécanique et /ou calorifique), on doit apporter de l'énergie (par exemple potentielle) au flux pour maintenir la vitesse du flux. Sinon le flux total diminue progressivement de vitesse. Si la masse du flux concernée est importante la modification de la vitesse (entre avec ou pas de prélèvement) du flux est peu marqué (et même pratiquement nulle)(comparaison entre l'énergie cinétique du flux et l'énergie prélevée).
Qu'en pensez-vous ?

[chatelot16]

une riviere n'est pas un tuyau !

quand on met une turbine sur un tuyau , la turbine prend tout le debit du tuyau , et si on veut faire de la puissance la turbine doit opposer une contre pression au passage de l'eau

un riviere a un niveau variable : la vitesse de l'eau est ce quelle est quand ça coule naturelement

si on veut la perturber le moins possible on peut y mettre une hydrolienne ... mais on a le même defaut que les eolienne : le vent contourne l'eolienne si elle oppose trop de resistance au vent ... il faut chercher un optimum ... si on ne s’oppose pas du tout au passage on ne fait aucunne energie ... si on s’oppose trop il ne passe plus rien et on ne produit rien ... l'optimum fait la limite de betz

dans le cas d'un riviere l'hydrolienne ne peut servir que pour faire une puissance très faible avec une grande riviere que l'on ne veut pas modifier ... pour exploiter une riviere avec l'energie maximum il faut la modifier

il ne faut pas oublier que la majorité des riviere francaise ne sont pas dans le etat naturel ! c'est une succession de barrage datant du moyen age ... même si les moulin ne sont plus en activité les barrage sont encore la et entretenu parce qu'on prefere des riviere bien pleine a un torrent étroit

les petit ruisseau font les grandes riviere ... une multitude de petites turbine a la place de chaque ancien moulin ferait une puissance enorme

[yvon l]

une riviere n'est pas un tuyau !

quand on met une turbine sur un tuyau , la turbine prend tout le debit du tuyau , et si on veut faire de la puissance la turbine doit opposer une contre pression au passage de l'eau. ...

Merci beaucoup pour vos commentaires.
Ma dernière intervention correspond à imaginer un modèle théorique simplifié permettant de comprendre comment une hydrolienne puise son énergie dans un milieu liquide (non compressible). Cela vu à partir de la conservation de l'énergie.
Dans le cas de l'hydrolienne, la variation de vitesse de débit doit être nulle . Si celle-ci n'était pas nulle, la variation de vitesse concernerait toute la masse d'eau dans laquelle la machine est immergée. La masse étant pratiquement infinie, la variation de débit (variation de vitesse) est donc pratiquement nulle (1/2mV² est finie et correspond à l'énergie prélevée par la machine.
Bonsoir.

[barda]

Je crois Yvon que ton raisonnement n'est pas valide: toute la masse d'eau ne passe pas dans le dispositif, et se rajoutent à tes spéculations divers phénomènes d'hydrodynamiques (création de vagues, différences de niveau, frottement visqueux...) qui rendent le phénomène pas facile à comprendre, et encore moins à formaliser...

Tu dois pouvoir trouver de nombreuses publications sur ces thème, la chose ayant fait l'objet d'études approfondies (ce sont les mêmes lois que celles régissant les hélices de navires -qui ont une certaine importance économique-), mais pour parler schématiquement le principe est simple: l'eau en mouvement (donc avec une énergie cinétique) est ralentie au passage de l'hélice (donc avec surpression sur l'avant et dépression sur l'arrière, ce qui met l'hélice en rotation), le déficit en débit étant comblé à l'aval par le restant du flux ne passant pas par l'hélice. Il y a de multiples phénomènes d'ondes et de variations de niveau (puisque la surface de l'eau est libre) dont on peut avoir une image approximative en regardant les vagues générées par un bateau en mouvement: création d'une vague d'étrave (donc élévation du niveau due à la surpression), puis creux lié à une dépression, puis nouvelle vague de poupe, puis formation d'un remous arrière; ça n'est effectivement qu'une idée approximative des phénomènes, mais assez parlante...

Je pense que la mise au point des hydroliennes actuelles a du donner lieu à des expérimentations rigoureuses et à des théorisations sérieuses, quoique peut-être pas aussi importantes que celles menées pour l'aérodynamique, qui ont débuté avec l'aviation et se poursuivent encore, vu la complexité des phénomènes...

[yvon l]

Je crois Yvon que ton raisonnement n'est pas valide: toute la masse d'eau ne passe pas dans le dispositif, et se rajoutent à tes spéculations divers phénomènes d'hydrodynamiques (création de vagues, différences de niveau, frottement visqueux...) qui rendent le phénomène pas facile à comprendre, et encore moins à formaliser...

