Centrale électrique

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Une centrale électrique est un site industriel destiné à la production d'électricité. Les centrales électriques alimentent en électricité, au moyen du réseau électrique, les consommateurs, particuliers ou industriels éloignés de la centrale[N 1]. La production d'électricité y est assurée par la conversion en énergie électrique d'une énergie primaire qui peut être soit mécanique (force du vent, force de l'eau des rivières, des marées...), soit chimique (réactions d'oxydoréduction avec des combustibles, fossiles ou non tels que la biomasse), soit nucléaire, soit solaire...

Ces énergies primaires peuvent être renouvelables (biomasse) ou quasiment inépuisables (énergie solaire) ou au contraire peuvent constituer des ressources dont la disponibilité est limitée dans le temps (combustibles fossiles).

Types de production d’électricité[modifier | modifier le code]

Selon l'énergie primaire[modifier | modifier le code]

On distingue parmi les énergies primaires converties en énergie électrique dans les centrales électriques, celles qui sont improprement dites "renouvelables" (elles englobent les énergies effectivement renouvelables telles que la biomasse et celles quasiment inépuisables telles que l'énergie solaire, l'énergie hydraulique ou l'énergie éolienne) et celles d'origine fossile ou nucléaire.

  • Les combustibles fossiles : ce sont encore aujourd'hui les énergies primaires les plus utilisées dans le monde pour la génération d'électricité. C'est principalement le charbon qui est utilisé, mais on trouve également des centrales au fioul et surtout au gaz naturel, qui sont brûlés soit dans des chaudières, soit dans des turbines à combustion (turbines à gaz) ou encore dans des moteurs Diesel entraînant un alternateur ;
  • Les autres combustibles : on peut également, pour la production d'électricité, brûler dans des chaudières spécifiques de la biomasse ou des déchets (ordures ménagères), mais ces combustibles sont plutôt utilisés dans des réseaux de chaleur ;
  • L'énergie nucléaire : la chaleur permettant la génération de vapeur d'eau est produite par la fission d'uranium ;
  • L'énergie solaire : elle est utilisée soit dans des chaudières solaires produisant de la vapeur d'eau destinée à être turbinée, soit dans des centrales constituées d'une multitude de panneaux photovoltaïques
  • L'énergie hydraulique : dans les centrales hydrauliques, c'est soit la force du courant des rivières (centrales au fil de l'eau), soit celle de la chute d'eau (barrages, conduites forcées) qui est utilisée pour actionner la turbine entraînant l'alternateur. La force des marées est aussi utilisée (usines marémotrices).
  • L'énergie éolienne : la force du vent permet également d'entraîner un alternateur pour produire de l'électricité.

Selon la technologie[modifier | modifier le code]

Hormis dans les centrales photovoltaïques encore peu répandues, la génération d'électricité est assurée par un alternateur entraîné par une turbine ou exceptionnellement par un moteur à explosion[N 2] (moteur Diesel stationnaire, moteur à gaz).

Le rendement de conversion mécanique/électrique est d'environ 98 %. L'essentiel des pertes se fait donc sur la conversion thermique-mécanique, la cogénération permettant d’améliorer le rendement global de l'installation.

Plusieurs technologies de turbines sont disponibles selon le fluide utilisé pour les actionner :

  • turbines à vapeur ;
  • turbines à combustion (communément, mais improprement appelée turbines à gaz) ;
  • turbines hydrauliques ;
  • Une éolienne est aussi une sorte de turbine.

Historique[modifier | modifier le code]

La première centrale électrique, la Pearl Street Station, a été mise en service le par Thomas Edison[1] dans le bas-Manhattan, ce qui a permis de faire fonctionner l'éclairage électrique des bureaux du New York Times et d'autres bâtiments aux alentours de Wall Street. La centrale ne délivrant que du courant continu ne pouvait fournir efficacement qu'un petit secteur géographique. Le premier générateur, baptisé "Jumbo", était bien moins efficient que ceux d'aujourd'hui : il avait un rendement de 3 à 4 % de l'énergie du charbon utilisé. Quelques années après, Edison a cependant vu l'intérêt de la cogénération en réutilisant la chaleur générée par le système électrique pour chauffer les bâtiments. Six années après Edison, l'invention par Nikola Tesla du courant alternatif a permis de transporter le courant électrique à bien plus grande distance que le courant continu[N 3], et donc de limiter le nombre de centrales nécessaires.

Article détaillé : Guerre des courants.

