Centrale thermique

Centrale thermique et éoliennes. Peine, Basse-Saxe, Allemagne

Chaudières (en démolition) de la centrale thermique de Pont-sur-Sambre

Centrale thermique près de Richemont

Une centrale thermique est une centrale électrique qui produit de l'électricité à partir d'une source de chaleur selon le principe des machines thermiques. L'origine de cette source de chaleur dépend du type de centrale thermique :

• réaction nucléaire (fission de noyaux d'uranium 235 ou de plutonium 239) pour les centrales nucléaires,
• combustible fossile (tel que du gaz naturel, du fioul, certaines huiles minérales, du charbon) ou d'autres types de combustibles (déchets industriels ou agricoles, des déchets ménagers) pour les centrales à flamme,
• énergie géothermique profonde pour les centrales géothermiques
• énergie solaire pour les centrales solaires thermiques à concentration

Fonctionnement

Centrales avec turbines à vapeur

La source chaude chauffe (directement ou indirectement) de l'eau qui passe de l'état liquide à l'état vapeur, la vapeur ainsi produite est admise dans une turbine à vapeur où sa détente provoque la rotation des roues de la turbine, accouplée à un alternateur qui transforme l'énergie mécanique de la turbine en énergie électrique. À la sortie de la turbine, la vapeur est condensée dans un condenseur alimenté par une source froide (eau de mer, eau de rivière…), elle se retrouve à l'état liquide et ce condensat est renvoyé dans le système d'alimentation en eau pour un nouveau cycle de vaporisation.

La cogénération consiste à produire conjointement de l'électricité et de la chaleur destinée à un procédé industriel ou au chauffage urbain, afin d'améliorer le rendement global.

Rotor d’une turbine à vapeur.

Types

Les centrales thermiques se répartissent en trois grandes catégories, selon la nature de leur source de chaleur

• Centrales nucléaires
• Centrales à flamme (charbon, fioul ou gaz)
• Centrales récupérant de la chaleur pré-existante (solaire, géothermique…)

Centrales à flamme

Dans les centrales à flamme, le combustible est brûlé

• soit dans une chaudière utilisant la chaleur dégagée par la combustion pour produire de la vapeur d'eau sous pression, qui entraîne la turbine accouplée à l'alternateur,
• soit dans une turbine à combustion turbine à gaz qui entraîne un alternateur.

Centrales à flamme avec chaudière

Centrales au charbon

Les centrales thermiques au charbon sont les plus répandues dans le monde, notamment dans les pays ayant d'importantes réserves de charbon (Inde, Chine, États-Unis, Allemagne, etc.).

De quelques dizaines de MW au milieu du XX^e siècle, leur puissance unitaire a rapidement augmenté pour maintenant dépasser 1 000 MW. Parallèlement à la croissance de leur puissance unitaire, leur rendement a été amélioré grâce à l'augmentation de la pression et de la température de la vapeur utilisée. Des valeurs usuelles de 180 bars et 540 °C que l'on rencontrait dans les années 1970, on atteint désormais des valeurs supercritiques de plus de 250 bars et 600 °C.

Par ailleurs les centrales au charbon intègrent maintenant des dispositifs limitant leurs rejets polluants. Les poussières (suies) contenues dans les fumées sont captées dans des électro-filtres (ou dans certains pays, par des filtres à manches), les oxydes de soufre (SO₂, SO₃) sont piégés dans des unités de désulfuration (FGD en anglais : « flue gas desulfurization ») et plus récemment sont apparus les équipements éliminant les oxydes d'azote (NOx) (SCR en anglais : « selective catalytic reduction »).

Une nouvelle technologie de chaudière a été développée depuis 1980 : les chaudières à lit fluidisé circulant. Ces chaudières ont une température de foyer beaucoup plus basse (850 °C) permettant de diminuer la formation de NOx et peuvent contenir dans leur lit du calcaire réagissant avec les oxydes de soufre. Elles permettent donc une production de vapeur à faible pollution et on rencontre le terme de « charbon propre » pour les caractériser. Cependant leur taille actuelle (300-400 MW) ne leur permet pas de concurrencer les chaudières conventionnelles dans les plus fortes puissances.

Les développements en cours concernent la capture du CO₂ dans les centrales thermiques. C'est en effet la production d'électricité à partir de charbon qui est le principal émetteur de gaz à effet de serre au monde. Plusieurs technologies sont étudiées en parallèle : la pré-combustion (essentiellement aux États-Unis, fervents défenseurs de l'IGCC, c'est-à-dire en utilisant la gazéification du charbon), l'oxycombustion (combustion à l'oxygène pur, et non à l'air) et la capture en post-combustion (c'est-à-dire captage du CO₂ dans les fumées, par réaction avec des amines ou de l'ammoniaque). Ce sont ces dernières techniques qui sont les plus avancées, bien qu'encore à l'état de prototype. Toutes ces techniques ont le désavantage de consommer beaucoup d'énergie et donc de faire chuter le rendement net d'une dizaine de points.

En France, le charbon n'est plus extrait des mines. Il reste utilisé pour la production d'électricité d'origine thermique en période de pointe. En 2011, avec un peu plus de 13 TWh, il représentait environ 2,5 % de l'électricité produite en France et environ 30 % de l'électricité d'origine thermique non nucléaire.

