Historique du turbinage de La Louve, en dates et kWh

Druckrohrleitungen aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen

Nahtlos von der Wasserfassung bis zur Turbine

Innovationen in der Kleinwasserkraft? Ja! Denn die heutige Zeit ermöglicht den raschen Austausch von Know-how. Und die Kleinwasserkraft muss nicht auf ausgereifte Technologien aus anderen Bereichen verzichten, wie z.B. auf Verbundwerkstoffe aus der Luftfahrtindustrie. In diesem Artikel liegt der Fokus auf Druckrohren, die durch Filamentwicklung vor Ort hergestellt werden. Der Experte Didier Ferlin von der französischen Firma Inpulse Pipe hat eine grosse Leidenschaft für die Wasserkraft und stellt uns sein wertvolles Fachwissen zur Verfügung.

FACHBEGRIFFE

Verbundwerkstoffe, Verstärkung, Matrix, Thermoplast, Duroplast, Harz, ... Bevor wir in die Materie eintauchen, zuerst ein Blick auf die Fachbegriffe.

Verbundwerkstoff Ein Verbundwerkstoff ist eine Verbindung aus mindestens zwei Komponenten, die sich in ihren Eigenschaften ergänzen. Eine der Grundkomponenten wird als Verstärkung (auch Armierung, Bewehrung), die andere als Matrix bezeichnet. Die Verstärkung (Metall, Glas oder Polymer) ist das Gerüst, welches den Grossteil der mechanischen Kräfte aufnimmt. Die Matrix überträgt die mechanischen Kräfte auf die Verstärkung und schützt sie vor den verschiedenen Umwelteinflüssen. Ausserdem verleiht sie dem Endprodukt die gewünschte Form.

Verbundwerkstoffe werden in der Regel nach der Art ihrer Matrix klassifiziert. Bei den meisten handelt es sich auf industrieller Ebene um Harze, d.h. Polymerprodukte, die entweder wärmehärtend oder thermoplastisch sein können. Diese Harze dienen dann als Bindemittel zwischen den verschiedenen Partikeln der Verstärkungen.

Zu den bekanntesten Verbundwerkstoffen gehört GFK. Das ist ein glasfaserverstärkter Kunststoff (oder glasfaserverstärkter Polyester/Polymer; englisch GlassReinforced Plastic), der eine sehr hohe mechanische und chemische Festigkeit aufweist.

Thermoplastischer/duroplastischer Kunststoff Wie bereits erwähnt, kann die Harzmatrix entweder thermoplastisch oder duroplastisch sein. Ein thermoplastisches Material hat die Eigenschaft, bei ausreichender Erwärmung weich zu werden, wodurch es sich mechanisch verformen lässt, beim Abkühlen aber wieder hart wird. Seine ursprüngliche Thermoplastizität bleibt erhalten, was das Material im Prinzip wiederverwertbar macht. Im Vergleich dazu wird ein duroplastisches Polymer mit einer dreidimensionalen Struktur unumkehrbar fest, was sein Recycling verunmöglicht.

FOKUS AUF DRUCKROHRE AUS THERMOPLASTISCHEN VERBUNDWERKSTOFFEN

Im März 2022 kontaktierte Didier Ferlin, CEO der Firma Inpulse Pipe, unseren Verband Swiss Small Hydro. Sein Ziel? Die Tätigkeit seines Unternehmens vorzustellen, die trotz der ausgereiften Technologie in der Luftfahrt im Bereich der Wasserkraft eher eine Pionierleistung darstellt. Das ist die Gelegenheit, diese Technologie kennenzulernen, die zahlreiche Vorteile bietet, von denen die Kleinwasserkraft profitieren kann. HDPE Hart-Polyethylen Das thermoplastische Verbundmaterial, welches hier für die Druckrohre verwendet wird, ist nicht das vorgängig beschriebene GFK, sondern basiert auf HDPE High Density Polyethylen–deutsch Hart-Polyethylen. Der Verbundwerkstoff besteht aus zwei verschmolzenen Schichten: Die erste besteht aus HDPE Pur, das dazu bestimmt ist, dem Abrieb zu widerstehen. Die zweite besteht aus Glasfaser-HDPE, das für die Beständigkeit gegen hydrostatischen Druck sorgt. Die Dicke dieser beiden Schichten kann je nach Abrieb- und Druckbelastung für jeden Abschnitt des Rohres angepasst werden. Inpulse Pipe beschränkt sich bewusst auf einen Druck von 40–50bar.

