La turbine à vis d'Archimède, technologie propre et innovante pour l'électrification rurale en Afrique et la préservation de la forêt

Jean-Paul KATOND MBAY

Chercheur-doctorant à l’Université de Libre de Bruxelles (ULB) et Chercheur à l’Université de Lubumbashi

République Démocratique du Congo

Jean-Paul KATOND MBAY Je suis ingénieur civil option électromécanique, chercheur, assistant et chercheur au département électromécanique de l’Université de Lubumbashi, en RD Congo; doctorant/ chercheur à l’Université Libre de Bruxelles en Belgique. Mes recherches sont menées en RDC et en Europe et portent sur la conception, modélisation et essai d’une turbine à vis d’Archimède à utiliser sur les cours en RD. Congo, en vue de l’électrification rurale et du développement durable. La vis devra être fabriquée localement, peu coûteuse et d’une grande simplicité à la fabrication, à installation et à la maintenance, le tout, localement. Je suis actif dans les associations de promotion des énergies renouvellables.je participerai en juin à l'atelier, sur l’EE et le genre à paris organisé par l'IEPF et le SIFEE. Résumé Il est aujourd’hui reconnu que développement durable et énergie propre vont de paire. À ce jour l'Afrique reste le ventre mou de la consommation énergétique. En RD Congo, le taux de desserte électrique en zones rurales est de moins de 1 % (l'un des plus faibles au monde) alors que près de 70 % la population y vit. Le bois ou charbon de bois, très polluants et avec un rendement faible, constituent les sources d’énergie les plus utilisées, avec toutes les conséquences connues sur l'écosystème. Dans mes recherches doctorales, je conçois, modélise et développe une turbine à vis d’Archimède à utiliser sur les cours d'eau en RD. Congo, en vue de l' électrification des zones rurales. Un modelé réduit sur banc d'essai en laboratoire (obtention des courbes caractéristiques) et ensuite grâce aux lois des similitudes des turbines, le prototype réel sera construit sur site en RDC. L'idéé date de l'Égypte antique, ou la vis était utilisée pour irriguer les champs, mais la technologie nouvellement appliquée en Europe, conviendrait et s'adapterait très bien aux contextes des pays en développement. La vis devra être fabriquée localement, peu coûteuse et d'une grande simplicité à la fabrication, à installation et à la maintenance. C'est donc une génération énergétique propre qui contribuerait efficacement à la réduction de la pression énorme exercée sur nos forets. Cette expérience en cours d’expérimentation en RD Congo, peut bien être disséminé dans tous les pays d’Afrique qui confrontés à la même problématique. 1. L’hydroélectricité en RD Congo 1.1. Introduction La République Démocratique du Congo dispose de potentialités énormes en ressources (près de 60 millions d’habitants sur un vaste territoire de 2 345 000 km2, 80 millions d’hectares de terres arables, avec un réseau hydrographique dense, un climat varié favorable à une agriculture diversifiée, etc.). Malgré cet énorme potentiel, le pays est classé parmi les plus pauvres du continent. Le taux national d’accès à l’énergie électrique du pays est très faible et se situe à moins de 10 % (comparé à une moyenne africaine d’environ 18 %); il est seulement de 1% en milieu rural. Le réseau hydrographique de la RDC est dense avec notamment le fleuve Congo, 1er en Afrique par la superficie de son bassin versant (3.822. 000km2) et son débit moyen et 2ème dans le monde derrière l’Amazone (6 300 000 km2 et 100 000 m3/sec). Le potentiel d’irrigation estimé est de 4 à 7 millions d’hectares, mais la superficie totale irriguée est de 10.500 ha (AQUASTAT, 2007). Le potentiel hydroélectrique de la RDC est estimé à 100 000 MW, soit 13% du potentiel hydroélectrique mondial (en comparaison, la puissance installée de l’Afrique Sub-Saharienne est de 48. 000 MW). La puissance totale installée est estimée actuellement à 2 516MW, soit 2,5 % du potentiel total, la production actuelle de 1.100 MW et la production moyenne possible à 14 500 GWH, la production effective, n’est actuellement que de 6 000 à 7 000GWH. (1).

