Petite hydroélectricité et hydroélectricité en conduite

Avant la vapeur, les moulins le long de chaque rivière transformaient l’eau en travail. Beaucoup de leurs déversoirs et canaux sont encore là. L’hydroélectricité est toujours la plus grande source d’électricité renouvelable sur Terre, environ 15% de l’électricité mondiale en 2023, principalement à partir de grands barrages (Hydroélectricité). Cette page est sur l’autre extrémité de l’échelle: les turbines de quelques kilowatts à quelques mégawatts dans les ruisseaux, les déversoirs d’anciens moulins, les canaux d’irrigation et les tuyaux qui transportent l’eau potable vers les villes.

Comme sur notre page de recherche Fan Wall, nous commençons par la physique, puis regardons ce que les systèmes réels mesurent et ce qu’ils coûtent par rapport à notre référence, un panneau solaire sur le toit d’environ $ 0.19 par kWh. La version courte: **la petite hydroélectricité est éprouvée, durable et fonctionne la nuit, et un bon site peut battre le solaire sur toit confortablement. Mais l’énergie est simplement une baisse des débits, la plupart des ruisseaux et des canalisations n’offrent que quelques kilowatts, et les coûts fixes des permis, des travaux de génie civil et de la protection des poissons font sombrer de nombreux petits projets. L’hydro dans la tuyauterie n’a de sens que lorsque la pression est éliminée de toute façon. **

Ce qu’il est

Le terme « petite hydroélectricité » couvre une gamme de machines, classées généralement par taille: petite jusqu’à environ 10 MW, mini en dessous de 1 MW ou 500 kW selon le pays, micro en dessous de 100 kW et pico en dessous de 5 à 10 kW (petite hydroélectricité; microhydroélectricité). Presque tout est au cours de la rivière: au lieu d’un réservoir, un déversoir bas détourne une partie d’une rivière par une turbine et le renvoie en aval.

Hydro dans la tuyauterie ou le conduit La technologie de l’eau potable installe des turbines dans les infrastructures hydrauliques déjà existantes : les conduites d’eau qui partent d’un réservoir, les vannes qui coupent la pression avant que l’eau n’atteigne les habitations, les canaux d’irrigation avec gouttes et les débouchés des usines de traitement. Pas de nouveau barrage et pas de nouvelle traversée de rivière, c’est pourquoi les États-Unis ont exempté les projets de conduites jusqu’à 5 MW de l’obligation d’obtenir un permis fédéral en 2013.

Comment ça marche

L’équation unique. Une turbine hydraulique transforme l’énergie potentielle de la chute d’eau en électricité. The power is P = ρ × g × Q × H × η, where ρ is the density of water (1,000 kg per cubic metre), g is gravity (9.81 m/s²), Q the flow in cubic metres a second, H the head, or height the water falls, in metres, and η the efficiency of turbine, generator and pipework together. En clair: chaque mètre cube d’eau qui tombe d’un mètre par seconde transporte 9,81 kW. Les grandes turbines en convertissent plus de 90 %, les petites typiquement entre 50 et 85 % (Micro hydro).

Head and flow trade places. A mountain stream with a trickle of flow and a 100 m drop can deliver the same power as a lowland river with a hundred times the flow over a 1 m weir. La turbine suit le site:

• Haute tête, faible débit (dix à centaines de mètres): roues Pelton et Turgo, frappées par des jets d’eau.
• Hauteur moyenne: Turbines Francis et à flux croisé.
• Basse tête, débit élevé (1 à 10 m): Hélices Kaplan et Vis d’Archimède, qui tournent lentement, passent les débris et sont plus doux pour les poissons.
• Dans les tuyaux: des turbines en ligne spéciales, ou des pompes standard fonctionnant à l’envers comme des turbines, une option peu coûteuse largement utilisée.