Drei Techniken Der Übergang von den Rohstoffen zur Druckrohrleitung beinhaltet drei Techniken:  ATP oder «Automated Tape Placement» für die

Herstellung von Thermoplasten (Video von knapp 2 Minuten Länge: www.youtube.com/watch?v=TFxbkFTO7Z0)  das Filamentwickeln zum Weben des Rohres  CPM für «Continuous Pipe Manufactured» für die kontinuierliche Herstellung des Rohres

Ein paar zusätzliche Worte zum Laserschmelz-Filamentwickeln, einer ausgereiften Technologie für die Luftfahrt. Im Allgemeinen handelt es sich um ein Verfahren zum Formen von Verbundwerkstoffen, welches zur Erzeugung von hohlen rotationssymmetri-

schen Teilen, z.B. Zylindern und Kegeln verwendet wird. Dabei werden Endlosfasern, die meist mit HDPE-Harz imprägniert sind, um einen rotierenden Dorn gewickelt, der als innere Form dient. Das Faserführungssystem bewegt sich während der Drehung des Dorns vor und zurück, so dass diese Fasern gleichmässig gewickelt werden. Durch das Laserschmelzen des Verfahrens werden die Temperaturen erreicht, welche für die Polymerisation des Verbundmaterials erforderlich sind. Anschliessend wird das Werkstück abgekühlt und der Dorn entfernt. Video zum besseren Verständnis: www.youtube.com/watch?v=I7My-IoZnDM

VIELE VORTEILE GEGENÜBER DEM STANDARDVERFAHREN

Zu den Hauptvorteilen gehören allgemein die Vorteile von Verbundwerkstoffen. Oxidation findet keine statt. Die Wartung wird daher minimal und auch das Nachstreichen entfällt.

Der Vorteil beim lasergeschmolzenen Filamentwickeln ist zunächst einmal die besonders flexible Technologie: Die Rohrleitung wird direkt vor Ort nach Mass gefertigt, auch in skalierbaren Dicken. So wird nur das Rohmaterial transportiert. Die Wickelmaschine wird direkt am höchsten Punkt der Trasse der Druckrohrleitung installiert. Die gewickelte Rohrleitung wird dann allein durch die Schwerkraft den Hang hinab bis zur Kraftwerk-Zentrale geführt. Dieses Verfahren bringt eine Verringerung des Transportvolumens um das 15-fache (kein Sondertransport von Leitungsabschnitten, kein Hubschraubereinsatz, keine Hebegeräte, ...), aber auch eine Reduzierung der Lagerflächen.

Die Liste der Vorteile geht noch weiter: Weil das Rohr kontinuierlich hergestellt wird, sind Dichtungen sowie andere Verbindungsstücke überflüssig. Leckagen werden vermieden und damit alle Schweiss- und Prüfschritte. Das bedeutet weniger Zeitaufwand und geringere Kosten.

KENNZAHLEN!

Nun ist es an der Zeit, sich mit Kennzahlen zu beschäftigen und von Herrn Ferlins Erfahrung zu profitieren. Ein nach dem beschriebenen Prinzip vor Ort gewickeltes Rohr aus Thermoplast hat folgende Vorzüge:  Um den Faktor 3 reduzierte Abriebrate im Vergleich zu Stahlrohren  Verkürzte Bauzeit von Wasserkraftwerken um den

Faktor 2 bis 2,5 je nach Bauvorhaben  25–50% geringere Verlegekosten  Ein Gewinn, der mehr als das Zehnfache des Preises für das gelieferte Rohr beträgt.

 Die folgende typische Kostenverteilung: – 10% für das Rohmaterial (5% für Stahl) – 85% für das Verlegen (80%) – 5% für die Instandhaltung (15%) AUS PLASTIK? UND DIE UMWELT?