Oui, tu as parfaitement raison pour la complexité du problème (mon dernier cours de physique industrielle date de plus de 50 ans), mais j'essaye d'avoir une approche didactique qui montre comment on peut transférer l'énergie cinétique d'une masse d'eau pour en faire un travail mécanique.
Donc je vais reformuler:
1- quand une masse d'eau M traverse une hydrolienne, elle abandonne une partie de son énergie cinétique dans celle-ci en la transférant en énergie mécanique (travail).
Ceci correspond à une variation de vitesse de cette masse donnée par M*delta (V)² (1)
C'est donc bien le module d'un V élevé au carré qui subit une variation.
2-par contre de quoi parle-t-on quand on parle de vitesse avant et après passage de la masse dans la machine, en sachant que cette masse correspond à un volume constant
Ceci voudrait dire (mais je me trompe peut-être) que la moyenne de l'intégrale (somme) des vecteurs vitesses élémentaires de chaque volume élémentaire qui traverse la machine seraient nulles ?
On peut aussi définir une variation de vitesse à partir du travail soutiré chaque seconde par la machine : P= delta P * Débit
(je pense qu'on retrouverait (1) en considérant la masse qui traverse la machine chaque seconde).

[yvon l]

A oui, j'ai supposé dans cette modélisation que la turbine se trouve dans un tube de diamètre constant et de longueur tel que le flux est redevenu laminaire. De plus les frottements sont considérés hors modèle pour ce concentrer sur le transfert mécanique proprement dit .

[yvon l]

Ceci voudrait dire (mais je me trompe peut-être) que la moyenne de l'intégrale (somme) des vecteurs vitesses élémentaires de chaque volume élémentaire qui traverse la machine seraient nulles ?

Désolé, à corriger:
Ceci voudrait dire (mais je me trompe peut-être) que la moyenne de l'intégrale (somme) des vecteurs vitesses élémentaires de chaque volume élémentaire qui traverse la machine donne un même résultat avant et après passage dans la machine ?

[barda]

Je pense que tu pars sur des bases trop mathématiques pour aboutir à un résultat opérationnel. Ce principe de transformation d'énergie est trop parasité par des phénomènes mal connus pour pouvoir ex-abrupto lui donner une expression mathématique ( la NACA, comme G.Eiffel, ont longuement expérimenté, mesuré, testé les phénomènes d'aérodynamisme avant d'en tirer quelques lois plus ou moins rigoureuses).

Il est simple de calculer l'énergie potentielle d'une masse d'eau animée d'une vitesse, ça ne reste qu'un potentiel peut-être jamais atteignable. Cela supposerait que la vitesse devienne nulle, chose quasi impossible en pratique.

Il est certain que des phénomènes de décélération-accélération associés à des variations de pression sont à l'œuvre (comme dans un convergent-divergent, ou une aile d'avion) qu'il faudra finement mesurer et analyser avant de les modéliser (si ce n'est déjà fait...).

En tous cas, tu te trompes à simplifier le principe en considérant qu'il s'agit d'un tube de diamètre constant parcouru par un flux laminaire; ce n'est pas la situation rencontrée.

[chatelot16]

Merci beaucoup pour vos commentaires.
Ma dernière intervention correspond à imaginer un modèle théorique simplifié permettant de comprendre comment une hydrolienne puise son énergie dans un milieu liquide (non compressible). Cela vu à partir de la conservation de l'énergie.
Dans le cas de l'hydrolienne, la variation de vitesse de débit doit être nulle . Si celle-ci n'était pas nulle, la variation de vitesse concernerait toute la masse d'eau dans laquelle la machine est immergée. La masse étant pratiquement infinie, la variation de débit (variation de vitesse) est donc pratiquement nulle (1/2mV² est finie et correspond à l'énergie prélevée par la machine.
Bonsoir.

si l'hydrolienne ne fait rien varier , c'est qu'elle ne recupère aucune energie ... une hydrolienne c'est bien pour charger son telephone portable avec une riviere qui pourrait faire infiniment plus si on y mettait un vrai barrage !

[yvon l]

En tous cas, tu te trompes à simplifier le principe en considérant qu'il s'agit d'un tube de diamètre constant parcouru par un flux laminaire; ce n'est pas la situation rencontrée.

Tout à fait possible que ce modèle n'est pas correct, pour moi principalement à cause du transfert calorifique inhérent au processus utilisé pour retirer de l'énergie mécanique.
Je vais donc refaire "l'exercice" d'une autre façon:
On dispose d'une masse d'eau très importante contenant à un instant une énergie totale donnée, somme de l'énergie cinétique et potentielle due à son agitation.
Si on suppose que cette masse ne reçoit plus d'énergie de l'extérieur, cette énergie va progressivement disparaître
1) Dans cette masse d'eau, se trouvait une hydrolienne à l'arrêt (Vitesse angulaire N=0), ou tournant à vide (Couple=0) la machine n'extrait pas d'énergie mécanique de l'eau. L'énergie est alors complètement dissipée sous forme thermique
2)la machine extrait de l'énergie mécanique (pas à vide ni bloquée) avec une puissance P=NC
Dans les deux cas, à la fin l'eau sera immobile (en supposant qu'il n'y a pas de gradient de température) et ne contiendra plus d'énergie potentielle et cinétique.
Par contre dans le deuxième cas une partie de toute l'énergie (potentielle-cinétique) qui était disponible est récupéré sous forme mécanique.
L'hydrolienne est en quelque sorte un appareil qui détourne une partie du transfert thermique en structurant le transfert.
Pour une machine donnée, la régulation consiste à adapter la charge (la vitesse par exemple) de façon à obtenir la puissance d'extraction maximale.

