Etude et réalisation d'une pico-centrale hydraulique (PCCH) pour la production de l'énergie électrique.

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Nous remercions respectueusement nos encadreurs, Mr A MELLrl`

et Mr 8 nŒDJAHED, pou tous les conseils et encouragements dont

nous avons bénéficiés tout au long de ce travail.

Nos respects et notne gratitude vont également aux membres du jury : Mr A TALEB et Mr M GRmŒS qui nous ont frit l'homeu de

juger ce travail.

Nous n'oublions pas non plus nos enseignants qui tout au long du cycle d'études à l'Uriversité de Jijel, nous ont transmis leu savoir.

Nous adressons une pensée particulièrement affective à nos amis de l'Uhiversité de Jijel qui ont rendu agréables nos longues années d'études.

Un grmd merci également à tous ceux qui ont contribué, de près ou de loin, à l'aboutissement de ce travail.

ListcL` di`.ç rigures i`t tàiblcaux

« Liste des figurcs »

FîgDr€ LI lnstallation des capteurs cylindro-parabolique ... 5

Figure 12 Capte`ir parabolique ...,,... 5

FÉgtm 13 Centrale à tour ... 6

FigDr€ 1.4 Evolution des capacités cimulée d'électricité renouvelable éolienne et solaire en France (Capacité installée en MW) ... 1 1 Figtire 11.1 Bamge de béni Haroun à Mila ... 19

Figure n.2 Bamge de bakhadda à Tiaret ...,... 1 9 Figure 113 Seuil de dérivation de l'aménagement hydroélectrique de Félou sur le fleuve Sénégal au Mali, hauteur 2 m, longueur 900 m ...,... 21

Figure H.4 Barrages Poids ... 22

Figup n5 Constn)ction du bamge de Salalah à Oman. barrage en terre avec paroi en béton plastique, hauteu 22 m, longueu 6 lm Fîgiire 11.6 Banages voutes Figure 11.7 Barrages à vo`ftes multiples ... __.. 24

Figure 11.8 Barrage EDF de Rose land dans le Beaufortin ... 25

Figure ll.9 L'évacuateur de cn]e ...,... 26

Figue n.lo Centrale hydroélectrique des Trois Gorges en Chine ... 28

Figure 11.11 Les différentes composantes d'une petite centrale hydmulique ... 39

Figure m2 Domaines d'utilisation des turbines dans les microcentrales ... 41

Figtire 1113 Tubine Pelton ... 43

Listes des figurcs et tablc`am

Figure 111.4 Turbine Cross flow ...

Fîgur€ 111.5 Tubine Francis Figur€ 111.6 Tmbine Kaplan

..._..._.44

Figure 111.7 Fomes des coubes de rendements de diffërentes turbines pou des débits

variables...48

FîgureIV.1Inmgesatemtedusiteagriculture...51

Fîgime IV2 Image satellite du site isolé ... Figqpe IV3 IÆ direction des conduites forcées ... Figur€ IV.4 Image satellite du site Figure IV.5 Stnict`me graphique des conduites forcées Figure IV.6 le schéma proposé du ŒCH) Figure IV.7 La pico-centrale hydraulique ŒCCH) réalisée Figtire IV.8 0rganigramme Figupe IV.9 Fome extérieure de l'alternateur ... Figure IV.10 La turbine de type Pelton .,... ..._._ ... _.._ 52 ... _. 53 _...60

..._62 ..._._..._...,...64

FigmeIV.llLapomped'eau...65

Fig]melv.12Icréservoir....,...,...,...,...,...65

Figuelv.13Multiplicateurdevitesse...,...66

FigDTeIV.14Testd.aLtemateurdanslelabounivŒsitaire...~...67

FiguiieIV.15Tensiondesortie(excitationparlabatterie)...68

Figme IV.16 Tension de sortie (auto-excitation) ... 70

FigureIV.17TensiondesortieŒPB),(ATE)...72

« Sommaire »

Introduction générale ... 1

Chapitre I : GénéraLlité sur ]es énergies renouvlab]es Introduction 1.1 Les diff*ents types d'énergies renouvelables 1.1.1 L'énerËes solaire I.l.1.1I.esdifférentstypesdel'énerSesolaire...4

1.1.2 Energie éolien ...,... 7

I.l.2.1Principedefonctionnement...7

1.1.2.2 I+e monté en puissance de l'éolien ... 8

I.l.3Energiehydraulique...8

1.1.3.1 Iie principe de fonctiomement ... 8

I.1.3.2IÆstypesdel'énertiehydraulique...9

1.1.4 L.énergie géothemique ... h ...,,...,...,. 9

1.1.4.1 Le principe de fonctionneinent 1.1.5 Les biomasses 1.1.5.1 Le potentiel de la biomasse 1.1.5.2 Les enjeux __._,..._.._...9

...."...9

1.2 Les expériences de quelques pays dans l'exploitation des énergies renouvelables ... 10

1.2.1 Les principales énergies renouvelables en Frmce ... 10

Conclusion.

Chapitre 111 : Généralité sur les petites centm]es hydrauliques ŒCED ...,... 32

Introduction... 111.1 Les petites centrales hydroélectriques (PCH) ... 111.1.1 Ia définition d'une petite centrale hydroélectrique ŒCH) ... 33

a. Pérennité des ressources ... „ ... „. 33

b. Respect de l'environnement ... 33

c. Possibilité de production décentralisée ... 34

m.1.2IÆdiffërentstypesdePCH...34

Les centrales de haute chute ... 34

Les cmtrales de moyenne chute ... 34

Les centrales de basse chute ... 34

111.1.3 Classement des PCH 111.1.4 La part des PCH pamri les autres fomes d'énergies renouvelables dans le monde 35 m.1.5 Principe de l'hydroélectricité 111.2 MiŒocentrales hydroélectriques 111.2.1 Les diffërentes composantes d'une microcentràle hydroélectrique ... 37

111.2.2 Les grmdeurs caractéristiques de microcentrale hydroélectrique ... 39

111.3 Les activités d'une microcentràLe hydroélectrique ... 111.3.1 1£ choix de t)pe de turbine d'une microcentrale hydroélectrique ... 40

111.3.2 Typologie des turbines ... 43

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Introduction générale

Introduction générale

Les énergies renouvelables utilisent des flux d'énergies d'origine naturelle (soleil, vent, eau, croissance végétale, géothermie etc.). Elles constituent donc une altemative aux énergies fossiles à plusieurs titres, eLles sont inépuisables, elles autorisent une production décentralisée adaptée à la fois aux ressources et aux besoins locaux et elles préservent l'enviromement car elles n'émettent pas de gaz à effet de serre, ne produisent pas de déchets et n'entraînent ni risques majeurs, ni nuisances locales significatives [1], [2]. L'hydro- électricité, première des énergies renouvelables, a un rôle majeu à jouer dans la sauvegarde de notre environnement.

