v
Table des matières
REMERCIEMENTS ... i
RESUME ...iii
ABSTRACT ... iv
Table des matières ... v
Table des symboles ... xi
Liste des abréviations ... xiii
INTRODUCTION GÉNÉRALE ... 1
Chapitre I Contexte du secteur énergétique au Burundi ... 5
1.1 Introduction ... 5
1.2 Situation sociale et économique du Burundi ... 7
1.2.1 Contexte social ... 7
1.2.2 Contexte économique jusqu’en 2017 ... 8
1.3 Situation hydrologique du Burundi ... 9
1.3.1 Introduction ... 9
1.3.2 Les stations hydrométriques étudiées par Sher ... 10
1.3.3 Les sites potentiels ... 11
1.4 Contexte énergétique du Burundi ... 11
1.4.1 Introduction ... 11
1.4.2 Ressources énergétiques du Burundi ... 12
1.4.2.1 Situation des hydrocarbures au Burundi ... 12
1.4.2.2 La biomasse ... 15
1.4.2.3 Energie solaire ... 19
1.4.2.4 Energie éolienne ... 20
1.4.2.5 La petite hydroélectricité au Burundi ... 20
1.4.2.6 Projection de la demande et de la production d’électricité ... 24
1.5 Analyse de la situation énergétique burundaise en 2011 ... 25
1.5.1 Définition du diagramme Sankey des flux énergétiques ... 25
1.5.2 Situation énergétique du Burundi en 2011 ... 26
1.6 Conclusion partielle ... 30
Chapitre II La turbine Banki-Michell : état de l’art ... 31
2.1 Introduction ... 31
2.2 Les roues hydrauliques ... 31
vi
2.2.2 La roue de poitrine ... 32
2.2.3 La roue par-dessous ... 33
2.2.4 La roue Poncelet ... 33
2.2.5 Les roues hydrauliques à axe vertical ... 34
2.3 Turbines hydrauliques ... 35
2.3.1 Types de turbines ... 35
2.3.2 Vitesse spécifique ... 36
2.3.3 Détermination de la hauteur de chute ... 37
2.3.4 Sélection des turbines ... 39
2.3.5 Vitesse d’emballement ... 40
2.4 Le générateur électrique ... 41
2.5 Cadre théorique de la turbine Banki-Michell ... 41
2.5.1 Principe ... 41
2.5.2 Les composants de la turbine ... 42
2.5.3 Géométrie variable de la turbine ... 43
2.5.4 Paramètres de la géométrie de la turbine ... 44
2.5.4.1 Angle d’attaque α1 et angle des aubes β1 ... 45
2.5.4.2 La relation D2/D1 et le nombre d’aubages ... 47
2.5.4.3 Le rapport BR/BI ... 48
2.5.4.4 Angle θ de l’arc d’injection ... 48
2.5.5 Détermination des triangles de vitesses ... 49
2.5.6 Calcul de puissance et de rendement ... 54
2.5.7 Jupe d’aspiration ... 55
2.5.8 Intérêt pour les pays du Sud ... 56
2.5.9 Exemple de certains constructeurs de turbines Banki-Michell ... 56
2.5.9.1 Turbine Ossberger ... 56
2.5.9.2 La turbine hydraulique JLA ... 57
2.6 Conclusion partielle ... 58
Chapitre III Application de la turbine Banki-Michell dans la petite hydroélectricité au Burundi ... 59
3.1 Introduction ... 59
3.2 Les principes de l’hydraulique ... 59
3.2.1 Ecoulement dans les conduites ... 59
3.2.1.1 Calcul des pertes de charge régulières ... 61
vii
3.2.2 Mesures de débit d’une rivière ... 62
3.2.2.1 Débits instantanés, débits classés ... 63
3.2.2.2 Débit minimal, débit de restitution et débit turbinable ... 64
3.2.3 Méthode de mesure de débit ... 65
3.2.3.1 Méthode d’exploration du champ des vitesses ... 65
3.2.3.2 La méthode de jaugeage chimique ... 68
3.3 Indices standardisés des précipitations de la station 10164... 70
3.4 Mesures de débit de la rivière Mwogere pour l’année 2017 ... 73
3.4.1 Localisation, description et sélection du site ... 73
3.4.2 Mesurage des débits ... 74
3.4.3 Profil de la section transversale du site de Ryamukona ... 77
3.4.4 Courbes de débits instantanés et classés de la rivière Mwogere ... 78
3.4.5 Méthode des points réduits adaptée pour le site de Ryamukona ... 79
3.5 Notion d’incertitude liée aux mesures de débit du site de Ryamukona ... 82
3.6 Conditions climatiques du site de Ryamukona ... 83
