centrale électrique
Ensemble d'installations constituant une usine génératrice d'énergie électrique par conversion d'autres formes d'énergie.
La production d’électricité
Une centrale électrique produit de l'électricité au moyen de générateurs à courant alternatif, entraînés par des appareils moteurs utilisant les différentes formes naturelles d'énergie : thermique, éolienne, solaire, géothermique, hydraulique et marémotrice. Actuellement, la quasi-totalité de l'électricité commercialisée dans le monde est produite par des centrales thermiques et hydroélectriques. Les autres modes de production ne sont pas encore compétitifs et n'interviennent que pour une faible part dans le bilan mondial
Les centrales thermiques
Une centrale thermique comprend principalement une chaudière, qui vaporise de l'eau circulant en circuit fermé, et un groupe turboalternateur (alternateur entraîné par une turbine). Dans les centrales thermiques classiques (ou « à flamme »), la vapeur est produite par la combustion du charbon ou du fioul, et, plus rarement, par celle du gaz naturel ou du gaz provenant de hauts-fourneaux. Dans une centrale thermique nucléaire, c'est une réaction en chaîne de fission d'uranium qui produit la chaleur nécessaire à la vaporisation de l'eau.
Les chaudières
Les chaudières classiques produisent une vapeur à une pression de 165 bars pour une température de 565 °C. Pour les réacteurs nucléaires, ces valeurs sont de 50 bars et de 300 °C. Toute la capacité de détente de la vapeur est exploitée par étapes successives grâce aux trois étages – haute, moyenne et basse pression – de la turbine. À la sortie de celle-ci, la pression résiduelle n'est plus que de quelques centaines de millibars. Au contact d'un circuit de refroidissement (le condenseur), la vapeur est transformée en eau, qui retourne vers la chaudière : le cycle est continu.
Le cycle de l'eau
La proximité d'un cours d'eau à gros débit est une condition essentielle à l'implantation de toute centrale thermique afin d'alimenter en eau le condenseur, qui évacue ainsi les deux tiers de la chaleur produite par la centrale. L'eau chaude peut être directement rejetée dans la rivière (refroidissement en circuit ouvert) ou circuler dans de grandes tours de réfrigération où elle s'évapore partiellement au contact de l'air avant d'être réinjectée dans le condenseur (refroidissement en circuit fermé). Cette dernière solution, plus coûteuse, permet de réduire les prélèvements d'eau ainsi que les problèmes écologiques liés au réchauffement des rivières.
Les « tranches » d'une centrale
Afin de limiter les coûts de fabrication des matériels et de faciliter l'exploitation des centrales, celles-ci sont réalisées par tranches, et par unités de production standardisées et autonomes. Chaque tranche comprend une chaudière, un générateur de vapeur, un groupe turboalternateur et un transformateur élévateur de tension raccordé au réseau. Les paliers retenus pour les tranches françaises sont de 125 MW, 250 MW, 600 MW, 700 MW pour les centrales thermiques à flamme, et de 900 MW, 1 300 MW et 1 450 MW pour les centrales nucléaires.
Les turbines à gaz
D'autres installations thermiques, de puissance plus modeste, produisent de l'électricité sans passer par le cycle eau-vapeur. Ce sont les turbines à gaz, calquées sur le principe d'un réacteur d'avion, qui entraînent directement un alternateur et des groupes électrogènes Diesel. Ces turbines étant spécialement conçues pour le service aux heures de pointe, leur puissance n'excède pas 100 MW, mais leur grande simplicité (compacité, absence de circuit eau-vapeur, refroidissement à air) autorise une mise en service en quelques minutes. Par ailleurs, ces installations thermiques peuvent être implantées pratiquement partout.
Les centrales hydroélectriques
Les usines hydroélectriques comportent plusieurs turbines (parfois jusqu'à 18), actionnées par l'énergie d'une chute d'eau ou d'un courant, et entraînent des alternateurs dont la puissance peut atteindre 750 MW. Elles peuvent être intégrées dans le barrage de retenue (usines barrages) ou, afin d'augmenter la hauteur de chute (différence entre le niveau supérieur de la retenue et le niveau des turbines), être situées jusqu'à plusieurs centaines de mètres en aval (usines de dérivation). Dans ce cas, l'eau est canalisée dans des conduites ou des galeries souterraines pour alimenter sous forte pression les turbines. On distingue quatre catégories d'usines.
Les usines de lac
Les usines de lac ont un réservoir (naturel ou artificiel) de grande contenance pouvant emmagasiner les apports d'une saison. Caractérisées par leur grande hauteur de chute (de 300 à 2 000 m), elles sont principalement implantées dans les régions montagneuses.
Les usines d'éclusée
Les usines d'éclusée sont caractérisées par une hauteur de chute et une réserve d'eau de moyenne importance. L'eau est généralement stockée durant la nuit pour alimenter les turbines le jour, aux heures de forte charge.
Les usines au fil de l'eau
Les usines au fil de l'eau n'ont que peu ou pas de réserve et ont une faible hauteur de chute ; leur productivité dépend du débit du fleuve ou de la rivière qu'elles enjambent.