L'énergie hydraulique utilise l'énergie des cours d'eau ou des chutes pou transformer la force motrice de l'eau en électricité. L'eau, par son poids et sa vitesse, met en action une turbine et tnansfome l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Ia turbine entraîne à son tou une génératrice qui transfome l'énergie mécarique en électricité [3], [4].

Dans le lieu où l'on pratique l'agriculture, en raison de la nature montagneuse, le site agricole ne peut pas être relié au réseau public de distribution, car il est techniquement trop complexe pou que le réseau atteindre jusqu' au ce site.

Dans ce contexte, le travail présenté dans ce mémoire est une Étude et réalisation d'une pico centrale hydraulique(PCCH) pour la production de l'énergie électrique.

Le but de notre travail est constitué en deux partie, la première partie pou étudier le site agricole isolé vis-à-vis le besoin énergétique et la possibilité de réaliser une petite centrale hydraulique ŒCH), la deuxième partie c'est une conception et réalisation d'une pico centrale hydraulique (PCCH).

Dans le premier chapitre, nous avons parlé en général su les énergies renouvelables et diverses sources en temes d'utilisation dans la production d'électricité, avec une explication simplifiée de chaque source, d'autDe part, nous avons également parlé de quelques-unes des expériences des plus grands pays du monde dans l'exploitation des sources d'énergies renouvelables, et nous avons parlé à un certain intérêt des Etats modemes dans le domaine des énergies renouvelables et des programmes soulignée par l'Etat pour une bonne utilisation dans m avenir proche.

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Introduction générale

Dans le deuxième chapitre, nous avons parlé en générale su l'énergie hydraulique

@aLrrages et centrales hydraulique), Nous avons parlé sur les différents types de barrages avec une explication simplifiée de chaque type en termes de forme et de la taille et des composants de sa construction. Ainsi que le classement des centrales hydrauliques en fonction de leu hauteu de chute et de leu mode de fonctiomement aussi suivant leu capacité de stockage, nous avons aussi présenté les différents types de fonctiomement, les avantages et les inconvénients de l'énergie hydraulique en générale.

Dans le troisième chapitre, nous avons parlé en générale su les petites centrales hydrauliques ŒCH), l'état de l'art actuel des petites centrales hydrauliques, les tubines hydrauliques et leu principe de fonctionnement ont été présentés. 11 en ressort que les petites centrales hydrauliques offient des perspectives intéressantes pou l'avenir de la production décentralisée d'énergie électrique. Les turbines hydrauliques « classiques » oflient des perspœtives intércssæites du frit du coût du génie civil par(iculièrement fàible et d'une forte intégration dans divers fleuves ou rivières.

DaJp le quatrième chapitre, 11 est divisé en deux parties,

• La première partie est une étude préliminaire su un site agricole isolé, il n'y a pas d'alimentation électrique à lui, et notre objectif est étude la possibilité d'établir me souœ d'énergie électrique par la construction d'une petite centrale hydroélectrique (PCH) afin de répondre aux besoins en électricité de ce site agricole.

• La deuxième partie est une partie expérimentale pou une conception et réalisation d'une pico centrale hydraulique (PCCH), Pou soutenir cette étude et la capacité à atteindre notre objectif à l'avenir de construire une petite centrale hydroélectrique pou alimenté le site agricole en électricité.

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Chapitre 1 Généralité sur ]es énergies renouve]ables

Introduction

Par définition, une énerrie renouvelable est une énergie exploitée par l'homme, de telle manière que ses réserves ne s'épuisent pas. En d'autres temes, « sa vitesse de formation doit être plus grande que sa vitesse d'utilisation » [5].

Le caractère renouvelable d'une énerrie dépend de la vitesse à laquelle la source se régénère, mais aussi de la vitesse à laquelle elle est consommée. Iæ pétrole ainsi que tous les combustibles fossiles ne sont pas des énerties renouvelàbles, les ressouices étant consommées à une vitesse bien supérieme à la vitesse à laquelle ces ressources sont naturellement créées.

Dans ce chapitie nous allons présenter les différents types d'énergies renouvelables, suivi par les enjeux et quelques exemples d'application (Europe, Affique et en Algérie).

LI I.es différents types d'énergies renouve]ables 1.1.1 L'énergies so]aîre

Le soleil, souce énergétique quasi-illimitée, est à l'oriSne d'un nombre impressionnant d'effët biologiques qui participent directement ou indirectement à la vie quotidienne (chaleu et lumière). Ce n'est qu'en 1954 que les premières piles solaires produisant de l'électicité firent leu apparition, grâce aux travaux de BELL LABORATORIES Œtats-Uhis).

1.1.1.1 Les différents types de l'énergie solaire

11 existe deux types de l'énergie solaire :

A) L'énergie so]aire thermique

On désigne par « solaine themodynamique » l'ensemble des techniques qui visent à transfomer l'énergie rayonnée par le soleil en chaleu élevée, puis celleci en énergie mécanique à travers un cycle themodynamique.

Cette filière est un peu la référence, en sens qu'elle met en œuvre la meilleure surface réfléchissame possible : une paràbole de révolution. Avec ce miroir, tom rayon incident parallèle à l'axe optique passe, après réflexion. par un même point qui s'appelle le « foyer ».

Pou fonctionner correctement, un tel miroir doit viser en permanence le soleil.

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Chapitre 1 Généralité sur les énergies renouve]ables

n existe trois filières de l'énerje solaire themique :

- Les f tLi`eres cytindro-pq[raboliqeæ

h figue suivante mome une instauafion cylindro-parabolique

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FÈgur€ 1.1 Installation des capteus cylindro-parabolique [29]

- Lesf ilières pœraboliques

ljafiguesuivantemontDeuneinstallationàcqftuparabolique.