Avantages et inconvénients[modifier | modifier le code]

Obstacles, défauts, inconvénients[modifier | modifier le code]

Production centralisée[modifier | modifier le code]

  • Le caractère très centralisé des centrales et la dépendance au réseau électrique THT les rendent vulnérables.

Les énergies primaires fossiles[modifier | modifier le code]

Un rapport (2008) de l'EEA, à partir d'une comparaison entre des centrales de l'UE-25 ayant mis en œuvre de « bonnes pratiques » et d'autres, montre qu'il reste un important potentiel de réduction des émissions de SO2 et de NOx, si toutes les centrales utilisaient les meilleures techniques disponibles (MTD)[2].
Une étude est prévue pour l'UE sur l'effet de l'application de la directive LCP et de nouvelles valeurs limites d'émission (VLE) qui visent 70 % d'abattement sur le SO2 et de NOx (directive IPPC). D'autres études portent sur la possibilité de capter le CO2 produit et de le stocker sous terre (dans d'anciens champs d'hydrocarbures épuisés ou dans des aquifères salins), mais ces solutions sont encore au stade expérimental.
  • Elles induisent une dépendance à l'égard des producteurs de ressources (gaz, pétrole, charbon...)

Avantages[modifier | modifier le code]

La production d'énergie est indépendante des conditions météorologiques, la source d'énergie peut être (dans une certaine mesure) facilement stockée et la puissance unitaire des centrales peut être très élevée.

Elles permettent de faire de la cogénération : lorsque l'on a besoin à un endroit déterminé (agglomérations, industries chimiques, serres...) de chaleur en grande quantité, il est intéressant de créer une centrale thermique qui produit de l'électricité et dont le circuit de refroidissement sert de source de chaleur pour l'application désirée. (les centrales solaires, hydrauliques et les éoliennes le permettent aussi quand le soleil, l'eau ou le vent sont présents).

C'est une manière de rentabiliser les inévitables pertes de ce type de centrales. la Co- et la tri-génération ne sont cependant pas encore systématiques.

Centrales thermiques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Centrale thermique.
Centrale thermique à flamme de Chicago (USA)

Les centrales thermiques englobent :

  • les centrales nucléaires ;
  • les centrales géothermiques ;
  • les centrales à flamme qui elles-mêmes comprennent :
  1. les centrales conventionnelles dans lesquelles un combustible fossile (charbon, fioul, gaz naturel...) ou autre (biomasse) est brûlé dans une chaudière pour produire la vapeur surchauffée alimentant la turbine ;
  2. les centrales à turbine à combustion, à simple cycle, brûlant généralement du gaz, parfois du fioul (léger ou lourd réchauffé) ;
  3. les centrales à cycle combiné, brûlant les mêmes combustibles que dans un simple cycle, mais avec un bien meilleur rendement grâce à l'adjonction d'une chaudière de récupération et d'une turbine à vapeur.
  4. les centrales à moteur Diesel ou moteur à gaz.

Les centrales utilisant un cycle vapeur[modifier | modifier le code]

Hormis les centrales à turbines à combustion et celles à moteurs à explosion, les centrales thermiques utilisent un cycle vapeur.

Le principe du cycle vapeur[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Cycle de Rankine.

Dans un générateur de vapeur (aussi appelé chaudière), de l'eau sous pression est vaporisée et surchauffée. Elle est ensuite admise dans une turbine à vapeur où elle est détendue. Lors de cette détente l'énergie contenue dans la vapeur est convertie en énergie mécanique et entraîne en rotation le rotor de la turbine couplé à l'alternateur. La vapeur détendue est ensuite admise dans un condenseur où l'eau se retrouve en phase liquide. Cette eau est alors ramenée en chaudière grâce à des pompes alimentaires et repart pour un nouveau cycle.

Dans la pratique et pour améliorer le rendement, la turbine à vapeur est constituée de 2 (voire 3) corps : à la sortie du premier corps (dit HP, pour haute pression)la vapeur est retournée à la chaudière où elle est resurchauffée avant d'alimenter le second corps (MP : moyenne pression).

Centrale conventionnelle[modifier | modifier le code]

Les centrales les plus répandues sont constituées d'une chaudière et d'une turbine à vapeur (Cycle de Rankine). Leur carburant est le plus souvent du charbon mais on trouve aussi des chaudières utilisant de la biomasse, du gaz naturel, du pétrole, du fioul ou des déchets municipaux.

La plupart des centrales à charbon sont de type à « charbon pulvérisé », où le charbon est réduit en poudre très fine dans des broyeurs et injecté dans le foyer de la chaudière. Les centrales les plus récentes possèdent un cycle vapeur supercritique, qui permet d'avoir un rendement qui dépasse 45 %.