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Les grandes orientations politiques du gouvernement dans le domaine de la mise en valeur des ressources en eau prévoient le développement de l’agriculture irriguée (16 000 ha) ainsi que le développement de l’hydroélectricité (étude de faisabilité pour Inga 3, la réhabilitation des centrales existantes (Inga 1 et 2) et l’intensification de l’électrification rurale par des énergies propres. La République Démocratique du Congo possède, en outre, d’importantes ressources énergétiques autres que celles hydrauliques, en l’occurrence les ressources forestières (122 millions d’hectares), minérales (pétrole, charbon, gaz méthane, uranium, schistes bitumeux…), géothermiques, etc. pouvant contribuer à la production de l’énergie électrique dans des zones dépourvues de ressources hydrauliques. Le pays, composé de 11 provinces administratives, a connu des décennies de troubles socio-politico-militaires, qui ont fortement entravé son développement et contribué à la destruction de ses immenses ressources. A la faveur du retour progressif à la paix, le pays s’est doté de plusieurs instruments de politiques en 2006, et des stratégies pour le développement durable des ressources disponibles pour la satisfaction des besoins vitaux de la population et la réduction de la pauvreté. Au niveau politique, le Congo sort d’une décennie de depuis 1996. Cette situation avait été précédée par une longue déliquescence de l’État suite à la longue dictature. Le Congo jouit aujourd’hui d’un nouveau cadre institutionnel issu des élections, qui constitue le nouveau socle de la reconstruction nationale, de la stabilité politique, malgré de nombreux et grands défis auxquels elle doit faire encore face, notamment la stabilisation et la sécurité à l’Est du pays. Au niveau économique, le Congo reste classé parmi les pays les plus pauvres du monde, malgré les fortes potentialités minières et agricoles dont il regorge. Avec un PNB inférieur à 100 $, plus de 80 % de la population vivent en dessous du seuil de pauvreté (avec moins d’un dollar par jour). L’industrie minière, l’agroélevage et la pêche (qui occupe 80 % de la population) constituent les principaux secteurs de l’économie congolaise qui affiche une croissance de 4,4 %. Les principaux produits d’exportation sont le diamant, l’or, le cuivre, le coltan, le cobalt et le café.

1.2. Situation de l’hydroélectricité en RDC depuis l’indépendance 1.2.1. Historique L’histoire de l’hydroélectricité se confond avec l’histoire de la Société nationale d’électricité, « SNEL » en sigle, Entreprise Publique de droit congolais en cours de transformation en société commerciale est régie par la loi nº 08/007 du 07 juillet 2008 portant dispositions générales relatives à la transformation des entreprises publiques. Elle fut créée par l’ordonnance nº 73/033 du 16 mai 1970 sous forme d’un établissement de droit public à caractère industriel et commercial. À l’origine, l’entreprise reçut de l’État, en tant que maître d’ouvrage, le mandat de maître d’œuvre pour les travaux de première étape de l’aménagement hydroélectrique du site d’Inga. En effet, soucieux de répondre aux besoins énergiques du pays, les pouvoirs publics, par ordonnance présidentielle nº 67-391 du 23 septembre 1967, instituaient le Comité de Contrôle Technique et Financier pour les Travaux d’Inga, lequel Comité sera remplacé en 1970 par SNEL. À la suite de la mise en service de la centrale d’Inga I, le 24 novembre 1972, SNEL devenait effectivement producteur, transporteur et distributeur d’énergie électrique à l’instar d’une autre société d’État, REGIDESO, et de six sociétés commerciales privées existantes, ayant le même objet social. Il s’agissait de COMECTRICK, FORCES DE L’EST, FORCES DU BAS-CONGO, SOGEFOR, SOGELEC, COGELIN. La même année, le gouvernement mit en marche le processus d’absorption progressive de ces sociétés privées par SNEL. L’issue de ce processus se traduira par l’instauration d’une situation de quasi-monopole au profit de SNEL confortée par la suite par la loi n° 74/012 du 14 juillet 1974 portant reprise par SNEL des droits, obligations et activités des anciennes sociétés privées d’électricité ci-haut citées. Cette loi traduisait la volonté de l’État de s’assurer le contrôle direct de la production, du transport et de la distribution de l’énergie électrique, jugée alors ressource stratégique en matière de développement économique et social du pays. Depuis lors, SNEL contrôle en réalité toutes les grandes centrales hydroélectriques et

