09/10/2020

Améliorer la performance des roues de dessus des moulins à eau (Quaranta et Revelli 2020)

Deux ingénieurs italiens se penchent sur une manière d'optimiser le rendement des roues de dessus, en ajoutant une paroi sur la zone de descente des augets chargés en eau. Les tests sur modèle de laboratoire montrent un gain de rendement de 1,2 à 1,5 dans les plages de rotation plus rapide de la roue. Voilà de quoi donner des idées et tester des améliorations pour des milliers de sites équipables ou équipés en France. L'énergie hydraulique, par son bon rendement de conversion de l'énergie de l'eau, a un excellent bilan carbone, matière première et cycle de vie. En particulier quand on utilise le génie civil en place (moulins, étangs, canaux) sans créer de nouvelles infrastructures. En ces temps où l'on valorise le local et la sobriété, il conviendrait d'encourager ces équipements.

Exemple de roue de dessus, extrait de Quaranta et Revelli 2020, art cit

Les moulins, les étangs, les petits barrages, les canaux d'irrigation ou de régulation proposent un grand potentiel cumulé d'hydroélectricité, mais à faible puissance unitaire, avec des hauteurs maximales de quelques mètres et des débits de quelques mètres cubes par seconde (voir Punys et al 2019). Comme l'observent Emanuele Quaranta et Roberto Revelli, ingénieurs experts des dispositifs de petite hydro-électricité, "l'installation d'hydroturbines à faible chute pourrait être une option viable pour générer une énergie renouvelable propre en dessous de 100 kW (microhydroélectricité) sur ces sites, avec des effets bénéfiques sur l'économie locale et sur l'électrification des zones reculées. Dans les zones rurales et décentrées, l'installation de micro-centrales hydroélectriques est considérée comme l'une des options les plus économiques pour l'électrification rurale, en particulier lorsque les structures hydrauliques existantes sont utilisées pour réduire les coûts d'infrastructure".

Dans ce contexte, les roues hydrauliques sont considérées comme très respectueuses de l'environnement, en raison de leurs faibles vitesses de rotation et de leur travail en surface libre. Les roues de dessous, dites roues cinétiques, utilisent uniquement la vitesse de l'eau pour tourner par pression sur leurs pales ou aubes situées en bas de la roue. Les roues de poitrine et les roues de dessus, dites roues gravitaires, utilisent aussi la gravité par remplissage d'augets qui, une fois chargés, entraînent la roue. Les roues de dessus sont généralement utilisées pour une hauteur de 2,5 à 6 m et des débits inférieurs à 0,2 m3/s par mètre de largeur, avec des rendements maximaux observés en conditions de laboratoire à 85%. L'un des intérêts de l'énergie hydro-électrique est que, contrairement à la plupart des autres, elle peut atteindre ces très bons rendements de conversion de la source naturelle d'énergie, ce qui signifie qu'elle a une moindre empreinte matières premières par unité d'énergie produite et un meilleur taux de rendement énergétique en cycle de vie complet. 

Emanuele Quaranta et Roberto Revelli, dont la laboratoire dispose d'une roue expérimentale, ont voulu savoir s'il était possible d'améliorer le rendement des roues de dessus quand celles-ci ont une rotation plus rapide. Pour cela, ils ont créé une paroi sur le demi-cercle de roue qui correspond à la phase descendante de la roue, quand celle-ci vient de charger l'auget du sommet en eau (cf ci-dessous). Le but est d'éviter des pertes dans la rotation et de renforcer la puissance par gain de pression hydrostatique des augets.

La paroi semi-circulaire (à droite) évite notamment des pertes turbulentes, extrait de Quaranta et Revelli 2020, art cit

L'analyse des résultats confirme que la roue expérimentale avec paroi montre des gains de 1,1 à 1,5 de rendement, et que ce gain est plus marqué en vitesse rapide (entre 3 et 4 rad/s). Le rendement maximal des roues de dessus reste néanmoins meilleur dans les plages à vitesses plus lentes (entre 0,5 et 3 rad/s).

Les auteurs notent que l'ajout de cette paroi crée une contrainte en situation réelle : éviter que des flottants ne se coincent entre la roue et la paroi. Il faut donc prévoir une grille plus sélective à l'entrée de la goulotte d'amenée de l'eau entre le bief et la roue. 

Voilà une recherche qui donnera éventuellement des idées au nombreux propriétaires souhaitant relancer ou ayant relancé des roues afin de produire une énergie locale, propre et zéro-carbone.

Référence : Quaranta E,  R. Revelli (2020), Performance optimization of overshot water wheels at high rotational speeds for hydropower applications, J. Hydraul. Eng., 146, 9, 06020011

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