[yvon l]

si l'hydrolienne ne fait rien varier , c'est qu'elle ne recupère aucune energie ... une hydrolienne c'est bien pour charger son telephone portable avec une riviere qui pourrait faire infiniment plus si on y mettait un vrai barrage !

En effet, j’en arrive également à la même conclusion du point de vue efficacité.
Par contre on peut retirer de l’énergie mécanique dans un contexte de variation de vitesse moyenne nulle, pour autant qu’on se situe dans le cadre d’un transfert calorifique d’énergie via un obstacle mobile (moulin, hydrolienne …)
Si l’obstacle est fixe, la variation d’énergie passe complètement en chaleur, sinon une partie de l’énergie passe par le mouvement de la roue, si celle-ci actionne un appareil qui lui donne un couple résistant.
Du point de vue théorique , voila comment je le comprends :
En reprenant la conclusion partielle suivante:

Désolé, à corriger:
Ceci voudrait dire (mais je me trompe peut-être) que la moyenne de l'intégrale (somme) des vecteurs vitesses élémentaires de chaque volume élémentaire qui traverse la machine donne un même résultat avant et après passage dans la machine ?

Ceci est possible dans le cadre de perte d’énergie sous forme de chaleur. L’énergie thermique est la forme de l’énergie correspondant à la somme des 1/2MV² (non nulle) au niveau moléculaire, alors que l’énergie cinétique au niveau macroscopique est nulle, ce qui revient à dire que la somme des micros vecteurs vitesses constituant le fluide est égale à zéro.
Un obstacle tel que la roue du moulin au fil de l’eau permet à’une (petite) partie de l’énergie passant par la roue d'être récupérée par celle-ci plutôt que partir en chaleur.
Donc on peut récupérer de l’énergie sans variation de débit à condition d’accepter des pertes plus ou moins fortes (donc peut d’efficacité).
Qu'en pensez-vous ?

[chatelot16]

quand on met un barrage et fait passer toute l'eau dans une roue ou turbine il n'y a pas de variation de debit ... il y a juste une varaition de niveau , donc une pression au niveau de la turbine

bien sur la vitesse dans la turbine est beaucoup plus forte que dans la riviere , mais on met a la sortie de la turbine un divergent qui evite la perte d'enrgie au changement de vitesse : grace au divergent la pression a la sortie de la turbine est plus faible que la pression au niveau aval

une autre solution pour avoir un bon rendement jusqu'a 90% est la roue sagebien , très lente donc très large pour un gros debit avec vitesse de sortie très lente , donc pas besoin de divergent comme avec une turbine

[yvon l]

quand on met un barrage et fait passer toute l'eau dans une roue ou turbine il n'y a pas de variation de debit ... il y a juste une varaition de niveau , donc une pression au niveau de la turbine

bien sur la vitesse dans la turbine est beaucoup plus forte que dans la riviere , mais on met a la sortie de la turbine un divergent qui evite la perte d'enrgie au changement de vitesse : grace au divergent la pression a la sortie de la turbine est plus faible que la pression au niveau aval

une autre solution pour avoir un bon rendement jusqu'a 90% est la roue sagebien , très lente donc très large pour un gros debit avec vitesse de sortie très lente , donc pas besoin de divergent comme avec une turbine

Oui, effectivement, le divergent améliore le rendement en "obligeant" la diminution de la vitesse de l'eau.On constate ainsi simplement la diminution de l'énergie cinétique de l'eau. Pour diminuer les pertes, il faut donc adapter correctement la divergence à la partie cinétique de l'énergie à extraire (pas la potentielle). C'est sans doute parce l'énergie cinétique de l'eau est faible que la rouge sagebien n'a pas besoin de divergent. Celle-ci vient chercher l'énergie potentielle de l'eau.
Dans le cas d'une roue au fil de l'eau, qui devrait récupérer de l'énergie cinétique avec un rendement un temps soit peu acceptable, il faudrait pouvoir maîtriser un système divergent afin de ralentir l'eau en sortie et diminuer la pression . Connaissez-vous des solutions ?
Encore merci pour vos interventions.

[barda]

Voir plutôt du côté de la théorie de Froude, qui repose plutôt sur la conservation de la quantité de mouvement... Ceci dit, cela restera très approximatif en termes de rendement réel...

[yvon l]

Voir plutôt du côté de la théorie de Froude, qui repose plutôt sur la conservation de la quantité de mouvement... Ceci dit, cela restera très approximatif en termes de rendement réel...

Merci pour vos contributions