thermiques du pays. Seules quelques micro et mini-centrales hydroélectriques du secteur minier et religieux et de petites centrales thermiques intégrées aux installations d’entreprises isolées continuent à relever du secteur privé. Jusqu’en 2009, le service public de l’électricité était confié à SNEL érigée sous forme de société d’État, régie alors par la loi-cadre sur les entreprises publiques et l’ordonnance n°78/196 du 5 mai 1978 portant ses statuts, sous la tutelle technique du Ministère ayant l’Énergie dans ses attributions, la tutelle administrative et financière étant assurée par le Ministère du Portefeuille. Cette évolution institutionnelle permit à SNEL de poursuivre sa mission de maître d’œuvre pour les travaux d’aménagement du site d’Inga dont la première phase, Inga 1 (351 MW), officiellement démarrée le 1er janvier 1968, fut inaugurée le 24 novembre 1972. La deuxième phase, Inga II (1.424 MW), verra ses installations entrer en service en 1982. Cette période des grands travaux a été couronnée par la construction de la ligne ± 500 kV CC Inga-Kolwezi, la plus longue du monde soit 1.774 km. Entrée en service industriel en 1983, cette ligne était initialement destinée à l’approvisionnement en énergie électrique des mines et usines du Katanga, au Sud du pays. Aujourd’hui, elle permet la desserte de quelques pays d’Afrique Australe (Zambie, Zimbabwe et Afrique du Sud). A l’accession de la RD Congo à l’indépendance en 1960, l’énergie électrique était concentrée autour des pools industriels avec une puissance installée de l’ordre de 573 MW pour l’hydroélectricité. Cinquante ans après, la puissance installée est passée à plus de 2.500 MW dont 95 % représentent la part de SNEL. Les réseaux de transport Haute Tension ont été développés à plus de 5.500 Km et les canalisations Moyenne et Basse Tension de distribution d’électricité étendues, au cours de cette période, à hauteur de 35.000 Km. D’autres sites importants, allant de 100 à 1.000 MW de puissance techniquement exploitable, ont été identifiés et étudiés ailleurs au Congo, c’est-à-dire dans d’autres régions. Ils sont localisés :

1. au nord, près de Kisangani, sur le fleuve Congo : 2 sites totalisant environ 1.000 MW; 2. à l’est, au Sud-Kivu, sur la rivière Ruzizi : un chapelet de sites totalisant plus de 500 MW; 3. au sud, au Katanga, sur le fleuve Lualaba (Congo) : deux sites totalisant plus de 300 MW.

Cet énorme potentiel de la République Démocratique du Congo, inégalement réparti sur l’ensemble du territoire national, est quasiment inexploité. 1.2.2. Situation actuelle A ce jour, les aménagements hydroélectriques en exploitation en République Démocratique du Congo et de puissance égale ou supérieure à 50 kW, sont estimés à une quarantaine. Parmi ces aménagements, quinze sont gérés par la Société Nationale d’Électricité (SNEL) et un appartient à la Communauté Économique des Pays des Grands Lacs (CPGL) avec une quote-part de 1/3 pour la République Démocratique du Congo. La puissance globale installée est évaluée à 2.516 MW dont 2.426 MW pour SNEL (y compris la quote-part dans Ruzizi II qui s’élève à 9,7 MW); les auto-producteurs se partagent les 90 MW restants. La production annuelle ne dépasse pas guère 6.500 GWh, soit moins de 1 % du potentiel total exploitable. En revanche, le productible annuel garanti des installations en service avoisine 14.500 GWh, soit 1,9 % du même potentiel. Cette situation de sous-utilisation des installations (ex : 30 % pour les centrales d’Inga) résulte de la modicité de la consommation d’énergie électrique en aval. D’autre part, s’agissant de l’équipement de certaines centrales hydroélectriques, des emplacements ont été apprêtés pour qu’il y soit installé des machines additionnelles. En d’autres lieux, des sites d’exploitation ont été prévus, en cas de besoin, en aval des installations existantes compte tenu des débits importants des chutes en chapelets dont regorgent les rivières concernées. La plupart des autoproducteurs (environ 90 %) sont des entreprises minières. Compte tenu des problèmes d’exploitation (diminution des réserves, vieillissement de l’outil de production, manque de pièces de rechange, etc.) et de la mévente des produits miniers sur le marché international ayant entraîné la baisse des activités et la

compression des charges d’exploitation, certains aménagements hydroélectriques privés sont soit à l’abandon, soit sous-exploités. De même, leur âge (plus de quarante ans pour la plupart,) et la modicité de leurs puissances respectives ne sont pas de nature à encourager certaines initiatives de réhabilitation des installations visant à, soit la relance des activités minières, soit l’exploitation des centrales à des fins commerciales. Le diagnostic de l’évolution de SNEL pendant ses 40 ans d’existence est l’insuffisance des ressources financières en vue de faire face à l’exploitation courante, à l’endettement et au développement de l’entreprise ce qui implique d’innombrables conséquences au plan technique dont les plus significatives sont :

- la mauvaise qualité de l’énergie électrique livrée aux consommateurs, caractérisée par des chutes de tension, des déséquilibres dans la fourniture, intempestifs;

- la discontinuité de fourniture de l’énergie électrique caractérisée notamment par le délestage intempestif forcé de charges dû à l’immobilisation d’un nombre important des groupes de production, à la surcharge et la saturation des réseaux de transport et de distribution;

- un taux de desserte électrique national de 5 % et 1 % dans les milieux ruraux où vivent par ailleurs 80 % de la population.