Figure 12 Capteu pambolique [30]

- Les f ilières centrales à tour

l.a figue suivante montre une centrale à tour.

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Chapitre l Généralité sur ]es énergies renouve]a±±=

Figur€ 13 Centrale à tou [31]

8) L'énergie so]aire photovo]taïque

L'effet photovoltai~que a été découvert par Antoine BECQUEREL en 1839, 57 ans avant que son petit-fils Henri découvre la radioactivité. L'effet photovoltai~que est obtenu par absoiption des photons dans un matériau possédant au moins une transition possible entre deu niveau d'énergie.

- Les dif f lérentis technologies des cellules solaires

Daiis ce système, des lentilles ou des miroirs paraboliques sont utilisés pou concentrer le rayomement solaire sur les pameaux. Ije composant principal de ce système est le Silicium, et donc le rendement se diffère en fonction de type de silicium.

n existe tpois types de Silicium :

- Silicium monocristœllin

Matériau le plus répondu, présentant m bon rendement à fort et à moyen éclairement, il est à la base des panneaux « terrestres ». 11 est caractérisé par :

• Puissance des panneaux : 5 à300 Wc.

• Game d'éclairement : 100 à l000 W/m2.

• Usage : tous usage cn extéricure foroe et moyenne puissanœ (télécom habitat, Centrales et toit solaires).

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Chapitre 1 Généralité sur les énergies renouve]ab[es

• Silicium poly (ou multi-) cristallin

Cousingermainduprécédent(composésdemulticristaux),ilestunpeumoins perfomaDtessentiellementaméclairemcmtsmodérés,etégalementmoinsonéreux.nest caractérisé par :

• Puissanœdespanneaux : 5 à300 Wc.

• Game d'éclarient : 200 à iooo w/m2.

• Usage : silicium cristallin.

- Silicimœmori)he

Nettementmoinspuissantaüsoleilquelesdeupréoédents,cesiliciumencouche trèsmincerépondparconœàtousleséclairements(extérieuetintérieu),ilestmoins onéreuse, il est caractérisé par :

• Puissance de photopiles intérieues : 0 à l wc.

• Puissance des panneaux extérieurs : 0.5 à 90Wc.

• Œ-e d'éclairement : 20 à l000 W/m2.

• Usage : électronique professiomelle et grand public, électronique de ffible Consomim:tion en extérieu, oentrale au sol.

1.1.2 Energie éolien

L12.1 Principe de fonctionnement

L'énergie éolieme a aussi été vite exploitée à l'aide de moulins à vent équipés de pales en fome de voile, comme ceux que l'on peut voir au Pays-Bas ou encore ceux mentionnés daDs lhn Quichofte. Ces moulins utilisent l'énerrie mécanique pou actiomer différents équipements. Les moulins des Pays-Bas actioment directement des pompes dont le butestd'assécheroudemaintenirsecslespoldersdupays.Ijesneimie]sutilisentdesmoulins

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Chapitre 1 Généra]ité sur Les énergies renouvelab]es

pou fiire touner une meule à grains. Aujoudm, ce sont les éoliemes qui prement la place des moulins à vent. Les éoliemes tramsfoment l'énerSe mécanique en énergie électrique, soit pou l'injecter dans un réseau de distribution soit pou être utilisé sur place (site isolé de réseau de distribution) [6].

1.12.2 I,e monté en puissance de I'éolien

L'utilisation de l'énergie de vent connait plusieurs années une croissance spectaculaire dans le monde. La plupart des éoliennes installées dans le monde sont de conception classique, mais la forte croissamce mondiale du maiché des grmdes installations terrestres s'acœmpagne, chaque année, d'une aug[nentation de la puissance moyenne des éoliennes nouvellement installées et dans le même temps, d'une baisse des couts de production.

La multiplication des grandes installations pose alors le problème délicat de la iœherche de sitE§ terrestres fàvorables de g]ande taille et de la nécessaire limitation de 1 'impact des éoliennes su leu environnement naturel et humain [7].

1.13 Energie hydmu]ique

1.13.1 l.e principe de fonctionnement

Ces phénomènes prélèvent de l'eau principalement dans les océans et en ljbèrent ue partie su les continents à des altimdes variàbles. On parle du cycle de l'eau pou décrire ces mouvements. De l'eau en altimde possède une énergie potentielle de pesanteur. Cette énerde est peutétie alors captée et transfomée, lors des mouvements de l'cau qui reto`me ve]s les océans. Avant l'avènement de l'électricité, les moulins à eau pemettaient de capter cette énerrie mécanique pou entrainer des machines®utils (machines à tisser).I.es marées peuvent foumir localement de grandes quantités d'énerties physiquement propre, les marées ne peuvent cependant plus de centième de l'énergie potentiellement disponible à partir d'instdlation hydroélectrique.

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Chapitre 1 Générali.é sur les énergies renouvelables

1.13.2 I.es types de ]'énergie hydmuLique

• Enerde des vagues : utilise la puissance du mouvement des vagues.

• Enerde mæémotrice : issue du mouvement de l'eau créé par les marées (Variations du niveau de la mer, courants de marée).

• EnerSe hydrolieme : les hydroliennes utilisent les courants sous-marins,

• Energie themrique des mers : produite en exploitant la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans.

• Energie osmotique : la diffiision ionique provoquée par l'arrivée d'eau douce dans l'eau salée de la mer est source d'énerSe [8].

1.1.4 L'énergie géothermique

1.1.4.1 Le principe de fonctionnement

Le principe consiste à extraire l'énergie géothermique contenue dans le sol pou l'utiliser sous forme de chauffage ou pou la dansfomer en électricité. Dans les couches p[ofondes, la chaleu de la Terne est produite par la radioactivité nan]relle des ioches qui constituent la croûte terrestne : c'est l'énergie nucléaire produite par la désintégration de l'urarium, du thorim et du potassium. Cette énergie peut être valorisée soit sous forme d'électricité, soit sou fome de chaleu et chaque t}pe se distingue ses technolories et ses applications [9]. Par rapport à d'autres énerties renouvelables, la géothermie profonde ne dépend pas des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent). Les risements géothermiques ont me duiée de vie de plusieurs dizaines d'années. En 2009, les trois premiers producteürs sont les Etats-Unis, les Philippines et lmdonésie. Ce demier pays possède le plus grand potentiel (27 gigawatts, soit 40 % des réserves).

