Le 7 janvier 2010, le frasil a contraint à un arrêt manuel du réacteur (un « trip ») à la centrale nucléaire de Salem, dans le New Jersey. En janvier 2000, un blocage par la glace à la centrale nucléaire de Point Beach, sur le lac Michigan, a provoqué une chute rapide des niveaux de la prise d'eau de refroidissement, déclenchant un arrêt d'urgence du réacteur (un « scram »). Et de janvier à mars 2025, Trenton Water Works, dans le New Jersey, a dû contourner sa prise d'eau principale et recourir à des pompes de secours diesel pendant près de deux mois après que le frasil eut réduit la capacité du système [1][2].
Ce ne sont pas des incidents isolés. Chaque hiver, les prises d'eau de tout l'hémisphère nord font face à la même menace. Le frasil (petits cristaux de glace qui se forment dans une eau en écoulement en surfusion et adhèrent aux surfaces de la grille) peut bloquer une prise d'eau en quelques minutes, mettant à l'arrêt des turbines hydroélectriques, des stations de traitement d'eau municipales, des systèmes d'eau de refroidissement industriels et des installations d'enneigement au moment précis où l'on en a le plus besoin.
Ce guide explique la science de la formation de glace aux prises d'eau, documente les cinq méthodes antigivrage éprouvées et présente l'approche d'ingénierie qu'ADENCO a développée spécifiquement pour les grilles Coanda de prise d'eau exploitées par froid extrême.
Sommaire
- La science de la glace aux prises d'eau
- Deux types de colmatage par la glace sur les grilles Coanda
- Cinq méthodes antigivrage : comment chacune fonctionne
- Choisir la bonne stratégie antigivrage
- L'approche d'ADENCO en matière d'antigivrage pour les grilles Coanda
- Concevoir pour le climat froid : liste de contrôle des spécifications
- Questions fréquentes
- Références
La science de la glace aux prises d'eau
Comprendre comment la glace se forme sur les grilles de prise d'eau est essentiel pour choisir la bonne stratégie de prévention. Il existe trois mécanismes distincts de formation de glace, chacun appelant une réponse différente.
La glace de frasil
La glace de frasil est la menace la plus dangereuse et la moins bien comprise pour les prises d'eau. Elle se forme lorsque de l'eau turbulente est refroidie juste en dessous de son point de congélation (un état appelé surfusion), généralement de 0,01 °C à 0,1 °C seulement [3][4].
Le processus de formation est rapide et auto-accélérant :
- Surfusion : une eau turbulente et rapide (rapides, radiers, canaux de fuite) perd sa chaleur dans l'air froid plus vite qu'une eau calme. Toute la hauteur d'eau descend sous 0 °C sans qu'une couverture de glace stable se forme.
- Nucléation : des cristaux de glace se forment lorsque de minuscules particules germes (cristaux de glace en suspension dans l'air, poussières ou bulles de cavitation) pénètrent dans l'eau en surfusion. Les cristaux initiaux ont un rayon d'environ 0,3 mm [3].
- Nucléation secondaire : les cristaux existants entrent en collision et se fragmentent dans la turbulence, et chaque fragment devient un nouveau site de nucléation. La production de cristaux s'accélère rapidement et une rivière peut passer d'une eau claire à une bouillie de glace épaisse en quelques minutes [3].
- Adhésion : avec une surfusion de seulement 0,1 °C, les cristaux de frasil se collent aux surfaces métalliques. À 0,2–0,3 °C de surfusion, ils adhèrent à pratiquement n'importe quelle surface, y compris les plastiques [3]. Les cristaux s'accumulent sur les fils profilés en V, obturant les fentes et bloquant le passage de l'eau.
Point essentiel : le frasil adhère à toute surface se trouvant à 0 °C ou en dessous. La prévention la plus fiable consiste à maintenir les surfaces de la grille au-dessus du point de congélation, ne serait-ce que d'une fraction de degré [1][5].
Glace en plaquettes (glace de fond)
La glace en plaquettes se forme lorsque les cristaux de frasil se déposent sur des surfaces immergées (fils profilés en V, barres de support, crête du seuil) et se développent en plaques solides. Elle est la principale cause de blocage des prises d'eau entièrement immergées [1]. Contrairement au frasil libre, la glace en plaquettes est mécaniquement résistante et ne peut pas être délogée par la seule vitesse d'écoulement.