La pression est la tête. Dans un tuyau, la hauteur se manifeste par la pression : une barre équivaut à environ 10,2 m de tête. C’est la clé de l’hydroélectricité en conduite. Les villes maintiennent les conduites d’eau à quelques bars; là où une conduite descend d’un réservoir, la pression serait trop élevée pour les maisons, donc un soupape de réduction de pression Le système éliminera l’excès sous forme de chaleur et de bruit. Une turbine à la place de cette vanne le récupère. L’exemple de l’explicateur « vanne dans une conduite d’eau », 0,3 mètres cubes par seconde à 3 bars, représente environ 60 kW qui sont autrement gaspillés.

Il n’y a pas de déjeuner gratuit dans un tuyau. Une turbine ne peut prendre que la pression qui n’est pas nécessaire en aval. En mettre une dans un tuyau qui a besoin de toute sa pression, c’est simplement la voler aux clients ou faire travailler les pompes plus fort, ce qui coûte plus d’électricité que ne le fait la turbine. Les bons sites en tuyauterie sont donc spécifiques: réseaux de gravité avec surpression, débit suffisamment important et utilisation régulière. Les critères d’un promoteur étaient des tuyaux de 0,6 à 2,4 m de diamètre, des débits de 0,9 à 3,7 m/s et au moins 5 psi (0,34 bar) de surpression (Lucid Energy, archivé).

Le facteur de capacité vient de la rivière. Les rivières montent et descendent avec les saisons, et un système doit laisser suffisamment d’eau dans la rivière pour le poisson et tout le reste. Une petite centrale au fil de la rivière est généralement dimensionnée pour utiliser le débit disponible pendant une bonne partie de l’année; la vis de 50 kW de Settle fonctionne à un facteur de capacité de 38% et s’arrête automatiquement en période de sécheresse pour maintenir l’écoulement de l’eau dans son passage pour poissons.

Les limites: théoriques et pratiques

Physique. L’énergie est seulement aussi grande que le débit fois la goutte. Un ruisseau de jardin avec 10 litres par seconde tombant à 5 m donne environ 0,3 kW, assez pour les lumières et un réfrigérateur mais pas le chauffage d’une maison. Une vanne principale d’eau typique donne des dizaines de kilowatts. C’est l’échelle honnête de la plupart des petits sites: kilowatts, pas mégawatts.

Coûts fixes. Un projet de 20 kW nécessite presque les mêmes enquêtes, études environnementales, permis, protection des poissons, raccordement au réseau et travaux juridiques qu’un projet de 500 kW. Ces coûts ne diminuent pas avec la taille, de sorte que les plus petits systèmes sont souvent les plus chers par kWh.

Environnement. Les barrages bloquent la migration des poissons et les turbines peuvent blesser les poissons. Même avec une échelle à poissons, les exploitants communautaires de Settle ont signalé moins de saumons passant en amont et soupçonnent un bruit provenant de la vis (Settle Hydro). De nombreux pays n’exigent pas d’évaluation environnementale complète pour les petits projets, ce qui a conduit à des centrales mal placées dans certaines régions (Petites centrales hydroélectriques). Un bon projet laisse suffisamment d’eau dans la rivière, fait passer les poissons dans les deux sens et est surveillé.

Sécurité de l’eau. Les turbines à l’intérieur des conduites d’eau potable touchent l’eau que les gens boivent. Ils doivent être certifiés pour le contact avec l’eau potable, ne doivent jamais laisser entrer de l’air ou des contaminants et doivent fonctionner sans risque.