Fig.1. Carte des centrales électriques en RD Congo.

1.3. Situation de l’hydroélectricité au Katanga Deuxième province la plus grande derrière la province orientale, la province du cuivre a une superficie de 496.965 Km

2, et une population estimée en 2001 à 6.882.435 habitants soit une densité de 13, 8 hab./Km

2. Elle est limitée

au Nord par la province du Maniema, au nord-ouest par l’Angola, au sud et sud-est par la Zambie et à l’est par la Tanzanie. Administrativement, la province compte 4 districts, dont 2 villes et 23 territoires. Le Katanga connaît deux types de climats dont l’un tropical humide et l’autre tempéré chaud. La rivière Lwalaba constitue l’axe principal du système hydrographique du Katanga, nom qui devient fleuve Congo en amont. Il reçoit de nombreux affluents sur les 400 premiers kilomètres et poursuit son cours torrentueux jusqu’à Nzilo. Le Katanga est desservi par quatre principales centrales hydroélectriques qui sont Nseke et Nzilo sur le Lwalaba, Mwandigusha et Koni sur la Lufira.

Malgré la présence de grandes industries dans la province, l’électrification est peu développée, avec un taux de 4,5 %. Tableau 1 : Centrales hydroélectriques appartenant à la SNEL

(Source : documents SNEL Avril 2010). Les centrales de Nseke, Nzilo, Mwadingusha et Koni sont interconnectées par un réseau de près de 1.850 Km de ligne à haute tension. La ligne de 220. 000 Volts partant de Nseke se prolonge jusqu’en Zambie et assure l’interconnexion avec la centrale de Copperbelt et celle de Kariba sur le fleuve Zambeze. Elles sont aussi connectées à la centrale Inga installée dans la province du Bas-Congo à plus de 2000 Km. Le tableau 2 : Recense les quelques centrales privées existant au Katanga. Ces centrales appartiennent soit à des entreprises publiques, soit à des missions religieuses ou soit à des privées

Dénomination de la centrale Ville et Rivière Propriétaire Puissance installée en MW

1 DIKOLONGO Lubudi/ Kalule sud Cimenkat 2,25

2 KAFAMKUMBA Kafamkumba Methodiste

3 KALULE Lubudi/ Kalule nord Cimenkat 4,2

4 KANSENIA Kansenia/ Kansenia Catholique 0,057

5 KASOMB JAM Kasomb jam/Kasomb jam Catholique

6 KAYEMBE MUKULU ONDE

7 MITWABA Mitwaba/ Mbalekalumengungu EMCO 0,32

8 LWANZA Garengaze

9 MOBA Moba/ Milombozi Privé 0,1

10 NTITA Kapanga/ catholique Catholique

11 PIANA MWANGA Manono/ Luvua Congo étain 29

12 TSHALA Tshala/ Tshala Catholique

13 FUTUKA Lubumbashi Ferme Katumbi 0,08

(Source : documents SNEL)