Givrage atmosphérique
Le givrage atmosphérique se produit lorsque la température de l'air ambiant est nettement inférieure à zéro et que les embruns ou les éclaboussures gèlent sur les surfaces exposées de la grille. Cela concerne les grilles montées en surface (dont les grilles Coanda), exposées à la fois à l'eau et à l'air froid. Le givrage atmosphérique se construit du côté de l'air, et non du côté de l'eau, et il est le plus sévère par vent fort et basse température.
Deux types de colmatage par la glace sur les grilles Coanda
Des recherches menées au laboratoire du gel de la NTNU, en Norvège, et par le suivi sur site d'une prise d'eau à grille Coanda ont identifié deux mécanismes de colmatage distincts, propres à la géométrie des grilles Coanda [6][7] :
Type I : accumulation de glace molle
Une bouillie de glace molle et humide s'accumule sur la surface supérieure des fils profilés en V de la grille, juste en aval de la zone mouillée où l'eau entre dans les fentes. La glace adhère aux surfaces des fils profilés en V mais ne pénètre pas entre les fils. La grille reste partiellement ouverte sous la couche de glace et une partie de l'eau continue de passer.
Caractéristiques :
- Se produit lorsque les particules de glace présentes dans l'eau d'approche entrent en contact avec la surface de la grille
- La grille reste partiellement fonctionnelle
- Peut se libérer de la glace d'elle-même lorsque la température de l'eau dépasse 0 °C
- La réduction du débit est progressive, pas soudaine
Type II : formation de glace solide entre les fils profilés en V
De la glace solide se forme entre les fils profilés en V de la grille avant qu'aucune particule de glace n'atteigne la grille depuis l'eau. Cela se produit lorsque la grille elle-même se refroidit en dessous de 0 °C sous l'effet de températures de l'air extrêmes (observé lors d'essais en laboratoire à des températures de l'air de −13,8 °C à −14,0 °C et des températures de grille de −5,9 °C à −7,1 °C) [6].
Caractéristiques :
- Se produit par froid extrême, même en l'absence de frasil dans l'eau
- Le blocage de la grille est rapide et total
- Ne se libère pas de la glace tant que les conditions de gel persistent
- Nécessite une intervention active ou une remontée de la température pour rétablir le débit
La recherche norvégienne a abouti à un résultat encourageant : la grille Coanda s'est rouverte sans aucune intervention d'exploitation après tous les épisodes d'obstruction par la glace dès que les conditions se sont améliorées [6]. La grille a bien fonctionné dans toutes les conditions hivernales normales et s'est révélée entièrement autonettoyante. L'obstruction complète ne s'est produite que lors des épisodes de surfusion les plus extrêmes.
Cinq méthodes anti-givrage : le fonctionnement de chacune
1. Éléments chauffants électriques
Principe : Des éléments chauffants à résistance intégrés à la structure de la grille ou fixés sur celle-ci maintiennent la température de surface du fil profilé en V au-dessus de 0 °C, ce qui empêche la nucléation de la glace.
Fonctionnement : Des câbles ou éléments chauffants de faible puissance sont intégrés au panneau de grille lors de la fabrication, cheminés le long des barres de support ou noyés dans la structure de montage du fil profilé en V. Une sonde de température et un régulateur activent le chauffage lorsque la température de l'eau ou de l'air approche 0 °C.
Efficacité : très élevée. La glace de frasil ne pouvant adhérer aux surfaces au-dessus de 0 °C, même un chauffage minimal (élévation de la température de surface de 0,5 à 1,0 °C) est pleinement efficace contre le colmatage de type I comme de type II [1][5].
Limites : Nécessite une alimentation électrique sur le site de la prise d'eau. La consommation d'énergie est modeste (généralement 100–500 W/m² de surface de grille selon les conditions ambiantes), mais elle impose un câblage jusqu'à une alimentation électrique.
Recommandé pour : les sites disposant d'une infrastructure électrique ; tous les types de grilles, y compris les grilles Coanda.