Les principaux composants d'une centrale thermique au charbon sont

• la chaudière et ses auxiliaires (broyeurs, dépoussiéreur électrostatique, évacuation des cendres…)
• le groupe turbo-alternateur
• le condenseur
• le poste d'eau (réchauffage de l'eau alimentaire)
• le poste électrique (transformateurs…)

Le principe simplifié de fonctionnement est le suivant :

1. L'eau déminéralisée contenue dans la bâche alimentaire y est dégazée, avant d'être envoyée par les pompes alimentaires vers la chaudière.
2. La chaudière transfère la chaleur dégagée par la combustion, à l'eau qui se transforme en vapeur surchauffée sous pression.
3. La vapeur ainsi produite est admise dans la turbine où elle est détendue avant de rejoindre le condenseur. La détente de la vapeur provoque la rotation des roues de la turbine, qui entraîne l'alternateur.
4. Refroidie dans le condenseur par une circulation d'eau d'un circuit secondaire (eau de mer, eau de rivière…) la vapeur retourne à l'état liquide et est renvoyée à la bâche d'où elle repart pour un nouveau cycle.

En fait, le fonctionnement est un peu plus complexe car plusieurs dispositifs sont prévus pour améliorer le rendement. Par exemple :

La turbine a généralement 2 corps (HP - haute pression - et MP - moyenne pression) et la détente de la vapeur s'effectue en 2 étages. Entre les deux, la vapeur retourne à la chaudière pour y être « resurchauffée ».

Divers soutirages de vapeur sont prévus permettant le réchauffage de l'eau alimentaire avant son admission dans la chaudière.

Ce principe de fonctionnement, décrit pour les centrales à charbon (cas le plus fréquent) est le même pour toutes les centrales thermiques avec turbine à vapeur, mais utilisant d'autres combustibles (fioul, gaz, incinération, etc.).

Diagramme d'une centrale à charbon « standard »

1. Tour de refroidissement	10. Vanne de contrôle de vapeur	19. Surchauffeur
2. Pompe de la tour de refroidissement	11. Turbine à vapeur (corps haute pression)	20. Ventilateur d'air primaire
3. Ligne de transmission triphasée	12. Bâche alimentaire avec dégazeur	21. Resurchauffeur
4. Transformateur élévateur de tension	13. Préchauffeur d'eau de chaudière	22. Prise d'air de combustion
5. Alternateur	14. Convoyeur à charbon	23. Économiseur
6. Turbine à vapeur(corps basse pression)	15. Trémie à charbon	24. Réchauffeur d'air
7. Pompe d'extraction des condensats	16. Broyeur à charbon	25. Electro-filtre
8. Condenseur	17. Ballon de la chaudière	26. Ventilateur de tirage
9. Turbine à vapeur (corps moyenne pression)	18. Trémie à mâchefers	27. Cheminée

Centrales au fioul

Ce type de centrale brûle du fioul dans une chaudière produisant de la vapeur. Cette vapeur fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur et produit de l'électricité.

Son fonctionnement est tout à fait semblable à celui décrit pour les centrales au charbon, les principales différences affectant uniquement la chaudière et ses auxiliaires, ceux-ci étant spécifiques pour un combustible liquide.

Centrales au gaz

Dans certains pays producteurs de gaz naturel, on trouve encore d'anciennes centrales semblables aux centrales au fioul, mais utilisant comme combustible du gaz au lieu du fioul. Leur fonctionnement est identique, mais la chaudière est spécifiquement dimensionnée pour ce combustible gazeux.

Depuis les années 1990 et l'essor des turbines à gaz (en cycle simple ou en cycle combiné), ce genre de centrales se raréfie au profit des centrales avec turbines à combustion.

Centrales à flamme avec turbines à combustion

Ces centrales peuvent être à cycle simple soit à cycle combiné.

Impacts environnementaux et sanitaires

Malgré d'importantes améliorations des procédés industriels, des rendements énergétiques et des capacités de captation des poussières, de lavage et désulfurisation des fumées et gaz de combustion, les centrales thermiques au charbon comptent encore parmi les premières sources d'émission de gaz à effet de serre, de gaz précurseurs de l'ozone troposphérique, notamment en Chine et aux États-Unis.

À titre d'exemple, selon l'EPA elles sont responsables de 28 % du nickel, de 62 % de l'arsenic, de 13 % des NOx, de 77 % des acides de 60 % des aérosols acidifant à base de SO2), de 50 % du mercure et de 22 % du chrome retrouvés dans les masses d'air des États-Unis (qui dérivent ensuite vers l'Europe au-dessus de l'Océan Atlantique). Et dans ce pays industriellement avancé, par rapport aux incinérateurs médicaux et incinérateurs de déchets ménagers, ce sont les centrales thermiques au charbon qui ont le moins améliorées leurs performances globales en termes d'émission de mercure dans l'air ; leurs émissions de mercure par tonne de charbon brûlé n'ont diminué que de 10 % aux États-Unis en 15 ans (de 1990 à 2005), alors que les émissions de mercure des incinérateurs de déchets médicaux ont dans le même temps diminué de 98 % et celles des incinérateurs de déchets de 96 %.

Pour plus de détails, voir aussi le chapitre Enjeux environnementaux de l'article Production d'électricité.

Voir aussi

Articles connexes

• Centrale électrique
• Liste des plus grandes centrales au monde
• Énergie thermique
• Production d'électricité