Les différents moyens de production de l électricité

Les différents moyens de production de l électricité Les différents moyens de production de l électricité Objectif Découvrir les différents moyens utilisés pour la production industrielle de l électricité et comprendre ainsi d où vient l électricité que nous consommons. Des schémas animés complètent le diaporama et donnent une vision dynamique des installations. Commentaire introductif : La production d électricité à l échelle industrielle : différents types de centrales électriques fournissent l électricité dont nous avons besoin. Quels sont-ils? Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 1

Qu est-ce-que l électricité? C est un déplacement d électrons dans un circuit. + _ 1 Commentaire diapositive 1 : L électricité est un déplacement d électrons dans un circuit. Le schéma animé met en évidence les 3 éléments du circuit : la génératrice, qui libère les électrons, les fils conducteurs, qui permettent aux électrons de se déplacer, et le récepteur (lampe ou appareil), qui utilise l électricité. Il faut bien sûr que le circuit soit fermé pour que le courant circule. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 2

Comment mettre les électrons en mouvement? Dans une centrale électrique, le générateur d électricité est constitué d une turbine et d un alternateur. La turbine, mise en rotation par une énergie (la force de l eau ou de la vapeur d eau), entraîne la partie mobile de l alternateur : le rotor, composé d électroaimants. Le rotor tourne à l intérieur de bobines de fils de cuivre, le stator. L interaction entre les électroaimants et le fil de cuivre met les électrons en mouvement : c est le courant électrique. 2 Commentaire diapositive 2 : Dans un circuit, la pile constitue une réserve d électricité. Les électrons sont mis en mouvement lorsqu on ferme le circuit. Dans une centrale électrique, l électricité est produite par une génératrice, c est-à-dire une turbine couplée à un alternateur. C est la rotation de la turbine qui met en mouvement le rotor, partie mobile de l alternateur. On peut dire que les électroaimants du rotor «arrachent» des électrons à la bobine de cuivre du stator, produisant ainsi un courant électrique. Il s agit d un courant alternatif. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 3

Comment faire tourner la turbine? On utilise une force pour mettre la turbine en rotation et entraîner l alternateur. vapeur eau vent 3 Commentaire diapositive 3 : Pour entrainer la turbine, on utilise une force : celle de l eau dans le cas d une centrale hydraulique, celle de la vapeur dans le cas d une centrale thermique. Pour les éoliennes, ce sont les pales qui font office de turbine. En tournant, elles entraînent l alternateur. C est à l intérieur de l alternateur que les électrons sont mis en mouvement. L électricité produite est envoyée sur le réseau électrique. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 4

Une production industrielle dans des centrales électriques Centrales thermiques à flamme Centrales nucléaires Centrales hydrauliques Eoliennes Panneaux photovoltaïques Solution différente ne nécessitant ni turbine, ni alternateur 4 Commentaire diapositive 4 : Ce principe de production est le même pour tous les moyens de production : une source d énergie met la turbine en rotation, celle-ci entraîne l alternateur. Seule l électricité photovoltaïque est produite sans l aide du turbo-alternateur : l énergie lumineuse est transformée en énergie électrique par les panneaux. Ce principe est expliqué en détail sur la diapositive 16. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 5

Les centrales thermiques à flamme utilisent des combustibles fossiles Le fuel Le gaz Le charbon Centrale thermique de Martigues Gazoduc Parc à charbon de la centrale de la Maxe 5 Commentaire diapositive 5 : 1 er moyen de production étudié : les centrales thermiques à flamme. Ces centrales utilisent un combustible : du pétrole, mais le plus souvent du charbon ou du gaz naturel, brûlé dans une chaudière pour produire de la chaleur. Rappel : la France ne dispose pas de ressources fossiles. Les gisements de charbon (dans le Nord et l Est de la France pour l essentiel) ne sont plus exploités depuis plusieurs dizaines d années, leur exploitation n étant plus rentable. Un gisement de gaz naturel dans le sud-ouest, à Lacq (64) près de Pau, a été mis en service à partir de 1954 et exploité jusqu à une période récente. Il est maintenant épuisé. Quant au pétrole, les recherches menées dans l est du Bassin Parisien n ont jamais été très fructueuses! Les énergies fossiles nécessaires à la production d électricité dans les centrales thermiques sont donc importées en totalité. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 6

