Centrale électrique

Une centrale (de production d'énergie) électrique est un site industriel destiné à la production d'électricité. Les centrales électriques transforment différentes sources d'énergie naturelle en énergie électrique afin d'alimenter en électricité les consommateurs, particuliers ou industriels relativement lointains. Le réseau électrique permet de transporter puis de distribuer l'électricité jusqu'aux consommateurs.

Hormis dans les centrales photo-voltaïques (encore peu répandues…), la génération d'électricité est assurée par un alternateur entraîné en rotation par une turbine (dans quelques cas rares par un moteur Diesel stationnaire).

Le type de turbine définit alors le type de centrale :

• Une turbine à vapeur, dans une centrale thermique (à combustible fossile ou nucléaire) ;
• Une turbine à combustion (communément, mais improprement appelée turbine à gaz), dans une centrale thermique ;
• Une turbine hydraulique, dans une centrale hydroélectrique ou une centrale marémotrice ;
• Une éolienne est aussi une sorte de turbine.

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,…) 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) ;
3. les centrales à cycle combiné, brûlant les mêmes combustibles, mais avec un bien meilleur rendement grâce à l'adjonction d'une chaudière de récupération et d'une turbine à vapeur.

L'énergie électrique est obtenue par conversion de l'énergie mécanique produite par une turbine, moteur à gaz, ou turbine à vapeur. Cette conversion est obtenue en couplant une dynamo (courant continu) ou un alternateur (courant alternatif) à la turbine.

Le rendement de conversion mécanique/électrique est d'environ 98%. L'essentiel des pertes se fait donc sur la conversion thermique-mécanique.

Sommaire 1 Historique 2 Centrales thermiques à flammes 2.1 Centrale conventionnelle à chaudières 2.2 Centrale à turbine à gaz 2.3 Centrale à cycle combiné 2.4 Cogénération 2.5 Centrale électrique temporaire 2.6 Obstacles, défauts, inconvénients 2.7 Avantages 3 Centrales nucléaires 4 Centrales utilisant une forme d'énergie renouvelable 4.1 Centrale hydroélectrique 4.2 Centrale éolienne 4.3 Centrale solaire 4.3.1 Centrale solaire photovoltaïque 4.3.2 Centrale solaire thermodynamique à concentration 4.4 Centrale marémotrice, hydrolienne ou maréthermique 4.5 Centrale géothermique 5 Notes et références 6 Voir aussi 6.1 Articles connexes

Historique

La première centrale électrique, la Pearl Street Station (en), a été mise en service le 4 septembre 1882 par Thomas Edison^[1], dans le bas-Manhattan, ce qui 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, Nicolas Tesla inventa le courant alternatif, qui permis de transporter le courant électrique à bien plus grande distance que le courant continu, et donc de limiter le nombre de centrales nécessaires.

Centrales thermiques à flammes

Centrale conventionnelle à chaudières

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%.

Centrale à turbine à gaz

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.

Centrale à cycle combiné

Le cycle combiné consiste à récupérer l'énergie thermique des gaz très chauds (de l'ordre de 600 °C) à l'échappement de la turbine à combustion, pour produire dans une chaudière de récupération de la vapeur utilisée pour alimenter un groupe turbo-alternateur à vapeur. Le résultat permet donc une augmentation notable du rendement énergétique de la centrale. Ce type de centrale comprend 2 alternateurs, l'un entraîné par la turbine à combustion, l'autre par la turbine à vapeur. Toutefois, certaines centrales n'ont qu'un seul alternateur, les deux turbines étant montées sur le même arbre.

Cogénération

Au contraire, la cogénération (ou trigénération) n'augmente pas le rendement électrique, mais se contente d'envoyer les gaz chauds de la centrale vers un procédé industriel consommateur de chaleur. 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.

Centrale électrique temporaire

Dans les pays émergeants 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.

Obstacles, défauts, inconvénients

• Les sources d'énergie fossile ont comme principaux défauts d'être épuisables et d'être à l'origine d'une pollution de l'air (pollutions acides en particulier). En outre, la combustion du carbone produit du CO₂ (principal gaz à effet de serre).

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...)
• Le caractère très centralisé des centrales et la dépendance au réseau électrique THT les rendent vulnérables.
• Les centrales thermiques à flamme produisent du dioxyde de carbone (gaz à effet de serre), des oxydes d'azote et de soufre et d'autres polluants (poussières, métaux lourds, dont mercure, dioxyde de soufre...) contribuant aux smogs photochimiques, à la production d'ozone troposphérique, et de pluies, brumes et brouillards acides.

Avantages

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 nucléaires

Ces centrales utilisent également des cycles de conversion thermodynamique : dans le réacteur nucléaire, l'énergie nucléaire obtenue à la suite de réactions de fission de l'uranium et du plutonium est la source de chaleur utilisée. Un circuit primaire refroidit le réacteur et transfert 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). 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 et tout risque d'accident ne peut être exclu. La probabilité d'occurrence d'un tel accident sur les centrales modernes est sujette à débat.

Centrales utilisant une forme d'énergie renouvelable

Les énergies renouvelables correspondent à différentes sources d'énergies qui se renouvellent à l'échelle humaine.

Centrale hydroélectrique

L'énergie hydraulique est depuis longtemps une solution mise en œuvre dans la production d'électricité (appelée aussi hydroélectricité) 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) lorsque la consommation est basse, pour la restituer lors des pics de consommation.

Obstacles, défauts ou inconvénients

• 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 condition météorologique exceptionnelles.

Centrale éolienne

Dans une centrale éolienne, l'énergie électrique est produite directement par des génératrices éoliennes. Ces machines formées d'un mat, surmonté d'un générateur électrique entrainé 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 et inconvénients 

Les principaux défauts de ces éoliennes sont :

• Une pollution visuelle du paysage relative.
• des obstacles pour la navigation aérienne de proximité à très basse altitude.
• Le bruit est également gênant, d'après certains témoignages, lorsque qu'une éolienne est installée près d'une habitation.
• L'investissement est conséquent, avec des disponibilités aléatoires dépendant des caprices du vent et assez moyennes comparées à d'autres systèmes concurrents.

Centrale solaire

On distingue les centrales électriques solaires photovoltaïques des centrales solaires thermodynamiques, ces dernières étant peu développées.

Centrale solaire photovoltaïque

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, 20m² 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

• 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.

Centrale solaire thermodynamique à concentration

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

• 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.

Centrale marémotrice, hydrolienne ou maréthermique

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

Trois familles existent :

• Énergie marémotrice, ou l'énergie potentiel des marées est utilisée ;
• Énergie hydrolienne, ou l'énergie cinétique des courants de marée, des grands courants océaniques voir des rivières ;
• Énergie maréthermique, ou les différences de températures de l'eau à différentes profondeurs est utilisée.

Obstacles, défauts ou inconvénients

• Les moyens mis en œuvre sont lourds et demandent beaucoup d'entretien.
• La densité de puissance est très 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 à généralement de fort retentissement sur les écosystèmes locaux.

Centrale géothermique

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

• 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.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Liste des centrales hydroélectriques au Québec
• Petite centrale hydroélectrique
• Liste d'anciennes centrales électriques

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