Turbine Kaplan

Réversibilité d'un groupe bulbe

Une évolution de la turbine Kaplan réside dans le groupe bulbe.

• Un premier brevet est déposé par G. Khune, pour une turbine tubulaire, le 27 juillet 1930 ;
• Un second brevet est déposé le 31 août 1933, par J. Haefele, pour une turbine à écoulement axial horizontal ;
• Ce n'est que le 27 décembre 1933, qu'est déposé, par Huguenin, un brevet pour un premier groupe bulbe.

Ces 3 brevets, sont acquis par Escher Wyss, le fabricant suisse de turbines, à Zurich. Le dernier brevet homologué le 15 octobre 1934, est exploité par Arno Fisher, qui en août 1936, met en service deux groupes bulbes, d'une puissance de 168 kW, à Röstín, en Poméranie, (actuellement en Pologne), sur le fleuve Parsęta, qui fonctionneront jusqu'en janvier 1942[5].

Plan de coupe d'un groupe bulbe, à l'usine marémotrice de la Rance, le distributeur en amont de l'hélice

Le développement industriel a démarré en 1950. En France, c’est en 1960, avec l'usine marémotrice de la Rance, inaugurée le 26 novembre 1966, que la production électrique a débuté, avec un ensemble de 24 groupes bulbes, d'une puissance unitaire de 10 MW, soit une puissance installée de 240 MW[6] - [7]. En Corée du sud, c'est la centrale marémotrice de Sihwa, équipée d'un ensemble de 10 groupes bulbes, d'une puissance unitaire de 25,4 MW, soit une puissance installée de 254 MW, qui est la plus puissante installation de ce type au monde, depuis août 2011.

Dans ce type de machine, turbine et alternateur sont couplés selon un axe horizontal, à l’intérieur d’une enveloppe profilée, immergée dans le flux d’eau. Cette disposition, qui a pour avantage de donner à l’écoulement un tracé rectiligne, est particulièrement adaptée aux très basses chutes, et aux forts débits[8].

Cette évolution technologique a permis l'amélioration de l'écoulement hydraulique, sans changement de direction, d'où une augmentation du rendement, ainsi qu'une réduction des dimensions et donc une diminution des coûts[9], ce qui a contribué à son essor, partout à travers le monde. En France, les centrales les plus importantes, équipées en groupes bulbes, se rencontrent, dans la vallée du Rhône, sur l'Isère, sur le Tarn, sur la Moselle, sur la Truyère, sur la Dordogne, sur le Rhin, sur le Lot ou sur la Garonne[10].

La plus forte puissance atteinte par un groupe bulbe, est de 60 MW[11]. Selon le site web de Columbia Power, la turbine de Brilliant Expansion Generating Station a une puissance de 120 MW.

Le groupe bulbe est par nature réversible, du fait de l'écoulement axial et de la symétrie des adductions amont et aval, et peut fonctionner en pompe ou en turbine dans les deux sens d'écoulement. C'est le cas, par exemple, dans les usines marémotrices, en fonction de la marée, et permis grâce à l'orientation des pales[12].

Le distributeur (grille fixe constituée d'un aubage mobile avec 20 directrices), en amont de l'hélice joue un rôle important. Il permet d'utiliser la hauteur de la chute pour contraindre le fluide à traverser les directrices, orientées de manière à générer un tourbillon. L'énergie potentielle de hauteur est ainsi transformée en vitesse tangentielle (qui s'ajoute dans le meilleur des cas, à 60 % de la vitesse axiale du fluide)[13].

En fonctionnement inverse, le distributeur n'est plus en amont mais en aval de l'hélice, ce qui engendre une diminution du rendement de l'ordre de 10 %. Le distributeur ne joue plus son rôle et les directrices doivent être bloquées en position de pleine ouverture et verrouillées[14].

Les turbines VLH sont caractérisées par[16] :

• une installation dans une passe, de faible hauteur, de 1,5 à 4,5 m, avec un génie civil réduit,
• un fonctionnement discret (visuel et sonore) dans l'environnement (rural ou urbain),
• un grand diamètre de la roue (de 3,15 à 5 mètres de diamètre),
• 8 pales à ouverture variable, permettant l'obturation totale autonome, et l'arrêt de la machine
• une inclinaison entre 35° et 45° qui facilite la maintenance et le relevage par basculement, dans la passe,
• une structure autoportante permettant un assemblage complet en usine et une installation très rapide,
• un dispositif d’effacement permettant la mise hors d’eau du groupe, pour maintenance,
• une faible vitesse de rotation, de l'ordre de 30 à 50 tr/min,
• une faible vitesse d’écoulement de l'eau, de 1 m/s,
• des débits importants de 10 à 27 m³/s et par machine
• une gamme de puissance, de 100 à 500 kW (au réseau),
• une faible mortalité piscicole : turbine "ichtyophile " (amie des poissons)[17].

Turbines VLH de la centrale du Rondeau à Échirolles

Ces turbines VLH sont conçues et fabriquées en France, par la société MJ2 Technologies et tiennent compte :

• des faibles possibilités de développement d'installations hydroélectriques d'envergure ;
• des contraintes environnementales, et de protection de la faune piscicole ;
• de la possibilité d'intégrer ces équipements sur des sites existants :
  • soit en remplacement, d'un ouvrage existant (comme sur la Mayenne)[18] - [19] ;
  • soit en complément d'un ouvrage existant, par l'installation du nouvel équipement, dans le canal d'évacuation de la précédente installation, permettant ainsi d'optimiser le potentiel énergétique global du site (comme à Échirolles, dans l'Isère, sur le Drac inférieur, à la centrale du Rondeau[20]) ;

La « petite hydraulique », affiche un potentiel relativement important, qui a été estimé, en France, à 1 000 MW de capacité[21] - [22].

• Énergie hydroélectrique
• Turbine Francis
• Turbine Pelton
• Cavitation