Comment produit-on l électricité dans une centrale thermique à flamme? Ce mode de production est très largement répandu dans le monde. En France, 10 % de l électricité est produite dans des centrales thermiques à flamme. Centrale de Cordemais (Loire-Altantique) Turbine 6 Commentaire diapositive 6 : Cette diapositive permet de lancer un schéma animé qui décrit le processus de production de l électricité dans une centrale thermique à flamme. Quel que soit le combustible utilisé, le principe est le même : la combustion dégage de la chaleur. L eau se transforme en vapeur, dirigée sur la turbine couplée à un alternateur qui produit l électricité. Les turbines sont d énormes machines (le technicien donne l échelle). En France, ces installations ne fonctionnent pas de façon permanente : l électricité est produite dans les centrales thermiques dans les périodes de forte consommation, en complément de la production des centrales nucléaires et hydrauliques. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 7

Les centrales nucléaires utilisent de l uranium La fission de l atome d uranium dégage une très grande quantité de chaleur et des rayonnements. Rayonnements Produits de fission Neutron Noyau d atome 235 U Neutrons libérés Chaleur 7 Commentaire diapositive 7 : L uranium est le «combustible» utilisé dans les centrales nucléaires. Cependant, le terme de combustible est impropre car on ne brûle pas l uranium. On utilise une de ses propriétés particulières : il est fissile, c est-à-dire que le noyau de l atome peut se casser en 2, en libérant : une très forte quantité de chaleur, et des rayonnements. Rappel : un atome est composé d un noyau et d électrons qui tournent autour du noyau. Le noyau comporte des protons et des neutrons. Le principe : il faut bombarder l atome avec un neutron pour obtenir cette réaction. Les autres neutrons dégagés vont aller bombarder d autres atomes, qui vont eux-mêmes se fissionner, entretenant la réaction en chaîne. La chaleur dégagée est utilisée pour chauffer de l eau, comme dans une centrale thermique à flamme. Les rayonnements constituent ce qu on appelle la radioactivité dont il faut se protéger. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 8

L uranium, de la mine au réacteur 8 Commentaire diapositive 8 : L uranium est un minerai, exploité dans des mines (souvent à ciel ouvert comme au Canada ou en Australie). En France, des gisements ont été exploités (dans le Limousin et près de Montpellier), mais sont actuellement épuisés. Il faut une très grande quantité de minerai pour extraire l uranium (on ne récupère qu 1 à 5 kg d uranium par tonne de minerai). Après divers traitements physiques et chimiques, on obtient une pâte jaune très concentrée, le Yellow-cake. Il faut ensuite le raffiner, le concentrer (c est-à-dire augmenter la proportion d uranium fissile) pour que la réaction de fission puisse se faire. L uranium est alors conditionné sous forme de pastilles, qu on place dans de très longs tubes, les crayons combustibles. Ceux-ci sont assemblés (comme des fagots) et placés dans le cœur du réacteur pour être soumis à la réaction de fission. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 9