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Chapitre 1 Généra]ité sur ]es énergies renouvelables

1.1.5 Les biomasses

1.1.5.1 Le poteDtie] de la biomasse

La biomasse est le produit de la photosynthèse du gaz carbonique et de l'cau, réalisée par le captage de l'énergie solaire par les plmtes. Le rendement de conversion de l'énergie solaire, par le processus naturel, se situe en moyeme annuelle entre 0.5 et 1 % et la production de matière qui en résulte, de natime majoritairement lingo¢ellulosiqœ, est essentiellement co-dée su les continents, plus fiivorables que les océans, pou l'mcrage au sol des plantes et pou la foumiture des sels minéraux.

1.152 I.cs enjeu

Ces sotuœs d'énergies sont surù)ut adaptées à la production de la chaleu ou d'électricité, de manière internrittente et aléatoire, et doivent être associées à des moyens de stŒkage et de régiilafion, ou encore à dcs étapes de transformafion. qui en accroissent notamment la complexité et donc le prix. Le problème le plus délicat se situe au niveau des transports, qui représente actuellement, environ le quart de nos besoins et sont presque exclusivementalimentésàpartirdesréservesfossiles[10].

1.2 Les expériences de que]ques pays dans l'exploitation des énergies renouvelables

1.2.1 Les principales énergies renouvelables en France

a) L'énergie éoliet]ne

Au cœur de la stratégie de production d'énergie propre, le groupe (Alsthom Renewable Power) affiche sa volonté de proposer la gamme la plus large qu'est la production d'énerries renouvelables. Si l'éolien mobilise me large part de ses ambitions, ses demières sont légitimées par son expérience. Cette entreprise, acteu intemationale doté d'équipes mondiales de fabrication, de vente et de gestion de projet, est structurée pou mener à bien des pipjetsénergétiquesdetailleindustrielledepuisplusd'msiècle.

Un marché prometteur, me expérience recomue et surtout le développement d'metechnolotiedepointeapemetl'avmcedecetteendeprise.Sonobjectifprincipalestde

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Chapitre 1 Généralité sur les énergies renouvelables

réduire les coûts de l'électricité produite, objectif placé au cœu des préoccupations de ses clients électriciens. C'est à cet enjeu que répond la turbine mise au point par cette entreprise.

b) L'énergie solaire photovoltaïque

Le marché mondial du photovoltal.que est particulièrement dynamique et met en jeu des procédés de haute technolorie. La France dispose de réels atouts pou y affimer sa présŒce dÉms le domaine de photovoltai~que, comme ses nombreux centres de rœherche et univelsités, son riche tissu de Pm-PMl et ses groupes énergétiques d'envergure intemationale. Avec plus de quatTe arrêtés tari£àires en cinq ans.

En fort développement su la période 2006-2010, le secteu photovoltai~que a perdu en 2010-2011 environ 10 000 emplois et en perdra encore plusieurs millieis en 2012 si une action forte des pouvoirs publics n'est pæ mise en place. Pou autant, de nombreuses sociétés restent actives su toute la chaîne de valeu et l'on observe même une remontée veis l'amont, certains développeus de prQjets devenant producteurs de modules. Fin 2011, la Framce disposait d'environ 15 unités de fbrication de modules photovoltai~que, pou me capacité totale de production d'environ 1 000 MWc [11].

Figue1.4Evolutiondescapacitéscumuléed'électicitérenouvelableéolienneetsolaireen France (Capacité installée en MW) [32]

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Chapitre 1 Généralité sur les énergies renouvelables

1.22 L'ébergies renouvelables en Affique

Le niveau de développement des secteurs économiques et énergétiques varie entre les 54 pays afi.icains en tant qu'm continent vaste et diversifié. Les différentes ressources en énerËe, qu'elles soient fossiles ou renouvelables sont réparties de manière inégale, les défis auquels doivent fàire face les pays sont diffërents. Les pays possédant d'importantes ressouœs en combustibles fossiles doivent choisir entre les utiliser ou les exporter et se toumer veis d'autres sources d'énergie pou leur consommation intérietiie, pæ excmple lcs

énergies renouvelables.

Le déploicment des énerdes renouvelables est rentable et pou les trois principau secteus énergétiques : l'électricité, la chaleu et le transport. En outre, le recours à ce type d'énergie peut garantir l'accès à des services énergétiques modemes. IÆ potentiel de production de l'Affique en matière d'énergies renouvelables est Largement supérieu à la consommation électrique actuelle.

A ce jou, près de la moitié des pays afficains a entrçpris me évaluation des ressouiccs nationales disponibles pou une ou plusieus sources d'énerrie renowelables. Des évalutions ont été réalisées pou les éneraes solaire et éolieme dans au moins 21 pays, pour la biomasse dams au moins 14 pays, et sont actuellement en cours pou 1 'énergie géothemique dans sept pays. Des œntres de compétenœ spécialisés dans l'évaluation des ressourœs renouvelables @aim des universités, par exemple) voient le jou et l'ensemble des connaissances à ce sujet ne cesse de s'étoffer au sein d'institutions afficaines regroupamt des experts[12].

1.23 Les énergics renouvelab]es en A]gérie

L'Algérie amorce me dynanrique d'éneTrie verte en lançant un progtamme ambitieux de développement des énergies renouvelables et d'efficacité énergétique. Cette vision du progmme algérien s'appuie su me stratéde aD(ée su la mise en valeuT des ressouces inépuisables comme le solaire et leu utilisation pou diversifier les sources d'énergie et prépaner l'Algérie de demain.

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Chapitre 1 Généralité sur les énergies renouve]ables

1.23.1 L'économie de ]'énergie en A|gérie

L'Algérie est un pays qui dispose d'une réserve énergétique très important au niveau mondiàl, mais le problème énergétique en Algérie est m problème qui se pose en time de stratéüe de valorisation de ses ressouroes pou les besoins de développement du pays, de choix d'm véritable politique énergétique à long teme et de définition imédiate d'un modèle cohérent de la consommation énergétique avamt l'épuisement de ces sourœs fbssiles.