Projets réels, mesurés

Projet	Où	Type et taille	Ce qui a été mesuré ou déclaré
Settle Hydro	Rivière Ribble, Yorkshire du Nord, Angleterre	Vis d’Archimède sur un déversoir de moulin, 50 kW	Produisant depuis novembre 2009; environ 165 MWh par an (facteur de capacité de 38%); £410,000 récoltés grâce aux actions communautaires; les opérateurs rapportent moins de saumon en amont et soupçonnent le bruit des vis (Settle Hydro)
Torrs Hydro	Rivière Goyt, New Mills, Angleterre	Vis d’Archimède, diamètre 2,4 m, jusqu’à 63 kW	Le premier projet hydroélectrique communautaire du Royaume-Uni, remis en septembre 2008; £100,000 récoltés auprès de 200 membres de la communauté (Torrs Hydro)
LucidPipe, Bureau de l’eau de Portland	Portland, Oregon, États-Unis	Turbines en ligne à l’intérieur d’une grande conduite d’eau alimentée par gravité	Installé dans les conduites d’eau de la ville et en production au début de 2015 (Département de l’Énergie de l’Oregon; Lucid Energy news, archivé 2015), nous n’avons trouvé aucun enregistrement publié de sa production annuelle mesurée, et en 2022 le domaine web du développeur était mis en vente (page archivée).
District d’irrigation de l’unité nord	Près de Madras, Oregon, États-Unis	Conduit hydro sur un canal d’irrigation (Natel Energy)	Un des projets de conduites en opération répertoriés par le département de l’énergie de l’Oregon (Oregon Department of Energy)
Exemptions de conduit américain	États-Unis d ’ Amérique	Tuyaux et canaux	236 projets de conduites avaient été autorisés par le régulateur fédéral en 2013 (Conduit hydroélectricité)
Les petites centrales hydroélectriques de la Chine	Chine rurale	Environ 45.000 petites plantes	Environ 160 TWh par an d’ici 2010, dont une grande partie alimente des villages qui n’avaient pas de réseau (Petite hydro)

La leçon tirée de ces projets est cohérente. Là où la tête, le débit et une structure existent déjà, de petites centrales hydroélectriques fonctionnent depuis des décennies: les déversoirs de moulins de la révolution industrielle produisent à nouveau de l’électricité. Là où la ressource est rare, le rendement est faible, quelle que soit l’intelligence de la turbine. L’hydroélectricité en tuyauterie, en particulier, a eu une presse enthousiaste et peu de mesures publiées; la physique est solide, mais les bons sites sont spécifiques et le marché est resté petit.

Ce que ça coûte

Source	Ce qu’il est	Prix
Micro-hydroélectricité, coût d’installation typique	$1,000 to $5,000 per kW (Micro hydro)
Notre calcul à partir de cette plage	40 à 60% de facteur de capacité, 20 ans à 7% réel, maintenance 3% de l’investissement par an (méthode Fan Wall)	$0.02 to $0,18 par kWh
Settle Hydro, notre calcul	£410,000 for 165 MWh a year, 20 to 40 years at 7% real, 3% maintenance	environ 0,26 à 0,31 £ par kWh
Notre référence	Toit solaire sur un bâtiment, modèle Fan Wall; Lazard 2026 solaire commercial et communautaire	$0.19 par kWh; $0.09 to $0.20
Lazard (juin 2026)	Nouveau service public solaire / éolien terrestre	$0.04 to $0,10 / $0.04 to $0,10 par kWh

La gamme est large car les sites sont. Un bon site en hauteur avec une prise existante peut produire de l’électricité pour quelques centimes par kWh, bien en dessous du solaire sur toit, et continuer à le faire pendant cinquante ans. Un petit système communautaire à faible débit avec une protection complète des poissons, comme Settle, coûte plus cher par kWh que les panneaux solaires sur toiture selon nos hypothèses standard; de tels systèmes sont généralement justifiés par la longue durée de vie, la propriété locale, la production la nuit et en hiver, et les tarifs d’aide. Pour l’hydroélectricité en tuyau, la question est plus simple : y a-t-il aujourd’hui un excédent de pression qui est détruit dans une vanne ? Si oui, la récupération peut être rentable; sinon, il n’y a rien à récupérer.

