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Les réseaux de force motrice hydraulique

Sat, 30 Sep 2023 00:00:00 +0000

Illustration : Un accumulateur hydraulique. Image : [Les Chatfield](https://www.flickr.com/photos/61132483@N00/7184633723).

L’utilisation des moteurs à eau était largement répandue en Europe et en Amérique dans la seconde moitié du dix-neuvième siècle. Reliées à un robinet, ces petites turbines hydrauliques pouvaient faire fonctionner n’importe quelle machine aujourd’hui alimentée à l’électricité. Comme nous l’avons montré dans un précédent article, faire fonctionner ces moteurs à l’eau courante n’était pas une solution particulièrement durable. Du fait des niveaux de pression à la fois faibles et irréguliers dans les réseaux d’adduction, ces moteurs consommaient d’énormes quantités d’eau potable.

Tandis qu’aux Etats-Unis les moteurs à eau tombèrent en désuétude au début du vingtième siècle, les Européens trouvèrent une solution pour réduire leur importante consommation d’eau, perfectionnant ainsi la technique de transmission d’énergie par voie hydraulique. Ils déployèrent des « réseaux de force motrice hydraulique », dédiés à la distribution d’eau sous pression pour des usages de force mécanique exclusivement, et les convertirent à des régimes de pression beaucoup plus élevés et constants, rendus possibles par l’invention de l’accumulateur hydraulique.

La quasi-totalité de ces réseaux demeurèrent en service jusque dans les années 1960 et 1970. Comparée à l’électricité, la transmission de l’énergie hydraulique comme force motrice s’avère très efficace, quand elle est utilisée pour alimenter des machines puissantes mais fonctionnant de manière intermittente, lesquelles peuvent être réparties sur une aire géographique de la taille d’une ville entière.

“L’usage de l’eau est un sujet étonnamment peu considéré dans les publications d’ingénierie. Cantonnée à une image romantique ou populaire, la force motrice hydraulique n’a jamais conquis l’intérêt du grand public, contrairement à la machine à vapeur, la locomotive ou même le moteur à combustion interne.” Ian McNeil, Hydraulic Power, 1972

Les bases théoriques de la transmission de l’énergie hydraulique furent établies en 1647 par le jeune prodige français Blaise Pascal. Il découvrit, par le biais d’expériences scientifiques, que l’eau – contrairement à l’air – est un fluide quasi incompressible et transmet la pression de manière uniforme dans toutes les directions.

Les conséquences pratiques de ce qui deviendra plus tard le Principe de Pascal, aussi appelé “paradoxe hydrostatique”, furent démontrées par sa “machine à multiplier les forces”, schématiquement illustrée ci-dessous. Elle consiste en 2 cylindres, reliés entre eux par un tuyau. L’ensemble du dispositif est rempli d’eau et scellé hermétiquement. Le premier cylindre contient un piston de faible diamètre, tandis que le second cylindre contient un piston de diamètre 100 fois supérieur.

Machine à multiplier les forces.

Pascal parvint à démontrer qu’en plaçant un poids sur le petit piston, la force exercée permettrait de soulever un poids 100 fois plus lourd disposé sur le grand piston. En d’autres termes, selon le principe de Pascal, une force peut être appliquée à une petite aire pour exercer une force plus importante sur une plus grande surface : une machine exploitant ce principe pour multiplier une force de la sorte est appelée presse hydraulique. Le rapport entre les forces exercées respectivement sur le petit et le grand piston s’appelle l’avantage mécanique du levier hydraulique – dans l’exemple précédent, il est de 100 pour 1. Autrement dit, il est possible de générer une force résultante de 100 kg en appliquant une force initiale de seulement 1 kg.

Une Machine à Multiplier les Forces

La multiplication des forces était tout sauf une nouveauté au début du dix-septième siècle. Des systèmes plus simples, tels que les poulies, engrenages, cabestans, treuils et grues à tympan (aussi appelées « roues de carrier ») – autant de variantes du bras de levier, vieux de 7000 ans – étaient capable de générer une importante force résultante à partir d’un effort initial moindre. Les Romains, par exemple, construisaient des grues dont l’avantage mécanique pouvait atteindre 70 pour 1, ce qui signifie qu’un seul homme exerçant une force d’environ 25 kg pouvait soulever 1,75 tonnes.

Toutefois, la version hydraulique du mécanisme de levier présente un avantage considérable par rapport aux mécanismes qui l’ont précédée : les pertes d’énergie par friction sont minimes, et indépendantes de l’avantage mécanique. Par conséquent, le rapport de multiplication potentiel est presque infiniment plus grand, et les 2 pistons peuvent être éloignés d’une distance considérable – jusqu’à 25 km environ, comme nous le verrons plus loin.

En hydraulique, les pertes d’énergie par friction sont indépendantes de l’avantage mécanique, le rapport de multiplication des forces est donc potentiellement quasi infini

L’augmentation du rapport de multiplication peut être effectuée soit en augmentant le rapport de taille entre la surface des deux pistons, soit en exerçant une force plus importante sur le plus petit piston. Tout comme dans les dispositifs plus anciens évoqués ci-dessus, l’accroissement de l’avantage mécanique s’accompagne toujours d’une diminution de la vitesse.

Si une force hydraulique faible est convertie en une force plus grande, sa vitesse de fonctionnement sera réduite de manière inversement proportionnelle, dans la mesure où la distance parcourue est proportionnelle à la force. Par exemple, en descendant le petit piston de 10 centimètres vers le bas, on n’élèverait l’autre piston qu’au 1/100ème de cette distance.

Pascal barrel experiment.

Par conséquent, au sein d’un système en circuit fermé, le poids le plus lourd ne pourrait être déplacé vers le haut que sur une distance très courte, relative à la longueur du bras du piston. Cette limite intrinsèque disparaît toutefois si l’on introduit de l’eau supplémentaire au sein du système et que le petit piston, au lieu de ne descendre qu’une seule fois, réalise plusieurs cycles de montée-descente – c’est-à-dire quand il fonctionne comme une pompe. Dans ce cas, le grand piston continuera de monter.

La Presse Hydraulique

Les matériaux disponibles à l’époque n’étant pas assez robustes pour résister à une telle pression, Pascal ne put faire qu’indirectement la démonstration de son principe. Il faudra attendre un siècle et demi pour que la multiplication hydraulique des forces soit réellement mise en pratique. La première utilisation qui en tira profit n’était pas un engin de levage, mais presque le contraire : il s’agit de la presse hydraulique, générant une force dite de compression.

La traditionnelle presse à vis, en usage à cette époque, avait connu peu d’évolutions depuis son invention par les Romains, qui l’utilisaient alors pour presser les olives et le raisin. Elle nécessitait, pour fonctionner, des efforts conséquents avec d’importantes pertes d’énergie par friction (+80 %), et ne pouvait exercer de pression supérieure à 25 tonnes. (La vis, qui convertit le mouvement de rotation en un mouvement linéaire vertical, consiste tout simplement en un plan incliné “enroulé” en spirale autour d’un cylindre).

À gauche : La presse à vis. Crédit d’image : [Bruce K. Satterfield](http://emp.byui.edu/SATTERFIELDB/Olive%20Tree/olive%20tree%20horticulture.htm) À droite : La presse hydraulique.

On doit l’invention de la presse hydraulique, en 1796, à un serrurier et charpentier anglais, Joseph Bramah. Son fonctionnement est entièrement basé sur les travaux théoriques de Pascal. Actionnée par une pompe manuelle, la presse hydraulique de Bramah permit d’augmenter considérablement la force pouvant être développée par un humain.

Avec les matériaux disponibles à l’époque, Bramah parvint à obtenir un ratio de 1000 pour 1, ce qui signifie qu’un poids effectif de 60 tonnes pouvait être actionné par un effort initial de 60 kg seulement sur le bras de la pompe. Le rendement de cette presse hydraulique était supérieur à 90%.

Les Ports et Chantier Navals

Bien qu’ils fussent particulièrement adaptés aux opérations de levage, les systèmes hydrauliques firent peu de progrès dans ce domaine pendant la première moitié du dix-neuvième siècle. Cela tient en grande partie aux difficultés rencontrées pour convertir le mouvement linéaire des béliers et vérins hydrauliques en mouvement rotatif des tympans de grue. Si pendant la première moitié du dix-neuvième siècle, la manutention du fret dans les ports, les chantiers navals et les gares était encore réalisée au moyen de divers engins de levage manuels, la nécessité de disposer de grues de plus en plus grandes et surtout plus puissantes se faisait sentir.

A partir des années 1930, l’acier commença à entrer dans la construction navale, de manière concomitante à l’augmentation de la taille des navires. Les systèmes traditionnels de levage n’étaient plus adaptés au regard des charges à soulever. La grue à vapeur, apparue dans les années 1850, fut la solution qui s’imposa alors dans la plupart des pays. Toutefois, une alternative intéressante fit son apparition dans les ports et chantiers navals britanniques : la grue hydraulique.