A ce stade-là, la loi Algérieme su la maitrise de l'énergie et les nouveaux textes règlementaire mise en plaoe récemment venus fixer et définir le cadre général des différentes actionsaffidepromouvoirunerationalisationdel'emploideséDerriesdisponibles[13].

A ce titre, le représentmt de « Clarke Energy Algeria MICHAUT Stéphane » a montré qu'à besoins énergétiques égaux, la cogénération pemettait de réaliser 40%

d'écononrie d'énerrie primaiie et de réduine des émissions d'm client industiel. Notant que l'Algérie s'oriente ve(s des moyens de production altematifs, le solaire en première place puis l'éolien, elle doit au même temps préserver les ressources actuelles en gaz naturel et rationnaliser son utilisation [ 14].

1.232 Les énergies renouve]ables comme so]ution

Le secteu des énerdes fossiles constitue des ressources à l'exportation en Algérie, œ qui est considéoé conime un document de sensibilisation et d'alerte pou le conseil national de l'énergie. Donc, c'est le moment de lancer des nouvelles politiques énergétiques en Algérie [15]. Le recours aux autres sotLrces d'énerde, y compris les énergies renouvelables, est camé dms le concçpt de la transition énergétique. I.a transition énergétiqu; ped se définir comme le passage d'me civilisation humaine construite su une énerrie essentiellement fossile, polluante, abondmte et peu chère à une civilisation où l'énerrie est renouvelable rare, chère et moins pollmte ayamt pou objectif le remplacement à tenue des énerries de stmk Œtrole,

charbon. gaz ,... ) par les énergies de flux (éolien, solaire, biomasse...).

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Chapitrc 1 Généralité sur les énergies renouvelab]es

1.233 Progmmme des énergies renouvelables

L'Algérie s'engage avec détemination su la voie des énergies renouvelable afin d'apporter des solutions globales et durables aux défis enviromementaux et atK problématiqucs de présc"ation des resso`mes énergétiques d'oriæne fossile. Ce choix stratégiqueestmotivéparl'i-ensepotentielenénergiesolaire.Cetteénergieconstitue1'aKe majeu du programme qui consacre au solaire thermique et au solaire photovoltaïque me part c±tielle. I.e solaire devrait alteindre d'ici 2030 plus de 37% de la production nafionale d'électricité.

Malgré m potentiel asæz ffible, le programme n'exclut pas l'éolien qui constitue le sccond aKe de développement et dont la part devrait avoisiner les 3% de la production d'électricité en 2030. L'Algérie prévoit également l'installation de quelques unités de taille expérimentale afin de tester lcs diffëi.emtes technoloËes en matière de biomasse, de géothermieetdedessalementdeseauxsaumâtresparlesdifférentesfilièresrenouvelables.

I.epiogrammedesénergiesrenowelàblesestdéfiniainsipoulesdifférentesphases:

• A morizon 2015, me puissance totale de près de 650 MW serait installée.

• D'ici 2020, il est aitendu l'installation d\me puissance totale d'environ 2 600 MW poulemai.chénationàletmepossibilitéd'exportationallamtjusqu'à10000MW.

La synthèse de ce programme, par type de filièpe de production, se présente comme suit.

a) Energie so]aire photwomïque

L'énergie solaire photovoltai.que désigne l'énergie récupérée et transformée directement en électricité à partir de la lumièœe du soleil paD des panneaux photovoltaïques.

Elle résulte de la conversion directe dans un semi¢onducteu d'un photon en électron. Oube les avmtages liés aux fribles coûts de maintenance des systèmes photovoltai~ques, cette énergie répond parfàitement au besoins des sites isolés et dont le raccordement au réseau élecŒiquc est très onéreux. L'énerde solaine photovoltai-que est me source d'énerrie non polluante,

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Chapitre 1 Généra]ité sur les énergies renouve]ab]es

modulaire, ses composæts se prêtent bien à me utilisation imovamte et esthétique en architectue. La stratégie énergétique en Algérie repose su 1 'accélération du développement de l'énerrie solaire. I,e gouvemement prévoit le lancemcnt de plusieuis projets solaires photovoltai.ques d'me capacité totale d'environ 800 MW d'ici 2020. D'autres projets dline capacité de 200 MWc par an devraient être réalisés su la période 2021-2030.

b) L'éneiigie solaire thermique

L'énerSe solaire thermique est la transformation du rayomement solaire en énergie thennique. Cette tramsfomation peut être utilisée directement ®ou chauffer m bâtiment par exenple) ou indirectement (comme la production de vapeu d'eau pou enmim des tubodtemateus et aimi obtenir de l'énergie électrique). En utilisant la chaleu transmise par rayomement plutôt que le rayonnement lui-même, ces modes de transfomation de l'énerrie se diriguent des ames formes d'énerrie comme les cellules photovoltaïques.

Deux projets pilotes de centrales thermiques à concentration avec stockage d'une puissance totale d'environ 150 MW chacune seront lancés su la période 2011-2013. Ces prQjetss'ajouterontàlacentralehybridedeHassiR'Meldtmepuissancede150MW,dont25 MW en solaire. Su la période 2016-2020, quatre ceiitrales solaires üermiques avec stockage d'une puissance totale d'environ 1200 MW devraient être mises en service. Le programme de la phaæ 2021-2030 prévoit l'installation d\me 500 MW par an jusqu'en 2023, puis 600 M.

c) Energie éolienne

h quantité d'énerSe produite paD une éolienne dépend principalement de la vitesse du vent, mais aussi de la surface balayée par les places et de la densité de l'air.

Le programine des énergies renouvelables temps, su la période 2011-2013, l'instàllation de puismce de 10 MW à Adrar. Entre 2014 et 2015 Algérien prévoit dans un premier la première ferme éolienne d'ue deu femes éoliemes de 20 MW chacune devraient être réalisées. Des études seront menées pou détecter les emplacements favorables afin de réaliser d'aütnes prQjets su la période 2016-2030 pou me puissance d'environ 1 700 MW.

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Chapitre 1 GénéraLité sur ]es énergies renouvelal)les

Conc]usion

h contribution des énergies renouvelables dans la régularisation de ce défi est primordiàle. C'est pou cela, il est fortement indispensable de s'intéresser à ce type d'énerrie durable en développant les tÉæhnolodes nécessaires pou assurer me bome exploitation de celle¢i, dans le but d'arriver à m rendement efficace. Aussi, la contribution des énerdes renouvelables nous pemet d'une parL de gaDder m enviromement propre et sain et d'autre parL pou assuer la proteotion de la biodiversité. Dans le chapitp suivamt nous allons présenter une génénalité su l'énergie hydraulique.

