Centrales électriques

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.

Sommaire 1 Centrales thermiques à flamme 1.1 Centrale conventionnelle à chaudières 1.2 Turbine à gaz 1.3 Amélioration du rendement 1.4 Obstacles, défauts ou inconvénients 1.5 Avantages 2 Centrales nucléaires 3 Centrales utilisant une forme d'énergie renouvelable 3.1 Centrale hydroélectrique 3.2 Centrale éolienne 3.3 Centrale solaire 3.3.1 Centrale solaire photovoltaïque 3.3.2 Centrale solaire thermique 3.4 Centrale marémotrice, hydrolienne ou maréthermique 3.5 Centrale géothermique 4 Notes et références 5 Voir aussi 5.1 Articles connexes

Centrales thermiques à flamme

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, ou des déchets municipaux.

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

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 chaudières 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.

Amélioration du rendement

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.

Le cycle combiné consiste à alimenter la chaudière d'une turbine à vapeur grâce au gaz très chaud (de l'ordre de 600°C) d'une turbine à gaz. Le résultat est une pure augmentation du rendement électrique.

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.

Obstacles, défauts ou inconvénients

• Les sources d'énergie fossile ont comme principaux défauts d'être épuisables, consommatrices d'eau et source importante dans leur mise en œuvre de pollution de l'air (dont pollutions acides et liées via les 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)^[1].

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 d'enfouir le CO₂, éventuellement rendu inerte à partir des cheminées, mais cette solution n'a pas encore fait ses preuves.

Il peut y avoir beaucoup de pollution dans certaines centrales.

• 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 et monoxyde de carbone, des oxydes de l'azote (tous étant gaz à effet de serre)de la vapeur d'eau 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 relativement indépendante des conditions météorologiques, la source d'énergie peut être (dans une certaine mesure) facilement stockée et la densité de puissance est 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, néanmoins leur « chaudière » est un 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. Les centrales nucléaires produisent environ 15% de l'électricité mondiale. 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,
• 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 rendements sujets aux caprices du vent et assez moyens comparés à d'autres systèmes concurrents.

Centrale solaire

On distingue les centrales électriques solaires photovoltaïques des centrales électriques thermiques, ces dernières étant très 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 souci. 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 thermique

Une centrale solaire thermique 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 est alors plus léger et monte dans une cheminée où sont actionnées 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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