Les usines de pompage
Les usines de pompage permettent de stocker l'électricité produite par d'autres centrales. Elles possèdent deux réservoirs, situés à des niveaux différents. Durant les heures creuses, l'eau contenue dans le réservoir inférieur est pompée vers le réservoir supérieur. Aux heures de forte consommation, ce dernier alimente des turbines et se déverse dans le réservoir inférieur.
Les autres modes de production d’électricité
La majeure partie de l'électricité étant produite par des centrales thermiques polluantes (au charbon) ou à risque (nucléaire), des recherches se poursuivent depuis de nombreuses années pour tenter de mettre en place des moyens de production ne nuisant pas à l'environnement et permettant d'épargner les ressources énergétiques non renouvelables. Jusqu'ici, on n'a pas encore pu mettre au point de méthodes pouvant être appliquées à grande échelle.
Nombre de ces procédés reposent toujours sur la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique. Ils consistent à exploiter une énergie mécanique naturelle (énergie éolienne ou marémotrice), à capter une source chaude naturelle génératrice de vapeur (énergie géothermique ou solaire), ou à élaborer de nouveaux combustibles – fournis par la biomasse, les déchets ou le charbon.
L'énergie éolienne
L'énergie éolienne est une source d’énergie électrique encore peu exploitée dans le monde. En 2008, elle ne représentait qu’un peu plus de 2 % de la production d’électricité mondiale. Toutefois, le marché de l’énergie éolienne est en pleine croissance, du fait des politiques énergétiques de l’ensemble des pays riches visant à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre et à augmenter leur indépendance énergétique vis-à-vis des combustibles fossiles.
L'énergie marémotrice
L'énergie marémotrice n'a connu qu'un développement limité. Comme dans les centrales hydroélectriques, l'électricité y est produite à partir de masses d'eau en mouvement, mais au rythme du flux et du reflux des marées, grâce à des turbines à pales orientables. La première usine marémotrice fut construite en 1966, en France, sur l'estuaire de la Rance (24 turbines totalisant 240 MW).
La géothermie
La géothermie « haute énergie » (plus de 150 °C) est déjà exploitée dans de nombreux pays pour produire de l'électricité. Les turbines sont alimentées par la vapeur émanant de sources chaudes contenues dans le sous-sol de la Terre.
L'énergie solaire
L'énergie solaire peut être convertie en électricité grâce à des cellules photovoltaïques. Les progrès réalisés depuis les années 1970, dans le domaine des matériaux semi-conducteurs, ont permis d'améliorer le rendement et la fiabilité des cellules. Leur prix de revient, encore élevé, retarde la diffusion de cette technologie non polluante, au coût d'exploitation modeste.
Des installations équipées de miroirs concentrant la chaleur vers un fluide caloporteur permettent de produire de la vapeur pour actionner des turbines. L’une des plus grandes centrales solaires se trouve à Barstow, en Californie (10 MW). Avant sa rénovation en 1996 – basée sur l'introduction de la technologie de sel fondu comme caloporteur –, ses 1 818 héliostats de 40 m2 produisaient une vapeur de 510 °C.
Les solutions alternatives
On cherche aussi à produire de l'électricité sans passer par la production d'énergie mécanique. Ces solutions sont utilisées pour de faibles besoins, ou font l'objet d'études expérimentales. Ainsi, des piles à combustible convertissant directement l'énergie chimique de l'hydrogène en courant continu ont été utilisées dans des applications spatiales.
D'autres convertisseurs, les générateurs thermoélectriques et thermoioniques, produisent de l'électricité à partir de deux matériaux portés à des températures différentes.
On peut aussi convertir la chaleur en électricité à partir d'un jet continu de gaz ionisé porté à très haute température (plasma). Le principe du générateur magnétohydrodynamique consiste à faire passer un tel jet dans un champ magnétique pour en extraire un flux continu d'électrons. Dans le générateur électro-gaz-dynamique, c'est un champ électrique qui, en captant les électrons du gaz qui le traverse, produit des ions que l'on recueille ensuite.
Perspectives
Malgré les problèmes environnementaux que pose sa combustion, le charbon continuera longtemps à occuper la première place dans la production mondiale d'électricité. Cela tient à l'abondance des réserves disponibles, et à la limitation des sources énergétiques de remplacement. L'énergie nucléaire, par suite d'un ralentissement du rythme de croissance des programmes d'équipement, ne parviendra qu'à maintenir sa part actuelle dans le bilan global. Le gaz naturel et le pétrole, surtout, sont exploités de manière plus avantageuse dans les transports, le chauffage ou la chimie. Cependant, certains prônent un recours accru au gaz naturel. Le développement de l'équipement hydraulique, dans les pays industrialisés, est proche de son maximum, surtout en Europe, où les sites les plus économiques sont déjà équipés. C'est, en revanche, dans les pays qui se développent que le potentiel hydroélectrique est le plus grand. Les sources d'énergie renouvelables telles que les énergies géothermique, solaire ou éolienne continueront à jouer un rôle local.
Des efforts doivent être déployés au niveau mondial tant pour atténuer les nuisances écologiques dues à la combustion du charbon que pour étendre l'utilisation de sources énergétiques concurrentielles propres. Les matériaux supraconducteurs, par exemple, pourraient offrir à ce titre des perspectives intéressantes. Pour le très long terme, de gros espoirs reposent sur l'énergie de fusion thermonucléaire.