2. Recirculation d'eau tiède
Principe : une partie de l'eau à l'aval (dont la température est supérieure à 0 °C après le passage dans la chambre de collecte) est recirculée vers la prise d'eau, ce qui réchauffe l'eau qui arrive ainsi que la surface de la grille.
Fonctionnement : Une petite pompe de recirculation prélève de l'eau dans la chambre de collecte ou dans la conduite aval et la renvoie sur la crête du seuil à l'amont de la grille, ou directement sur la surface de la grille. L'eau recirculée (même à seulement 1–2 °C) est suffisamment chaude pour empêcher la surfusion à la face de la grille [1][5].
Efficacité : élevée par froid modéré. L'effet de réchauffement dépend du rapport entre le débit recirculé et le débit froid entrant, ainsi que de l'écart de température.
Limites : Nécessite une pompe (électricité), une tuyauterie de retour et un volume suffisant d'eau chaude. Par grand froid, l'eau recirculée peut elle-même se refroidir en dessous de 0 °C avant d'atteindre la grille. Elle réduit également le débit net à travers le système.
Recommandé pour : les prises d'eau hydroélectriques et municipales où l'eau aval est disponible à des températures supérieures à 0 °C ; les sites où de petites pompes sont déjà présentes.
3. Diffuseur d'air comprimé chauffé
Principe : un système sous pression libère des bulles d'air chauffé sous la grille de prise d'eau ou devant elle, créant une zone de mélange qui éloigne les cristaux de frasil de la surface de la grille et y apporte de la chaleur.
Fonctionnement : Un compresseur et un réchauffeur d'air fournissent de l'air chaud sous pression au moyen d'un diffuseur à grosses bulles installé à la base de la grille ou de l'ouvrage du seuil. Les bulles ascendantes créent une circulation verticale qui fait remonter l'eau plus chaude des profondeurs (dans les lacs) ou qui mélange la chaleur dans la zone proche de la grille [8][9].
Efficacité : bonne à élevée, selon la géométrie de l'installation et les caractéristiques du plan d'eau. Efficacité maximale dans les prises d'eau en lac et en retenue, où de l'eau plus chaude est présente en profondeur.
Limites : Nécessite un compresseur, un réchauffeur et une alimentation électrique. Moins efficace dans les torrents de montagne peu profonds et rapides, où l'eau chaude en profondeur n'est pas disponible. Une alimentation en air continue est nécessaire pendant les épisodes de gel.
Recommandé pour : les prises d'eau en lac et en retenue ; les grilles immergées ; les grandes prises d'eau municipales et industrielles.
4. Enceinte isolée
Principe : un caisson isolé placé autour de la grille retient la chaleur résiduelle de l'écoulement et empêche la surface de la grille de se refroidir jusqu'à la température de l'air.
Fonctionnement : La grille est enfermée dans une structure isolée (panneaux en fibre de verre, en mousse ou en composite) qui la protège du vent et de l'air froid tout en laissant l'eau la traverser. L'eau elle-même, à environ 0,5–4 °C, apporte assez de chaleur pour maintenir la grille au-dessus du point de congélation : à condition que l'enceinte empêche les pertes de chaleur vers l'air.
Efficacité : modérée. Efficace par gel léger (température de l'air jusqu'à environ −10 °C), mais insuffisante par froid extrême ou lors d'épisodes de surfusion prolongés.
Limites : Ne protège pas contre le frasil qui arrive avec l'écoulement. Elle empêche l'inspection visuelle de la grille. Elle peut piéger des débris contre la grille si elle n'est pas conçue avec une dérivation de contournement suffisante.
Recommandé pour : les sites à climat froid modéré ; une protection complémentaire associée à une autre méthode principale.
5. Revêtements de surface hydrophobes et anti-givrage
Principe : des revêtements spécialisés réduisent l'adhérence de la glace aux surfaces de la grille, ce qui permet aux forces de l'écoulement d'arracher les cristaux de glace plus facilement avant qu'ils ne s'accumulent.
Fonctionnement : Les revêtements superhydrophobes créent une surface à laquelle l'eau et les cristaux de glace ne peuvent pas adhérer facilement. L'angle de contact de l'eau dépasse 150°, ce qui signifie que l'eau forme des gouttelettes qui roulent au lieu de mouiller la surface et d'y geler. Des travaux récents (2024–2025) ont mis au point des revêtements superhydrophobes photothermiques qui associent une répulsion passive de la glace à une conversion active du rayonnement solaire en chaleur [10].