Heute, wo Plastiktüten nicht mehr kostenlos in Supermärkten verteilt werden, hat Plastik keinen guten Ruf– insbesondere angesichts der Problematik seiner Fragmentierung zu Nanoplastik in den Weltmeeren. Hier liegt vielleicht ein Schwachpunkt der Druckleitung aus Verbundwerkstoffen. Das umfangreiche Thema könnte Gegenstand eines neuen Artikels sein. Und wie verteidigt sich das PEHD-Rohr im Vergleich zum Stahlrohr? Die Stahlindustrie ist nach wie vor eine recht grosse Umweltbelastung, welche sich nur schwer durch den Kauf von Karbonkrediten wieder ausgleichen lässt.

Eine Erfolg versprechende Entwicklung ist die Polymerproduktion aus Algen, vor allem aus Grünalgen. Man spricht dann von Bioplastik oder biobasierten Kunststoffen. Das 2016 gegründete Unternehmen Eranova aus Marseille ist hierfür ein Beispiel: https://madeinmarseille.net/106018-eranova-bioplastique-algues-technologie/. Allerdings muss noch geklärt werden, wie viel dieses umweltfreundlichere Material kosten wird.

Neben den Rohstofffragen muss auch der gesamte Lebenszyklus der Druckleitung aus Verbundwerkstoffen betrachtet werden, bei dem u.a. folgende Aspekte eine Rolle spielen:  die Wiederverwertbarkeit von Thermoplasten,  die Verringerung des Transports und der damit verbundenen Umweltverschmutzung,  die Verringerung der Lagerflächen während der

Bauphase aufgrund der Herstellung vor Ort aus dem Rohstoff,  die grössere Stromerzeugung, da die Verlegung schneller erfolgt, keine Lecks entstehen und die

Wartung reduziert wird.

Die Druckrohrleitung aus thermoplastischem Kunststoff nach dem Verfahren der Vor-Ort-Filamentwicklung könnte zu besonders attraktiven Kostensenkungen führen. Diese Option sollte bei Kleinwasser- kraftprojekten mit langer Zuleitung in Betracht gezogen werden, wo diese bis zu 50% der Gesamtkosten ausmachen kann.

Aline Choulot für Swiss Small Hydro mit Unterstützung von Didier Ferlin von Inpulse Pipe.

Kontakt zu Didier Ferlin: didier.ferlin@inpulsepipe.com (Inpulse Pipe wird ab Frühjahr 2024 kommerziell aktiv)

Historique du turbinage de La Louve, en dates et kWh

Retour d'expérience du Service de l'eau de la Ville de Lausanne

En 2007, dans son n°65, la revue de Swiss Small Hydro, alors appelée La Petite Centrale, avait consacré un article, suite à sa mise en service, à la petite centrale (PCH) de la Louve, ce cours d'eau qui descend en sous-terrain sous Lausanne jusqu'au Léman. Grâce aux différentes actions menées par le Service de l'eau de la Ville de Lausanne, propriétaire et exploitant du site, la PCH de la Louve, aussi appelée PCH du Capelard, n'a jamais autant produit d'électricité qu'en 2021. L'occasion de refaire l'historique de ce turbinage.

LAUSANNE : SES EAUX USÉES, SES ORDURES MÉNAGÈRES

Et pour cet historique, pourquoi ne pas partir du Moyen-Âge. Alors, Lausanne est délimitée par deux cours d'eau : le Flon et la Louve. Jusqu'au XVIIème siècle au moins, ils font office d'égouts, direction le Léman. Jusqu'à ce que les autorités décident de canaliser ces deux cours d'eau pour mieux gérer à la fois leurs crues et les questions de salubrité (notamment face aux épidémies de choléra et de typhus). Le voûtage du Flon est ainsi construit, tandis que, sur la période 1814–1830, la Louve est canalisée (pour les familiers de la région : avec cet aménagement est créée la place de la Riponne). Nombreux sont alors les travaux d'assainissement autour de ces cours d'eau, qui ont transformé la topographie de Lausanne jusq'aux bords du lac, un impact encore bien visible aujourd'hui.