Pendant la première moitié du dix-neuvième siècle, la manutention du fret dans les ports, les chantiers navals et les gares était encore réalisée au moyen de grues et engins de levage manuels.

C’est au cours des années 1840 que l’ingénieur anglais William Armstrong commença à concevoir et utiliser des grues hydrauliques relativement puissantes. Conscient que les systèmes hydrauliques sont plus adaptés aux mouvements lents et réguliers, Armstrong mis au point une technique permettant de soulever une charge en une seule course de piston ou vérin, démultipliant suffisamment le mouvement par un jeu de poulies.

Hydraulic crane.

Ses efforts furent cependant mis à l’épreuve par les caractéristiques des réseaux d’adduction d’eau de l’époque, source d’énergie pour ces machines, dont la pression était à la fois faible et variable. La puissance mécanique maximale fournie par une machine hydraulique est en effet déterminée par la pression et le débit d’eau. La hauteur maximale d’un château d’eau étant limitée, il en va de même pour la pression au sein du réseau de distribution qui lui est associé. Un château d’eau d’une hauteur de 50 m (165 pieds) peut ainsi délivrer une pression de 70 psi (4,8 bars environ).

Il en découle que le seul moyen d’accroître la puissance mécanique d’une grue hydraulique alimentée par un réseau d’adduction est d’augmenter le débit d’eau. L’inconvénient est alors double : ceci entraîne d’une part une consommation accrue d’eau potable, et induit d’autre part une augmentation de la taille et du coût des conduites, valves, vérins et autres composants du réseau. En outre, en période de forte consommation d’eau potable de la part des autres usagers, le niveau d’eau du réservoir ou château d’eau diminue, de même que la pression hydraulique au sein du réseau et, in fine, la puissance délivrée en sortie par la machine.

L’Accumulateur Hydraulique

En 1851, Armstrong mit au point une solution alternative qui résolut ces différents problèmes : l’accumulateur hydraulique. Bien qu’étant beaucoup plus compact qu’un château d’eau, ce dispositif pouvait générer une pression hydraulique de 700 psi (48 bars) ou plus – dix fois supérieure à celle du réseau d’eau potable. Cela permettait de fournir une puissance supérieure d’un ordre de grandeur (c’est-à-dire de la multiplier par un facteur 10) sans augmenter la consommation d’eau potable ni surdimensionner la taille des composants.

L’accumulateur hydraulique d’Armstrong consistait en un cylindre vertical dans lequel un vérin ou un piston plongeur exerçait une pression sur l’eau. Ce piston était lesté d’un contrepoids, lequel prenait généralement la forme d’un réservoir de lestage cylindrique entourant le cylindre central (image de gauche, ci-dessous). Ce réservoir était ballasté avec des granulats (pierres concassées), de la ferraille ou tout autre matériau de lestage.

Hydraulic accumulators. À gauche : Un accumulateur hydraulique dans le Port de Bristol. Wikipedia Commons. À droite : Accumulateur hydraulique, Walsh Bay, Sydney. Source : [NSW HSC Online](http://hsc.csu.edu.au/engineering_studies/application/lift/3377/hydraulics.htm)

Il fallait, pour obtenir une pression de 700 psi, l’équivalent de 100 tonnes de ballast, appliquées sur un piston d’environ 45 cm de diamètre et d’une course verticale (distance maximale parcourue dans le cylindre) de 6 à 7 mètres. Un autre type d’accumulateur hydraulique fonctionnait avec un ballast briqueté (image ci-dessus, à droite) ou un empilement de brames d’acier (plaques rectangulaires), disposées sur un plateau. Les accumulateurs hydrauliques pouvaient être installés soit en extérieur, soit au sein d’un bâtiment conçu à cet effet.

Un accumulateur hydraulique pouvait fournir une puissance dix fois plus élevée que celle d’un château d’eau, et maintenir une pression uniforme dans l’ensemble du réseau.

Le fonctionnement d’un accumulateur hydraulique repose sur un mécanisme analogue à celui d’un château d’eau. En partie basse du cylindre central se trouvent une arrivée et une sortie d’eau. L’eau du port pouvait être directement introduite dans l’accumulateur par une pompe à vapeur, soulevant ainsi le piston, pour être ensuite envoyée sous pression dans les conduites via la valve de sortie, abaissant alors le piston.

L’énergie était stockée temporairement lors de l’ascension du vérin, puis récupérée lors de sa descente. Le débit de pompage de la machine à vapeur était régulé en fonction du niveau d’eau dans l’accumulateur, soit automatiquement par un système de liaisons mécaniques, soit avec l’aide d’un opérateur.

Hydraulic accumulator.

Contrairement à un château d’eau, un accumulateur hydraulique permettait de maintenir une pression uniforme dans l’ensemble du réseau quelque soit le volume d’eau contenu dans son cylindre, car la pression y est générée par le poids du ballast et par non le poids de l’eau elle-même – pour le dire autrement, l’accumulateur hydraulique génère une pression au moyen d’un poids extérieur plutôt que par la seule énergie gravitaire (liée à la différence de hauteur).

Avec un rendement de charge/décharge supérieur à 98 %, et aucune autodécharge, l’accumulateur hydraulique était un dispositif extrêmement efficace sur le plan énergétique.

Des Machines Industrielles Alimentées par la Force Motrice

Son introduction eut deux effets majeurs. Premièrement, elle élargit considérablement l’éventail des opérations susceptibles d’être réalisées par des machines à énergie hydrauliques. Les moteurs à eau connectés au réseau d’eau potable se limitaient alors à de petits appareils domestiques ou des outils d’atelier. Mais Armstrong et d’autres ingénieurs adaptèrent l’usage de l’eau sous haute pression à tout un large spectre d’opérations industrielles nécessitant des puissances importantes, telles que le forgeage, le poinçonnage, l’emboutissage, le bordage, le cisaillage et le rivetage (ancêtre de la soudure).

Riveteuse hydraulique.

Dans les ports, l’eau sous haute pression servait non seulement à actionner les grues et engins de levage destinés à la manutention de marchandises sur les quais et dans les entrepôts, mais aussi les portes d’écluses, les ponts tournants, ascenseurs à bateaux et cales sèches. Dans les gares de triage, la distribution de force motrice était utilisée pour déplacer le fret et les wagons (au moyen de treuils cabestan hydrauliques) ainsi que pour actionner les plaques tournantes, les monte-charges et engins de transbordement. Toutes ces applications de l’énergie hydraulique auraient été impossibles avec la pression généralement faible et irrégulière au sein des canalisations d’eau courante de l’époque.

Une fois encore, il suffit de regarder l’évolution des techniques de levage pour prendre la mesure du rôle crucial joué par l’énergie hydraulique dans le contexte de l’époque. En 1586, un obélisque de 344 tonnes fut déplacé d’une place de Rome vers une autre place. Domenic Fontana, ancien maçon puis architecte et maître d’œuvre au Vatican, en supervisa le transfert. Il décida, pour assurer cette mission, de soulever l’obélisque et de le poser horizontalement sur un traîneau pour le transporter au centre de la place Saint-Pierre, où il devait être nouvellement érigé. L’opération mobilisa 40 cabestans, actionnés par quelques 75 chevaux et 400 hommes. En 1878, John Dixon érigea un autre obélisque – l’Aiguille de Cléopâtre, d’une masse de 209 tonnes – au moyen de quatre crics hydrauliques de levage, actionnés par quatre hommes.

Les Réseaux de Force Motrice Hydraulique

Deuxièmement, l’accumulateur hydraulique rendit possible le transfert efficace d’énergie sur de longues distances. Dans une canalisation de 30 cm, la perte de charge dans le réseau s’élève à 10 psi par mile (environ 0,4 bar / km), une valeur indépendante de la pression. Par conséquent, en transportant de l’eau à une pression de 70 psi sur une distance de 7 miles (12 km), toute l’énergie initiale est dissipée en sortie. Mais en distribuant de l’eau sur cette même distance à une pression initiale de 700 psi, il résulte une pression de 630 psi à l’arrivée ; le rendement s’élève alors à 90 %.

Le rendement élevé de l’eau sous haute pression comme vecteur énergétique entraîna la construction d’au moins une douzaine de réseaux publics de distribution de force motrice dotés d’accumulateurs – dont la moitié en Grande-Bretagne. Grâce à l’action de machines à vapeur centralisées, l’eau y était pompée vers des accumulateurs hydrauliques, qui distribuaient ensuite l’eau sous haute pression sur un territoire plus ou moins vaste. Un ou plusieurs accumulateurs étaient installés dans chaque station du réseau, tandis que d’autres étaient répartis à des points stratégiques le long des canalisations, comme « sous-stations ».