Efficacité : Prometteuse, mais encore en évolution. Les résultats de laboratoire montrent des retards significatifs de la formation de glace (temps de congélation porté de 150 à 2 140 secondes dans une étude) [10]. En revanche, la durabilité en service sous écoulement continu, abrasion et salissures biologiques reste un défi.
Limites : Les revêtements se dégradent avec le temps et doivent être réappliqués. Les performances lors d'épisodes de surfusion sévère (où les forces d'adhérence de la glace sont les plus fortes) ne sont pas encore démontrées à l'échelle industrielle. Insuffisants à eux seuls pour des prises d'eau critiques.
Recommandé pour : une protection complémentaire associée à une méthode active principale ; une technologie en évolution à surveiller.
Choisir la bonne stratégie anti-givrage
La stratégie optimale dépend des conditions du site, des infrastructures disponibles et des conséquences d'une défaillance de la prise d'eau.
| Facteur | Chauffage électrique | Recirculation d'eau chaude | Diffuseur d'air | Enceinte isolée | Revêtement de surface |
|---|---|---|---|---|---|
| Électricité requise | Oui (faible) | Oui (pompe) | Oui (compresseur) | Non | Non |
| Plage de temp. efficace | Toutes (jusqu'à −40 °C et au-delà) | Modérée (jusqu'à −15 °C) | Modérée (jusqu'à −20 °C) | Douce (jusqu'à −10 °C) | Complément uniquement |
| Protection contre le frasil | Excellente | Bonne | Bonne | Faible | Modérée |
| Protection contre le givrage atmosphérique | Excellente | Modérée | Faible | Bonne | Modérée |
| Complexité d'installation | Faible–Moyenne | Moyenne | Moyenne–Élevée | Faible | Faible |
| Coût d'exploitation | Faible (électricité) | Faible (énergie de pompage) | Moyen (compresseur) | Nul | Coût de réapplication |
| Type de grille le mieux adapté | Tous types | Tous types | Grilles immergées | Grilles montées en surface | Tous types |
| Fiabilité | Très élevée | Élevée | Élevée | Modérée | Modérée |
Pour les prises d'eau critiques (alimentation en eau municipale, refroidissement nucléaire, production de neige en pleine saison) : utiliser le chauffage électrique comme méthode principale : c'est la plus fiable et la plus efficace sur toutes les plages de température et pour tous les types de glace.
Pour les climats modérément froids (gel occasionnel, températures rarement inférieures à −15°C) : la recirculation d'eau chaude ou une enceinte isolée peuvent suffire, avec des besoins en infrastructure plus faibles.
Pour une protection maximale : Combinez les méthodes : par exemple, un chauffage électrique de la surface de la grille associé à une enceinte isolée contre le givrage atmosphérique. La combinaison de méthodes fournit une solution de secours si l'une des méthodes est défaillante.
L'approche d'ADENCO en matière d'antigivrage pour les grilles Coanda
Les méthodes antigivrage standard ont été mises au point pour les grilles planes conventionnelles, les grilles cylindriques immergées ou les barreaux des grilles à barreaux. Les grilles Coanda ont une géométrie particulière (le panneau en fil profilé en V, courbé et incliné, la plaque d'accélération, la configuration du seuil monté en surface) qui exige des systèmes antigivrage spécialement conçus.
ADENCO a mis au point un système antigivrage conçu spécifiquement pour la géométrie des grilles Coanda. Notre approche intègre l'antigivrage directement dans le processus de fabrication de la grille plutôt que de le traiter comme un accessoire ajouté ultérieurement.
Principes de conception
-
Intégré, non rapporté : Les éléments antigivrage font partie de l'ensemble de la grille, ce ne sont pas des pièces externes. Cela assure une distribution uniforme de la chaleur sur toute la surface en fil profilé en V et supprime les points froids où la glace pourrait se former.