Dénomination de la centrale Localisation

Puissance installée : MW

Puissance produit/ MW

Types+Nbres de turbines

1 NSEKE NSEKE à 90KM de Kolwezi 260 195

Quatres turbines francis à axe vertical

2 NZILO NZILO à 30 KM de Kolwezi 100 75

Quatres turbines francis à axe vertical

3 MWADINGUSHA 75 KM de Likasi 72 35 Six turbines francis à axe vertical

4 KONI 87 KM de Likasi 42,12 28,08 Trois turbines francis à axe vertical

5 KIYIMBI/ BENDERA BENDERA à 120 KM de Kalemie 17,2 8,6

Deux turbines pelton à axe horizontal

6 KILUBI 120 KM de Kamina 5,4 2,7 Deux turbines francis à axe horizontal

Total : 496,72 344,38

Selon la banque mondiale, le déficit énergétique pour les entreprises minières présentes au Katanga est de l’ordre de 900 MW. Il est observé une moyenne de 19 coupures d’électricité par Mois dues à la vétusté et au mauvais état des infrastructures. (1). 1.4. L’électrification rurale au Katanga L’électrification rurale dans la province du Katanga est quasi inexistante. Le taux d’accès à l’électricité est inférieur à 1 %.Historiquement, l’électrification des villes du Katanga, province à vocation minière, s’est concentrée dans les grands pôles d’exploitation minière, se désintéressant ainsi des autres contrées de la province avec le monopole de la SNEL qui gérait tous les réseaux. Par manque d’initiative étatique et privée d’électrification à grande échelle, le générateur de très faible puissance (1 à 10 KW, fonctionnant souvent au diesel) se répand de plus en plus. Produire de l’électricité à partir de tels équipements est accessible pour ceux possédant un peu de moyens financiers, l’investissement initial étant faible (une centaine de dollars par famille) et le carburant pouvant être acheté et stocké dans la maison, avec tous les risques d’incendie que cela comporte. Mais cette option coûte cher, à savoir 1 euro/kilowatt-heure rien qu’en gasoil. De plus, cette alternative est particulièrement polluante et son rendement est faible. Les défis que doivent relever les projets d’électrification rurale au Katanga sont : la faible densité de population, les distances importantes, la faible consommation d’énergie, les faibles revenus des communautés rurales, les coûts d’investissements élevés. Les atouts de cette province sont : la présence d’ateliers de mécanique équipés, pouvant servir à la fabrication et à la maintenance des machines. Dans ce contexte d’inexistence de véritable politique d’électrification rurale, les zones rurales de cette province possédant, par ailleurs, d’énormes potentiels hydroélectriques, avec environ une centaine de sites recensés pouvant être exploités, peuvent être électrifiée moyennant un cadre institutionnel chargé de la coordination et de la facilitation des actions publiques et/ ou privées et surtout une technologie adaptée aux réalités locales. Cette électrification pourra notamment; réduire l’exode rural, promouvoir la création d’emplois, utiliser les ressources locales, créer des activités génératrices de revenus, stimuler l’appropriation des connaissances par les populations locales, réduire la pression sur la déforestation en substituant progressivement l’électricité au bois de chauffe pour la consommation des ménages, diminuer le recours aux énergies fossiles, réduire les émissions de CO2. 1.5. La forêt en RD Congo La RDC est le premier pays d’Afrique de par l’étendue de ses forêts, et le plus important pour la préservation de l’environnement mondial. C’est le deuxième massif de forêt tropicale dans le monde après le Brésil et le cinquième pays forestier du monde après la Russie, le Canada, les États-Unis et le Brésil, devant l’Indonésie, la Malaisie, et la Papouasie-Nouvelle-Guinée. À ce propos, M. Prieur écrivait, dans ses « conclusions générales » à l’occasion des journées scientifiques portant sur droit, forêts et développement durable, ce qui suit : « Cinq États ont une responsabilité spéciale vis-à-vis de l’environnement global, car ils regroupent à eux seuls 55 pour cent des forêts : le Brésil, le Canada, les États-Unis, la Russie et la RD Congo. Les écosystèmes forestiers de la RDC recèlent un grand nombre d’espèces animales et végétales qui la placent en bonne position sur le plan mondial et africain. La RDC est cinquième dans le monde par sa diversité animale et végétale. Elle est la première à l’échelon africain en ce qui concerne la diversité des mammifères et des oiseaux, et la troisième pour la diversité floristique, après Madagascar et l’Afrique du Sud. Elle compte notamment 409 espèces de mammifères, 1117 espèces d’oiseaux, 400 espèces de poissons, et plus de 10 000 espèces végétales. La RDC compte quatre sites naturels du patrimoine mondial : les parcs de Virunga (depuis 1979), de Garamba (1980), de Kahuzi-biega (1980) et de la Salonga (1984). Ces sites abritent des espèces rares et spectaculaires. Le taux d’endémisme parmi les plantes et les petits mammifères est également élevé : 6 pour cent de ses mammifères