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Chapitre 11 Généralité sur l'énergie hydraulique

Introduction

Pami les grandes infiastructures hydrauliques su le territoire, les plus courantes sont l'aménagement des rivières, les barrages, les camaux et les écluses, les tunnels hydrauliques et les conduites, les retenues d'eau, les stations de pompage et les centrales hydroélectriques. Ces infi`astructures ont des buts divers tels que la protection contre les crues pour aider au développement d'activités humaines, la navigation fluviale pou le ùamsport de imichandises, les trzmsfërts d'eau c'est-àdire le transport de larges quantités d'eau d'une région à l'autre, l'alimentation en eau des villes, des industries et des cultures irriguées, la production d'énergie hydroélectrique. Dans ce qui suit ne sont traités que les ouvrages participamt à la production d'énergie, c'est-àdire principalement les barrages et les centrales hydroélectriques.

11 .1 Les barmges

Un cous d'eau natuel dans une vallée ou dans une plaine se trouve en dessous du riveau des terrains dam lesquels il a creusé son lit. De plus la profondeu d'eau peut être très fàible à l'étiage et varier de manière important en fonction des crues. Enfin la ressource en eau disponible dans ce cours d'eau varie duant suivant les saisons et même les amées.

Dans ces conditions, il est souvent difficile de tirer de l'eau de ce cours d'eau de manière régulière et fiable et sans avoir recours à une énergie pour relever cette eau par pompage ou par d'autres systèmes de relevage.

Le premier but d'ui barrage su un cours d'eau est de contrôler le niveau d'eau pour créer ui plan d'eau à niveau fixe ou peu variable à partir duquel une prise d'eau pourra alimenter de manière gravitaire un canal ou une conduite conduisant cette eau vers les usagers de cette ressource. Le plan d'eau lui-même peut être source d'activités humaines. Souvent on cherche également à créer un volume de stockage d'eau pou pallier les irrégularités de la ressource en eau dans le temps, ou pou amor(ir les crues, ce qui est obtenu en augmentant la hauteu du barrage.

Finalement les barrages sont destinés à pemettne divers usages de l'eau tels que l'alimentation en eau des villes, des industries ou des cultures, production d'énergie hydroélœtrique ou parfois activités des activités de pêche et de loisir. Un barrage peut

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Chapitre 11 Généralité sur l'énergie hydraulique

répondre à m ou plusieus usages et dans ce dernier cas on parle de barrage à buts

multiples[16].

Les figures 11-1 et n-2 présentent deux barrages (Béni Harom à Mila et Bakhadda à Tiaret)

Figure 11.1 Barrage de béni Haroun à Mila [33]

Figur€ 112 Barrage de bakhadda à Tiaret [33]

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11 .1.1 Les barrages antiques

On trouve des traces de barrages antiques dans divers pays du moyen orient. Le barrage de Sadd al-Kafara su le Wadi Garawi en Egypte au sud-est du Caire et datant de 2900- 2600 av. J.-C. serait le plus vieux barrage du monde construit en pierre. 11 aurait fàllu plus de 100 000 m3 de matériaux pou bâtir ce bamge de 106 mètres de long au sommet, d'environ 15 mètres de hauteu, et d'une épaisseu variant entre 84 mètres à la base et 62 m au sommet.

Le barrage devait se composer d'un remplissage de pienes grossières ou déchets de carrières tassés et compactés entre deux murs de 13 mètres d'épaisseu en crête munis de parements extérieus en maçomerie de pienes taillées et soigneusement ajustées.

Ce chamtier colossal pou l'époque nécessita sans doute près d'une décennie. Mais tout semble prouver que le barrage ne fiit jamais mis en eau. 11 fiit en partie détruit par une crue et les Égyptiens abandonnèrent alors le chantier [ 16].

11.1.2 Les barrages actuels

Le barrage le plus simple est un seuil fixe su une pariie duquel le cours d'eau vient déverser encas de crue. Les seuils les plus anciens sont réalisés en maçonnerie. Ces seuils fixes pemettmt le déversement sont maintenant construits en béton ou en remblai protégé par une carapace en emochements.

Ce seuil fixe va créer ui plan d'eau dont le niveau variera suivant la quantité d'eau déversée su le seuil. 11 pemettra de dériver une partie du cours d'eau ou de contrôler les érosions du lit plus en amont dans le cas d'une rivière ayant tendance à cieuser son lit.

En revanche ces seuils fixes ne permettront pas de £rire transiter le transport solide charrié dams le cous d'eau, si bien que le réservoir ainsi créé tendra à se remplir de sédiments et perdra progressivement sa capacité. En général une iætite passe vannée pemet de créer m écoulement nettoyant le fond devant la prise d'eau située à l'extrémité du seuil, mais ce dispositif ne pemet pas de contrôler le niveau de sédiments dans la retenue fomée paTle seuil.

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Poupemettrelepassagedessédimentsetmieuxcontrôlerleniveaudupland'cau, on utilise un barmge mobile constitué de plŒieus passes vannées et deux digues latérales non submersibles pou compléter la femetue de la retenue. Les vannes pemettent de réguler le nivc" du plan d'c" à volonté malgré la variation des débits du cours d'ea]L et peuventégalements'efficerpoupemettrelepassagedescrues[16].

FjguremSeuildedérivationdel'aménagementhydroélectriquedeFélousulefleuveSénégal au Mali, hauteu 2 m, longiieu 900 m [34]

11.13 Type des barrages actueLs

l.a suiélévation du plam d'eau répond en général au besoin de créer une capacité de stockage d'eau pou ffire face au variations de la ressouce. Dans le cas d'un aménagement hydroélectrique, la suélévation du plam d'eaü peut résulter d'm optimum économique entre le coût du barrage et la quantité d'énerrie produite, les deu aiigmentant avec la hauteu du barrage.

Les plus hauts barrages existamt dans le monde sont le barrage en remblai de Nouek au Tajikistan, d'me hauteu de 304 m, le barrage voute en béton de Xiaowan en Chine, d'me hauteu de 292 m et le barrage poids béton de la Grande-Dixence en Suisse, d'une haiiteu de 285 m.