L’idée d’un réseau de force motrice hydraulique – analogue à celle d’un réseau électrique, qui émergea quelques temps après – avait déjà été esquissée dès 1812 dans un brevet déposé par Joseph Bramah, l’inventeur de la presse hydraulique.

Des années 1870 aux années 1890, des réseaux d’eau motrice sous pression furent ainsi déployés dans les principales villes industrielles de Grande-Bretagne : Kingston upon Hull, London, Liverpool, Birmingham, Grimsby, Manchester et Glasgow. Les compagnies portuaires et ferroviaires furent pionnières dans le développement cette technologie, et en demeurèrent les principales utilisatrices pendant plusieurs décennies.

Illustrations d’un accumulateur, d’une grue et d’un élévateur hydrauliques.

La force motrice hydraulique était en outre utilisée dans des procédés industriels de fabrication, pour actionner les ascenseurs d’immeubles publics, privés et commerciaux, mais aussi différents appareils domestiques et outils d’ateliers artisanaux. Quiconque avait la chance d’être situé à proximité d’une canalisation souterraine pouvait ainsi se raccorder au réseau public. Les consommations d’eau étaient relevées, au même titre que l’eau potable ou l’électricité aujourd’hui.

L’idée d’un réseau force motrice hydraulique – analogue à celle d’un réseau électrique, qui émergea quelques temps après – avait déjà été évoquée dès 1812 dans un brevet déposé par Joseph Bramah, l’inventeur de la presse hydraulique. Mais Bramah, qui avait également imaginé le principe de l’accumulateur et de la grue hydrauliques, était trop en avance sur son temps. Il fallut attendre près de 60 ans pour que ses idées soient mises en pratique par Armstrong et ses contemporains.

La Compagnie d’Énergie Hydraulique de Londres

C’est à Londres que fut construit le plus vaste réseau de force motrice hydraulique, exploité par la “London Hydraulic Company”. À l’apogée de l’entreprise en 1917, pas moins de cinq centrales interconnectées assuraient le pompage d’eau sous haute pression vers une douzaine d’accumulateurs hydrauliques et près de 300 km de conduites souterraines, alimentant en énergie plus de 8 000 machines réparties dans presque toute la ville. Dans les théâtres et autres équipements culturels de Londres, l’eau motrice était utilisée pour déplacer les décors, les consoles d’orgues, les rideaux coupe-feu et les plateaux de scène. La machinerie hydraulique du Tower Bridge était également actionnée par de l’eau sous pression, pompée dans six accumulateurs par des moteurs à vapeur, permettant la levée des bascules.

Illustration : plan du réseau de canalisations et stations de la London Hydraulic Power Company, 1895.

Les bornes à incendie bénéficiaient elles aussi du système haute pression, et plusieurs centaines d’entre elles étaient raccordées au réseau de la London Hydraulic Power Company. Ces dispositifs anti-incendie permettaient par ailleurs d’augmenter la pression au sein des canalisations domestiques en y injectant de petites quantités d’eau sous haute pression, au moyen de pompes à jet. En effet, l’eau comprimée fournie par le service d’eau motrice n’était pas disponible en quantité suffisante pour avoir un réel impact contre les incendies majeurs, tandis que l’eau potable domestique était abondamment disponible, mais à une pression trop faible pour atteindre les derniers étages des immeubles.

À Londres, cinq centrales interconnectées assuraient le pompage d’eau sous haute pression vers une douzaine d’accumulateurs hydrauliques et près de 300 km de conduites souterraines, alimentant en énergie plus de 8 000 machines réparties dans presque toute la ville

Une autre application notable de l’eau sous haute pression à Londres fut le Silent Dustman, un système d’aspiration à énergie hydraulique commercialisé en 1910. Plusieurs grands hôtels en furent intégralement “équipés” : de l’eau courante était utilisée par une pompe à jet pour générer du vide dans un conduit principal, sur lequel venait se brancher le système d’aspiration. Le long de ce conduit, un certain nombre de buses permettaient de brancher des tuyaux souples. La poussière était ainsi aspirée vers le tube principal puis évacuée vers les égouts. Ce système, au fonctionnement à la fois silencieux et efficace, demeura en service jusqu’en 1937.

Une des stations du réseau de Londres. Noter la tour sur la droite, où sont installés les accumulateurs hydrauliques.

Malgré cela, à Londres, la force motrice hydraulique ne semble pas avoir eu d’impact réellement probant sur la vie quotidienne des habitants. Dans The Hydraulic Age (1980), Brinley Pugh avance que cela est “potentiellement lié au fait que la main d’œuvre domestique était à l’époque abondante et bon marché. Avec les conditions actuelles, l’histoire aurait été différente, dans la mesure où les potentialités offertes par l’énergie hydraulique étaient alors équivalentes à celles de l’électricité aujourd’hui.”

Dans la plupart des réseaux, l’eau était distribuée à une pression de 700 à 800 psi (48 à 55 bar), à l’exception de Manchester et Glasgow où l’eau était comprimée à 1120 psi. Ces deux villes rencontraient en effet une forte demande en énergie à destination de presses hydrauliques, utilisées pour la mise en balle du coton, une opération qui nécessitait une pression plus élevée.

Les Réseaux de Force Motrice en dehors du Royaume-Uni

Les réseaux britanniques firent des émules en inspirant la création de réseaux similaires ailleurs dans le monde : à Anvers en Belgique, Buenos Aires en Argentine, Melbourne et Sydney en Australie. Si les réseaux australiens étaient directement inspirés de ceux déployés au Royaume-Uni (avec 80 km de canalisations, celui de Melbourne fut le second plus grand jamais construit), le système argentin servait au pompage des eaux usées, tandis que le réseau d’Anvers était quant à lui conçu pour la production combinée – on parle aujourd’hui de “cogénération” – d’énergie mécanique et d’électricité. Cette dernière technique visait à palier les importantes pertes en ligne du transport d’électricité à cette époque.

"Zuiderpershuis" : une ancienne station de pompage hydraulique à Anvers. Les accumulateurs hydrauliques étaient installés dans les deux tours.

Dans The Hydraulic Age, Brinley Pugh écrit que :

“Concernant la transmission d’énergie, les premières centrales électriques furent confrontées aux mêmes problèmes que les centrales hydrauliques ; le “voltage” de leurs lignes y était l’équivalent de la “pression de service” des conduites d’eau et, par analogie, la chute de tension liée à la résistance électrique des câbles correspondaient à la chute de pression causée par la friction du fluide à l’intérieur des tuyaux. Les premières centrales électriques publiques fournissaient un courant continu : la tension de production était alors à peine plus élevée (de l’ordre de la perte en ligne dans les câbles) que celle délivrée en sortie dans les locaux des usagers, laquelle, pour des raisons de sécurité, devait être inférieure à 250 volts. Du fait de cette contrainte, l’aire de distribution et la quantité d’énergie qui pouvait être fournie demeuraient restreintes.”

Le réseau d’Anvers était conçu pour la cogénération d’énergie mécanique et d’électricité.

La ville d’Anvers utilisait depuis 1865 un réseau d’eau motrice pour alimenter les grues, ponts et écluses de son port. Il vint s’y ajouter en 1893 un second réseau, qui distribuait de l’eau sous haute pression à des sous-stations électriques disséminées dans toute la ville (au nombre de douze d’après la carte – toutefois, seules trois d’entres elles furent effectivement construites). Des turbines hydrauliques y généraient de l’électricité, ensuite distribuée dans un rayon de 500 m via des lignes électriques enterrées – distance maximale à laquelle le courant basse tension pouvait alors être distribué avec un bon rendement.

Grues hydrauliques dans le port d’Anvers. Image : Low-tech Magazine.

Le système anversois, utilisé pour l’éclairage public, réalisait ainsi à grande échelle ce que les moteurs à eau couplés à des dynamos assuraient à une petite échelle via le réseau d’eau courante (voir le précédent article. Environ 66 % de l’énergie hydraulique était convertie en électricité. À son apogée, le réseau atteignit 23 km de longueur totale, pour une puissance de 1200 CV. Il faut par ailleurs mentionner qu’à Londres, un certain nombre d’habitants utilisaient de petits générateurs domestiques pour produire de l’électricité directement à partir du réseau d’eau courante.

Force Motrice Hydraulique versus Electricité

Le développement fulgurant de la transmission d’électricité haute tension au tournant du siècle rendit immédiatement obsolète des systèmes comme celui d’Anvers. La partie du réseau dédiée à la production d’électricité disparut en 1900. En effet, comprimer de l’eau pour in fine générer de l’électricité induit une quadruple conversion énergétique – et par conséquent des pertes – qui s’avèrent inutiles dès lors que la production et le transport d’électricité deviennent efficaces.

