L'ensemble des activités humaines, professionnelles et privées, dépend aujourd'hui de la disponibilité, en tous lieux, de l'énergie électrique. Cette énergie est produite, en quasitotalité, dans des unités très puissantes, les centrales électriques, avant d'être transportée et distribuée. Il s'agit donc là d'une industrie clé, d'où procèdent toutes les autres. C'est à son niveau que se pose le problème essentiel de l'identification et de la maîtrise de toutes les sources importantes d'énergie susceptibles de se transformer, massivement, en électricité. Usines transformant une source d'énergie quelconque en énergie électrique délivrée à un réseau de transport et de distribution, les centrales électriques relèvent de trois familles principales : les centrales hydrauliques, les centrales thermiques et les centrales nucléaires. La mise au point d'unités de production d'électricité à partir d'énergies renouvelables autres qu'hydroélectriques (énergie solaire, énergie du vent) n'a guère débouché, jusqu'à présent, que sur l'alimentation d'habitations, de chantiers ou d'installations industrielles isolés ou sur des alimentations d'appoint ; de telles unités ne sont pas considérées comme des centrales, mais l'évolution récente des techniques permet d'espérer l'avènement prochain de véritables centrales fondées sur l'énergie solaire. Les réseaux de transport et de distribution d'énergie électrique utilisent, dans le monde entier, le courant alternatif triphasé, à 60 Hz aux États-Unis et dans les pays qui ont adopté la norme américaine, et à 50 Hz partout ailleurs. Quel que soit le type de centrale, l'électricité y est toujours produite sous forme alternative triphasée par des alternateurs ; seules les futures et hypothétiques centrales fondées sur l'effet photovoltaïque produiront du courant continu, qui sera transformé ensuite en courant alternatif triphasé par des onduleurs de puissance. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats alternatif (courant) triphasé (courant) Les centrales hydrauliques Elles transforment l'énergie d'un flux de liquide s'écoulant entre deux niveaux, d'abord en énergie mécanique de rotation, grâce à des turbines hydrauliques, puis en énergie électrique dans des alternateurs entraînés, chacun, par une turbine. Dans presque tous les cas, le flux de liquide est fourni par un cours d'eau intercepté par un barrage ; exceptionnellement, dans les usines marémotrices, il est constitué par un flux alternatif d'eau échangé entre la mer et un bassin de retenue. Il n'existe pas de limite théorique au rendement de transformation en énergie électrique de l'énergie potentielle de pression disponible sur la dénivelée. Seules les imperfections des machines le limitent dans la pratique : il est couramment de l'ordre de 80 %. Les centrales de haute chute. Elles sont alimentées par des barrages construits en altitude, auxquels elles sont reliées par des conduites forcées. Les dénivelées sont fréquemment de plusieurs centaines de mètres et peuvent dépasser 1 000 m. Les turbines utilisées sont des turbines Pelton à axe horizontal, dont les rotors sont constitués par des roues à augets recevant le ou les jets d'un ou de plusieurs injecteurs, jets modulés par une aiguille profilée centrale, se déplaçant par translation axiale. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats Pelton Lester Allen turbine Les centrales de moyenne chute. Elles sont alimentées par des barrages interceptant des cours d'eau dans des vallées profondes ; elles sont alors incorporées à la partie inférieure de ces barrages, côté aval. Les hauteurs de chute pratiquées varient de quelques dizaines de mètres à plus de 100 m. Les turbines utilisées sont des turbines Francis centripètes à axe vertical, dont les rotors sont constitués de roues à aubes alimentées à leur périphérie. Chaque turbine est desservie par une galerie traversant la base du barrage, galerie qui alimente une volute entourant l'entrée de la roue. Le flux de liquide est modulé par des aubages non rotatifs, mais d'inclinaison variable, à l'interface entre la volute et la roue. L'alternateur est toujours monté au-dessus de la turbine et l'ensemble de la ligne d'arbre est porté par une butée hydrodynamique à patins inclinables, dite « butée parapluie «, dont la partie fixe est portée par le stator de l'alternateur. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats turbine Les centrales de basse chute. Elles sont alimentées par des barrages interceptant des cours d'eau dans des plaines non encaissées ou barrant soit un fjord, soit un estuaire pour constituer le réservoir d'une usine marémotrice. Les dénivelées sont généralement inférieures à 15 m. Les turbines utilisées sont des turbines Kaplan ; leurs roues sont des hélices à pales inclinables (pour adapter la turbine à des hauteurs de chutes variables) et le flux entrant est modulé par un distributeur non rotatif à pales inclinables. Elles se présentent en deux versions différentes, l'une à axe vertical avec une structure de groupe analogue à celle des groupes à turbines Francis, l'autre à axe horizontal dans laquelle elles entraînent des alternateurs carénés placés dans le flux du liquide entrant ou sortant ; ces groupes, appelés groupes bulbes, sont particulièrement bien adaptés aux basses chutes ou aux basses chutes à hauteur variable susceptibles de devenir très basses (c'est le cas, par exemple, des usines marémotrices). Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats marémoteur turbine Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats alternateur conduite forcée énergie - Les sources d'énergie industrielles - Les énergies renouvelables hélice - 2.TECHNIQUE Les livres centrales - centrale hydraulique de moyenne chute de Génissiat, sur le Rhône, page 932, volume 2 centrales - salles des machines de centrales électriques, page 935, volume 2 URSS - la centrale hydroélectrique de Bratsk, page 5384, volume 10 Les centrales thermiques Elles transforment l'énergie calorifique d'une réaction de combustion - énergie qu'elles transfèrent à un fluide en phase gazeuse - en énergie mécanique de rotation dans des turbines à l'intérieur desquelles le fluide se détend, puis en énergie électrique dans des alternateurs. La détente d'un fluide gazeux dans une turbine est un phénomène thermodynamique complexe. C'est une partie de l'enthalpie du fluide (assimilable à sa chaleur totale) qui se transforme en énergie mécanique, et non pas une simple énergie mécanique potentielle de pression comme dans le cas d'une centrale hydraulique. Le second principe de la thermodynamique induit qu'il est impossible de transformer en énergie mécanique la totalité du supplément d'enthalpie acquis par le fluide au titre de la réaction de combustion (source chaude). Le fluide énergétique doit donc, à la fin de sa détente, céder une partie de sa chaleur à une source froide (eau de rivière, eau de mer, atmosphère). Il en résulte une limite thermodynamique infranchissable imposée au rendement énergétique de la transformation, limite qui est fonction des températures absolues des sources chaude et froide (théorème de Carnot) ; les rendements pratiques sont toujours nettement inférieurs à cette limite en raison non seulement de l'imperfection des machines, mais également de l'imperfection des cycles suivis par le fluide énergétique par rapport au cycle optimal, dit de Carnot. Les centrales thermiques à vapeur. Elles furent les premières centrales thermiques construites et demeurent les plus utilisées. Dans leur version moderne, elles se composent de « blocs « constitués chacun par une chaudière, un groupe turboalternateur et leurs accessoires directs. La chaudière utilise un combustible quelconque pour lequel elle a été conçue (ou une palette de combustibles) ; elle vaporise de l'eau à pression aussi élevée que possible et surchauffe la vapeur saturée ainsi produite jusqu'aux limites permises par la métallurgie utilisée. La vapeur est alors dirigée vers les organes d'admission d'une turbine, dans laquelle elle se détend jusqu'à la pression correspondant à la température de la source froide. La vapeur se condense dans un échangeur de très grande taille traversé par de l'eau de refroidissement. La pression de saturation correspondante est très inférieure à la pression atmosphérique (0,03 bar absolu, aux températures moyennes d'entrée, ce qui correspond à un vide de 97 %). L'eau liquide retourne alors à la chaudière. Une amélioration importante du rendement de cycle est obtenue par soutirage de la vapeur, au cours de sa détente, en divers points de la