Chapitre 3 La production industrielle de l énergie électrique Ch 3 p 1 Objectifs : Trouver l élément commun aux différents types de centrales électriques. Savoir comment mettre une turbine en rotation. Distinguer les sources d énergie renouvelables des sources d énergies non renouvelables. Nous avons vu que l on pouvait produire du courant en déplaçant un aimant près d une bobine. Or le déplacement de l aimant implique l existence d une énergie mécanique permanente. Ce principe est-il appliqué dans les alternateurs industriels? Quelles sont les différentes solutions adoptées dans ces installations susceptibles de produire à la demande, de très grandes quantités d énergies électriques? I - La production expérimentale du courant électrique 1.1 Expérience : «Comment mettre en action le rotor d un alternateur? But : Montrer que l alternateur transforme de l énergie mécanique, qui peut être produite de différentes façons, en énergie électrique. Connecte la lampe sur l alternateur (fig 1). Mettons en mouvement le rotor soit par l action mécanique de l eau (fig 2) soit en utilisant le courant d air produit par un sèchecheveux (fig 3). Fais varier le débit d eau ainsi que la vitesse du sèche-cheveux. Fig 1 Fig 2 Fig 3 Questions 1) La lampe est-elle allumée quand le galet ne tourne pas? Quand il tourne? Quand le galet ne tourne pas la lampe est éteinte, quand il tourne la lampe s allume. 2) Que se passe-t-il quand on augmente la vitesse de rotation? Quand on augmente la vitesse de rotation, l éclat de la lampe augmente.
Ch 3 p2 3) Quelle forme d énergie l alternateur transforme dans les deux cas? L alternateur transforme l énergie mécanique de la force de l eau dans le premier cas et l énergie mécanique du jet d air dans le deuxième cas. 4) Quelle forme d énergie l alternateur fournit-il à la lampe? L alternateur fournit de l énergie électrique à la lampe. 5) De quoi dépend la quantité d énergie électrique produite? La quantité d énergie électrique produite dépend de la vitesse de rotation du galet. 6) Quelle transformation d énergie réalise l alternateur? L alternateur transforme de l énergie mécanique en énergie électrique 1.2 Conclusion Un alternateur peut produire du courant électrique à partir de plusieurs sources d énergie mécanique. II - La production industrielle de l électricité 2.1 Etude de documents : La centrale hydraulique L éolienne Fig 4. L'eau est retenue par un barrage. Elle s'écoule dans une conduite forcée en pente, dans laquelle elle acquiert de la vitesse. À la sortie de la conduite, l'eau fait Fig 5. Le vent fait tourner les pales de l'éolienne qui entraînent la rotation du rotor d'un alternateur. Un mécanisme permet d'orienter les pales face au vent Questions tourner la turbine d'un alternateur. 1) Quelle forme d'énergie l'eau qui s'écoule du barrage transfère-t-elle à la turbine? (fig 4) Elle transfère de l énergie mécanique. 2) Quelle forme d'énergie est transférée aux pales de l'éolienne? Quelle en est la source? (fig 5)
Elles reçoivent de l énergie mécanique. Sa source est l air en mouvement (énergie éolienne). Ch 3 p3 3) Quel est l'élément commun aux deux centrales électriques? Quelle énergie reçoit-il? Les deux centrales ont un alternateur qui reçoit de l énergie mécanique. 4) Quel est le rôle de l'alternateur? Quelle forme d'énergie une centrale électrique fournit-elle au réseau électrique? Il convertit l énergie mécanique qu il reçoit en énergie électrique. La centrale fournit de l énergie électrique au réseau. 5) Une centrale hydraulique convertit-elle toute l'énergie mécanique qu'elle reçoit? Non, car l eau est encore en mouvement après le passage par la turbine. 6) Pourquoi les sources d'énergie de ces deux centrales sont-elles qualifiées de renouvelables? L eau existe à l état naturel et se renouvelle dans un lac de barrage ou une rivière au cours du cycle de l eau ; le vent est créé naturellement par les déplacements d air atmosphérique entre les zones de haute pression et de basse pression. La centrale thermique Fig 6. Le combustible qui brûle dans la chaudière produit de l'énergie thermique. Cette énergie sert à vaporiser, dans le générateur de vapeur, l'eau d'un circuit fermé. Le jet de vapeur fait tourner la turbine qui entraîne le rotor de l'alternateur. Puis, la vapeur est liquéfiée dans le condenseur grâce à un circuit d'eau froide extérieur. Les produits de la combustion sont évacués par une cheminée. Questions 1) Quelle est la source d'énergie qui permet à la centrale de produire la vapeur?