LebarragedesTrois-GorgesestunbarragesituéaucœudelaChine,suleYangzi Jiang,danslaprovinceduHubei.naé¢émisenproductionparétapesde2006à2009eta créé me retenue de 600 kilomètres de longueur. C'est un barrage poids, long de 2 335 21l p a g e

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mèties et haut d'environ 140 mètres avec un évacuateu de crue d'une capacité de 116 000 m3/s. Sa construction a nécessité vingt-sçpt millions de m de béton et le volume de son iéservoir est de 39,3 milliaids de m3.

Suivamt les conditions topographiques du site, la qualité des fondations et des appuis en rive et suivant la disponibilité des matériaux de construction, les barrages réservoirs peuvent être de diffërents types [16].

I,es bairages poids résistent à la poussée de l'eau par leu masse. Les barrages poidsontd'abordétéconstruitsenmaçomerie,puisenbéton,etactuellementontrouvede plusenplusdebarragespoidsenbétoncompactéaurouleauŒCR).Lebétoncompactéaü rouleau est m béton fàiblement dosé en ciment qui se met en place en grandes masses par destechniquesdeterrassemcnt[16].

Figur€ 11.4 Barrages Poids [35]

Les digues ou barrages en remblais sont également des barrages résistant à la poussée de l'eau par leu poids. n peut s'agir de digues en tem homogènes pou des tiès petits bamgcs ris les bamges plus importants sont constitués de plusieus élémcmts, les uis assurmt la stabilité du barrage et les autres assurmt son étanchéité.

Pou me même hauteu, un barrage en remblai se(a beaucoup plus volumineux et aura me emprise au sol beaucoup plus gmnde qu'un barrage poids béton ou BCR, parce

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que les pentes des paiements d'une digue sont beaucoup plus fribles que les pentes des parements d'un barrage en béton.

L'étanchéité peut être assurée par un noyau central en arrile compactée, en béton plastique ou cm béton bitumineux situé suT l'aKe du barrage et mainmu par des iœharges amont et aval en terre ou en enrochements.

Œ parle alors de bamges en remblai à noyau [16].

Figuren5ConstructiondubarragedeSalalahàman,barrageenterreavecparoienbéton plastique, hauteu 22 m, longueu 6 lm [34]

L'étanchéité peu aussi être assuée par m masque su le parement amont du barrage, on parle alors de bairage à masque amont. n peut s'agir d'un masque bitumineu ou d'm masqœ en béton.

Les barrages voutes résistent à la poussée de l'eau essentiellement par leu fome de voute horizontale qui pemet de reporter les forces de poussée de l'eau su les rives. Le barrage voute nécessite que les rives de la vallée soient capables de reprmdre ces efforts trèsimportants[16].

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Chapitre 11 Généralité sur I'énergie hydraulique

Figure 11.6 Bamges voutes [35]

Plus la vallée sera large, plus il sera nécessaire de compléter l'effet de voute par m effet de masse du barrage, on finira par parler de barrage poids-voute qui cumule les deux effæ. Une variante des barrages poids est le barrage à œndeforts constitué par des éléments de mus verticaux reportant les efforts su des contreforts. Dans certains cas on trouve enfin des bamges à voutes multiples, rçportant la poussée de l'eau su me série de contreforts sépaiant ces voutes.

Figupe 11.7 Barrages à voutes multiples [35]

Enfin certains barrages combinent plusieurs solutions comme le barrage de Rose land articulant une voute à l'endroit où la gorge est la plus profonde, et des ailes constit`iées par des barrages à contreforB.

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Figure 11.8 Barmge EDF de Rose land dans le Beaufortin [34]

Dans le cas des barrages réservoirs, l'évacuation des sédiments de la retenue n'est possible que s'il est économiquement envisageable d'àbaisser le nivcau de retenue chaque mée au moment dcs ciues pou effectuer des chasses avec de gmndÉs vannœ situécs à la baæ du barrage. Souvent on doit renoncer à ffire transiter la totalité des sédiments soit paiœ que la vocation de la retenue est de fàire face à des années sèches, soit pai'ce que la perte de production hydroélectrique durant de longues périodes de chasse serait rédhibitoire. On doit donc prévoir une tranche morœ, c'est-àdire un volume en fond du réservoir destiné à se remplir progressivement au cours de la durée de vie économique de l'ouvrage.Damscecas.lepiégeagedessédimentsdanslaretenuedubarragepeutconduire dans certains cas à une forie érosion du lit plus en aval, et c'est un impact qui doit être étudié pour définir d'éventuelles mesLures de compensation [16].

H .1.4 Nécessité d'un évacuateur de coure

Un barrage ne peut paLs stocker l'eau apponée paD les plus grandes crues et doit donc être muni d'un évacuateur de crue. L'énergie à dissiper au passage d'une crue par l'évacuateur du bamage est généralement très importante. Par exemple une crue de 300 m/s trmsitant daDs l'évacuateu d'u barrage de50 m de hadeür dégage me puissance de 150 MW qu'il fàut dissiper au pied du barrage, sinon cette énergie serait capable d'éroder fortment la vallée en aval de l'ouvrage, pouvant même mettre en péril la fondation du

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barrage lui-même. Un évacuateu de crue comporte donc généralement un seuil de prise libre ou vannée, ui cousier et un ouvrage de dissipation qui peut être un bassin à ressaut ou une fosse de dissipation creusée artificiellement [ 16].

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Figure 11.9 L'évacuateur de crue |36]

BARRAGE VUE EN Pt-AN

11.2 L'énergie hydraulique

L'énergie hydroélectrique n'est pas la seule fome de production électrique à partir de l'énergie de l'eau mais elles ne constituent que de relativement £tibles capacités de production en comparaison des centrales hydroélectriques. Ce sont les turbines appelées hydroliennes qui exploitent l'énergie cinétique des courants marins ou fluviaux, les installations qui exploitent l'énergie des vagues, ainsi que l'énergie themique des mers.

Les centrales hydroélectriques exploitent l'énerde potentielle de l'eau dérivée d'un couis d'eau et restituée plus en aval. L'énergie de cette chute d'eau ainsi créée est transfomée en énergie mécanique par la turbine puis en énergie électrique par l'altemateu.