3.7 Notion de micro-centrale hydroélectrique ... 83
3.7.1 Définition et classification des centrales hydroélectriques ... 83
3.7.2 Les types d’aménagement hydroélectrique ... 85
3.6.2.1 Classification selon la hauteur de chute ... 85
3.6.2.2 Classification selon la constitution de la centrale ... 86
3.7.3 Les éléments de génie civil d’une microcentrale hydroélectrique ... 86
3.6.3.1 Les ouvrages de prise d’eau ... 87
3.6.3.2 Les ouvrages de dérivation... 87
3.6.3.3 Les équipements de production... 89
3.6.3.4 Les ouvrages de restitution ... 89
3.7.4 Electrification rurale décentralisée ... 89
3.7.5 Les étapes d’un projet d’une petite centrale hydroélectrique ... 90
3.8 Conclusion partielle ... 90
Chapitre IV Présentation du banc d’essais, des essais et ... 93
discussion des résultats ... 93
4.1 Logique des mesures à réaliser ... 93
4.2 Présentation du banc d’essais ... 94
4.2.1 Introduction ... 94
viii 4.2.3 Partie mécanique ... 96 4.2.3.1 La turbine JLA 29 ... 97 4.2.3.2 Le motoréducteur ... 97 4.2.4 Capteurs de mesure ... 98 4.2.4.1 Mesure de débit ... 99
4.2.4.2 Mesure de pression statique ... 100
4.2.4.3 Mesure du couple mécanique ... 100
4.2.4.4 Mesure de la position de la vanne de contrôle ... 101
4.2.5 Système de contrôle ... 102
4.2.5.1 Contrôle de débit ... 102
4.2.5.2 Contrôle de vitesse de rotation ... 102
4.3 Programme d’acquisition des mesures ... 103
4.3.1 Acquisition des mesures ... 103
4.3.2 Commande du vérin électrique ... 104
4.3.3 Analyse des erreurs d’acquisition des mesures ... 105
4.4 Présentation des essais et des résultats ... 106
4.4.1 Introduction ... 106
4.4.2 Description des essais ... 107
4.4.3 Résultats et discussion des résultats ... 109
4.5 Conclusion partielle ... 113
Chapitre V Etude du phénomène de cavitation sur les aubes statoriques de l’injecteur d’une turbine Banki-Michell ... 115
5.1 Généralités sur le phénomène de cavitation ... 115
5.1.1 Introduction ... 115
5.1.2 Les différents types de cavitation ... 117
5.1.3 Les conséquences possibles de la cavitation... 117
5.1.4 Paramètre de cavitation ... 118
5.2 Cavitation dans l’injecteur d’une turbine Banki-Michell ... 119
5.2.1 Cadre théorique ... 119
5.2.2 La géométrie de l’injecteur de la turbine JLA 29 ... 121
5.2.3 Vanne de contrôle de débit ... 123
5.3 Simulation numérique de l’injecteur équipé d’une vanne aileron ... 124
5.3.1 Force de viscosité ... 124
5.3.2 Equation de Navier-Stokes ... 125
ix
5.3.3.1 Définition de la géométrie ... 126
5.3.3.2 Réalisation du maillage ... 127
5.3.3.3 Détermination des conditions aux limites ... 129
5.3.3.4 Paramètres du solveur CFD ... 130
5.3.4 Les résultats des simulations CFD ... 131
5.3.4.1 Introduction... 131
5.3.4.2 Présentation et discussion des résultats ... 132
5.4 Mesures de la hauteur de la section de passage ... 136
5.5 Conclusion partielle ... 137
Chapitre VI Lois de dimensionnement de turbines Banki-Michell pour une production décentralisée au Burundi ... 139
6.1 Introduction ... 139
6.2 Dimensionnement d’une turbine Banki-Michell ... 139
6.3 Présentation des résultats de dimensionnement pour le site de Ryamukona ... 143
6.4 Prévision de la demande électrique du site de Ryamukona ... 146
6.5 Conclusion partielle ... 149
Conclusions générales ... 151
Bibliographie ... 154
Liste des publications ... 160
ANNEXE 1 : Protocoles de la méthode des points réduits pour le site de Ryamukona ... 161
ANNEXE 2 : Protocoles de la méthode de dilution du NaCl pour le site de Ryamukona ... 166
ANNEXE 3 : Calcul des pertes de charge de la conduite forcée ... 171
ANNEXE 4 : Calcul d’incertitude sur la mesure de rendement ... 172