et 10 pour cent de ses plantes n’ont été trouvés qu’en RDC. La RDC contient 12 parmi les 30 « centres d’endémisme végétal » identifiés en Afrique par l’IUCN (Union internationale pour la conservation de la nature) et le WWF. Les principaux traits physiques connus sont les forêts denses et humides, les forêts de montagne, les forêts denses sèches, les forêts bambou, les forêts claires, les forêts sur sol hydromorphe, les galeries forestières, les forêts de mangrove, diverses forêts secondaires. Il est fort probable – pour des raisons liées au manque d’inventaire et de statistiques fiables – que la forêt congolaise n’ait pas encore fini de dévoiler ses facettes et ses multiples secrets. Aussi, serait-il prudent de considérer ces traits comme indicatifs. Dans son dernier rapport sur l’état des forêts du monde, la FAO souligne que la RDC a perdu un total de 319 milliers d’hectares entre 2000 et 2005, soit une réduction de 0,2 pour cent du total de forêts. Le rapport sur les forêts du bassin du Congo fait osciller ce rétrécissement entre 0,15 et 0,33 pour cent du territoire forestier16. Il faudrait signaler que l’érosion des espaces forestiers conserve un rythme constant – peut-être aussi en légère augmentation – parce que durant la période 1990-2000 (soit pendant dix ans), la perte fut de l’ordre de 532 milliers hectares, soit 0,4 pour cent du territoire forestier17. Les principales causes de déforestation connues sont l’agriculture itinérante sur brûlis, la coupe de bois pour les besoins d’énergie domestique, l’exploitation industrielle illégale et sans aménagement forestier préalable ainsi que les feux de forêts. Approximativement, 35 à 40 millions de Congolais, soit plus de 60 pour cent de la population, vivent de manière quotidienne de la forêt. En 1997, le secteur forestier contribuait pour 10 pour cent du PNB. En 1998, la valeur totale du bois exporté en grumes et en sciage a atteint près de 41 millions de dollars des EU. Le bois et le charbon de bois procurent 80 pour cent de l’énergie domestique et servent à la construction des maisons d’habitation et des pirogues. Les exploitants artisanaux utilisent pour la plupart du bois vendu sur le marché local pour divers besoins, notamment l’ameublement, l’outillage, l’ornement et l’artisanat. Le bois de forêt est la principale source d’énergie économiquement accessible et culturellement acceptée. Par ailleurs, le gibier fournit probablement la principale source de viande dans les zones forestières, avec une consommation estimée à plus d’un million de tonnes par an. En termes de valeur économique, il a été estimé que le gibier extrait de la forêt congolaise dépasse à l’heure actuelle 1 milliard de dollars par an. En 1990, 32 entreprises forestières étaient enregistrées et employaient près de 9000 personnes. Ce nombre a chuté depuis lors. Par exemple en 2002, ce secteur employait toujours près de 6000 personnes pour une masse salariale d’environ 6,5 millions de dollars. Quand la lueur d’une paix est apparue, il s’est de nouveau manifesté de l’engouement pour l’exploitation forestière. En 2007, le nombre de sociétés forestières enregistrées auprès de la Direction de Gestion Forestière (DGF) du ministère de l’environnement et forêts s’élevait à près d’une soixantaine. Seulement, une quinzaine opèrent de manière effective. N’empêche que le secteur forestier demeure prometteur et pourrait devenir, selon certains, le principal employeur du pays après la fonction publique si les entraves liées aux conflits armés s’estompaient. À côté de cette fonction essentiellement économique, les forêts assurent aussi des fonctions touristiques, récréatives, écologiques, morales et religieuses. Les principales causes de déforestation se résument à :

le bois et le charbon de bois couvrent 90 % des besoins énergétiques des ménages (urbains et ruraux);

l’agriculture;

les entreprises minières;

la fabrication des briques de construction;

les feux de brousse.

Fig. 3 : Jean-Paul (gauche) et Michael, encadrant le propriétaire case devant sa botte de bois sec. 2. Centrale hydroélectrique 2.1. Introduction En plus d’être non polluante et renouvelable, l’hydro-électricité est la plus prévisible et la plus ancienne des sources d’énergies renouvelables. Elle valorise les cours d’eau existants moyennant des aménagements allant du simple au plus complexe. Près de 18 % de l’énergie électrique au monde est générée par la force hydraulique. En règle générale, les aménagements construits “au fil de l’eau”, sans réservoir d’accumulation sont des petites centrales hydroélectriques (PCH). Lorsqu’il y a stockage temporaire par le biais d’un étang ou d’un réservoir, celui-ci sert tout au plus à produire de l’énergie de pointe durant quelques heures de la journée. La différence primordiale avec les grandes centrales se situe avant tout au niveau de la simplicité de conception et d’exploitation. Des nombreuses études ont démontré, que les principales exigences garantissant le succès des PCH sont : 1° la réduction du capital de départ; 2° la réduction du coût de maintenance; 3° la fiabilité; 4° la robustesse; 5° la simplicité. 2.2. Définition d’une petite centrale hydroélectrique (PCH) ou Small hydro power plant en anglais (SHP) La production d’énergie par une centrale hydraulique qu’elle soit grande ou petite est fonction du débit de l’eau et de la hauteur de chute à disposition.

