PRODUCTION DE L ENERGIE ELECTRIQUE

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1 Sciences et Technologies de l Industrie et du Développement Durable PRODUCTION DE L ENERGIE ELECTRIQUE 1 ère STI2D CI2 : Production d énergie Cours EE 1. Introduction PRODUCTION DE L ENERGIE ELECTRIQUE L énergie est une grandeur physique fondamentale. La seule source d énergie utilisable actuellement est extérieure à la terre : c est le soleil. Les sources d énergies chimiques (charbon et hydrocarbures) ou nucléaires sont stockables et on a utilisé en quelques siècles une grande partie des réserves accumulées durant des millions d années! Il devient donc urgent et nécessaire d exploiter plus grandement les sources d énergies renouvelables bien qu elles ne soient pas toutes stockable! Les applications pratiques liées à l énergie posent trois problèmes : celui de la source d énergie, celui du transport, et enfin celui de la distribution d où l importance de la conversion des énergies. Les critères économiques jouent un rôle prépondérant dans le choix des systèmes de conversion d énergie. La conversion d énergies en énergie électrique occupe une place de choix car celle-ci est facile à transporter et à distribuer. De plus, l énergie électrique est d une utilisation aisée et facilement convertible dans sa forme représentative (conversion d énergie électrique alternative en énergie électrique continue par exemple). En revanche, elle n est pas (ou très difficilement) stockable. Elle doit donc être produite à l instant même de sa consommation. Enfin, les enjeux environnementaux doivent être également pris en compte pour répondre aux contraintes du développement durable. CI2_Production_energie_electrique Lycée Jules Ferry Versailles 1/9

2 2. Conversion d énergies en énergie électrique Les trois sources d énergie les plus utilisées pour produire de l énergie électrique en France sont : l énergie nucléaire, l énergie chimique, l énergie hydraulique. Ces sources d énergies sont très inégales si l on considère le coût et la quantité d énergie produite, ainsi que la durée de mise en route des systèmes de production. Elles ont cependant un point commun : la production électrique qui en est issu passe par une étape de conversion d énergie en énergie mécanique par l utilisation de machines tournantes. Pour résoudre plus facilement les besoins en énergie électrique instantanée, on utilise conjointement une ou plusieurs sources de production, d origine énergétique parfois différente, sur des réseaux de distribution communs Energie chimique L énergie libérée par la combustion des matériaux fossiles (charbon, gaz, fioul) est transformée en chaleur. Cette chaleur est transformée en énergie mécanique par l intermédiaire d une turbine à vapeur, qui sert à entraîner en rotation une machine électrique (alternateur). Schématisation d une centrale thermique classique CI2_Production_energie_electrique Lycée Jules Ferry Versailles 2/9

3 2.2. Energie nucléaire Ces systèmes de production d énergie électrique sont comparables à ceux qui utilisent l énergie chimique : seule la production de chaleur, obtenue par réaction nucléaire (fission de l Uranium 235) est différente. Le prix de revient de l énergie électrique produite est faible. Mais se pose le problème du stockage des déchets nucléaires (actuellement enterrés à très grande profondeur en France) et celui de la difficile maîtrise des technologies utilisées pour assurer la sécurité. Schématisation d une centrale nucléaire 2.3. Energie hydraulique L énergie potentielle de l eau accumulée dans les barrages ou les lacs est transformée en énergie cinétique par écoulement. L énergie cinétique de l eau en mouvement est transmise à une turbine hydraulique qui entraîne en rotation une machine électrique. CI2_Production_energie_electrique Lycée Jules Ferry Versailles 3/9

4 Centrales au fil de l eau Ces systèmes de production utilisent directement le débit des fleuves (Rhône, Rhin...) ou le régime des marées. Exemple : Usine marémotrice de la Rance : Schématisation du fonctionnement de l usine de production d énergie électrique sur la Rance Centrales de montagne Ces systèmes de production sont limités aux heures de pointe de la consommation nationale. Il existe trois types de centrales selon la hauteur d écoulement de l eau : basses chutes, moyenne chutes, hautes chutes. Schématisation d une unité de production d énergie électrique par centrale hydraulique de montagne CI2_Production_energie_electrique Lycée Jules Ferry Versailles 4/9