11.2.1 Puissance, chute et débit des centmles hydroélectriques

Les installations peuvent êtme caiactérisées selon trois critères.

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Chapitre ll Généralité sur l'énergie hydrauliq_u±

11.2.1.1 Gammes de puissance

Centrales hydroélectriques suivant leur puissance installée, les Petites Centrales Hydroélectriques (PCH) ou (Small hydro) ou Petite Hydroélectricité ŒHE), et les Grandes Centrales Hydroélectriques (GCH) ou (large hydro). La limite entre ces deux catégories peut varier d'un pays à l'autpe mais elle est généralement située à 10 MW.

En France dans la catégorie de la petite hydroélectricité, l'Agence de l'Enviromement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME) retient le classement qui a été établi par l'Union lntemationale des Producteurs et Distributeuis d'Energie Electrique ŒJNIPEDE) :

1. Petite mtrale pou une puissance comprise entre 2 000 kw et 10 000 kw 2. Mini-centrale pour une puissance comprise entre 500 kw et 2 000 kw 3. Micro-centrale pou une puissance comprise entre 20 kw et 500 KW 4. Pico«ntrale pou une puissance inférieure à 20 kw [17].

Fin 2012, la PIŒ représentait 87 % des installations hydrauliques en France, y compris les Départements et Territoires d'Outre-mer (DOM TOM), mais seulement 9 % de lapuissmceinstalléeetenviron10%delaproductiond'électricitéd'originehydraulique.

Les Grandes Centrales Hydroélectriques représentent la plus grande partie de la puissance installée et ont des puissances variant de quelques dizaines à plusieurs dizaines de milliers de MW pou les installations les plus puissantes.

À l'heue actuelle, l'installation ayant la plus gramde puissance de production jamais construite est le barrage des Trois Gorges en Chine. L'installation a une puissance totale installée de 22 500 MW constituée par 26 turbines de 700 MW et s unités supplémentaires (6 unités de 700 MW et 2 unités de 50 MW). La puissance des trois Gorges est le triple de la puissance installée de la plus grande centrale nucléaire de Kashiwazaki-Kariwa

(7 réacteurs) d'une puissance installée totale de 8 212 MW.

Lapuissancedeladeuxièmeplusgrandecentralehydroélectrique,celled'Itaipuàla ftontière entre le Brésil et le Paraguay, est de 14 000 MW.

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Chapitrc 11 Généra[ité sur ]'énergie hydrau[ique

Le projet Grand lnga au Congo, s'il se réàLise, dépassera toutes les centrales existamtes. Ce projet prévoit une puissance installée de 39 000 MW [17].

Figure11.10CentralehydoélectiquedesTroisGorgesenChine[37]

112.1.2 Débite, chute et puissance

La puissmce hydraulique d'ume chute d'eau, exprimée en watts (W), est le produit de la masse volumique de l'eau 1000 kg/ri3 par le débit Q (exprimé en m./s) et par la hauœu de chupe H, exprimée en mèbes de colonne d'eaii MCE.

Les particules liquides d'un cours d'eau perdent progressivement leur énergie potentielle paD fiottement su le fond et les berges en descendant le cours d'eau. Dans m aménagcment hydioélectrique, l'eau du cours d'eau est dérivée à m certain point, trmsportée jusqu'à la centrale paD des conduits hydrauliques à fàible perte d'énerrie puis restituée plu en aval. On dispose ainsi d'me chute d'eau dont l'énerrie hydraulique est t"foméeenénerriemécaniqueparlat`iri]inepuistransfoméeenénerrieélectriquepar l'àlternateu. La puissmce électrique délivrée par la centrale au transformateu du poste de départ vers le réseau électrique est la puissamce hydraulique de la chute d'eau diminuée par les pertes de charges dms les conduits hydrauliques, par le rendment de la turiiine, par le rendementdel'àltemateuetparlaconsommationdeséquipementsauxiliaires.

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Chal}itre 11

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Généralité sur l'énergie hydraulique

En ordre de  grandeu pou une première approche,  on a coutume de dire que  la

puissance  d'uie  centrale  exprimée  en  kw  est  égale  à  sQH  ce  qui  correspond  à  un rendement global de 82% pou l'installation,

D.après cette  fomule  approximative,  on  doit turbiner un  débit de  40  m3/s pou

générer une puissance de  100 MW sous 300 m de chute, alors qu'il faut tubiner 830 m3/s pou générer la même puissance sous 15 mètres de chute [16].

11.2.1.3  Classement des centrales en fonction de ]eur mode de fonctionnement et de ]eur capacité de stockage

A l'intérieu des deux grandes classes de centrales (PCH et GCH), les installations ne fonctioment pas toutes de la même façon, n'ont pas d'égales capacités de stockage et ne travaillent pas sous des hauteuis de chute identiques.

11.2.13.1 Types de fonctionnement : Gravitaires, STEP et Marémotrices

•     Les centrales dites gravitaires sont celles qui utilisent l'énergie d'une chute d'eau, comme  expliqué  ci­dessus.  Ces  centrales  peuvent  également  stocker  de  l'énergie potentielle  dans  une  retenue  pou pouvoir  produire  de  l'énergie  électrique  su  le réseau au moment le plus opportun pou l'équilibre de ce demier.

•     Les   stations   de   transfert   d'énergie   par  pompage   (STEP),   aussi   connues   sous l'appellation  centrales  de  pompage­tubinage,  ont  en  outre  la  capacité  d'utiliser l.énerrie disponible su le t.éseau lorsque cette énergie est excédentaiTe ou à faible valeu,   pou  pomper  l'eau  d'un  bassin  inférieu  vers  un  bassin   supérieu  et transformer ainsi  l'énergie électrique en énergie potentielle stockée dans le bassin supérieur.  L€s  STEP  sont  aujoud'hui  le  seul  moyen dispnible pu stocker de grandes quantités d'énergie.

•     Les  usines  marémotrices utilisent  l'éneTgie  des  marées en  stœ kant  l'eau à marée haute dans u.i estuaire  ou dans  un  bassin créé  artificiellement à l'aide de  digues, puis  tubinent  l'eau  ainsi  stockée  en  période  de  basses  eaux.  L'optimisation  du fonctionnement conduit à turbiner et à pomix:T l'cau dans  les deux  sens au cours

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