Certaines centrales à charbon récentes comprennent des chaudières à lit fluidisé circulant. Le principe de la chaudière à lit fluidisé circulant est de faire brûler du minerai de charbon finement concassé auquel on ajoute des granulats de calcaire ou du sable en suspension dans l'air, à une température de 800 à 900 degrés. Le "lit" circule en boucle jusqu'à complète combustion du charbon. La température modérée évite la formation d'oxydes d'azote et la présence de calcaire permet la désulfuration des fumées [3]. On distingue : les chaudières à lit fluidisé atmosphérique (la centrale à lit fluidisé atmosphérique de Gardanne fut à sa mise en service la plus puissante au monde) et les chaudières à lit fluidisé sous pression[4].

Centrales nucléaires[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Centrale nucléaire.

Les centrales nucléaires utilisent également des cycles de conversion thermodynamique : dans le réacteur nucléaire, l'énergie obtenue à la suite de la réaction de fission de l'uranium et du plutonium est la source de chaleur utilisée. Un circuit primaire permet de refroidir le réacteur et de transférer la chaleur dégagée à un générateur de vapeur (chaudière) qui produit la vapeur d'eau alimentant la turbine à vapeur, comme dans une centrale thermique conventionnelle. Actuellement, les centrales nucléaires produisent environ 15 % de l'électricité mondiale. Elles n'émettent pas de gaz carbonique (CO2) contrairement aux centrales conventionnelles à flamme, mais elles engendrent des déchets radioactifs, qui doivent être confinés, et tout risque d'accident, comme dans toute entreprise, ne peut être exclu. La probabilité d'occurrence d'un tel accident, sur les centrales modernes, est sujette à débat.

Les centrales solaires[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Centrale solaire thermodynamique.
Centrale solaire thermodynamique
Principe[modifier | modifier le code]

Une centrale solaire thermodynamique capte un maximum d'énergie thermique solaire en utilisant plusieurs rangées de miroirs disposés en arc de cercle face à la course du soleil, qui renvoient les rayons solaires en un seul point, le foyer. Pour que le foyer ne change pas de position en permanence, les miroirs sont orientables et pilotés par un système centralisé. À ce foyer, une chaudière contenant un liquide sert de capteur d'énergie.

Un autre système utilise des miroirs incurvés face au sud dans l'hémisphère nord munis d'un tube rempli d'un fluide qui s'échauffe aux rayons du soleil concentrés par le miroir. Le liquide est en général de l'eau qui surchauffée par l'énergie thermique solaire est conduite jusqu'à une turbine à vapeur.

Un autre système appelé tour solaire utilise l'énergie solaire pour chauffer l'air contenu dans une immense serre. L'air chauffé plus léger monte dans une cheminée où il met en mouvement des turbines.

Obstacles, défauts ou inconvénients[modifier | modifier le code]
  • Le problème de base de ce type de centrale électrique, est que l'énergie solaire est en quantité relativement faible en un point donné de la terre et, qu'elle n'utilise que la chaleur rayonnée, (rayonnement Infrarouge). La densité de puissance est faible, mais bien supérieure à celle du photovoltaïque.
  • Par ailleurs, la production est intermittente (intermittence journalière jour/nuit et saisonnière) et localement imprévisible à moyen terme (aléa météorologique). Pour réduire l'intermittence jour/nuit, voire permettre une production 24h/24, les centrales les plus modernes (comme Andasol en Espagne) sont équipées de réservoirs permettant de stocker du fluide porteur chaud. Le stockage de la chaleur peut également s'effectuer par le biais de matériaux à forte capacité calorifique comme des roches de type volcanique portées à très haute température.

Les centrales géothermiques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Centrale géothermique.
Principe[modifier | modifier le code]

La terre est composée d'une croûte, posée sur un manteau de roche en fusion. Le principe de l'énergie géothermique consiste à creuser un trou dans cette croûte, à envoyer un fluide caloporteur au fond à l'aide d'un tuyau et à récupérer ce fluide chauffé remontant par un autre tuyau. Cette chaleur fait tourner des turbines qui entraînent des alternateurs. Cette énergie est d'un usage courant en Islande où elle est facile à mettre en œuvre.

Obstacles, défauts ou inconvénients[modifier | modifier le code]
  • la profondeur du forage nécessaire diffère selon les endroits ;
  • la profondeur de forage, malgré ces variations, reste importante, ce qui entraîne un fort coût d'investissement ;
  • il existe un risque de remontée de magma.