La construction de nouveaux réseaux urbains de distribution de force motrice fut par ailleurs interrompue avant la fin du siècle par le déploiement rapide de réseaux électriques désormais efficaces. “Si le développement de ces systèmes avait démarré quelques années plus tôt, leur succès aurait pu être nettement plus important” écrit Ian McNeil dans son ouvrage Hydraulic Power (1972). “Quelques années plus tard, et ils n’auraient probablement jamais vu le jour.”

Néanmoins, la quasi-totalité des réseaux urbains de distribution d’eau motrice qui furent construits entre 1870 et 1890 restèrent en fonctionnement jusque dans les années 1960 voire 1970, utilisant sur la fin des moteurs électriques plutôt que des machines à vapeur pour le pompage. Le réseau exploité par la London Hydraulic Company fut le dernier à fonctionner : son exploitation perdura jusqu’en 1977. La plupart de ces réseaux publics continuèrent leur expansion au cours des premières décennies du 20eme siècle, et connurent leur âge d’or à la fin des années 1920. Le déplacement des usines vers l’extérieur des villes, à partir des années 1960 et 1970, porta le coup de grâce à leur inéluctable déclin.

Si l’électricité est le vecteur le plus pratique et efficace pour transporter et distribuer l’énergie, comment expliquer que la plupart des réseaux de force motrice hydraulique demeurèrent en service pendant près d’un siècle après son apparition ?

Ceci soulève deux questions. D’une part, pourquoi l’eau motrice n’est-elle pas devenue le vecteur universel de distribution de l’énergie comme l’avaient imaginé Joseph Bramah et William Armstrong ? D’autre part, si l’électricité est le vecteur le plus pratique et efficace pour transporter et distribuer l’énergie, comment expliquer que la plupart des réseaux de force motrice hydraulique demeurèrent en service pendant près d’un siècle après son apparition ?

Les Avantages de l’Énergie Électrique

En tant que vecteur de transmission d’énergie, la force hydraulique présente 3 principaux inconvénients par rapport à l’électricité. Tout d’abord, l’électricité peut être transportée efficacement sur des distances beaucoup plus grandes. La transmission hydraulique était (et demeure) au moins aussi efficace que la transmission électrique pour des distances comprises entre 15 et 25 km. Au-delà, l’électricité se démarque nettement par son meilleur rendement.

Porte d’écluse hydraulique du Greenland Dock à London, construite dans les années 1880. Crédits photographiques : [Chris Allen](http://www.geograph.org.uk/photo/2569524)

Un second inconvénient lié à la transmission de force hydraulique réside dans le fait qu’un réseau de distribution complexe et étendu induit nécessairement des pertes d’énergie supplémentaires. Chaque courbe ou angle dans le tracé des canalisations augmente en effet l’énergie dissipée par friction. Plus le réseau est sinueux, moins il est efficace. De son côté, la transmission électrique n’est pas confrontée à ce problème, ou du moins dans une moindre mesure. Le phénomène de friction au sein des canalisations limite ainsi la quantité de machines qui peuvent être raccordées à un réseau d’eau motrice, tandis qu’une production d’électricité peut virtuellement être divisée en autant d’usagers (points de distribution) que nécessaire.

La troisième contrainte de l’eau motrice est la capacité limitée du réseau de distribution. L’eau sous pression ne peut être transportée qu’au sein de conduites relativement étroites et à une vitesse lente – proche de celle de la marche à pied – afin d’éviter des pertes par friction excessives. En effet, ces pertes augmentent au carré de la vitesse de déplacement de l’eau : pour des vitesses plus élevées le rendement du dispositif chute alors drastiquement, et ce même sur des distances relativement courtes. Ceci impose une limite au débit global dans les conduites, et par conséquent à la puissance maximale fournie par un circuit hydraulique sous pression.

Dans le cas de tuyaux de 10 à 12 cm de diamètre – une taille couramment observée dans la plupart des réseaux d’eau motrice sous pression de l’époque – un système de transmission hydraulique pouvait délivrer une puissance maximale continue de 115 à 205 CV (85 à 150 kW). Des lignes électriques d’une dimension comparable peuvent fournir une puissance de plusieurs ordres de grandeur (puissances de 10) supérieur à cela.

Les Avantages de la Force Motrice Hydraulique

Toutefois, aucune des contraintes évoquées ci-dessus ne s’appliquait aux réseaux dont il a ici été question. Premièrement, tous étaient des systèmes décentralisés, dont le parc de machines desservies était situé dans un rayon n’excédant jamais 15 - 25 km de la source d’énergie. Deuxièmement, les engins hydrauliques alors en usage dans les ports, gares de triages, usines et immeubles se caractérisaient par de faibles vitesses de manœuvre ainsi qu’une fréquence d’utilisation irrégulière, la faible vitesse de transmission de l’hydraulique ne posait donc pas de problème particulier.

Exception faite du système de génération d’électricité déployé à Anvers – et rapidement abandonné – aucun des réseaux de type Armstrong ne fournissait d’énergie à un grand parc de machines en fonctionnement continu. (Mentionnons tout de même les réseaux hydrauliques moyenne pression en Suisse. Troisièmement, les pertes par friction causées par les angles et courbes des conduites étaient limitées, car un tel réseau servait généralement à alimenter un nombre relativement réduit de (très puissantes) machines.

Pompe, accumulateur et presse hydrauliques. Source : Portefeuille économique des machines, de l'outillage et du matériel, décembre 1864, [Bibliothèque nationale de France](http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5539152w/f79.pleinepage.langFR)

A la fin du dix-neuvième siècle, les limites intrinsèques à la transmission d’énergie hydraulique étaient désormais très bien connues. Ceci n’empêchera pas les ingénieurs de l’époque de se saisir des potentialités uniques offertes par cette technologie, qui sont toujours d’actualité. A titre d’exemple, citons les mots de Robert Zahner, promoteur en son temps d’une autre alternative à l’électricité, l’air comprimé. Dans son livre The Transmission of Power by Compressed Air (1890), il écrivait que :

“Le caractère virtuellement incompressible de l’eau rend la méthode hydraulique impropre au transport d’énergie en quantité constante. Elle peut être mise à profit uniquement dans les cas où la force motrice doit être accumulée et utilisée à intervalles, réguliers ou non, par exemple pour soulever des poids, réaliser des opérations de poinçonnement, de forgeage par compression ainsi que d’autres travaux de nature intermittente, qui requièrent l’application d’une grande force sur une courte distance ou surface.”

La distribution de la force motrice de l’eau est “merveilleusement adaptée aux machineries lourdes et aux engins dont les opérations requièrent la concentration de puissances élevées, des mouvements de va-et-vient linéaires, et un fonctionnement intermittent” écrit quant à lui Louis Hunter dans The Transmission of Power (1991). La principale qualité de l’accumulateur hydraulique est de permettre le fonctionnement de machines qui nécessitent une puissance grandement supérieure à celle que peut fournir la source d’énergie – selon le principe de Pascal de “multiplication des forces”.

A la fin du dix-neuvième siècle, les limites intrinsèques à la transmission d’énergie hydraulique étaient désormais très bien connues. Cela n’empêchera pas les ingénieurs de l’époque de se saisir des potentialités uniques offertes par cette technologie, toujours d’actualité

Lorsqu’une force ou un couple élevé sont nécessaires, les systèmes hydrauliques sont une solution beaucoup plus compacte et efficace énergétiquement que les mécanismes d’entraînement mécaniques ou électriques. En effet, les moteurs électriques comme les moteurs à combustion ont généralement besoin de composants mécaniques (boîtes de vitesse, chaînes, courroies) pour convertir leur vitesse de rotation élevée en une vitesse plus faible avec un couple plus important.

De même, les systèmes hydrauliques permettent de générer assez facilement un mouvement linéaire (translation) via le recours à des vérins hydrauliques tandis que l’énergie électrique doit recourir pour cela à de coûteux moteurs linéaires ou à des dispositifs mécaniques, de type transmission à pignon-crémaillère. C’est en ce sens que les énergies hydrauliques et électriques s’avèrent complémentaires : une des contraintes liées à la transmission hydraulique était la relative difficulté à convertir un mouvement linéaire en mouvement rotatif.

Hydraulic elevator.

Les turbines Pelton constituaient pour cela la solution la plus évidente. Leur vitesse de rotation élevée impliquait cependant l’ajout de mécanismes d’engrenages pour faire fonctionner des machines à faible vitesse. On disposait alors de systèmes hydrauliques de type vérin, capables de fournir une énergie rotative à des vitesses variables ou faibles, mais ces dispositifs offraient peu d’avantages comparés à des boîtes de vitesse mécaniques ou électriques.

