Energie hydraulique EPFL: méthode de calcul de l'érosion des turbines par le sable

Lausanne

Avec les changements climatiques qui accélèrent la fonte des neiges et des glaciers, la concentration de sable dans l'eau turbinée par les centrales hydroélectriques augmente. Des chercheurs de l'EPFL ont développé une méthode de calcul de l'érosion des turbines.

"En Suisse, les glaciers et la neige fondent de plus en plus vite. La qualité de l'eau s'en trouve affectée, avec une concentration de sédiments de plus en plus importante", explique François Avellan, directeur du Laboratoire de machines hydrauliques (LMH), cité jeudi dans un communiqué de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)

"Ces sédiments de sable sont très agressifs et érodent les turbines", ajoute le spécialiste. L’efficacité de la production est donc altérée, des cavités dans les matériaux se forment, les vibrations augmentent, tout comme le besoin en réparations et leur coût. Finalement, la durée de vie des turbines diminue.

Dans le cadre du Pôle de compétence suisse en recherche énergétique - Fourniture d'électricité (SCCER-SoE), avec le soutien de la Commission pour la technologie et l’innovation (CTI) et en collaboration avec General Electric Renewable Energy, l’EPFL s'est attachée à mieux comprendre et prédire le phénomène.

Deux phénomènes

Vu l’impact et le coût qu’aurait un arrêt de la production, les études se font uniquement grâce à des simulations et sur des modèles réduits. Le LMH a donc développé un modèle informatique multi-échelles permettant de prédire l’érosion des turbines.

"Etudier le phénomène dans sa globalité est impossible. Les grains sont tellement petits et la durée nécessaire à l’érosion tellement importante, que s'il fallait observer et reproduire ce processus, cela prendrait des centaines d’années de calcul, et demanderait un ordinateur qui n’existe pas", souligne Sebastián Leguizamón, auteur principal de cette recherche et doctorant.

Les chercheurs ont donc modélisé séparément les deux phénomènes responsables de l’érosion. Au niveau microscopique, il se sont penchés sur l’impact extrêmement bref des minuscules sédiments qui touchent les turbines, en prenant en compte des paramètres comme l’angle, la vitesse, la taille et la forme des grains ou encore les différents matériaux.

Au niveau macroscopique, c’est le transport des sédiments dans l’eau, qui impacte le flux, la distribution et la densité des sédiments touchant les turbines, qui a été étudié. Les données obtenues ont ensuite été couplées pour obtenir la prédiction de l’érosion.

S’adapter au futur

Grâce aux résultats validés, le laboratoire travaille maintenant sur la phase suivante, la caractérisation des matériaux utilisés pour les turbines. Cette étape permettra une application concrète du nouveau modèle à des installations hydrauliques existantes.

Adapter les turbines aux changements du climat représente un défi au niveau suisse, mais aussi mondial, où la production globale d’électricité hydraulique est de 17%. Peu flexibles en général et installées dans des environnements aussi divers que les moussons, les climats tropicaux ou de type alpin, les turbines devront voir leur design et leur mode d’opération modernisés pour répondre à cette évolution.

"Lors de l’expertise d'une centrale dans l’Himalaya, mes répondants m’ont indiqué que si la turbine durait plus d’une mousson, c’était un succès!", conclut François Avellan. Ces travaux sont publiés dans la revue Wear.