Où il peut gagner, et où il ne peut pas

Il peut gagner:

• Des déversoirs et des sites de moulins existants, où les travaux civils ont été payés pour un siècle ou deux.
• Les services d’eau avec des réseaux de gravité, des sorties de réservoir et des soupapes réduitrices de pression qui rejettent la pression à chaque heure de la journée.
• Canaux d’irrigation avec gouttes, et les débouchés des ouvrages de traitement des eaux usées.
• Les villages de montagne hors réseau, où un mini-réseau micro-hydroélectrique peut fournir de l’énergie jour et nuit à moindre coût que le diesel.
• Énergie de nuit et d’hiver dans les endroits où les panneaux solaires ne font que peu.

Il ne peut pas gagner:

• Dans les pays plats avec de petits ruisseaux: sans tête ou flux il n’y a pas d’énergie.
• Dans des tuyaux qui ont besoin de leur pression, où une turbine ne fait que déplacer la facture d’énergie d’un compteur à l’autre.
• Lorsque l’installation d’un nouveau déversoir nuit aux poissons dans une rivière qui leur est chère, à moins que le dommage puisse être évité et démontré.
• A l’échelle pico sur la grille, où les coûts fixes éclipsent l’énergie.

Ce qui est prouvé, plausible et spéculatif

Prouvé: l’équation de l’hydroélectricité; les rendements des turbines; que les petits projets hydroélectriques fonctionnent pendant des décennies avec de faibles coûts d’exploitation; que les vis d’Archimède et les turbines conventionnelles fonctionnent sur de vieux barrages; que la propriété communautaire peut financer de petits projets; que les projets de conduites opèrent dans les systèmes d’eau et d’irrigation.

Plausible: que de nombreux services publics d’eau ont suffisamment de surpression aux vannes et aux sorties du réservoir pour des kilowatts utiles à chaque site; que les pompes standard fonctionnent comme des turbines peuvent réduire le coût des systèmes en tuyau; que de nouvelles conceptions favorables au poisson peuvent réduire les dommages dans les sites à faible débit.

Spéculatif: turbines en tube dans des tuyaux de distribution ordinaires sans surpression (l’énergie doit venir de quelque part); contributions nationales importantes de micro-hydroélectricité dans les pays avec peu de tête; turbines fluviales “plug-in” très bon marché sans les travaux civils et permis habituels.

Questions de recherche ouvertes

• Cartographie de la surpression. Combien d’énergie les réseaux d’eau détruisent-ils dans les robinets aujourd’hui, site par site, et quelle est sa stabilité au cours de la journée et de l’année?
• Contrôle. Des turbines qui maintiennent la pression en aval aussi régulièrement que la vanne qu’elles remplacent, même lorsque la demande change.
• Poissons. Quelles sont les turbines et les écrans qui permettent aux poissons de passer dans les deux sens avec peu de blessures, mesuré, pas supposé?
• Coût. Des petits projets standardisés avec moins de travaux de génie civil sur mesure et des permis simplifiés pour les sites qui ont déjà des déversoirs.
• Chaleur et énergie. Les rivières et les réseaux d’eau sont également des sources de chaleur stables pour les pompes à chaleur; un seul système peut-il faire les deux?

Ce dont un prototype fonctionnel aurait besoin

Une petite idée hydroélectrique est l’une des plus faciles à tester honnêtement, car l’eau, les tuyaux et les compteurs sont des choses du quotidien. Les coûts ci-dessous sont nos estimations approximatives.