-
Chauffage par zone : Les recherches norvégiennes [6] ont montré que le colmatage par la glace se produit dans des zones précises de la grille Coanda : la transition entre la plaque d'accélération et le panneau de grille (Type II) et le bord aval de la zone mouillée (Type I). Notre système concentre l'énergie antigivrage là où le colmatage s'amorce, au lieu de chauffer uniformément toute la grille.
-
Activation automatique : Des sondes de température placées à la surface de la grille déclenchent l'antigivrage uniquement lorsque les conditions approchent des seuils de gel. Le système est inactif pendant les mois chauds et ne consomme aucune énergie.
-
Compatible avec un fonctionnement sans électricité : pour les sites isolés dépourvus d'infrastructure électrique, ADENCO propose des configurations antigivre passives qui font appel à l'inertie thermique, à la gestion de l'écoulement et à l'optimisation de la géométrie de la grille afin d'étendre la plage de conditions dans lesquelles la grille peut fonctionner sans électricité. Un chauffage actif est disponible pour les sites disposant d'une alimentation électrique où une fiabilité maximale par temps froid est exigée.
Contactez ADENCO pour obtenir des détails techniques sur nos systèmes antigivre et pour discuter de vos exigences spécifiques en climat froid.
Concevoir pour le climat froid : liste de contrôle de spécification
Lors de la spécification d'une grille de prise d'eau pour un site où des conditions de gel sont possibles, incluez ces paramètres dans votre spécification :
| Paramètre | Ce qu'il faut fournir | Pourquoi c'est important |
|---|---|---|
| Température de l'air minimale | Record de froid et minimum hivernal typique (°C) | Détermine si un dispositif antigivre passif ou actif est nécessaire |
| Température de l'eau minimale | Température de l'eau la plus basse mesurée ou attendue (°C) | Une eau en dessous de 0 °C indique un risque de surfusion et de frasil |
| Type de masse d'eau | Canal ouvert (turbulent) ou lac/réservoir (calme) | Les rivières turbulentes présentent un risque de frasil bien plus élevé que les lacs calmes |
| Pente et turbulence de la rivière | Rapides, radiers ou chutes d'eau en amont de la prise d'eau | Forte turbulence = forte surfusion = risque élevé de frasil |
| Historique de la couverture de glace | La masse d'eau forme-t-elle une couverture de glace stable en hiver ? | Une couverture de glace stable isole l'eau de l'air froid et réduit le risque de frasil |
| Exposition au vent | Degré d'exposition au vent sur le site de la prise d'eau | Le vent augmente à la fois la vitesse de surfusion et le givrage atmosphérique |
| Disponibilité de l'électricité | L'électricité est-elle disponible à la prise d'eau ? Quelle puissance ? | Détermine quelles méthodes antigivre sont réalisables |
| Conséquence d'une défaillance | Que se passe-t-il si la grille se bouche ? (perte de revenus, risque pour la sécurité, etc.) | Détermine la redondance et le niveau de fiabilité requis |
| Saison d'exploitation | Toute l'année ou saisonnière ? Quels mois ? | Définit la durée et la sévérité des exigences antigivre |
Questions fréquentes
Comment empêcher la formation de glace sur les grilles de prise d'eau ?
La méthode la plus fiable consiste à maintenir la température de surface de la grille au-dessus de 0 °C au moyen d'éléments chauffants électriques, d'une recirculation d'eau chaude ou de systèmes de diffusion d'air chauffé. Comme le frasil ne peut pas adhérer aux surfaces situées au-dessus du point de congélation, même un chauffage minimal empêche son accumulation. Pour les climats froids modérés, des enceintes isolées ou des revêtements de surface hydrophobes peuvent apporter une protection complémentaire. Le choix dépend de la plage de températures du site, de la disponibilité de l'électricité et des conséquences d'une défaillance de la prise d'eau.
Qu'est-ce que le frasil et pourquoi bloque-t-il les prises d'eau ?
Le frasil est constitué de petits cristaux de glace (environ 0,3–1,0 mm) qui se forment dans une eau turbulente en surfusion : une eau refroidie de seulement 0,01–0,1 °C sous le point de congélation. Ces cristaux adhèrent à toute surface se trouvant à 0 °C ou en dessous et s'accumulent dans les fentes de la grille jusqu'au blocage de l'écoulement. La formation de frasil est rapide et auto-accélérée : la nucléation secondaire fait s'accélérer rapidement la production de cristaux en quelques minutes, et une grille peut passer d'entièrement ouverte à entièrement bloquée en moins d'une heure lors d'épisodes de surfusion sévère.