Un troisième avantage conséquent de l’hydraulique est que l’énergie est toujours à disposition au sein des conduites et de l’accumulateur, mais ne subit aucune perte même quand la demande est nulle. Lorsqu’aucune des machines reliées au réseau n’était en fonctionnement, les accumulateurs hydrauliques maintenaient les conduites sous pression sans utiliser d’énergie supplémentaire. Ce dernier point constitue un avantage considérable dans le cas de machines utilisées de manière intermittente.

L’Hydraulique Aujourd’hui

L’énergie hydraulique est toujours utilisée de nos jours, en particulier pour des équipements d’industrie lourde qui impliquent des mouvements linéaires lents mais puissants, ainsi que dans des engins de travaux ou terrassement comme les pelleteuses. Mais les accumulateurs hydrauliques et réseaux publics de force motrice sous pression ont pour leur part disparu.

Le fluide sous pression n’est désormais plus de l’eau mais de l’huile, mélangée à des additifs. (L’huile végétale avait déjà été utilisée comme medium hydraulique au 19ème siècle). Contrairement à l’eau, l’huile ne gèle pas et n’est pas corrosive. Ceci augmente toutefois le coût de l’énergie hydraulique et ne permet évidemment plus le rejet du fluide dans les égouts, le port ou la mer en cas de maintenance ou de fuite.

C’est en partie du fait de la conversion à l’huile que furent développés des systèmes hydrauliques embarqués, circuits autonomes généralement composés d’une pompe, d’un accumulateur et d’un circuit de bouclage, prêts à être couplés à un moteur électrique ou diesel. Dans ce type de technologies les accumulateurs hydrauliques sont en principe beaucoup plus petits, utilisent un gaz pour compresser le fluide, et ne garantissent pas une pression constante au sein du circuit.

Les accumulateurs hydrauliques actuels (généralement à gaz comprimé, dits hydropneumatiques) n’ont désormais plus grand-chose à voir avec les accumulateurs "à poids" des réseaux d’eau motrice. Image : [HYD](http://www.hyd.com/tejas/products/products_frame.htm).

Si elle conserve une partie des avantages pratiques de l’hydraulique – à savoir de pouvoir transférer une grande quantité d’énergie et la restituer de manière précise, au moyen de composants très compacts – la version moderne de cette technologie élimine cependant un des principaux avantages propres aux réseaux de force motrice plus centralisés des dix-neuvième et vingtième siècles en termes d’efficacité. En effet, au sein d’un réseau municipal, déployé à l’échelle urbaine, une source relativement réduite d’énergie – en l’occurrence, une poignée d’accumulateurs hydrauliques – suffisait à assurer le fonctionnement d’un grand nombre de machines très puissantes. Les moteurs des stations de pompage n’avaient donc pas besoin d’être surdimensionnés pour couvrir les pics de charge.

Un avantage des réseaux de force motrice hydraulique était qu’une source d’énergie de relativement faible puissance suffisait à assurer le fonctionnement d’un grand nombre de machines très puissantes, distribuées dans toute une ville.

Brinley Pugh déplore ainsi cette évolution dans The Hydraulic Age (1980) :

“Il y a un siècle, seules quelques très grandes machines – les ponts à bascules et, ponctuellement, certaines presses hydrauliques – étaient équipées de leur propre système de pompage. On a vu ces derniers temps cette tendance s’étendre à des machines alimentées par la force motrice de toutes tailles et fonction, au point de devenir une pratique courante. Avec les systèmes hydrauliques embarqués, chaque composant sera bientôt actionné par son propre moteur et disposera de ses propres instruments de contrôle, filtres, etcetera, avec le contrôle périodique et la maintenance que cela implique.”

“Le moteur fonctionnera en continu tant que le circuit est en fonctionnement, quel que soit la pression dans la pompe qu’il alimente. Dans le cas où plusieurs unités sont installées, elles ne fonctionneront pas toutes à pleine puissance simultanément. Des économies substantielles d’énergie pourraient être réalisées en y substituant une usine de pompage centralisée alimentant plusieurs unités ; du fait de la diversification des machines, la puissance maximale requise à un instant donné sera toujours inférieure à la somme des puissances individuelles.”

“L’avantage d’une station centralisée par rapport à plusieurs unités plus modestes réside dans sa capacité à répondre à une demande variable. De petites stations autonomes doivent chacune disposer d’une capacité suffisante pour satisfaire la demande crête (maximale) dans leur aire de distribution, or ces pics de charge n’interviennent pas au même moment. A contrario, une centrale regroupant toutes les aires géographiques des sous-stations se contentera de répondre au pic de demande totale simultanée, lequel sera normalement inférieur à la somme des pics de puissance locaux.”

Des Alternatives à l’Électricité

Comme dans le cas d’autres techniques de transmission de l’énergie mécanique – tels que les systèmes de pompes avec tige à saccades et les courroies de transmission sans fin – c’est la meilleure efficacité de la transmission électrique sur de longues distances qui a en grande partie causé la disparition des réseaux urbains de distribution de force motrice. Toutes ces alternatives à l’électricité, aujourd’hui oubliées, mériteraient d’être réétudiées aux fins d’applications spécifiques, dans la perspective d’un système énergétique plus décentralisé et basé sur les énergies renouvelables. On peut ainsi imaginer que les accumulateurs hydrauliques à poids puissent être alimentés à l’énergie solaire, éolienne, voire musculaire (à pédale).

Image : J.W. Gibson.

Au tournant des années 1900, la supériorité de l’électricité pour la transmission d’énergie sur de très grandes distances faisait désormais consensus. Sur de moyennes distances, toutefois, quelques auteurs mettaient en doute sa pertinence. R. Kennedy écrivait par exemple dans Modern Engines and Power Generators (1905) :

“L’électricité offre, en matière de transmission d’énergie, un grand nombre d’avantages dans la plupart des cas. Les ingénieurs électriciens idéalisent cependant la chose. Ils sont en effet bien souvent prompts à oublier d’autres technologies, lesquelles disposent, dans bon nombre de cas, d’avantages considérables par rapport à l’électricité.”

W.C. Unwin, auteur au dix-neuvième siècle de l’ouvrage le plus complet de l’époque sur la transmission d’énergie (On the Development and Transmission of Power from Central Stations), exprima en 1894 des réserves similaires :

“Bien que la distribution d’électricité soit indéniablement amenée à jouer un rôle prochain dans le développement des réseaux de distribution de l’énergie, on observe ces temps-ci une tendance à ne considérer que l’option électrique, et à négliger d’autres moyens de transport de l’énergie qui ont été utilisés avec succès par le passé et seront, dans des conditions adéquates, toujours employés à l’avenir. Dans le cas de la transmission sur moyenne distance, on dispose de plusieurs alternatives crédibles, et la transmission électrique n’a pas, dans un tel cas et jusqu’à ce jour, établit sa supériorité d’aucune manière.”

Le prochain épisode de notre série sur la transmission d’énergie s’intéressera à l’air comprimé, qui est probablement l’alternative à l’électricité la plus crédible.

Kris De Decker

Cet article est dédié à Charles Steele. RIP.

Sources (par ordre d’importance) :

The Hydraulic Age, B. Pugh, 1980

Hydraulic Power (Industrial Archaeology), Ian McNeil, 1972

On the Development and Transmission of Power from Central Stations, W.C. Unwin, 1894. Also here.

Hydraulic Machinery, with an introduction to hydraulics, R.G. Blaine, 1897

A History of Industrial Power in the U.S., 1780-1930: Vol 3: The Transmission of Power, Louis C. Hunter and Lynwood Bryant (1991)

Modern Engines and Power Generators; a Practical Work on Prime Movers and the Transmission of Power, Steam, Electric, Water and Hot Air – Volume One, R. Kennedy, 1905

Modern Engines and Power Generators; a Practical Work on Prime Movers and the Transmission of Power, Steam, Electric, Water and Hot Air – Volume Six, R. Kennedy, 1905

Power and Power Transmission, E.W. Kerr, 1908

Remnants of Early Hydraulic Power Systems (PDF), J.W. Gibson, 3rd Australasian Engineering Heritage Conference 2009

L’eau à Genève et dans la région Rhône-Alpes: XIXe-XXe siècles, Serge Paquier, 2007

L’eau des villes: Aux sources des empires municipaux, Géraldine Pflieger, 2009

Revue technique de l’Exposition universelle de 1889, Section II, récepteurs hydrauliques (PDF), 1893

Revue technique de l’Exposition universelle de 1889, Volume 9. Septième partie. Mécanique générale. Machins outils. Hydraulique générale. Travail du bois. Travail des métaux. Machineries industrielles, 1893

L’usine des forces motrices de la Coulouvrenière à 100 ans: 1886-1986, Services industriels, 1986

Waterdruk in Antwerpen. Een stroom van elektriciteit", Dirk De Vleesschauwer and Noël Kerckhaert, 1993

Kroniek van de stroomverdeling van Antwerpen-stad tot de Rupelstreek tot de Eerste Wereldoorlog, Geschiedkundige Studiegroep Ten Boome. (website)

Het Zuiderpershuis, een monument. Brochure bij de tentoonstelling n.a.v. Open Monumentendag 2010 (PDF), Steunpunt Industrieel en Wetenschappelijk Erfgoed, 2010.