Stage	Travail	Ce qu’il prouve	Coût brut	Temps
1. Banc de forage	Une boucle de pompe ou un réservoir d’alimentation avec un débit (débitmètre) et une pression (manomètres avant et après) mesurés, une turbine entraînant une banque de charge à travers un compteur de puissance enregistré	Efficacité contre le débit et la tête	$5k to $30k	1 à 3 mois
2. Essai réel sur site	Une unité de 1 à 20 kW sur un ruisseau, une conduite agricole ou un dérivation de vanne d’un service public, avec des mesures de protection de la qualité de l’eau au besoin, exploitation forestière pour une saison	Sortie réelle sur le débit changeant, les débris, l’entretien	$20k to $150k	6 à 12 mois
3. Projet pilote d ’ utilité publique ou communautaire	Une installation autorisée avec raccordement au réseau, surveillance des poissons ou certification de l’eau potable selon les besoins	Énergie annuelle, permis, coûts bancables	$100k to $1 million	1 à 2 ans

L’étape 1 est à la portée d’une école ou d’un maker space. C’est aussi exactement la preuve dont un pitch a besoin : une turbine, un débit mesuré, une chute mesurée et un compteur montrant l’électricité qu’elle a produite.

De qui nous avons besoin

• Ingénieurs hydrauliques et hydroélectriques Pour l’évaluation du site et la sélection de turbines.
• Ingénieurs en services d ’ eau Qui savent où la pression est réduite et comment les réseaux se comportent au cours de la journée.
• Biologistes des pêches pour la conception et le suivi des passages de poissons.
• Ingénieurs en électricité Pour les petits générateurs, la connexion au réseau et les mini-réseaux isolés.
• Ingénieurs civils pour les prises, déversoirs et écrans.
• Groupes communautaires d’énergie et les propriétaires fonciers avec des déversoirs, des moulins ou des pipelines agricoles.
• Spécialistes de la certification d’eau potable pour tout ce qui se trouve dans une conduite d’eau potable.

Vous avez une meilleure idée ?

Certains membres de la Fondation peuvent avoir des contacts qui pourraient entendre un pitch. Pour être pitchée, une idée a besoin d’un Un modèle de travail, réel qui produit réellement de l’énergie, avec sa puissance mesurée sur un instrument, non revendiquée: une turbine sur banc d’essai avec débitmètre, manomètres et compteur de puissance enregistré vaut plus que n’importe quel dessin. Les idées papier sont les bienvenues aussi : si la physique et les chiffres sont solides, nous pouvons les publier ici sur le site. Mais lever des capitaux sans un modèle fonctionnel est très difficile, et rien ici n’est une promesse de financement, de rendements ou d’introductions.

Envoyez votre idée par le biais de Formulaire de contribution, en choisissant l’Initiative Verte. Dites-nous le débit et la hauteur avec lesquels il fonctionne, l’efficacité que vous avez mesurée ou attendue, un coût approximatif par kWh et le test le moins cher qui pourrait prouver qu’il est faux. La page sources d’énergie compare la petite hydroélectricité à onze autres idées.

Sources

1. Hydroélectricité, Wikipedia: part de l’électricité mondiale et rendement des turbines.
2. Petite hydroélectricité, Wikipédia, tiré du World Small Hydropower Development Report 2022 de l’ONUDI.
3. Micro hydro, Wikipedia: classes de taille, rendements et coûts d’installation.
4. Conduit hydroélectrique, Wikipedia.
5. Loi de 2013 sur l’efficacité réglementaire de l’énergie hydraulique, Wikipédia; texte à congress.gov.
6. Settle Hydro et Torrs Hydro, Wikipédia.
7. Département de l’énergie de l’Oregon. Énergie hydroélectrique en Oregon, y compris des projets de conduites à Portland et dans le district d’irrigation de North Unit.
8. L’énergie lucide. Projets cibles (archivé en 2021) et lucidenergy.com (archiver en 2022).
9. Hydroélectricité au fil de la rivière, Wikipédia: saisonnalité et effets environnementaux.
10. Ofgem (2023). Valeurs de consommation domestique typique: 2.700 kWh d’électricité par an pour un utilisateur moyen.
11. Lazard (juin 2026). Coût d’énergie nivelé+, version 19.
12. Local Solar System Fondation. Le Fan Wall: modèle ouvert et référence, panneaux solaires sur le toit à 0,19 $ par kWh.