Les investisseurs laissent donc pour l'instant les géologues rechercher des zones ayant des caractéristiques favorables avant d'entamer ce genre de projet.

Les centrales à turbines à combustion[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Turbine à gaz.

A cycle simple[modifier | modifier le code]

Les turbines à gaz en cycle simple sont peu coûteuses à construire, de plus elles ont l'avantage de démarrer très rapidement (contrairement aux centrales conventionnelles à vapeur qui ont une certaine inertie). Néanmoins, leur rendement faible (35 % au mieux) empêche de les utiliser directement pour la production d'électricité sans valoriser leur chaleur résiduelle, sauf en appoint lors des pics de demande ou à toute petite échelle, ou encore dans les pays producteurs de pétrole.

A cycle combiné[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Cycle combiné.

Le cycle combiné consiste à récupérer l'énergie thermique des gaz, très chauds (dépassant désormais 600 °C) à l'échappement de la turbine à combustion, pour produire, dans une chaudière de récupération, de la vapeur d'eau utilisée pour alimenter un groupe turbo-alternateur à vapeur. Cette solution permet une augmentation notable du rendement énergétique global de la centrale. Généralement, ce type de centrale comprend 2 alternateurs, l'un entraîné par la turbine à combustion, l'autre par la turbine à vapeur, cependant, certaines centrales n'utilisent qu'un seul alternateur, les deux turbines étant montées sur le même arbre. La puissance de la turbine à vapeur étant environ 50 % de la puissance de la turbine à combustion, des constructeurs de centrale ont installé sur certains sites deux turbines à combustion entraînant chacune un alternateur, et une turbine à vapeur alimentée par les deux chaudières et entraînant un troisième alternateur identique aux deux autres.

Cogénération[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Cogénération.

Au contraire, la cogénération (ou trigénération) n'augmente pas le rendement électrique, mais se contente d'envoyer les gaz chauds à l'exhaure de la turbine vers un procédé industriel consommateur de chaleur ou une chaudière de récupération produisant de la vapeur utilisée dans un procédé industriel. Le rendement atteint étant un rendement global : rendement électrique plus rendement de transfert thermique. Le but principal est souvent le procédé industriel, la production d'électricité étant soumise au besoin de chaleur.

Les centrales à moteurs à explosion[modifier | modifier le code]

Certaines centrales électriques utilisent des moteurs Diesel pour entraîner les alternateurs. C'est le cas en particulier des la centrales de Vazzio et Lucciana, en Corse.

Centrale électrique temporaire[modifier | modifier le code]

Dans les pays émergents ne disposant pas de suffisamment de moyens de production d'électricité ou dont les moyens de production ne permettent pas de faire face à la demande grandissante de la population et des industries (baisse du niveau d'eau dans les barrages hydro-électriques par exemple), des centrales électriques temporaires, consistant en l'installation de groupes électrogènes industriels et synchronisés entre eux, peuvent être installées en quelques semaines.

Les centrales hydroélectriques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Énergie hydroélectrique.
Centrale hydroélectrique en Allemagne

Principe[modifier | modifier le code]

L'énergie hydraulique est depuis longtemps une solution mise en œuvre dans la production d'électricité (appelée aussi Énergie hydroélectrique) car elle utilise une énergie renouvelable.

À un étranglement des rives d'un cours d'eau, un barrage est érigé qui crée une retenue d'eau. Au pied de ce barrage, on installe des turbines reliées à des alternateurs. On alimente en eau sous pression les turbines par un système de canalisations et de régulateurs de débit.

Il y a différents types de centrales hydroélectriques, notamment les micro-centrales, installées sur des rivières en tête de bassin, certaines avec un fort impact écologique.

Il existe également des centrales hydroélectriques de pompage-turbinage qui permettent d'accumuler l'énergie venant d'autres sites de productions peu flexibles (telles les centrales nucléaires) ou intermittents (productions éoliennes ou solaires) lorsque la consommation est basse, pour la restituer lors des pics de consommation.

Obstacles, défauts ou inconvénients[modifier | modifier le code]

  • Outre que les sites potentiels se situent généralement en montagne entraînant des surcoûts importants de construction, le nombre de ces sites est limité.
  • De plus ce système implique parfois de noyer des vallées entières de terre cultivable, où les hommes vivent bien souvent depuis des générations.
  • On ne peut jamais garantir le risque 0 de rupture des barrages, en particulier lors de conditions météorologiques exceptionnelles.

Centrale marémotrice, hydrolienne ou maréthermique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Énergie marine.

Principe[modifier | modifier le code]

L'eau des mers et des océans peut également être utilisée pour produire de l'électricité.