The Centrifugal Pump, Turbines, and Water Motors, Including the Theory and Practice of Hydraulics, Charles Herbert Innes, 1898

Metropolitan Works: Collected Papers on London History, Ralph Turvey, date unknown.

Hydraulic Power Company, The Vauxhall Society, 2012 (website)

London Hydraulic Power Co, Grace’s Guide, date unknown (website)

Hydraulic Power, NSW HSC Online (website)

The Transmission of Power by Compressed Air, Robert Zahner, 1890

Water Engines, The Museum of Retrotechnology, 2011 (website)

The History of Cranes (The Classic Construction Series), Oliver Bachmann,1997.

On the employment of a column of water as a motive power for propelling machinery, William Armstrong, 1840

La douche à brumisation : vers un confort plus durable ?

Thu, 17 Oct 2019 00:00:00 +0000

Image: *Mist Shower Hack Kit*. Jonas Görgen.

Dans un monde sans énergies fossiles, il serait difficile de maintenir le rythme d’une douche chaude par jour. Une technologie séduisante mais pourtant oubliée, la douche à brumisation, pourrait être une solution pour garder ce confort quotidien. Le designer Jonas Görgen a développé un kit pour convertir soi-même sa douche en une version à brumisation, celui-ci m’a envoyé un exemplaire pour que je le teste..

L’empreinte carbone de la douche quotidienne

La douche n’attire pas beaucoup l’attention dans le contexte de la lutte contre le changement climatique. Cependant, la douche est devenue une technologie fortement émettrice en CO2 et peu économe en énergie à l’instar de l’avion, de la voiture et des systèmes de chauffage, afin de répondre à un besoin élémentaire : se laver.

Chaque jour, la plupart d’entre nous déversons sur leur corps près de 70 litres d’eau chaude pour « rester propre ». Cette pratique consomme deux ressources fondamentales : l’eau et l’énergie. On pointe souvent du doigt la consommation importance en eau de la douche mais sa consommation en énergie ne doit pas être pour autant négligée. La production d’eau chaude est le second poste le plus consommateur d’énergie dans la plupart des foyers, après le chauffage, et cette production alimente principalement nos douches. De plus, le traitement et la distribution de l’eau utilisent également beaucoup d’énergie.

Contrairement à l’énergie utilisée pour le chauffage domestique , qui a diminuée au cours des dernières décennies, l’énergie utilisée pour la production d’eau chaude dans les foyers n’a cessé de croître. Les principales raisons expliquant cette tendance sont que nos douches durent plus longtemps, sont plus fréquentes et sont équipées de pommeaux de plus en plus puissants. Par exemple, aux Pays Bas, entre 1992 et 2016, si la fréquence moyenne a légèrement augmenté passant de 0,69 à 0,72 douche par jour, la durée moyenne a elle augmenté de 8,2 à 8,9 minutes. Quant au débit d’eau moyen utilisé, il est passé de 7,5 à 8,6 litres par minute. ¹

Dans la majorité des pays occidentaux, il est maintenant d’usage de prendre au moins une douche par jour.

Somme toute, le Néerlandais moyen utilisait 50,2 litres d’eau par jour en 2016 pour se doucher contre 39,5 litres « seulement » en 1992. Et encore, c’est une approximation optimiste car le calcul ne prend pas en compte les douches prises à l’extérieur du domicile, par exemple à la salle de gym. Des études montrent que dans la majorité des pays occidentaux, et particulièrement chez les jeunes, il est d’usage de prendre au moins une douche par jour. ²³⁴

Le principe original de la douche: verser simplement un sceau d'eau sur soi. Image: Daniel Julie (CC-BY-2.0).

Prenons l’exemple hollandais et examinons à présent la consommation d’énergie et les émissions de CO2 générées par une douche chaude quotidienne. Faire chauffer 76,5 litres d’eau (ce qui correspond à 8,6 L/minute multiplié par 8,9 minutes) de 18 à 38 °C consomme 2,1 kWh d’énergie. Selon la source de production de cette énergie (gaz, électricité) et l’efficacité énergétique du réseau (USA/UE), ou celle de la chaudière, une douche émet de 0,462 à 0,921 kg de CO2. ⁵ Si l’on compare ces émissions à celles d’une voiture à essence relativement efficace (130 gCO2/km), prendre une douche équivaudrait à rouler 3,5 à 7 km. Et encore, il faudrait ajouter à cela le coût énergétique nécessaire au traitement et à la distribution de l’eau.

Si l’on compare ces émissions à celles d’une voiture essence relativement efficace (130 gCO2/km), prendre une douche équivaudrait à rouler 3,5 à 7km.

En principe, l’énergie nécessaire pour prendre une douche chaude pourrait être générée par des sources d’énergies renouvelables. Or si 8 milliards de personnes se douchaient quotidiennement, l’énergie totale requise serait de plus de 6 TWh par an. C’est 8 fois l’énergie mondialement produite par les éoliennes en 2017. Ainsi, toutes les éoliennes actuellement implantées ne pourraient fournir l’énergie pour une douche quotidienne « durable » que pour 1 milliard de personnes. De plus, l’utilisation d’énergies renouvelables ne résoudrait pas le problème de consommation d’eau que posent les douches quotidiennes. En clair, les énergies renouvelables permettent de résoudre une part du problème (chauffe-eau solaire, biomasse, éolienne à production de chaleur) mais il est également essentiel de s’intéresser à la question de la demande en eau dans un monde post-pétrole.

Des douches de plus en plus consommatrices en eau

Depuis le début des années 1990, les pommeaux de douche à faible débit offrent une solution permettant de prendre une douche plus économe en eau et en énergie. Ces pommeaux de douche consomment entre 4 et 9 litres d’eau par minute, soit environ 2 fois moins qu’une douche normale (10 à 15 litres par minute). Près de la moitié des ménages néerlandais avaient un pommeau de douche à faible débit installé en 2016 et pourtant le débit d’une douche moyenne depuis les années 1990 a bien augmenté et non diminué. ¹

Une douche à brumisation. Image: soak.com.

Cela s’explique par le fait que d’autres Néerlandais ont installé des panneaux de douche à effet de pluie, dont le débit d’eau est d’environ 25 litres par minute—le double de celui d’un pommeau de douche normale et trois fois plus que celui d’un pommeau de douche à faible débit. Une douche à effet de pluie de 8,9 minutes, 222 litres d’eau et 6,3 kWh d’énergie pour la chauffer. L’empreinte carbone correspond à un déplacement en voiture de 14,3 à 21,3 km.

La vie avant la douche

Cela peut choquer certains jeunes lecteurs, mais 50 ans en arrière, la plupart des occidentaux ne se douchaient pas du tout. Les douches murales, installées au-dessus de la baignoire, ne se sont déployées que dans les années 1970 et les cabines de douche ne sont devenues un équipement régulier dans les nouvelles maisons que depuis les années 1980 et 1990. ²³⁴ Avant l’arrivée de la douche, les gens prenaient un (ou quelques) bain(s) par semaine et, entre-temps, ils se lavaient au lavabo à l’aide d’un gant de toilette.

La consommation hebdomadaire d’eau et d’énergie d’une douche quotidienne dépasse rapidement la consommation d’eau et d’énergie d’un bain, de deux ou même de trois bains par semaine

La douche est souvent présentée comme une option plus durable que le bain, car on considère que ce dernier utilise plus d’eau. Cependant, la consommation hebdomadaire d’eau et d’énergie d’une douche quotidienne dépasse rapidement la consommation d’eau et d’énergie d’un voire, de deux ou même de trois bains par semaine. ² La toilette au gant de toilette reste le moyen le plus efficace en eau et en énergie : environ deux litres d’eau suffisent pour se laver, et l’eau peut même être froide étant donné que tout le corps n’est pas mouillé en même temps.

Peinture par Carl Larsson, 1908

Les associations environnementales, les agences de l’eau et les municipalités encouragent les gens à prendre des douches plus courtes, à utiliser des pommeaux de douche à faible débit et à installer des chauffe-eaux économes en énergie. Pourtant il existe d’autres facteurs influençant la consommation d’énergie et/ou d’eau que ces institutions n’osent pas remettre en question : la fréquence des douches, la température de l’eau (« prendre une douche froide »), ou l’acte même de prendre une douche - il n’est jamais suggéré qu’une toilette au gant de toilette suffirait. Il est clair que la douche chaude quotidienne n’est plus considérée comme un luxe, mais comme un besoin fondamental.

