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LOW←TECH MAGAZINE

L’eau courante comme vecteur d’énergie : les moteurs à eau

Au XIXe siècle, des turbines à eau miniatures étaient connectées au robinet et pouvaient alimenter n’importe quelle machine fonctionnant de nos jours à l’électricité

Traduit par: Maxime Pinsard

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Un moteur à eau de la fin du XIXe siècle avec un côté du boîtier retiré. Image: Old Pelton.

Peu d’occidentaux ont à l’esprit qu’ils ont une source d’énergie de plus dans leur foyer, leur atelier ou leur usine: l’arrivée d’eau du robinet.

Juste avant l’arrivée de l’électricité à la fin du XIXe siècle, les moteurs à eau étaient largement utilisés en Europe et en Amérique.

Ces turbines à eau miniatures étaient connectées au robinet, et pouvaient alimenter n’importe quelle machine fonctionnant de nos jours à l’électricité.

L’eau courante comme source d’énergie

L’eau est demeurée la principale source (non-vivante) de puissance mécanique de l’Antiquité jusqu’au début du XXe siècle. Bien que la plupart des roues hydrauliques se trouvaient sur les rives des rivières (ou au sein des rivières elles-mêmes), certaines étaient installées à très grande distance des sources d’eau. Cela fut rendu possible par l’introduction de la transmission de puissance hydraulique : le processus par lequel l’eau d’un ruisseau est acheminée par des cours d’eau artificiels jusqu’aux roues hydrauliques construites sur le sol.

Pour permettre la transmission de puissance hydraulique, des canaux artificiels («canaux de transmission de puissance» ou «aqueducs») pouvaient être creusés sous terre ou dans les rochers («rigoles»). Il pouvait également s’agir de structures surélevées dont les murs étaient dressés au-dessus du terrain environnant (“canalisation”). Des réservoirs d’eau formés à l’aide de barrages pouvaient être intégrés à ces réseaux de transport de puissance, régulant le débit d’eau. Ils fournissaient aussi un moyen de stockage de l’énergie pour les moments où le niveau d’eau devenait faible, et augmentaient la “hauteur” de chute de l’eau dirigée sur une roue à eau à verticale. L’utilisation de ces canaux de transmission de puissance a augmenté tout au long de la période médiévale et s’est généralisée au cours des années 1500.

Au milieu du XIXe siècle, de nombreuses villes européennes et américaines ont introduit un système de distribution d’eau plus sophistiqué: le système public de distribution d’eau courante. Bien que cette innovation fut une réponse à un problème de santé publique (il était devenu clair que les épidémies récurrentes étaient dues à la consommation d’eau contaminée), il est rapidement devenu évident que l’eau courante envoyée dans les canalisations du réseau pouvait également fournir une puissance motrice.

Les roues à eau demeuraient la source de puissance mécanique la plus importante au tout début des conduites d’eau publiques. La plupart des villes européennes et américaines avaient eu l’eau courante avant d’avoir l’électricité, il y avait donc un marché pour une source de puissance compacte qui pourrait être utilisée en ville, comme alternative aux moteurs à vapeur (qui étaient trop chers, trop dangereux et trop peu pratiques pour fonctionner à petite échelle) ou aux machines fonctionnant à la force des bras et des jambes.

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Moteurs à eau de la fin du XIXe siècle. Images: Smokstack etOld Pelton.

Les canalisations urbaines ne sont pas très différentes des systèmes de transmission de puissance hydraulique d’autrefois. Dans les systèmes publics de distribution d’eau la dépendance naturelle vis-à-vis des caractéristiques géologiques, assurant le sommet du cycle hydraulique, est remplacée par l’utilisation d’un château d’eau. L’eau est pompée vers un réservoir en hauteur, qui peut être sur une colline ou au sommet d’un château d’eau spécialement là pour ça (une combinaison des deux est également possible).

Le différentiel de hauteur entre le niveau d’eau dans le réservoir et le niveau d’eau dans le réseau détermine la pression d’eau. Pour chaque 10,20 cm d’élévation, une colonne d’eau produit une pression de 0,145 psi (pound per square inch, poids en livres par pouces carrés) ou 0,01 bar. Pour produire 4,8 bar (70 psi) de pression au niveau du sol, un château d’eau doit mesurer 50 m de haut.