Ch 3 p4 Le combustible est une source d énergie thermique, c est à dire le charbon, le fioul ou le gaz naturel. 2) Quelle forme d'énergie l'eau a-t-elle acquise à la sortie du générateur de vapeur? Elle a acquis de l énergie thermique et de l énergie mécanique. 3) Quelle est l'action de la vapeur sur la turbine? Quelle énergie lui fournit-elle? Elle fait tourner la turbine en lui fournissant de l énergie mécanique. 4) Quel est l'élément commun à toutes les centrales électriques? Quelle est la source d'énergie de cette centrale? C est l alternateur. C est l énergie thermique qui est convertie en énergie mécanique. 5) Quelle énergie la centrale fournit-elle au réseau électrique? Quel est l'élément de la centrale qui la produit? Transforme-t-il toute l'énergie qu'il reçoit? Elle fournit de l énergie électrique. Non, la vapeur est encore en mouvement après passage par la turbine, donc toute l énergie mécanique n est pas convertie en énergie électrique. 2.2. Conclusion Les différents types de centrales qui fournissent de l énergie électrique aux usagers utilisent une source d énergie primaire. Cette source d énergie primaire est : L eau pour les centrales hydrauliques ; Le charbon, le gaz ou le pétrole (combustibles fossiles) pour les centrales thermiques ; L uranium pour les centrales nucléaires. Toutes ces centrales ont une partie commune : l alternateur, qui fournit l énergie électrique. Il faut pour cela être couplé à une turbine en rotation (une turbine est une grosse roue munie de pales ou aubes.) Dans le cas des centrales éoliennes, l énergie primaire est le vent et les pales des éoliennes jouent le rôle de turbines. III - Les transferts d énergie L énergie est présente partout dans notre environnement. Elle peut se manifester de différentes manières : lumière et chaleur du soleil, force de l eau, force du vent ou des marées, chaleur du feu.
Ch 3 p5 L énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : nous ne pouvons que la transformer et le bilan de ces transformations est toujours équilibré. Par exemple lorsqu une lampe brille, elle ne fabrique pas d énergie, elle transforme l énergie électrique en énergie lumineuse et en énergie thermique. Le plus souvent il n est pas possible de récupérer toute l énergie transformée : une partie se dissipe en chaleur dans l atmosphère et nous considérons alors qu elle est «perdue». Energie mécanique Alternateur Energie électrique Energie Le bilan d une conversion d énergie se caractérise par un rendement. Par exemple, celui d'une centrale thermique est de 33 %. Cela signifie que pour obtenir 33 unités d'énergie électrique, il a fallu brûler 100 unités d'énergie fossile. Il y a donc 67 unités d'énergie thermique qui sont «perdues» car dissipées dans l'environnement.
Ch 3 p6 Certaines centrales récupèrent toutefois une partie de l'énergie thermique pour chauffer des habitations ou des serres. Parler de «production d'énergie» ou de «perte d'énergie», est un abus de langage, puisque l'énergie ne peut être ni créée, ni perdue. L'énergie se conserve. Conclusion : L énergie se conserve. Dans un alternateur l énergie mécanique est transformée en énergie électrique «utile» et en énergie «inutile» (frottements, vibrations ) IV - Les sources d énergies 4.1 Etude de documents Les énergies fossiles 1. Le pétrole, le charbon et le gaz naturel sont des énergies fossiles : elles sont issues de la décomposition de matières organiques enfouies, depuis plusieurs millions d'années, dans le sous-sol de la Terre (fig. 1 7). Fig. Mine de charbon 2. L'uranium est utilisé comme combustible dans les centrales nucléaires. Il est extrait d'un minerai dont les principaux gisements se situent aujourd'hui en Australie, en Amérique du Nord, en Afrique du Sud et en Russie. Les stocks s'épuisent au fil des années. En France, la dernière mine a cessé son activité en juin 2001 (fig. 1 8). Fig. La mine de Jouac en Haute-Vienne. L'extraction du minerai d'uranium diffère peu de celle des autres minerais métalliques (cuivre, fer, aluminium...). Les énergies renouvelables Les énergies renouvelables sont naturellement présentes sur Terre. Elles proviennent de sources telles que le Soleil, le vent, l'eau. Le développement de ces énergies vise aussi à réduire les émissions de gaz à effet de serre. Leur pouvoir énergétique est plus faible que celui des énergies fossiles. On distingue cinq catégories d'énergies renouvelables.