Pourquoi prenons-nous des douches ?

En général la douche ne lave pas seulement le corps. Une douche qui se concentre uniquement sur le nettoyage du corps - une douche dite « Navy » - prend très peu de temps, d’énergie et d’eau. Une douche Navy consiste en une douche de 30 secondes pour se mouiller, puis à se savonner pendant que l’eau est coupée, et se finit par un rinçage de 30 secondes.

Image: La douche au Régiment, une peinture par Eugène Chaperon, 1887.

En supposant un débit d’eau moyen, une douche Navy (chaude) ne consomme que 8,3 litres d’eau et 0,2 kWh d’énergie, ce qui reste toujours moins efficace en eau et en énergie qu’une toilette quotidienne au gant de toilette. Ceci étant dit, une douche chaude de 9 minutes par jour ne peut en aucun cas être considérée comme un besoin vital : c’est un luxe. Depuis les années 1990, la douche quotidienne est présentée dans la publicité comme un moyen de détente, de soulagement du stress et de plaisir sensuel. ²⁴

La douche à brumisation

L’utilisation de la douche comme un plaisir semble être incompatible avec une réduction drastique de sa consommation d’eau et d’énergie. Cependant, il existe une technologie qui pourrait bien permettre de résoudre ce problème : la douche à brumisation. Une douche à brumisation pulvérise l’eau en très fines gouttelettes (moins de 10 microns), ce qui réduit considérablement le débit d’eau. Richard Buckminster Fuller a inventé un premier modèle en 1936 dans le cadre de sa salle de bains Dymaxion (il l’a appelé le « fog gun »). L’idée a été reprise dans les années 1970, avec plusieurs expérimentations pour le lavage des mains et pour la douche.

Photo de gauche: Douche à brumisation développée par la NASA. Photo de droite: le modèle développépar le Canadian Minimum Housing Group. Les deux datent des années 70. [^7]

La NASA a mis au point une douche à brumisation composée d’une buse au bout d’un tuyau flexible, où le débit d’eau étant contrôlé par une commande manuelle au niveau de la buse. La consommation moyenne d’eau pour une douche de 9 minutes a été mesurée à 2,2 litres, ce qui correspond à un débit d’eau de seulement 0,24 litre par minute. ⁶ Le groupe Canadien Canadian Minimum Cost Housing Group a mis au point et testé plusieurs douches à brumisation et a mesuré un débit de 0,33 litre d’eau par minute. ⁷ Dans les deux cas, des tests par échantillonnage de bactéries sur la peau ont montré que les douches par brumisation nettoient le corps aussi bien qu’une douche « classique » de même durée - en consommant 30 à 40 fois moins d’eau.

Jonas Gören a développé un kit permettant de transformer très facilement presque n’importe quelle douche en une douche à brumisation.

Jonas Görgen, un jeune designer diplômé de l’Académie de design d’Eindhoven en 2019, passionné par l’histoire de la douche à brumisation a décidé d’en construire une lui-même. Par rapport aux anciennes douches à brumisation, Görgen a amélioré le concept de deux façons. Tout d’abord, il a développé un kit permettant de transformer très facilement presque n’importe quelle douche en une douche à brumisation. Deuxièmement, contrairement aux modèles précédents, sa douche à brumisation n’utilise pas une, mais entre 3 et 6 buses. Cela transforme une douche à brumisation fonctionnelle mais très basique (n’utilisant qu’une seule buse), en une expérience agréable, aussi agréable et vivifiante qu’une douche « classique ».

Une douche à 6 buses dans la salle de bain du designer Jonas Gorgen.

Le kit que Jonas m’a envoyé contient 6 buses, des connecteurs et des séparateurs, des tubes flexibles en plastique (« ne pas hésiter à couper à n’importe quelle longueur »), et des morceaux de fil de cuivre (« pour fixer les buses dans les bonnes positions »). J’ai installé une douche à 5 jets en moins de 20 minutes, et bien que le résultat ne remporte pas un prix pour son design (Jonas a construit une bien plus belle douche à brumisation pour son projet de fin d’étude), le résultat est enthousiasmant pour une douche à bricoler soi-même.

Pour 5 buses, j’ai mesuré un débit d’eau de 2 litres par minute, soit 5 fois moins que pour son pommeau de douche maintenant obsolète

Dans la configuration que j’ai installée, quatre buses sont fixes (une dirigée vers la tête, une vers le dos et deux vers les hanches), tandis qu’une dernière est mobile et peut être manipulée comme un tuyau de douche classique, comme dans les expériences de la NASA. L’utilisation de plus d’une buse augmente le débit d’eau, mais les économies d’eau demeurent importantes.

Image: Détail d'une douche à brumisation.

Pour cinq buses, j’ai mesuré un débit d’eau de deux litres par minute, soit cinq fois moins que pour mon pommeau de douche maintenant obsolète (10 litres par minute) et 12,5 fois moins que pour une douche à effet de pluie. Il est inhabituel de pouvoir faire autant d’économies avec si peu d’efforts. À propos de sa douche, Jonas dit qu’« il n’y a aucun compromis à faire sur le confort, contrairement à ce qui a souvent été suggéré dans les papiers de recherche des années 1970 » et je ne peux que le rejoindre. La différence est clairement due au fait que les anciennes douches à brumisation n’utilisaient qu’une seule buse.

Les économies d’énergie d’une douche à brumisation

Les économies d’énergie d’une douche à brumisation sont plus faibles que les économies d’eau. Cela s’explique par le fait qu’une douche à brumisation nécessite une température d’eau plus élevée. L’augmentation de la surface de l’eau projetée diminue la consommation d’eau, mais entraîne également une dissipation plus rapide de la chaleur dans l’air. Même si l’eau provenant du robinet est à température maximale (en général 60 °C), lorsqu’elle est pulvérisée par une buse, celle-ci perd d’autant plus vite sa température que vous êtes positionné loin de l’ouverture. L’astuce consiste à positionner les buses de façon à qu’elles entourent le corps assez étroitement..

Les économies d’énergie d’une douche à brumisation sont plus faibles que les économies d’eau.

J’ai trouvé qu’une température d’eau d’environ 50 °C était suffisante pour le confort thermique, mais une douche en hiver peut nécessiter une température d’eau plus élevée, supposons alors une valeur de 60 °C pour calculer la consommation d’énergie de la douche à brumisation à 5 buses. Pour un débit de 2 litres par minute, une douche de 8,9 minutes consomme alors 17,8 litres d’eau. Le chauffage de ce volume d’eau de 18 °C à 60 °C nécessite donc 1,04 kWh. C’est la moitié de la consommation d’énergie d’une douche moyenne aux Pays-Bas (2,1 kWh) et 6 fois moins que celle d’une douche à effet de pluie (6,3 kWh).

Details de la douche à brumisation DIY de Jobas Görgen.

La consommation d’énergie d’une douche à brumisation pourrait encore être réduite en prenant une douche dans une cabine fermée, ce qui augmenterait le confort thermique et abaisserait la température de l’eau nécessaire. Une autre astuce permettant d’augmenter le confort thermique en hiver est d’augmenter légèrement l’ouverture des buses pour que la surface de l’eau pulvérisée diminue. Cela augmente la consommation d’eau, mais diminue les pertes de chaleur. À chacun de trouver un compromis entre économie d’énergie et économie d’eau, en fonction des conditions spécifiques locales.

Un argument souvent avancé contre les pommeaux de douche économes en eau est que les gens compensent les faibles débits d’eau en prenant des douches plus longues. Un argument similaire pourrait être avancé contre les douches à brumisation, car celle-ci augmente le temps nécessaire pour se rincer. Cependant, une douche à brumisation de 8,9 minutes offre beaucoup de temps pour se débarrasser du savon et du shampooing. Les sujets des expériences de la NASA ont tous réussi à se laver et à se rincer en 9 minutes à l’aide d’une seule buse sur un tuyau flexible. Le lavage des cheveux longs est certes plus problématique, mais dans ce cas aussi le problème peut être résolu en ouvrant un peu plus les buses, augmentant ainsi le débit d’eau.

Combien de buses pouvons-nous nous permettre d’avoir ?

La douche à brumisation à cinq jets offre des économies d’eau et d’énergie significatives par rapport à une douche « classique » et ce, sans sacrifice de confort. Cependant, est-ce suffisamment durable ? Si huit milliards de personnes utilisaient une douche à brumisation à cinq buses, toutes les éoliennes du monde ne pourraient fournir qu’une douche chaude quotidienne à deux milliards de personnes. De plus, la consommation d’énergie est toujours cinq fois plus élevée et la consommation d’eau deux fois plus élevée que pour une douche Navy d’une minute - qui est entièrement axée sur l’efficacité et non sur le confort. Voyons donc ce qui se passe lorsque nous diminuons le nombre de buses, en supposant toujours la même fréquence et la même durée moyenne des douches.