Saut dans le temps, pour arriver en 1964, avec l'exposition nationale et la mise en service de la station d'épuration de Vidy (STEP), au bord du lac. En plus des eaux usées, la station reçoit alors les eaux du Flon et de la Louve canalisés, jusqu'à ce que cette dilution devienne de plus en plus problématique avec l'augmentation de la population lausannoise, spécialement en période d'orages. De nouveaux travaux sont donc lancés. Car outre, la réduction des eaux claires envoyées à la STEP, la canalisation de ces deux rivières permet de réduire les déversements d'eaux mélangées aux déversoirs d'orage et empêche également les macro-déchets transportés par les rivières d'arriver à la STEP par temps sec ou lors de précipitations faibles à moyennes. Lausanne à l'est. Pour la Louve, l'enjeu est financièrement plus problématique, mais c'est sans compter la synergie avec le projet lausannois de centrale d'incinération des ordures ménagères.

En effet, afin de valoriser la chaleur générée à travers un réseau de chauffage à distance, le projet de centrale d'incinération des ordures ménagères de Tridel vise une implantation au centre de Lausanne. Toutefois, quid du trafic des camions de déchets ? Bien avant Elon Musk et ses idées anti-bouchons de Los Angeles, décision est prise de construire un tunnel ferroviaire sous Lausanne de manière à relier la gare d'arrivée des déchets, Sébeillon, située à la périphérie de la ville, jusqu'à la centrale d'incinération.

Grâce à cette synergie, en 2007, les travaux, devisés à 11 millions de Francs, peuvent être lancés : une retenue et une prise d'eau sur la Louve, avenue Borde, derrière le dépôt des bus des TL (Transport Lausannois), d'où part la conduite forcée (de marque Bonna Sabla et de 700mm de diamètre intérieur) pour rejeter les eaux de la Louve au lac Léman, tout en by-passant la station d'épuration. D'abord posée le long du lit de la rivière, la conduite passe 2km dans le tunnel ferroviaire des ordures ménagères, puis par une galerie de connexion jusqu'à atteindre le Voûtage du Flon, emprunté sur 1.4km.

Barragepoids 564 m d'altitude

STEP de Vidy

Ouvrage du Capelard + centrale

Exutoire au lac Conduite dans le tunnel ferroviaire

Galerie transversale

Conduite dans le voûtage du Flon

Figure 1. Plan de situation.

LA LOUVE TURBINÉE ET, CE, DE MIEUX EN MIEUX

La dénivellation de plus de 185m entre la prise d'eau et le point de restitution au Léman s'avérant hydrauliquement intéressante, le projet de déviation de la Louve s'ouvre sur un projet de turbinage.

L'objectif d'utiliser au mieux les infrastructures en place conduit à implanter le local de turbinage dans l'ouvrage du Capelard dans la Vallée de la Jeunesse (à proximité du rond-point de la Maladière), un aménagement souterrain développé durant l'exposition de 1964, dans lequel arrive le Voûtage du Flon. Suit la mise en service en 2007 d'un groupe hydroélectrique de type Pelton de 195kW de puissance électrique nominale, sous 175m de chute brute, en by-pass de la conduite principale.

Mais, lors des 8 premières années de fonctionnement, la production n'atteint qu'une fois la valeur projetée de 466000kWh/an, en plafonnant plutôt entre 55 et 77% de la prévision. Ainsi, analyser et améliorer cette situation se justifie chaque année un peu plus. Or, comme annoncé courant 2015, le service de l'assainissement est intégré au service de l'eau début 2016. Conséquences ? Des changements peu favorables au projet de turbinage en termes de personnes impliquées et de turbinage et de nouvelles priorités. Mais c'était sans compter alors la volonté du nouvel ingénieur hydraulicien Renan Ermolieff, convaincu de la nécessité de réduire les rejets d'eau claire à la step, convaincu aussi par la nécessité de produire cette énergie verte.

Face aux fréquentes alarmes et pannes, allant jusqu'à plusieurs fois par jour selon les périodes, M. Ermolieff réussit à mobiliser un automaticien d'un autre département, très compétent, et fortement intéressé par les questions de mesures et de régulation, le tout avec l'appui du chef de service.

Au début, la problématique principale est de cerner la cause de certaines alarmes, et d'isoler chacune des causes. Une démarche assez complexe, tant leur nature est variée.