Fig. 4 : Principe de fonctionnement En toute généralité, l’ESHA (European Small Hydro-power Association), une PCH est définie comme une installation de production énergétique, d’une puissance inférieure à 10.000 kW, transformant l’énergie hydraulique d’un cours d’eau en énergie électrique. 2.3. Classification des PCH En fonction de la puissance fournie par une PCH, on distingue ainsi les picos, micros, minis et petites centrales hydroélectriques. Les limites définies par ce mode de classification varient d’un pays à l’autre (Tableau. 2). Dans le cadre de ce rapport, nous adopterons la classification de l’ESHA et l’UNIPEDE (Union Internationale des Producteurs et Distributeurs d’Electricité). Tableau 3 : Classification des PCH en fonction de la puissance fournie

Pays/Organisme Pico (Kw) Micro (Kw) Mini (Kw) Petite (Kw)

ESHA < 20 20 - 100 100 - 500 500 - 10.000

UNIPEDE < 20 20 - 500 500 - 2000 2000 - 10.000

USA < 100 100 - 1000 1 - 30.000

CHINE < 500 - 500 -25 000

ANGLETERRE < 5 5 - 100 100 - 1000 1000 - 15.000

INDE < 100 100 - 1000 15.000

ITALIE < 3000

CANADA < 100 100 - 1000 1000 - 50.000

FRANCE 5 - 5000 < 8000

Belgique, Portugal, Espagne, Grèce, Irlande < 10.000

Suède < 1500

On peut aussi classer les PCH en fonction de la hauteur de chute (Tableau 3).

Tableau 4. Classification des PCH en fonction de la hauteur de chute.

Centrale Haute chute ou Haute pression

Moyenne chute ou Moyenne pression

Basse chute ou Basse pression

Hauteur Sup. à 100 m. 30 - 100 m. 30 à 2 m

Hauteur Sup. à 100 m. 15 - 100 m. Inf. à 15 m

Une centrale hydroélectrique est composée d’un certain nombre d’ouvrages de génie civil, d’équipements hydrauliques et électromécaniques (avec la turbine jouant un rôle majeur), dont la conception et la construction vont dépendre du type d’aménagement, des conditions locales, de l’accès aux matériaux de construction et également des traditions de construction locale du pays ou de la région.

Fig. 5 : Vue d’ensemble d’une PCH 3. La turbine 3.1. Généralités Depuis la roue à aubes entraînant un moulin, les machines hydrauliques ont subi une évolution technique considérable. Une turbine hydraulique est une machine dans laquelle un transfert d’énergie s’effectue entre l’eau s’écoulant de façon continue et un rotor. Ce rotor est équipé d’une ou plusieurs roues équipées d’aubes ou pales. Elle prélève et transforme l’énergie de l’eau en énergie mécanique disponible sur l’arbre de la machine, énergie qui pourra ensuite être utilisée pour entraîner une génératrice électrique ou un récepteur mécanique. Le dimensionnement adéquat de cet organe clé, permet non seulement d’éviter les surcoûts d’un surdimensionnement, mais également d’assurer une fiabilité et une durée de vie accrues des équipements électriques et mécaniques. Ainsi, une turbine bien conçue et dimensionnée peut fonctionner pendant plusieurs décennies sans remplacement ni intervention importante. Il existe classiquement 4 types de turbines hydrauliques, et pour chaque type, une large plage de caractéristiques. Il s’agit de la Pelton et la Cross Flow (turbine à action), et de la Francis et la Kaplan (turbine à réaction).

Ces turbines classiques ne sont pas toujours adaptées aux conditions permettant le succès des PCH dans les pays en développement, et c’est le cas de la RD Congo. Une alternative qui fait l’objet de notre étude est la turbine à vis d’Archimède, utilisée depuis une dizaine d’années sur certains sites en Europe et en Amérique. 3.2. La turbine à Vis d’Archimède Le principe de fonctionnement la turbine vis d’Archimède est l’inverse de la celle de la pompe à vis d’Archimède. La pompe à vis relève les eaux tandis que la vis hydrodynamique génère de l’énergie en laissant couler vers le bas l’eau dans la vis. La vis est ainsi entraînée en rotation et un générateur relié à la vis permet de générer de l’électricité. Elle convient pour un fonctionnement avec des débits allant de 0.2 m

3/s à 6 m

3/s et des hauteurs de chute

comprises entre 1 et 10 m. Une vanne de garde permet de régler le débit à l’entrée.

Fig.6 : Schéma d’une installation à turbine à vis Une turbine à vis est constituée :

A. D’une auge, de forme rectangulaire ou circulaire, dans lequel est logée la vis, il permet de canaliser l’écoulement autour de la vis. La conception la plus courante est la vis en auge en béton, mais il existe aussi des vis entièrement préfabriquées en auge métallique en U ou en tube.

