La charge hydraulique désigne une mesure de l'énergie contenue dans l'eau des rivières, des ruisseaux ou des lacs. Elle représente le niveau d'eau dans une masse d'eau en mouvement. En d'autres termes, elle mesure la hauteur d'une colonne d'eau au-dessus d'un point donné et s'exprime généralement en mètres (ou en pieds aux États-Unis). Plus le niveau d'eau, ou charge hydraulique, est élevé, plus l'énergie disponible à cet endroit est importante.
Dans les installations hydroélectriques, la quantité d'énergie captée dépend de la différence de niveau d'eau entre l'amont du réservoir et l'aval du barrage. Cette différence est appelée différence de hauteur de chute. Elle détermine la quantité d'énergie pouvant être convertie en électricité à l'aide de turbines et de générateurs. Des calculs complémentaires montrent qu'outre la distance, diverses pertes, appelées pertes de charge, influent également sur la captation d'énergie.
L'eau du réservoir, située plus haut, possède une énergie potentielle gravitationnelle horizontale supérieure à celle du canal de fuite. Cette énergie potentielle gravitationnelle, transmise par les conduites forcées , génère l'énergie nécessaire au fonctionnement des turbines et à la production d'électricité. Le processus est décrit ci-après à l'aide de l'équation de Bernoulli. De manière générale, une hauteur de chute correspond à une unité d'énergie gravitationnelle ; dans ce cas précis, il s'agit du volume d'eau stocké.
L'équation de puissance hydroélectrique utilise la valeur de la charge hydraulique pour estimer la puissance disponible. Ce facteur joue un rôle dans l'équation représentée comme suit :
P = ρQgΔh
Où? :
- P – La vitesse à laquelle la puissance est calculée et les mesures sont exprimées en joules par seconde, appelées W.
- Δh – Représente la différence de charge hydraulique à travers le barrage ou la turbine mesurée en mètres.
- ρ – Cela dépend de la densité du fluide mesurée en kg/m3.
- Q – Désigne le débit volumétrique ou le débit d’eau mesuré en mètres par seconde (m3/s).
- g – Représente l’accélération de la gravité, mesurée en mètres par seconde au carré.
Cette équation stipule qu'une plus grande différence de hauteur d'eau entraîne un potentiel d'énergie mécanique stockée dans les réservoirs.
Types de têtes hydrauliques
Il existe trois classifications de barrages selon leurs différences de charge hydraulique : moyenne et faible. Nous aborderons plus en détail ces différents types de charge hydraulique ultérieurement.
1. Tête haute
Lorsqu'une différence de hauteur de chute dépasse cent mètres, on parle de centrale à haute chute. Contrairement à la précédente, l'eau qui y circule est généralement puisée à une altitude supérieure à celle des sources environnantes, ce qui signifie qu'un volume d'eau moindre est nécessaire pour produire une énergie équivalente. Le débit de l'eau dans ces systèmes étant faible, des turbines de petite taille sont requises.
L'eau doit également parcourir une certaine distance en utilisant une conduite forcée longue, car même une turbine plus courte et une conduite forcée plus étroite entraîneront la formation de poches d'air réduisant le rendement. La plupart des grandes centrales hydroélectriques se situent dans les hauteurs de chute élevées et moyennes.
2. Tête moyenne
Dans les barrages à moyenne chute, la différence de hauteur varie de 10 à 100 mètres. La dénivellation est moindre que pour un barrage à haute chute, notamment au niveau de la conduite forcée. Ce type de barrage exploite un volume d'eau important et une forte perte de hauteur d'eau.
3. Tête basse
Les systèmes comportent généralement des barrages à faible chute de moins de 10 mètres . De ce fait, les turbines hydroélectriques à faible chute sont généralement utilisées dans des exploitations telles que les centrales au fil de l'eau, qui consistent à déplacer des cours d'eau sans crue significative.
Un système classique à basse chute transporte beaucoup d'eau ; des turbines plus puissantes sont donc nécessaires pour transformer efficacement l'énergie hydraulique en électricité. Ces installations ne nécessitent pas de retenue d'eau, car elles nécessitent moins d'eau stockée.
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Pertes de charge hydrauliques
Ces pertes sont dues aux frottements à l'intérieur des canalisations . La prise en compte de ces pertes de charge réduit la quantité d'énergie contenue dans l'eau. Cette valeur corrigée, pour une hauteur de charge tenant compte des pertes, est appelée hauteur de charge effective.
La hauteur de chute effective est égale à la hauteur de chute brute moins toutes les pertes de charge. Toutes les installations hydroélectriques génèrent des pertes de charge, classées en pertes de charge principales et pertes de charge secondaires. Ces pertes de charge hydrauliques sont ensuite mesurées, calculées et exprimées sur un pied d'égalité avec la hauteur de chute elle-même, par exemple en fonction de la hauteur équivalente du compteur d'eau . Cela implique de soustraire de la puissance brute totale la puissance dissipée par les pertes de charge ; on obtient ainsi la puissance nette réelle disponible. L'équation peut s'écrire :
P net = P brut − P perte
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Types de pertes de charge
Les types de pertes de charge sont :
Pertes de charge importantes : La grande majorité des pertes de charge importantes proviennent du frottement dans les conduites, et elles se produisent sur de longues distances le long du pipeline, par exemple dans la conduite forcée.
Pertes de charge singulières : Toute autre source de pertes de charge singulières que celles dues au frottement. En substance, chaque coude d’une canalisation ou modification du sens d’écoulement de l’eau engendre une perte de charge, appelée perte de charge singulière.
Il existe cependant des cas où les pertes de charge majeures sont inférieures aux pertes mineures, mais elles s'additionnent pour déterminer la puissance totale d'un barrage hydraulique, contrairement à ce que leurs noms suggèrent.
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