C'est à toute une accumulation de dysfonctionnements auxquels le Service de l'eau de la Ville de Lausanne fait face :  défaillances de composants électroniques au sein de l'alternateur  défaillances du pressostat  défaillances de composants électriques de force dans l'armoire  perturbation électromagnétique sur le courant de signal des vannes et de la sonde  défaillances des réglages des servomoteurs et des vannes  problèmes mécaniques au niveau des vannes de la dérivation  programme de la régulation contenant quelques bugs de code et surtout entrainant des ouvertures et fermetures de la conduite principale assez brusques par moment  conception du dégrilleur de la prise d'eau ne tenant pas assez compte des spécificités locales telles le colmatage- décolmatage–d'où des coups de béliers  ou encore les charriages importants de bois morts entrainant le déraillement du râteau,...

Et de recourir aux spécialistes. L'enjeu pour M. Ermolieff est d'assurer leur coordination : communiquer, expliquer, s'assurer que tous les tenants et aboutissants, tout le contexte global, et de détails, soient bien compris et considérés, que toute nouvelle intervention tienne compte des autres en cours ou à venir. A ce ceci s'ajoute la nécessité d'effectuer régulièrement un zoom arrière avec vulgarisation, à l'intention des différents partenaires.

PLAGE DE FONCTIONNEMENT ET COLLINE DE RENDEMENT

Parmi les sociétés externes consultées, Mhylab, dont la conception hydraulique de la turbine est issue, se penche, en 2018, sur la plage de fonctionnement du groupe hydroélectrique. En particulier, le mandat vise à déterminer dans quelle mesure le turbogroupe est apte à fonctionner lorsque le tronçon by-passé par la turbine de la conduite principale de la Louve est ouvert.

Car la conduite principale est équipée sur son tronçon by-passé par la turbine d'une vanne dissipatrice, de type Monovar. En plus d'être utilisé en cas d'arrêt du turbogroupe, ce système permet d'évacuer le débit lorsque le niveau d'eau dans la retenue est trop élevé et que la capacité de la turbine est insuffisante. Et jusqu'alors, le turbogroupe est en général à l'arrêt lorsque le tronçon by-passé par la turbine est ouvert.

Pour comprendre la démarche, pourquoi ne pas revenir à la théorie. Le fonctionnement d'une turbine Pelton peut être analysé à partir de sa colline de rendement issue des essais en laboratoire, présentant les courbes d'iso-rendement en fonction de deux coefficients adimensionnels liant :  Pour le chiffre d'énergie, la chute nette à la vitesse de rotation et au diamètre d'injection de la turbine,  Pour le chiffre de débit, le débit au diamètre d'injection, à la vitesse de rotation et à la largeur maximale interne des augets, B2.

Figure 2. Colline de rendements correspondant à la turbine Pelton de la Louve, avec les points de fonctionnement, en rouge foncé, correspondant à la journée du 31.05.2018, et le losange jaune correspondant à la pression minimale de fonctionnement admissible à pleine charge. Mhylab Mhylab utilise les coefficients ϕ pour le chiffre de débit et Ψ pour le chiffre d'énergie, lesquels sont définis comme suit pour les turbines Pelton :

Ψ = [-]

Avec :  Ψ: coefficient d'énergie (-)  g: constante de gravité (m/s2)  H: chute nette au débit turbiné (m)  N: vitesse de rotation (rad/s)  D1: diamètre d'injection (m)

Et : ϕ = [-]

 Ψ: coefficient de débit (-)  Q: débit par injecteur (m3/s)  B2: largeur intérieure maximale de l'auget (m)

La Figure 2 présente une colline de rendement mesurée en laboratoire sur un modèle homologue à la turbine de la Louve avec :  Les iso-rendements correspondant aux points de couleurs (chaque point d'une même couleur représente un point de fonctionnement particulier mais pour lequel le rendement est identique),  Le fonctionnement théorique de la turbine seule, avec 1 ou 2 injecteurs en fonction, correspondant aux deux courbes en trait continu, respectivement en rouge et en brun, chacune représentant de fait l'évolution théorique de la chute en fonction du débit.  deux caractéristiques d'ouvertures de l'injecteur correspondant aux deux courbes en traitillés, chacune des courbes correspondant à une ouverture fixe de l'injecteur, celle la plus à droite représentant l'ouverture maximale du pointeau.