Comment produit-on l électricité dans une centrale nucléaire? 74 % de l électricité produite en France est d origine nucléaire. Gravelines Flamanville Paluel Penly Chooz Cattenom St Laurent Dampierre Nogent/Seine Fessenheim Chinon Civaux Belleville Le Blayais Bugey St Alban Cruas Golfech Tricastin Centrale nucléaire de Paluel Sites nucléaires français 9 Commentaire diapositive 9 : Le fonctionnement de la centrale nucléaire est expliqué dans le schéma animé. Il est important d établir la comparaison avec la centrale thermique à flamme vue précédemment. Même principe : on chauffe de l eau qui se transforme en vapeur Mais : Il n y a pas de combustion, C est la fission de l uranium qui dégage la chaleur, Les circuits sont indépendants : - Le circuit primaire au sein duquel a lieu la fission, est un circuit fermé où l eau tourne en boucle. La radioactivité est confinée dans ce circuit. - Le circuit secondaire récupère la chaleur du circuit primaire par échange thermique, il n y a pas de contact entre l eau du circuit primaire et l eau du circuit secondaire. - Le circuit de refroidissement : il est ouvert si l on dispose d une source froide suffisante (fleuve ou mer), fermé si on doit utiliser des aéoréfrigérants. La carte des centrales permet de mettre en évidence leur situation au bord de fleuves ou de mers, pour alimenter le circuit de refroidissement. 58 réacteurs (à ce jour en France) produisent ¾ de notre électricité. 1 réacteur est en construction à Flamanville, un autre en projet à Penly. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 10

Une exigence dans les centrales nucléaires : la sureté Les rayonnements issus de la fission sont confinés à l intérieur de la centrale. 1 re barrière : gaine du combustible 2 e barrière : cuve du réacteur 3 e barrière : enceinte de confinement 10 Commentaire diapositive 10 : Les centrales nucléaires sont conçues pour être sûres, c est-à-dire pour éviter toute fuite de radioactivité à l extérieur du bâtiment réacteur. Trois barrières successives confinent la radioactivité, c est-à-dire les rayonnements issus de la réaction de fission. La 1 ère barrière est la gaine du combustible, c est-à-dire le tube ou crayon combustible. La 2 ème barrière est constituée par la cuve du réacteur, en acier. La 3 ème est l enceinte de confinement en béton (double enceinte pour les réacteurs les plus récents). En cas d accident, ce système de confinement est conçu pour retenir la radioactivité à l intérieur de l enceinte et éviter tout impact sur l homme et l environnement. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 11

Comment produit-on l électricité dans une centrale hydraulique? L eau, une énergie renouvelable On utilise la force de l eau : la centrale est d autant plus puissante que la hauteur de chute est grande ou que le débit de la rivière est important. Barrage de St Pierre Cognet En France, 12 % de l électricité est d origine hydraulique. 11 Commentaire diapositive 11 : Le principe de production est expliqué par l animation. Plus la hauteur de chute est importante ou plus le débit de la rivière est élevé, plus la centrale hydraulique est puissante. On peut calculer la puissance P en multipliant la hauteur de chute h par le débit q : P = h x q La production française d électricité d origine hydraulique se situe chaque année autour de 12 % et varie en fonction des conditions météorologiques (enneigement et abondance des pluies). Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 12

Différents types de centrale hydraulique Centrale sur le Rhin (au fil de l eau) Barrage de Roselend (haute chute) Usine marémotrice de la Rance 12 Commentaire diapositive 12 : Selon les régions et en fonction des paramètres de relief et de débit des rivières, on a pu construire des centrales de haute, moyenne ou basse chute (dites aussi centrales au fil de l eau). On trouve les centrales de haute et moyenne chute dans les zones montagneuses (Alpes, Pyrénées et Massif Central), sur des torrents ou des rivières dont le débit est en général assez modeste. C est la hauteur de chute qui donne de la puissance à l eau. Dans les zones de plaine, les centrales de basse chute (construites sur le Rhin ou le Rhône) doivent leur puissance à un débit du fleuve très important. Nous disposons aussi en France d une centrale marémotrice, l usine de la Rance. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 13

Les énergies marines pour produire l électricité Marées, courants marins, énergie des vagues : une énergie inépuisable et prévisible, un potentiel important encore peu exploité. Usine marémotrice de la Rance Les turbines tournent à marée montante et descendante. Hydroliennes Ce sont les courants marins qui entraînent la turbine. 13 Commentaire diapositive 13 : Les énergies marines sont encore peu exploitées mais représentent un potentiel important. Ce sont des énergies inépuisables et prévisibles : on connaît les horaires des marées, 2 fois par jour, toute l année. On sait aussi dans quels secteurs géographiques il y a de forts courants marins. En France, nous disposons depuis 1966 d une centrale marémotrice, l usine de la Rance, alimentée par la force du courant de marée. Située dans la baie du Mont St Michel, elle bénéficie des plus hauts coefficients de marée. L installation d hydroliennes est en cours, dans la même zone géographique, à Paimpol-Bréhat. Elles fonctionneront avec les courants, particulièrement forts dans ce secteur. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 14