B. D’un palier supérieur et inférieur la vis est supportée par deux paliers, un palier inférieur immergé en pied de vis et un palier supérieur positionné hors d'eau, avec le groupe de commande. Ces paliers sont des paliers à roulement. La lubrification et l'étanchéité du palier inférieur sont des fonctions essentielles de l’installation.

C. D’un tube cerné des spires (rotor); la vis d'Archimède est une construction mécano soudée, constituée

d'un noyau central, sur lequel sont rapportées une ou plusieurs spires. L’angle d’inclinaison de la vis par rapport à l’horizontal est généralement compris entre 22° et 40°. Ses paramètres sont :

I. Les paramètres externes

1° le rayon extérieur de la vis R0 ; 2° la longueur active de la vis L; 3° l’inclinaison K= tg θ;

II. Les paramètres internes 1° le rayon intérieur de la vis Ri; 2° le nombre de spires N, N= 1, 2,…; 3° le pas ou période de l’hélice Λ, 0 ≤ Λ ≤ 2.Π. R0/ K.

Fig.7 : Vue d’une vis à 2 spires Pour le dimensionnement d’une vis, en général, le nombre de spires est prédéterminé pour des raisons de fabrication, de poids et de coût. Il est généralement compris entre 1 et 3. Sont connus également le rayon extérieur R0 et l’inclinaison K. La conception consiste à trouver les valeurs du rayon intérieur R et du pas Λ qui maximisent le volume d’eau (le débit). 3.2.1. Les paramètres de dimensionnement En faisant l’hypothèse que l’épaisseur des spires est nulle, on distingue les paramètres suivants : Le coefficient de volume υ = Vt /Π. R0

2 .Λ . Compris entre 0 et 1.

Avec Vt : le volume maximum de l’eau par cycle. Le coefficient de rayon ρ = Ri /R0 Compris entre 0 et 1 Le coefficient de pas γ = K. Λ / 2.Π R0 Compris entre 0 et 1. La Vis hydrodynamique (Archimède) convient pour des :

Débits Q petit à moyen Ns (Vitesse spécifique) = 6.... 195 Hauteur faible nq (Vitesse spécifique) = 2 .... 65

3.2.3 Les avantages des turbines à vis

En comparaison d’autres turbines hydrauliques du même ordre de grandeur, le rendement (degré d’efficacité) de la vis hydrodynamique est semblable ou plus élevée. À noter la large plage du rendement (degré d’efficacité) à charge partielle qui rend encore possible une exploitation très efficiente de l’énergie hydraulique présente, même avec des débits faibles;

elle est plus écologique (fish-friendly), ne nécessite pas de grilles fines. Elle est robuste et nécessite peu de frais d’entretien et d’exploitation. Sa conception et sa construction sont simples et peu onéreuses;

sa conception, sa construction et sa maintenance sont simples et peu onéreuses;

elle ne nécessite pas de grilles fines à l’entrée de la prise d’eau;

elle est robuste et s’adapte aux conditions de travail variables.

Fig.7 : Vis d’Archimède 3.2.4. Les faiblesses Elle n’est cependant, utilisée que pour des puissances relativement faibles, sa vitesse de rotation faible nécessite un multiplicateur de vitesse qui introduit des pertes et surtout le dimensionnement, la lubrification et l'étanchéité du palier inférieur doivent faire l’objet de beaucoup d’attention.

Fig.9. : Évolution de la puissance en fonction du débit et de la hauteur d’une vis d’Archimède

Fig. 10. Diagramme des rendements et débits relatifs. Conclusion La technologie de la turbine à vis constitue une réelle perspective pour résoudre la problématique du déficit énergétique criant dans les zones rurales et périurbaines, de la RD Congo et par ricochet celles de l’Afrique, pour les pays ayant un réseau hydrologique s’y prêtant. Cette technologie, respectueuse de l’environnement, simple peut en réduisant, le recours aux bois ou au charbon de bois, stopper ou du moins réduire la pression énorme subie par nos forets pour satisfaire les besoins énergétiques quotidiens d’une population dont la démographie ne cesse de croître et ainsi préserver la forêt. Un site pilote situé autour de la Ville de Lubumbashi (Province Katanga, RDC) constitue notre milieu expérimental. La modélisation, les simulations et les essais se font dans les laboratoires du service Aéro-Thermo-Mécanique de l’Université libre de Bruxelles (ULB) sous la supervision du Professeur Patrick Hendrick (ULB, Belgique) et du professeur Édouard Mulapi W. (Université de Kinshasa, RDC).