1. Conduite forcée pour les eaux de la Louve suspendue dans la galerie transversale. Service de l'eau de Lausanne

2. Conduite forcée pour les eaux de la Louve suspendue dans le Voûtage du Flon. Service de l'eau de Lausanne

La campagne de mesures menée par Mhylab en mai 2018, sur toute la plage de fonctionnement qu'autorise alors la régulation du turbogroupe, sous des débits et des chutes variables, conduit au nuage de points présentés sur la Figure 2. Si ce nuage suit la même tendance que la théorie, on observe un décalage vers des chiffres d'énergie plus hauts. Une partie du décalage, tout comme la dispersion s'expliquent probablement par des variations de niveau d'eau à l'amont, des variations de la perte de charge dues au fonctionnement en parallèle du tronçon by-passé par la turbine, des instabilités et des incertitudes de mesure. Cela signifie toutefois que la chute à disposition est plus élevée que celle définie lors de conception de l'aménagement. Ce jour-là, la vanne dissipatrice est également ouverte, à de faibles pourcentages avec la turbine maintenue en fonction.

Au final, il apparaît que la turbine fonctionne sur une plage (ϕ, Ψ) relativement étroite par rapport aux iso-rendements, ce qui est notamment dû à une faible perte de charges dans la conduite. Si ce mode de fonctionnement est usuel pour une turbine et correspond très certainement aux termes de référence, la turbine pourrait fonctionner sans dommages sur une plus large gamme de Ψ, c'est-à-dire de chutes nettes.

Et augmenter la plage de fonctionnement en chute nette correspond ici à permettre au turbogroupe de travailler lorsque la vanne dissipatrice est ouverte. Comme montré sur la Figure 2 par le losange jaune, la turbine pourrait fonctionner de manière admissible à pleine charge jusqu'à une pression amont minimale de 14.5bar. Une seconde campagne de mesures est donc menée à cette pression minimale et montre que le fonctionnement du turbogroupe n'est pas affecté par la baisse de la chute nette due à l'ouverture de la vanne dissipatrice jusqu'à 15.0bar.

En conclusion il est effectivement possible de réduire la pression minimale de consigne pour la turbine, en intégrant une consigne de temporisation étant donné les fluctuations de pression dues à la manœuvre de la vanne dissipatrice. Et, Mhylab de recommander une inspection visuelle régulière de la roue et une attention particulière à l'observation des vibrations, de la stabilité des relevés (puissance) et du bruit lors des fonctionnements lorsque le tronçon by-passé par la turbine de la conduite de la Louve est ouvert. Finalement, suite à l'analyse de Mhylab, la pression d'arrêt de la turbine est réglée à 15.0bar. 2022 : BILAN DU PLAN D'ACTIONS

L'intervention de Mhylab est un exemple parmi d'autres. Ont également participé à cette optimisation, aux côtés de M. Ermolieff : Hydro-Exploitation, Gasa Hydro SA, Kobel AG, et de nombreux ouvriers et automaticiens (Ouvriers : A.Gumy, P.Trudel et T.Schuttel./ Automaticien : T. Mahieu).

Premiers chiffres : la production électrique de l'année 2021 atteint 734000kWh, malgré un arrêt de 3 semaines pour curage du barrage, ou l'équivalent de la consommation électrique annuelle de 180 ménages. En d'autres termes, la production de la petite centrale de la Louve représente trois fois les consommations électriques de toutes les installations du réseau d'eaux usées du Service de l'eau de Lausanne.

Et des effets secondaires positifs sont à relever :  l'équipe d'exploitation n'intervient plus sur la turbine et les vannes, hormis pour les opérations de maintenance programmées. Par le passé, l'équipe devait parfois se déplacer deux fois par jour.  Il y a moins d'embâcles sur le dégrilleur de l'ouvrage de prises.  Les déversements au barrage sont toujours là, mais se font plus rares.

Le turbogroupe de la Louve. Mhylab 2007