turbine. L'eau sortant du condenseur est successivement réchauffée dans des réchauffeurs alimentés par ces différents soutirages. On superpose ainsi au cycle principal, dont le rendement est affecté par la perte au condenseur, une série de cycles auxiliaires se déroulant entre la pression d'admission et la pression de chacun des soutirages, cycles qui ne sont pas affectés par la perte au condenseur et présentent un rendement propre qui n'est affecté que par la qualité des machines (80 % environ). Une seconde amélioration du rendement de cycle et une augmentation de la quantité d'énergie produite par unité de masse de fluide circulant (facteur d'économie de dimensionnement) sont obtenues en interrompant la détente de la vapeur (aux environs de 30 bars), en la ramenant à la chaudière pour la resurchauffer et en lui faisant ensuite reprendre sa détente jusqu'au condenseur. L'ensemble de toutes ces mesures permet aux centrales thermiques modernes de dépasser des rendements de 40 % (production d'électricité nette rapportée au pouvoir calorifique inférieur du combustible utilisé). Le programme thermique français, avant la décision de passer au nucléaire, avait généralisé des blocs de 600 MW. Les progrès de capacité ont, en France, surtout concerné ensuite les tranches nucléaires. Ailleurs dans le monde, on a construit quelques blocs thermiques de 1 300 à 1 400 MW. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats chaudière à vapeur condenseur échangeur techniques (histoire des) - La révolution industrielle turbine turboalternateur Les centrales à turbine à gaz. Elles n'ont fait leur apparition qu'après la Seconde Guerre mondiale, généralement comme centrales complémentaires de pointe. Au lieu de transférer la chaleur de combustion à un fluide tournant en circuit fermé, elles utilisent directement l'air de combustion en circuit ouvert. Chaque machine comporte un compresseur d'air axial qui alimente les chambres de combustion où l'on brûle soit du gaz, soit un hydrocarbure liquide (gazole, de préférence à un résidu) ; les fumées se détendent alors sur une turbine à gaz jusqu'à la pression atmosphérique. La turbine entraîne d'un côté le compresseur d'air et de l'autre l'alternateur. La source froide est ainsi constituée par l'atmosphère elle-même. Le rendement de cycle est pénalisé par deux phénomènes. D'une part, il est impossible, pour des raisons métallurgiques, d'utiliser la température maximale de combustion à l'admission (les machines les plus perfectionnées en marche continue atteignent actuellement 1 000 o C en mobilisant des techniques très sophistiquées). D'autre part, même en limitant la température à l'admission à 1 000 o C, la détente jusqu'à la pression atmosphérique ne permet pas de refroidir les fumées jusqu'au voisinage de la température ambiante. La source froide thermodynamique réelle se trouve donc à la température d'échappement dont l'ordre de grandeur est de 500 o C. Le rendement d'une turbine à gaz est, de ce fait, voisin de 30 %. Cela est suffisant pour des centrales de pointe ne fonctionnant que quelques heures par jour, mais il n'existe pas de centrales de base ainsi constituées. Toutes les centrales de base à turbine à gaz utilisent en effet la chaleur disponible sur les fumées : ce sont notamment les centrales intégrées dans les usines de dessalement d'eau de mer, très fréquentes en Arabie Saoudite et dans les Émirats (les gaz d'échappement fournissent la chaleur de distillation), et les centrales de cogénération vapeur-électricité intégrées dans les complexes industriels de raffinage ou de pétrochimie, qui sont de gros consommateurs de vapeur, celle-ci étant facilement produite, jusqu'à des pressions de 40 bars environ, dans des vaporiseurs et des surchauffeurs placés à l'échappement des turbines, dans le circuit des fumées. Les groupes turboalternateurs à turbines à gaz sont beaucoup plus petits que les groupes turboalternateurs à turbines à vapeur, les plus importants ne dépassant que d'assez peu des puissances unitaires de 200 MW. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats alternateur compresseur désalinisation pétrochimie turbine turboalternateur Les centrales mixtes à turbine à vapeur et à turbines à gaz. Elles sont directement dérivées des centrales de cogénération. Il s'est avéré possible de grouper plusieurs turbines à gaz, munies de chaudières de récupération sur leurs échappements, chaudières qui alimentent en parallèle une grosse turbine à vapeur à condensation. De telles installations sont parfaitement compétitives, en investissement et en rendement, avec un bloc classique à turbine à vapeur de même puissance globale ; elles présentent même un léger avantage chaque fois que l'on dispose de gazole ou de gaz bon marché. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats turbine Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats Carnot Nicolas Léonard Sadi chaudière à vapeur condenseur échangeur enthalpie gaz naturel Lacq résidu thermodynamique vapeur Les livres Grèce - la centrale thermique de Ptolémaïs, page 2222, volume 4 Pakistan - la centrale thermique de Kot-Adu, page 3668, volume 7 centrales - bloc de centrale thermique, page 933, volume 2 Les centrales nucléaires Ce sont des centrales thermiques qui, au lieu de communiquer au fluide énergétique de l'énergie de combustion, lui communiquent de l'énergie calorifique dégagée dans un réacteur de fission. La tendance actuelle consiste à séparer totalement la partie énergétique classique (groupe turboalternateur, condenseur, réchauffage de l'eau, etc.) de la partie nucléaire, placée dans une enceinte de confinement en cas d'accident. Le dispositif le plus utilisé est dit PWR (réacteur à eau sous pression). Un réacteur à uranium faiblement enrichi utilise de l'eau naturelle à la fois comme modérateur et comme fluide caloporteur. Ce fluide, maintenu sous pression, s'échauffe mais ne bout pas. Il cède sa chaleur par échange à un autre circuit d'eau produisant de la vapeur quasi saturée en vue d'alimenter la partie énergétique classique de l'installation. L'échangeur et tous les organes du circuit primaire sont à l'intérieur de l'enceinte de confinement. Les tranches actuelles du programme électronucléaire français sont de 1 300 MW. Les centrales thermiques classiques ne sont plus utilisées en France que comme source d'énergie de pointe ou d'appoint ou comme moyen de valorisation des bas produits non commercialisables résultant de quelques exploitations minières résiduelles (Lorraine et Provence). Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats CEA (Commissariat à l'énergie atomique) Chinon C hooz combustible nucléaire EDF (Électricité de France) énergie - Les sources d'énergie industrielles - L'énergie nucléaire Fessenheim France - Géographie - La vie économique - L'industrie Gravelines réacteur - 3.INDUSTRIE NUCLÉAIRE Saint-Laurent-Nouan surgénérateur Tchernobyl techniques (histoire des) - La civilisation industrielle moderne Three Miles Island uranium Les médias fission Les livres intelligence artificielle - salle de contrôle du réacteur Superphénix de CreysMalville, page 2554, volume 5 radioactivité - le stockage des déchets radioactifs, page 4216, volume 8 radioactivité - la centrale nucléaire de Tchernobyl, page 4218, volume 8 radioactivité - fûts contenant des déchets radioactifs, page 4219, volume 8 surgénérateur, page 4961, volume 9 Tchernobyl, page 5058, volume 9 centrales - centrale nucléaire du Bugey, dans l'Ain, page 932, volume 2 centrales - les centrales expérimentales à neutrons rapides, page 934, volume 2 centrales - centrale nucléaire PWR (à eau sous pression), page 934, volume 2 centrales - salles des machines de centrales électriques, page 935, volume 2 centrales - la centrale nucléaire de Nogent-sur-Seine, dans l'Aube, page 935, volume 2 centrales - Superphénix, volume 2 électronique - salle de contrôle d'une centrale nucléaire, page 1623, volume 3 France - la centrale nucléaire de Cruas-Meysse, dans l'Ardèche, page 1994, volume 4 Inde - salle de contrôle du centre nucléaire de Trombay, près de Bombay, page 2484, volume 5 réacteur - cuve d'un réacteur nucléaire PWR, page 4248, volume 8 Royaume-Uni - la centrale nucléaire de Wylfa, sur l'île d'Anglesey, au pays de Galles, page 4504, volume 8 Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats cycle frigorifique électricité énergie ventilateur Les indications bibliographiques C. Lewiner, les Centrales nucléaires, PUF, « Que sais-je ? «, Paris, 1991 (1988). L. Monition, M. Le Nir et J. Roux, les Microcentrales hydroélectriques, Masson, Paris, 1981.