Il est rapidement devenu évident que l’eau courante envoyée dans les canalisations du réseau public de distribution pouvait également fournir une puissance motrice.

Dans les canalisations urbaines, les aqueducs et les conduits de puissance mécanique sont remplacés par un réseau de canalisations beaucoup plus complexe. Cela empêche les débris de rentrer en contact avec l’eau et facilite le transport en amont. La technologie des conduites d’eau était utilisée dans certaines civilisations anciennes, mais les systèmes du XIXe siècle ont introduit des innovations décisives.

Tout d’abord, grâce au robinet à vis (breveté en 1845), l’alimentation en eau peut être facilement régulée. Deuxièmement, l’eau pouvait être mieux distribuée à l’intérieur des bâtiments individuels, atteignant souvent plusieurs pièces sur plusieurs étages. Dans ce genre d’endroits, il suffisait de connecter une petite turbine à eau à un robinet pour recevoir la puissance motrice du réseau d’eau. C’est exactement ce que les gens ont fait.

Des appareils domestiques à eau

En Europe, de petits moteurs utilisant le réseau d’eau public sont apparus dans les années 1840. Aux États-Unis, ils ont été largement utilisés entre les années 1870 et 1880. Un moteur à eau se composait d’une petite turbine à eau suspendue dans un boîtier métallique. Le diamètre de la turbine pouvait être compris entre 20 et 90 cm.

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Une publicité de 1906 pour un moteur à eau typique aux Etats-Unis.

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Une dynamo hydraulique. Image: The Museum of Retrotechnology.

Les plus petits moteurs à eau étaient utilisés pour faire fonctionner les machines à coudre, les scies sauteuses, les ventilateurs et autres objets à la mécanique semblable. Pour faire fonctionner les moulins à café, les congélateurs à crème glacée, les tours de bijoutier et de serrurier, les meules, les orgues d’église ou les malaxeurs et autres broyeurs de couleurs, des moteurs à eau un peu plus gros étaient recommandés. Les plus gros moteurs à eau étaient utilisés pour actionner des ascenseurs ou des scies circulaires. Dans les machines à laver hydrauliques, l’eau nécessaire pour laver les vêtements était aussi capable d’alimenter la machine.

Les moteurs à eau actionnaient les machines au moyen d’une transmission de puissance mécanique, à l’instar des traditionnelles machines à vent, à eau et aux machines à pédales de cette époque. L’arbre de la turbine à eau pouvait être équipé d’une poulie à courroie à laquelle différentes machines pouvaient être attachées, ou actionnait directement une seule machine.

À la fin du XIXe siècle, les moteurs à eau étaient également utilisés pour alimenter les appareils électriques, en particulier les radios et les ampoules. Dans ce cas, le moteur à eau entraînait une dynamo qui produisait de l’électricité localement. Des unités compactes constituées d’une petite turbine à eau directement couplée à une dynamo étaient disponibles dans le commerce.

Rendement et efficacité d'un moteur à eau

La plupart des turbines à eau obtenaient de la pression en extrayant l’énergie impulsionnelle de l’eau en mouvement, plutôt qu’à travers son poids, contrairement à la plupart des roues hydrauliques et certaines autres turbines à eau. Une innovation majeure fut la roue Pelton, inventée en 1878.

Cette turbine à eau est constituée d’une série d’augets fixés à intervalles réguliers autour de la périphérie d’un disque (“l’actionneur”). L’eau pénètre dans le boîtier par un tuyau d’entrée, où elle est envoyée dans un trou d’ajutage appelé “buse” qui réduit son volume et augmente sa vitesse, après quoi elle est dirigée vers les augets. En agissant sur la buse influençant cette variation de pression, on peut faire varier la puissance de sortie de la roue. L’eau résiduelle est évacuée au fond du boîtier, ou par un tuyau de sortie.

L’efficacité d’une roue Pelton ne dépend pas de sa taille, ce qui la rend particulièrement intéressante pour les petites puissances.