Les grilles Coanda fonctionnent-elles en climat froid ?
Oui. Des recherches menées au laboratoire du gel de la NTNU, en Norvège, ont démontré que les grilles Coanda se comportent bien dans toutes les conditions hivernales normales et sont entièrement autonettoyantes. Un blocage complet par la glace ne s'est produit que lors d'épisodes de surfusion extrême, et les grilles se sont rouvertes sans intervention d'exploitation dès que les conditions se sont améliorées. Pour les prises d'eau qui doivent fonctionner tout l'hiver (comme l'enneigement ou l'alimentation municipale toute l'année), les systèmes antigivre d'ADENCO empêchent le blocage même dans les conditions les plus sévères.
Quelle température provoque la formation de frasil ?
Le frasil se forme lorsque l'eau est en surfusion sous 0 °C : généralement de 0,01 °C à 0,1 °C seulement. Cette surfusion se produit le plus facilement dans les écoulements turbulents à surface libre exposés à des températures de l'air nettement inférieures à zéro. Les masses d'eau calmes et profondes y sont moins sensibles, car la surface gèle en une couverture de glace stable qui isole l'eau sous-jacente de tout refroidissement supplémentaire. Les cristaux de frasil commencent à adhérer aux surfaces métalliques dès une surfusion de 0,1 °C.
Une grille chauffée peut-elle empêcher le blocage par le frasil ?
Oui. Le chauffage est la méthode antigivre la plus efficace et la plus fiable. Le frasil ne peut ni se former par nucléation ni adhérer à une surface dont la température est supérieure à 0 °C. Des éléments chauffants à faible consommation (100–500 W/m² selon les conditions) intégrés à la structure de la grille suffisent à maintenir la surface au-dessus du point de congélation, même à des températures ambiantes extrêmes inférieures à −30 °C. Le coût énergétique reste modeste au regard des conséquences d'un blocage de la prise d'eau.
En quoi le système antigivre d'ADENCO diffère-t-il des systèmes standard ?
Les systèmes antigivrage standard sont conçus pour des grilles planes ou des barreaux de grille à barreaux et ne tiennent pas compte de la géométrie des grilles Coanda. Le système d'ADENCO est intégré pendant la fabrication, assure un chauffage par zones ciblé sur les points où le colmatage commence, tels qu'identifiés par la recherche norvégienne, s'active automatiquement en fonction de la température de surface et est disponible aussi bien en configuration active (chauffée) qu'en configuration passive, selon la disponibilité de l'électricité.
Quel est le coût d'un antigivrage pour une grille de prise d'eau ?
Les systèmes antigivrage majorent généralement le coût de l'ensemble de la grille de 15 à 30 %, selon la méthode retenue et les conditions du site. Le coût de l'absence d'antigivrage (mesuré en production hydroélectrique perdue, en fonctionnement de pompes diesel de secours ou en arrêts d'enneigement en pleine saison) dépasse généralement l'investissement antigivrage dès le premier hiver d'exploitation.
Dois-je prévoir un antigivrage pour ma grille de prise d'eau ?
Si votre site de prise d'eau connaît des températures d'eau proches de 0 °C ou des températures de l'air inférieures à 0 °C pendant la saison d'exploitation, oui. La question n'est pas de savoir si la glace se formera, mais quand. Pour les prises d'eau destinées à l'enneigement, l'antigivrage est indispensable : l'enneigement ne fonctionne que par températures négatives. Pour les prises d'eau hydroélectriques et municipales des latitudes septentrionales, l'antigivrage est fortement recommandé. Le coût de la prévention représente une fraction du coût d'un arrêt imprévu.
Références
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Publié par ADENCO : Advanced Engineering Coanda Intake Screens. La technologie antigivrage d'ADENCO est conçue spécifiquement pour la géométrie des grilles Coanda et assure un fonctionnement fiable de la prise d'eau dans les conditions de climat froid les plus extrêmes. Contactez notre équipe d'ingénierie pour discuter de vos besoins en prise d'eau en climat froid.