5 2.4. Energies marines Les mers et les océans offrent deux types d énergies exploitables pour la production d énergie électrique : Energie des vagues L énergie des vagues dite houlomotrice est une source d'énergie d'origine cinétique et potentielle liée au déplacement de la surface de la mer sous l'action de la houle. Il existe 4 principaux types de dispositifs pour récupérer l énergie des vagues : des bouées sous-marines en mouvement (colonnes d eau oscillantes immergées), qui montent, descendent et tanguent au gré des vagues. Ancrées sur le fond, leur mouvement actionne un piston, aspire de l eau de mer dans une turbine ou comprime de l air ou de l huile qui va faire tourner un moteur ; des colonnes d eau oscillantes côtières : en fin de course, les vagues entrent dans un caisson où elles compriment l air emprisonné. Cet air comprimé fait tourner une turbine des débordements de chenal : les vagues s engouffrent dans un chenal qui se rétrécit de plus en plus. Elles enflent et débordent par-dessus la digue d un réservoir qui se remplit peu à peu. L eau du réservoir revient à la mer en passant par une turbine qu elle fait tourner. Le réservoir peut se trouver sur la côte mais il existe aussi un projet de système de ce type flottant (qu on appelle une plateforme à déferlement) des caissons flottants reliés entre eux par des charnières articulées. Les vagues déplacent les caissons dans tous les sens. On récupère de l énergie au niveau des articulations mobiles entre les caissons, grâce à des pistons actionnant des pompes à huile sous pression. On peut citer parmi les techniques les plus prometteuses : Le Searev : Projet français de l École Centrale de Nantes Le Pelamis : Réalisation de l entreprise écossaise Pelamis Wave Power Schématisation du Système Electrique Autonome de Récupération de l'energie des Vagues Schématisation du Pelamis ou «serpent de mer» CI2_Production_energie_electrique Lycée Jules Ferry Versailles 5/9

6 Energie des courants marins Hydroliennes Sur le même principe que l éolienne, une hydrolienne permet de générer de l énergie électrique en utilisant la force des courants marins à la place de celle du vent. Bouées sous-marines La société australienne, Carnegie Wave Energy Technology, développe actuellement un système composé d un ensemble de bouées sous-marines activant des pompes reliées à une unité terrestre par des canalisations, appelé CETO. Sous l effet des vagues, le mouvement des bouées entraîne le va et vient des pompes hydrauliques. Ces dernières pompent de l eau de mer et l acheminent à forte pression sur terre. Cette eau de mer sous pression peut alors être utilisée pour produire de l électricité en faisant tourner une turbine ou de l eau douce via un procédé de dessalement par osmose inverse. Schématisation d une hydrolienne Schématisation du système CETO CI2_Production_energie_electrique Lycée Jules Ferry Versailles 6/9

7 2.5. Energie éolienne L'énergie éolienne est une forme indirecte de l'énergie solaire, puisque ce sont les différences de températures et de pressions induites dans l'atmosphère par l'absorption du rayonnement solaire qui mettent les vents en mouvement Energie solaire Deux méthodes sont utilisées pour produire de l énergie électrique à partir du soleil : Les panneaux photovoltaïques Les cellules photovoltaïques utilisées sont des composants électroniques à semi-conducteur (jonction PN) capables de débiter un courant électrique dans un circuit extérieur lorsqu ils sont Schématisation d une éolienne éclairés par le rayonnement solaire. Ces panneaux ne permettent pas une production à grande échelle. Schématisation d une installation photovoltaïque CI2_Production_energie_electrique Lycée Jules Ferry Versailles 7/9

8 Les centrales solaires thermodynamiques Ces centrales sont comparables aux centrales thermiques sauf que la chaleur est obtenue par concentration des rayons solaires. Schématisation d une centrale solaire thermodynamique Les tours ou cheminées solaires De l'air est chauffé par effet de serre dans un vaste collecteur situé au niveau d'une plaine, et conduit par une cheminée qui débouche en altitude, permettant ainsi de tirer profit de la différence de température et de l'énergie potentielle de convection disponible. À la base de la cheminée se trouvent des turbines permettant de produire de l'électricité. Schématisation d une cheminée solaire CI2_Production_energie_electrique Lycée Jules Ferry Versailles 8/9

9 2.7. Géothermie Ici encore le fonctionnement est semblable à celui d une centrale thermique sauf que l énergie utilisée est la chaleur produite naturellement par la terre sous forme d eau chaude sous pression (geyser) Biomasse Schématisation d une centrale géothermique Dans le domaine de l'énergie, et plus particulièrement des bioénergies, le terme de biomasse désigne l'ensemble des matières organiques d'origine végétale ou animale pouvant devenir source d'énergie : par combustion, après méthanisation (biogaz) ou après de nouvelles transformations chimiques (biocarburant). Certaines de ces bioénergies sont utilisées pour la production d énergie électrique selon le même principe que les centrales thermiques. ❶ Chambre de combustion ❷ Chaudière ❸ Turboalternateur ❹ Cogénération ❺ Condenseur Schématisation d une centrale biomasse (de type combustion) CI2_Production_energie_electrique Lycée Jules Ferry Versailles 9/9