La turbine Pelton est particulièrement bien adaptée pour être utilisée en combinaison avec le réseau d’eau urbain, car elle nécessite une grande différence de hauteur et un faible débit d’eau. Le rendement d’une roue Pelton peut aller jusqu’à 90%, ce qui est comparable à un gros moteur électrique moderne. Contrairement aux moteurs à vapeur, aux moteurs électriques, et à la plupart des autres turbines à eau qui deviennent moins efficaces à mesure qu’ils deviennent plus petits, l’efficacité d’une roue Pelton ne dépend pas de sa taille, ce qui la rend particulièrement intéressante pour les petites puissances.

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Une machine à coudre hydraulique. Image: Knight’s American Dictionary (1881).

Les turbines à eau (comme la roue Pelton) sont beaucoup plus compactes que les roues à eau, ce qui fait qu’un petit moteur peut fournir plus d’énergie qu’il n’y parait. La puissance maximale de sortie d’un moteur à eau est déterminée par deux facteurs : la pression d’eau régnante et le débit d’eau, défini par le diamètre du tuyau et la vitesse de l’eau. Ce dernier facteur est plutôt fixe pour les tuyaux étroits, car à des vitesses supérieures à 8 km/h les pertes par friction deviennent problématiques.

La pression de l’eau dans les canalisations de ville se situe généralement entre 2,75 à 4,8 bar (40 - 70 psi), et était plus proche de 4,8 bar au XIXe siècle. Avec une pression d’eau de 4,8 bar et un diamètre de tuyau de 1,25 cm (une taille typique pour les embranchements individuels reliés aux robinets), la puissance de sortie maximale d’un moteur à eau est de 0,33 cheval-vapeur (ou 243 watts de puissance mécanique). Même en tenant compte du rendement limité du moteur, cela reste une puissance très élevée: deux à trois fois plus que ce que les jambes d’un humain peuvent fournir pendant une heure ou plus avec une machine à pédale.

La consommation d'eau

Les moteurs à eau répondaient à un besoin presque inaccessible à d’autres moteurs innovants de l’époque, et exploitaient une source d’énergie abondamment disponible via les systèmes centralisés déjà présents dans la plupart des zones urbaines. Cependant, au moins aux États-Unis, leur succès fut de courte durée. Dès que les moteurs électriques et à essence furent normalisés, le moteur à eau devint peu attractif. En 1900, la quantité de moteurs à eau aux États-Unis (environ 30 000 moteurs totalisant une puissance de 26 000 chevaux vapeurs) représentait environ un cinquième du nombre de moteurs à essence et un dixième des moteurs électriques. [Source: Hunter 1991]

À la fin du XIXe siècle, les moteurs à eau étaient également utilisés pour alimenter les appareils électriques, en majorité des radios et des ampoules

Le principal inconvénient des moteurs à eau était leur consommation d’eau potable en très grande quantité. À l’aide d’un tuyau de 1,25 cm de diamètre et d’une pression de 4,8 bar (70 psi), un moteur à eau consommait 30 litres d’eau par minute pour une puissance de 243 watts. Cela signifie qu’il fallait 7 440 litres d’eau pour produire 1 kWh d’énergie mécanique. Pour donner une idée : aujourd’hui un occidental consomme moins de 500 litres d’eau potable et moins de 5 kWh d’électricité par jour.

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Un ventilateur hydraulique. Trouvé sur Smokstak.

Si la pression d’eau tombait en-dessous de 4,8 bar (70 psi), la puissance de sortie du moteur à eau diminuait, tandis que la consommation d’eau potable restait la même. La pression minimale dans le réseau d’eau public était (et est toujours) de 1,4 bar (20 psi). En dessous de cette pression, il existe un risque de contamination, car de l’eau polluée pourrait pénétrer dans le réseau par des fuites dans les canalisations.

Si, manque de chance, la pression d’eau était de seulement 1,4 bar (20 psi), la puissance du moteur se limitait alors à 0,09 chevaux (67 watts), beaucoup moins impressionnant. Il était alors possible de retrouver une bonne puissance de sortie en accroissant le diamètre du tuyau, mais la consommation d’eau potable augmentait en contrepartie.