1. L'énergie hydraulique: En France,les premières réalisations produisant de l'électricité à partir de l'énergie hydraulique (fig. 19) datent du XIX e siècle. Aujourd'hui on a atteint les limites des capacités de production car quasiment tous les sites qu'il était raisonnable d'équiper l'ont été. Ch 3 p7 Parc éolien à Plouarzel (Finistère) 2. Le vent: La production d'électricité par énergie éolienne (fig. 20) dépend d'abord de la qualité des sites. On estime aujourd'hui que, même en équipant tous les sites disponibles en France, le système éolien nous fournirait au maximum 12 % de l'énergie électrique nécessaire. 3. Le solaire : L'énergie fournie par le Soleil dépasse de beaucoup nos besoins. On sait aujourd'hui produire directement de l'électricité grâce à l'énergie solaire. Cette conversion est réalisée par des panneaux solaires (fig. 21) composés de cellules photovoltaïques. fig. 21 La ville de Chambéry a installé des panneaux solaires sur des réservoirs d'eau potable En France, l énergie solaire est surtout utilisée pour chauffer les habitations ou pour fournir de l électricité aux maisons éloignées du réseau électrique. fig. 22 Incinération des déchets organiques à La Veuve (Marne). La chaleur dégagée est récupérée sous forme de vapeur afin de produire de l'électricité. 4. La biomasse :
Ch 3 p8 Certaines centrales thermiques à flamme (fig. 22) utilisent l'énergie issue de la combustion de déchets organiques : copeaux de bois, résidus agricoles, ordures ménagères. L'ensemble de ces combustibles constitue la biomasse. 5. La géothermie Dans les centrales géothermiques (fig. 23), on utilise la chaleur du sous-sol terrestre pour produire de la vapeur d'eau sous pression. Celle-ci est utilisée pour mettre en mouvement la turbine d'un alternateur. fig. 23 La centrale géothermique de Bouillante fournit près de 10 % de l'électricité produite en Guadeloupe. Questions 1) Qu est ce qu une source d énergie renouvelable? Une source d énergie renouvelable est réutilisable indéfiniment. 2) Citez quatre sources d énergie renouvelables. L énergie solaire, l énergie géothermique, l utilisation de la biomasse, l énergie éolienne. 3) A quoi sert l énergie géothermique? Elle sert à chauffer les habitations ou à produire de l énergie électrique. 4) Qu est-ce qu une source d énergie non renouvelable? Une énergie non renouvelable a des réserves limitées, qui s épuisent. 5) Citez trois sources d énergie non renouvelables. Le pétrole, le gaz naturel, le charbon. 6) Quels usages principaux fait-on des sources d énergie fossile? L énergie fossile permet la production d énergie électrique, ou de carburant. 7) Quelle est en France la source d énergie renouvelable la plus utilisée pour produire de l énergie électrique? Il s agit de l énergie solaire. 8) Quelle est l origine de l expression «énergie fossile»? L'énergie fossile désigne l'énergie que l'on produit à partir de roches issues de la fossilisation des êtres vivants : pétrole, gaz naturel et houille (charbon). 9) A partir de quels végétaux obtient-on principalement le «biocarburant»?
Ch 3 p9 Le biocarburant est obtenu principalement par le palmier à huile, le tournesol ou le colza. 10) Quel est le constituant chimique principal de biogaz? L'énergie du biogaz provient uniquement du méthane. 11) Pourquoi les sources d'énergie des centrales hydrauliques et éoliennes sont-elles qualifiées de renouvelables? L eau existe à l état naturel et se renouvelle dans un lac de barrage ou une rivière au cours du cycle de l eau ; le vent est créé naturellement par les déplacements d air atmosphérique entre les zones de haute pression et de basse pression. 1) Trouve-t-on les combustibles utilisés dans la centrale thermique en quantités illimitées sur Terre? Pourquoi dit-on que les sources d'énergie de cette sorte de centrale sont non renouvelables? Non, ce sont des sources d énergie fossile. Elles ne se renouvellent pas et s épuisent. 4.2 Conclusion Le pétrole, le charbon et le gaz naturel sont des combustibles dits «fossiles» car ils se sont formés et accumulés sous terre pendant des millions d années. A l heure actuelle, on en consomme de telles quantités qu il ne faudra que quelques dizaines d années pour épuiser les réserves. Ce sont des sources d énergie non renouvelables : leur vitesse de formation est plus faible que leur vitesse de consommation. L uranium, métal extrait du sol, est aussi une source d énergie non renouvelable. Les sources d énergie renouvelables sont les sources produites par le soleil (énergie solaire) le vent (énergie éolienne), l eau (énergie hydraulique) ou la terre (géothermie). Elles sont inépuisables à notre échelle et non polluantes, contrairement aux précédentes, qui produisent d énormes quantités de dioxyde de carbone ou de déchets radioactifs.