Au coeur des turbines

L'équipe de Claire Deschênes étudie les turbines Francis pour les adapter aux nouvelles réalités de la production hydroélectrique.

Au milieu des années 1800, l'ingénieur britanno-américain James Bichens Francis mettait la dernière touche à un modèle de turbine qui est devenu, depuis, le plus répandu dans les barrages hydroélectriques en Amérique du Nord et ailleurs dans le monde. Même si la turbine Francis a plus de 150 ans d'existence et que ses conditions optimales d'utilisation sont bien connues, il reste encore des choses à apprendre pour en améliorer la durabilité et le rendement. C'est justement à cette tâche que s'attaqueront, au cours des cinq prochaines années, Claire Deschênes et son équipe du Département de génie mécanique et du Laboratoire de machines hydrauliques de l'Université Laval.

Pour y arriver, la professeure Deschênes dispose d'un financement de 4 M$ provenant de deux sources. La première est une subvention RDC du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada ainsi que du Consortium en machines hydrauliques qui regroupe Hydro-Québec, Andritz Hydro, GE Énergies renouvelables Canada, Voith Hydro et Électricité de France. L'autre source de financement est InnovÉÉ, un regroupement sectoriel de recherche industrielle qui favorise le renforcement de l'écosystème d'innovation en énergie électrique au Québec. Les partenaires du projet ajouteront des contributions en biens et services totalisant 2,6 M$.

L'équipe de Claire Deschênes s'intéressera à un problème qui est apparu au cours des deux dernières décennies avec l'ajout sur les réseaux électriques d'autres sources d'énergie renouvelable, comme les éoliennes et les capteurs solaires, ou encore avec la vente d'électricité à l'étranger. Contrairement à l'eau que l'on peut accumuler derrière un barrage, le vent et le soleil ne peuvent être stockés pour une utilisation ultérieure, explique la professeure Deschênes. Pour maintenir l'équilibre entre la production et la demande d'électricité sur le réseau, il faut ralentir ou stopper les turbines des centrales hydroélectriques ou encore démarrer les turbines à l'arrêt. "Les ralentissements, les arrêts et les démarrages entraînent des contraintes mécaniques qui provoquent une usure prématurée des turbines, souligne la chercheuse. De plus, pendant ces périodes de transition, les turbines fonctionnent dans des conditions sous-optimales, ce qui en diminue le rendement. Ces changements entraînent des pertes de production et des coûts d'entretien accrus."

Les travaux de l'équipe de Claire Deschênes visent à mieux comprendre comment les démarrages répétés créent des contraintes sur les éléments mobiles des turbines et exacerbent les problèmes structurels et l'apparition de fissures. Les chercheurs effectueront des tests sur un système reproduisant un barrage hydroélectrique à petite échelle installé dans leur laboratoire du pavillon Adrien-Pouliot. On y trouve un réservoir de 270 m3 d'eau, une pompe dont le débit peut atteindre 1 m3 à la seconde et un circuit sur lequel on installera un modèle réduit de turbine Francis. Ce modèle s'inspire des turbines installées au barrage Jean-Lesage, mais le diamètre de sa roue équivaut à 2 / 15 de celui de la roue réelle de 5 mètres. "Il faudra deux ans pour réaliser le montage expérimental et pour mettre la turbine modèle en eau. Si tout se déroule comme prévu, nous pourrons commencer à prendre des mesures en 2020, souligne Claire Deschênes. Nos travaux feront avancer les connaissances et ils serviront à valider les modèles numériques qui permettront d'améliorer le design des turbines et d'optimiser leur utilisation pour des conditions d'arrêts et de démarrages fréquents."

Ce projet sur les turbines Francis permettra l'embauche d'un nouveau professeur au Département de génie mécanique et la formation de 10 étudiants à la maîtrise, de 5 étudiants au doctorat et de 3 stagiaires postdoctoraux.

Claire Deschênes et son équipe effectueront des tests sur un système reproduisant un barrage hydroélectrique à petite échelle installé dans leur laboratoire du pavillon Adrien-Pouliot.