La pression d’eau dans les conduites primaires des villes pouvait être inférieure à 4,8 bar (70 psi) pour des tas de raisons : utilisation d’une pression d’eau plus basse par certaines entreprises, fuites dans les canalisations, emplacement structurel des logements des consommateurs par rapport au château d’eau, ou utilisation d’un moteur à eau à un étage en hauteur. La pression d’eau chute de 0.7 bar (10 psi) par 1.6 km (1 mi) de conduit. Cette pression est généralement plus élevée lorsqu’elle entre dans l’habitation que lorsqu’elle sort du robinet: elle diminue à chaque canalisation coudée, et environ 0.3 bar (5 psi) de pression est perdue à chaque étage supplémentaire.

Une pression d'eau irrégulière

La consommation d’eau était d’autant plus importante à cause de l’irrégularité de la pression d’eau. L’utilisation d’un château d’eau est avantageuse du point de vue de l’efficacité énergétique, car il permet de créer une pression d’eau avec des pompes de faible capacité. Les pompes doivent seulement répondre à la demande moyenne. Une demande supérieure à la moyenne (par exemple, lorsque tout le monde prend sa douche le matin) peut être gérée par une baisse du niveau d’eau dans la tour. Le réservoir sera alors à nouveau rempli lorsque la demande descendra en-dessous de la moyenne (en général la nuit).

Si par ailleurs le but est de créer de la pression en pompant de l’eau * directement * dans le réseau (une approche moderne de plus en plus populaire), il faut alors des pompes de grande capacité pouvant répondre à la demande des heures de pointe, qui fonctionneront de manière inefficace la majorité du temps.

Alors que l’utilisation des moteurs à eau aux États-Unis a pris fin au début du XXe siècle, les Européens ont fait passer la transmission de puissance hydraulique au niveau supérieur

La pression d’eau irrégulière n’est pas problématique pour le réseau de distribution d’eau potable, mais elle devient très désavantageuse pour l’utilisation de moteurs à eau. Si le niveau d’eau dans la tour diminue, la pression d’eau dans les tuyaux diminuera également. Pour assurer une puissance moteur suffisante en cas de pressions d’eau plus basses, les moteurs à eau devaient être plus gros et utiliser des tuyaux plus large que nécessaire, augmentant encore plus la consommation d’eau et gaspillant de l’énergie. Les pressions d’eau irrégulières réduisent l’efficacité énergétique d’un moteur à eau, car celui-ci n’atteint son efficacité maximale que lorsqu’il est ajusté de manière optimale à une pression d’eau donnée.

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Un batteur à œufs hydraulique. Images: Smokstak.

À la recherche d'une meilleure solution : l'accumulateur hydraulique

Comme mentionné précédemment, la puissance maximale produite par un moteur à eau est déterminée par deux facteurs: la pression et le débit d’eau. L’augmentation du diamètre du tuyau (et donc du débit et de la consommation d’eau) n’est qu’une façon parmi d’autres d’augmenter la puissance d’un tel moteur. Une autre façon est d’augmenter la pression d’eau, ce qui donne des résultats beaucoup plus intéressants. Par exemple, bien plus d’énergie pourrait être produite avec beaucoup moins d’eau.

Avec une pression d’eau de 48 bar (700 psi), ce qui équivaut à dix fois la pression dans le réseau d’eau public, un moteur à eau connecté à un tuyau de 1,25 cm pourrait produire une puissance de 3,3 chevaux (2500 watts d’énergie mécanique). C’est dix fois plus de puissance avec le même débit, de 30 litres d’eau par minute (ou dix fois moins d’eau pour la même puissance). Pour créer une pression d’eau de 48 bar, il faudrait impérativement construire un château d’eau de près de 500 mètres de haut. Malheureusement, c’est difficilement faisable en pratique.

Alors que les moteurs à eau ont cessé d’être utilisés au début du XXe siècle aux États-Unis, leur utilisation intensive a été poursuivie en Europe et a fait passer la transmission de puissance hydraulique à l’étape supérieure. Premièrement, des réseaux énergétiques spéciaux distribuant l’eau sous pression uniquement à des fins motrices ont été mis en place. Cela évitait d’utiliser de l’eau potable. Deuxièmement, l’Europe est passée à une pression d’eau beaucoup plus élevée (et stable) dans ses conduits, rendue possible par l’invention de l’accumulateur hydraulique.

Kris De Decker

Sources:

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