Trois buses - avec un débit d’environ un litre d’eau par minute - est le minimum pour assurer le confort d’une douche chaude.

D’après mes propres tests, je considère que trois buses - avec un débit d’environ un litre d’eau par minute - est le minimum pour assurer le confort d’une douche chaude. Cela ramène la consommation d’eau d’une douche à brumisation de 8,9 minutes à 8,9 litres, ce qui correspond à la consommation d’eau d’une douche Navy d’une minute. La consommation d’énergie serait réduite à 0,52 kWh, soit toujours deux à trois fois plus élevée que la consommation d’énergie d’une douche Navy. Quatre milliards de personnes pourraient ainsi disposer d’une douche chaude quotidienne alimentée uniquement par le vent, ce qui signifie que si nous réduisions de moitié la durée de la douche (de 8,9 à 4,5 minutes) ou si nous la prenions moins souvent (une fois tous les deux jours), la population mondiale pourrait être nettoyée avec confort uniquement par l’énergie éolienne.

Une buse dans ma douche à brumisation.

Si nous renoncions à un certain confort et que nous nous nettoyions simplement avec le moins d’énergie et d’eau possible, nous pourrions prendre une douche à brumisation avec une seule buse, comme dans les expériences des années 1970. Avec une seule buse, j’ai mesuré un débit d’eau de 0,3 litre par minute, ce qui signifie qu’une douche à brumisation de 8,9 minutes ne nécessite que 2,67 litres d’eau et 0,156 kWh d’énergie. L’utilisation des ressources d’une douche brumisation correspond ainsi à celle d’une toilette au gant de toilette, et est nettement inférieure à celle d’une douche Navy d’une minute. Toutes les éoliennes du monde pourraient ainsi permettre à environ 15 milliards de personnes de prendre une douche chaude à brumisation de 8,9 minutes par jour.

Inversement, la consommation d’eau et—surtout—d’énergie d’une douche à brumisation augmentent rapidement à mesure que l’on ajoute des buses. Avec vingt buses, la consommation d’eau est toujours inférieure à la consommation d’un douche moyenne (6-7 litres contre 8,3 litres par minute), mais la consommation d’énergie est déjà plus élevée : 3,1 kWh contre 2,1 kWh. Les douches à brumisation ne sont pas nécessairement des produits à faible consommation d’énergie. Cela dépend de la façon dont nous les utilisons.

Hors-réseau

Un problème se pose avec les douches à brumisation fonctionnant avec seulement une ou trois buses du fait que les chaudières modernes ne sont pas déclenchées par un débit inférieur à 1 litre d’eau par minute. Cela signifie que seul un brouillard froid sort du tuyau. Ce n’est pas un problème fondamental—il est techniquement possible de fabriquer des chauffe-eaux qui chauffent de petites quantités d’eau—et cela nous amène à nous intéresser à un autre avantage potentiel de la douche à brumisation : son effet sur la salle de bain.

J'aime tellement ma douche à brumisation que je voyage avec.

La douche moderne n’est pas un appareil autonome. Elle est en effet raccordée à plusieurs réseaux : eau potable, égouts, électricité ou gaz. Par contre, une douche à brumisation pourrait plus facilement fonctionner sans ces réseaux, ce qui réduirait encore davantage la consommation de ressources.

Les chaudières modernes ne sont pas déclenchées par un débit inférieur à 1 litre d’eau par minute. Cela signifie que seul un brouillard froid sort du tuyau.

Tout d’abord, le passage à des douches à brumisation permettrait d’utiliser des chaudières beaucoup plus petites et moins puissantes, qui pourraient être alimentées par des systèmes solaires ou éoliens locaux plus petits et moins coûteux que ceux nécessaires aux chaudières conventionnelles. Pour une petite douche à brumisation, on pourrait même se demander s’il est nécessaire d’installer un chauffe-eau. La quantité d’eau est si petite (2,67 litres) qu’elle pourrait être chauffée par un petit feu - comme autrefois.

Une douche à brumisation portable des années 70, mise sous pression à l'aide d'une pompe de vélo. [^7]

Deuxièmement, en raison de sa forte consommation d’eau, une douche conventionnelle doit être raccordée au réseau d’égout. La douche à brumisation évacuant beaucoup moins d’eau, celle-ci pourrait être installée en dehors du réseau d’égout. L’eau pourrait être réutilisée et traitée sur place, par exemple pour tirer la chasse d’eau, arroser les plantes ou nettoyer le trottoir, en supposant que le savon utilisé soit biodégradable et peu toxique pour l’environnement. Troisièmement, un approvisionnement d’eau courante dans la salle de bain ne serait plus strictement nécessaire : un petit récipient pourrait être rempli ailleurs et transporté jusqu’à la salle de bain.

Les expériences canadiennes menées dans les années 1970 ont mené à l’invention d’une douche portative. L’eau est stockée dans un réservoir de lavage de vitres de voiture relié à une pompe à vélo pour pressuriser l’eau. Les 2,5 litres d’eau sont alors pressurisés grâce à une vingtaine de coups de pompe à vélo. Bref, si nous passons à la douche à brumisation, les infrastructures qui ont rendu possible la douche moderne pourraient être réduites et simplifiées, à tel point que la salle de bains pourrait sortir des réseaux d’eau et d’énergie même dans un contexte urbain. Cela permettrait de réduire encore davantage la consommation d’eau et d’énergie. ⁷ La même approche pourrait également être expérimentée pour le lavage des mains ainsi que celui de la vaisselle.

La douche de Jonas Görgen n’est pas encore à vendre.

Veuillez noter que toute douche expose au risque de contracter une légionellose, maladie respiratoire causée par des bactéries, les légionelles. Les gouttes d’eau générées par une douche à brumisation restent plus longtemps en suspension dans l’air, ce qui augmente le risque d’inhalation. Par conséquent, il est important de prendre des précautions élémentaires.

van Thiel, Lisanne. “Watergebruik thuis 2013.” TNS NIPO, Amsterdam (2014). ↩︎ ↩︎
Shove, E. A. Comfort, Cleanliness and Convenience: the Social Organization of Normality. Berg, 2003. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Hitchings, Russell, Alison Browne, and Tullia Jack. “Should there be more showers at the summer music festival? Studying the contextual dependence of resource consuming conventions and lessons for sustainable tourism.” Journal of Sustainable Tourism26.3 (2018): 496-514. ↩︎ ↩︎
Hand, Martin, Elizabeth Shove, and Dale Southerton. “Explaining showering: A discussion of the material, conventional, and temporal dimensions of practice.” Sociological Research Online10.2 (2005): 1-13. ↩︎ ↩︎ ↩︎
If electricity is used, the resulting CO2-emissions of a shower are 0.621 kg in Europe and 0.921 kg in the US. [Overview of electricity production and use in Europe. European Environmental Agency, created 2017, updated 2019] [Assessing the evolution of power sector carbon intensity in the United States, Greg Schivley et al, 2018.] If gas is used, the emissions of a shower amount to between 0.462 kg (for new gas boilers) and 0.714 kg (for older boilers). [Carbon footprint of heat generation, houses of parliament.] ↩︎
Space Shower Habitability Technology, Arthur Rosener, 1972. ↩︎
Water conservation and the mist experience, 1978. ↩︎ ↩︎

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

Mon, 09 Sep 2013 00:00:00 +0000

Un moteur à eau de la fin du XIXe siècle avec un côté du boîtier retiré. Image: [Old Pelton](http://www.oldpelton.net/).

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.

Moteurs à eau de la fin du XIXe siècle. Images: [Smokstack](http://www.smokstak.com/forum/showthread.php?t=19878)

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.

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

Une dynamo hydraulique. Image: [The Museum of Retrotechnology](http://www.aqpl43.dsl.pipex.com/MUSEUM/POWER/watermotor/watermotor.htm).

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.

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.

Un ventilateur hydraulique. Trouvé sur [Smokstak](http://www.smokstak.com/forum/showthread.php?t=27871).

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.

Un batteur à œufs hydraulique. Images: [Smokstak](http://www.smokstak.com/forum/showthread.php?t=114931).

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.

Sources:

A History of Industrial Power in the U.S., 1780-1930: Vol 3: The Transmission of Power, Louis C. Hunter and Lynwood Bryant (1991)
“Water Motors”, The Museum of Retrotechnology - “Old Pelton”, website. - Efficiency Improvement of Pelton Wheel and Cross Flow Turbines in Micro Hydro Power Plants: Case Study. - Water Wheel Model: Water Motor.