L électricité produite par les éoliennes On utilise la force du vent, une énergie renouvelable. Éoliennes de Dunkerque Fixation des pales d une éolienne sur le mât 14 Commentaire diapositive 14 : Une éolienne est constituée d un mât plus ou moins haut, d une nacelle fixée en haut du mat, et d une hélice, c est-à-dire en général 3 pales. Les pales font office de turbine : elles sont mises en rotation par la force du vent. En tournant, elles entraînent l axe de la nacelle qui fait tourner l alternateur. Il faut au minimum des vents de 10 à 15 km/h pour démarrer la production, les conditions idéales de production se situant autour de 50 km/h. La production d électricité d origine éolienne se développe actuellement très rapidement en France mais reste encore marginale. Des éoliennes off-shore sont également installées en pleine mer, là où les vents sont plus réguliers. Seul un projet existe en France alors que l Angleterre et le Danemark exploitent déjà de tels moyens de production d électricité. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 15

La production d électricité à partir d autres énergies renouvelables On peut, comme dans une centrale thermique à flamme, utiliser de la vapeur d eau : produite grâce à la combustion de bois, de déchets agricoles ou ménagers : c est ce que l on appelle la biomasse, émise par le sous-sol : c est la géothermie. Déchets de scierie Centrale géothermique de Bouillante 15 Commentaire diapositive 15 : D autres énergies renouvelables sont utilisées pour la production d électricité : La biomasse : le principe est le même que dans les centrales thermiques à flamme, seul le combustible diffère. On utilise des déchets d exploitation forestière et de scierie, des déchets agricoles, des ordures ménagères La géothermie est la chaleur émise par le sous-sol. On utilise l eau des nappes souterraines que l on pompe pour obtenir de la vapeur (en remontant, la pression diminue et l eau se transforme en vapeur) et alimenter les turbines (voir schéma animé). C est aujourd hui une infime partie de la production électrique en France. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 16

La production d électricité à partir d autres énergies renouvelables On peut aussi utiliser la lumière pour mettre les électrons en mouvement grâce à des panneaux solaires : c est l électricité photovoltaïque. Ferme solaire de Narbonne 16 Commentaire diapositive 16 : Il s agit de capter la lumière du soleil par des panneaux photovoltaïques. Ceux-ci sont constitués d une couche de silicium, un matériau conducteur qui, sous l effet de la lumière, libère des électrons, créant ainsi un courant électrique continu. Ce courant doit être converti en courant alternatif avant d être envoyé sur le réseau électrique. Il n y a pas besoin de turbine, ni d alternateur. Aujourd hui, la production d électricité photovoltaïque est surtout utilisée pour la consommation des particuliers. Quelques centrales solaires commencent à se construire. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 17

Récapitulatif : comment produit-on l électricité? Eoliennes Vent Centrales hydrauliques Eau Centrales thermiques à flamme Charbon, gaz, pétrole Combustion Vapeur Centrales nucléaires Uranium Fission Panneaux photovoltaïques Lumière Mouvement des électrons 17 Commentaire diapositive 17 : En guise de conclusion, il est proposé de récapituler le fonctionnement de chacun des moyens de production et d évaluer ainsi les connaissances acquises. On peut procéder en partant de la droite (derrière la turbine) et nommer : la force utilisée, le procédé permettant d obtenir de la chaleur, et le combustible utilisé. Bien dissocier le principe du photovoltaïque et sa spécificité. Les différents moyens de production de l électricité - EDF 2011 18