La vis d’Archimède : une technologie antique au service de l’hydroélectricité moderne

La vis d’Archimède, nommée d’après le mathématicien grec Archimède de Syracuse, est l’une des premières machines hydrauliques connues. Elle se compose principalement d’une ou plusieurs pales hélicoïdales enroulées autour d’un arbre central. L’ensemble est installé dans une auge cylindrique. Un jeu contrôlé entre l’auge et les pales facilite la rotation de ces dernières. Depuis l’Égypte et la Grèce antiques, cette machine était utilisée pour pomper de grandes quantités d’eaux sur de faibles hauteurs. Mais en 1992, l’ingénieur allemand Karl‑August Radlik proposa l’inversion de son fonctionnement, la transformant en turbine capable d’exploiter des sites à faible chute d’eau pour produire de l’hydroélectricité.

Principe de fonctionnement de la turbine à vis d’Archimède (AST)

Le fonctionnement de l’AST repose sur la différence de pression exercée par l’eau sur ses pales. L’eau s’écoule depuis le canal amont vers l’entrée de la vis, circule le long des pales, puis ressort à leur extrémité inférieure. Elle est ainsi emprisonnée entre deux pales consécutives et descend progressivement de l’amont vers l’aval. La pression hydrostatique exercée par cette masse d’eau se traduit par un mouvement mécanique de rotation de la vis, générant un couple. Lorsque la vis est couplée à une génératrice, ce mouvement de rotation est converti en énergie électrique.

En raison de ce mode de fonctionnement, la vis d’Archimède ne peut être classée ni parmi les turbines à impulsion, telles que les turbines Pelton ou Turgo, ni parmi les turbines à réaction, comme les turbines Francis ou Kaplan. Elle relève d’une troisième catégorie, celle des turbines à pression quasi statique, à laquelle appartient également la roue hydraulique.

Les AST : atouts techniques, économiques et environnementaux

D’un point de vue technique, le rendement de la vis d’Archimède peut atteindre 80 %, voire plus dans certaines conditions de fonctionnement. Surtout, ce niveau de rendement peut être maintenu pour une large plage de débits (10 m³/s) associés à de faibles hauteurs de chute (10 m). Cette efficacité prouvée dans des conditions hydrauliques modestes élargit considérablement le nombre de sites potentiellement exploitables pour l’implantation de microcentrales hydroélectriques.

Par ailleurs, la vis d’Archimède peut présenter des avantages économiques notables, dépendant toutefois des caractéristiques du site. À titre d’exemple, une étude de cas au Yorkshire (Royaume-Uni) met en évidence un coût d’installation environ 10 % inférieur à celui d’une turbine Kaplan, pour une production énergétique estimée supérieure de 15 %. Il en résulte un coût du capital par MWh annuel réduit d’environ 22 %. Les coûts d’exploitation et de maintenance sont également réduits grâce à une conception simple, une faible vitesse de rotation et peu de pièces sujettes à l’usure. Ces caractéristiques font de l’AST une solution particulièrement adaptée aux régions isolées ou aux petites communautés non raccordées aux réseaux électriques.

En outre, de nombreuses études ont souligné les bénéfices environnementaux des AST, notamment en matière d’impacts réduits sur la faune aquatique, par rapport aux turbines conventionnelles. Leur faible vitesse de rotation et les espacements importants entre leurs pales permettent un passage sûr des poissons, avec des taux de survie comparables à ceux observés en pisciculture, pouvant atteindre 99 %. De plus, leur capacité à laisser transiter sédiments et débris autorise l’utilisation de grilles de protection plus grossières et moins coûteuses en amont de l’installation, contribuant à une réduction des pertes de charge hydrauliques.

Les AST : limites et défis

À ce jour, il n’existe ni théorie entièrement aboutie ni normes générales établies pour la conception hydraulique optimale des turbines à vis d’Archimède, qui demeure largement dépendante de l’expérience du concepteur. Les méthodes proposées par Rorres (2000) puis par Nuernbergk et Rorres (2013) constituent les principales approches disponibles, bien qu’elles restent relativement complexes à interpréter et à appliquer. Par ailleurs, la diversité des paramètres géométriques (longueur, diamètre, pas, angle d’inclinaison, nombre de pales, etc.) rend délicate la comparaison directe des performances entre différentes conceptions et complique les études comparatives scientifiques.

D’autre part, pour des débits ou des charges hydrauliques très élevés, certaines limites techniques peuvent apparaître. En particulier, l’augmentation de la longueur ou du diamètre interne de la vis rend la structure plus lourde, ce qui peut conduire à des problèmes de flexion de l’arbre ou de sollicitation excessive des roulements, devenant alors des points de dimensionnement critiques. De plus, la faible vitesse de rotation impose l’utilisation d’un multiplicateur de vitesse dont les pertes, ajoutées à celles du générateur électrique, sont susceptibles de réduire le rendement global de la centrale.

Par-dessus tout, l’un des principaux points faibles des turbines à vis d’Archimède réside dans le fait qu’il s’agit d’une technologie plus récente que les turbines hydroélectriques classiques, et présentant encore, à ce stade, un rendement global inférieur à celui de ces dernières. Dans ce contexte-là, le développement et la mise à disposition de documentations détaillées et normalisées sur leurs performances paraissent indispensables afin de consolider leur crédibilité technique.

Comment les chercheurs tentent-ils d’améliorer l’adaptabilité des AST ?

Ces dernières années, la recherche et le développement autour des AST ont acquis une attention grandissante, tant en matière de conception et de procédés de fabrication que de diversification des applications et d’inventions.

En juillet 2019, des études menées au laboratoire des recherches hydrauliques de l’Utah State University ont permis de développer une vis hydrodynamique de nouvelle génération, fabriquée en matériaux composites via des méthodes de production avancées. La technique du Light Resin Transfer Molding a abouti à des pales plus légères de 25 à 30 %, protégées contre la corrosion et les frottements, remplaçables individuellement et fabriquées avec des moules réutilisables plus de mille fois. Cela entraîne une diminution du coût de fabrication et de la quantité de déchets qui en résulte, ainsi que le coût de transport et les contraintes logistiques.

Par ailleurs, des développements plus conceptuels portent sur des configurations innovantes : un dispositif breveté décrit trois pontons supportant des conduits d’eau dans lesquels sont montées deux vis d’Archimède flottantes en position de « V » et à pas symétriques afin de limiter les vibrations. Des déflecteurs arrière à pas réglable servent à contrôler la vitesse de l’écoulement. L’optimisation du fonctionnement repose soit sur des simulations de dynamique des fluides couplées à des actionneurs hydrauliques ou électromécaniques, soit sur un réseau de neurones artificiels modélisant la dynamique globale du système.

Enfin, les vis d’Archimède trouvent aujourd’hui des applications dans des contextes hydrauliques peu conventionnels, comme la valorisation énergétique des flux d’eaux usées issus des stations d’épuration, généralement très énergivores. C’est le cas de la station Yorkshire Water’s Esholt dans laquelle ont été installées deux vis en série entre l’entrée des eaux usées et le bassin de décantation primaire, exploitant un débit moyen de 3,24 m³/s et une charge hydraulique totale de 10 m, et permettant une production électrique allant jusqu’à 180 kW destinés à l’alimentation du processus de traitement lui-même.

Par Simon SEMAAN