Quatre formes principales d'énergie marines existent :

Obstacles, défauts ou inconvénients[modifier | modifier le code]

  • Les moyens mis en œuvre sont importants et demandent beaucoup d'entretien.
  • Dans le cas de l'énergie marémotrice, la densité de puissance est élevée, si on reporte uniquement à la surface occupée par le barrage lui-même, mais très basse si on compte la superficie recouverte par le lac de retenue.
  • Leur implantation dans un site a généralement de forts retentissements sur les écosystèmes locaux.

Les éoliennes[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Éolienne.
Parc éolien en Angleterre
Article connexe : Énergie éolienne.

Principe[modifier | modifier le code]

Dans une centrale éolienne, l'énergie électrique est produite directement par des génératrices éoliennes. Ces machines sont formées d'un mat, sur lequel est installé un générateur électrique entraîné par une hélice, elles sont positionnées idéalement sur les plans d'eau ou les collines ventées. L'alternateur permet de transformer cette énergie mécanique en énergie électrique.

Obstacles, défauts ou inconvénients[modifier | modifier le code]

Les principaux défauts des éoliennes sont :

  • La "pollution visuelle" du paysage.
  • des obstacles pour la navigation aérienne, de proximité, à très basse altitude.
  • Le bruit est également gênant, d'après certains témoignages, lorsqu'une éolienne est installée près d'une habitation.
  • L'investissement est conséquent, avec une production aléatoire dépendant des caprices du vent et assez moyenne comparée à d'autres systèmes concurrents.

Les centrales photovoltaïques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Centrale solaire photovoltaïque.
Centrale solaire photovoltaïque

Principe[modifier | modifier le code]

Ce mode de production d'électricité avec l'énergie solaire utilise les rayonnements lumineux du soleil, qui sont directement transformés en un courant électrique par des cellules à base de silicium ou autre matériau ayant des propriétés de conversion lumière/électricité. Chaque cellule délivrant une faible tension, les cellules sont assemblées en panneaux.

Ce système, bien que de rendement faible, est très simple à mettre en œuvre et particulièrement léger. Inventé pour les besoins des satellites artificiels militaires, il est aujourd'hui très utilisé pour une production locale ou embarquée d'électricité. Ce moyen peut être utilisé comme moyen de production à l'échelon individuel. Dans une maison individuelle, 20 m2 de panneaux produisent, sur la totalité d'une année, ce que consomme un foyer de 4 personnes. Ils sont préconisés dans la réalisation des maisons dîtes « autonomes » ou « passives ».

Des panneaux solaires embarqués à bord de bateaux, véhicules terrestres, satellites et vaisseaux spatiaux, secondés par une batterie d'accumulateurs. Ces accumulateurs fournissent de l'énergie pendant les moments de non ou faible production des panneaux et stockent le surplus d'électricité pendant les moments de grande production.

Obstacles, défauts ou inconvénients[modifier | modifier le code]

  • Des projets de centrale solaire dans l'espace existent. Mais outre le problème du transport de l'électricité sur terre, il faudrait dans un premier temps transporter et assembler des milliers de tonnes de matériel en orbite, sans parler des problèmes de maintenance induits par un tel système.
  • Dans une maison individuelle, il y a 2 soucis. Premièrement, le coût des panneaux est encore très élevé. Ils sont surtout installés dans les pays qui aident financièrement les particuliers : par des subventions directes ou par le rachat de l'énergie produite à un tarif préférentiel. Deuxièmement, le stockage de l'énergie, car la production est irrégulière.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. La production d'électricité individuelle (panneaux photovoltaïques) n'est pas concernée par cet article)
  2. Sauf dans de rares exceptions, il s'agit de groupes électrogènes qui ne constituent pas une centrale électrique.
  3. les transformateurs de courant continu sont très complexes et peu performants comparés aux transformateurs de courant alternatif

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Pearl Street Station IEEE Global History Network
  2. (en) Air pollution from electricity-generating large combustion plants An assessment of the theoretical emission reduction of SO2 and NOX through implementation of BAT as set in the BREFs, EEA Technical report No 4/2008, (ISSN 1725-2237)
  3. « Centrale de Gardanne - Charbon propre : la Centrale à Lit Fluidisé la plus puissante au monde », sur www.lakko.fr (consulté le 28 juin 2014)
  4. « Rapport n° 1359 sur l'aval du cycle nucléaire - E. Le charbon propre, une technologie d’avenir pour les pays producteurs », sur www.assemblee-nationale.fr/,‎ (consulté le 28 juin 2014)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]