Savoir visé : S1 : Distribution de l énergie électrique. Production. Mise en situation : Mr Dupond s est fait conseiller par son voisin pour installé un nouveau système permettant d alimenter différents appareils de la maison pour économiser l énergie. De ce fait, Mr Dupond vous demande de le conseiller sur les différents moyens de production de l énergie. Problème posé : Vous devrez expliquer à Mr Dupond tous les moyens de production d énergie, lui faire part des avantages et inconvénients. Objectif : Vous devrez être capable d énoncer les différents principes de fonctionnement pour tous ces moyens de production. 1
Les différentes énergies La consommation annuelle d électricité d un ménage moyen (hors chauffage, eau chaude et cuisson) est d environ 3 000 kwh La France compte environ 63 213 894 habitants, ce qui demande une très forte demande en énergie électrique. Nous allons donc voir les différentes sources d énergie électrique qui fonctionnent tous à partir de déplacement d électrons. La seule différence qu il existe entre ces sources sont les énergies utilisées, renouvelables ou pas. 3 6 2 1 7 4 5 On retrouve : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 1- Les centrales thermiques nucléaires 2
Une centrale nucléaire est une centrale thermique qui utilise l'énergie fournie par un réacteur nucléaire (fonctionnant avec de.. ou du ). Ce réacteur produit une grande quantité de chaleur qui est captée par de l'eau sous pression circulant dans le circuit primaire (circuit fermé). Par l'intermédiaire du générateur de vapeur, l'eau sous pression du circuit primaire communique sa chaleur à l'eau d'un deuxième circuit fermé, le circuit secondaire. Il est ainsi possible d'obtenir de la vapeur à haute pression dans ce circuit secondaire. La pression de cette vapeur fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de la turbine, la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans le générateur de vapeur. Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confié à une tour de refroidissement et/ou un cours d'eau important. Les deux systèmes de refroidissement peuvent être utilisés simultanément. Les tours de refroidissement sont souvent surmontées d'un nuage résultant de la condensation de la vapeur d'eau. Ce nuage ne doit pas être confondu avec de la fumée. Un réacteur nucléaire fournit une puissance électrique de l'ordre du millier de mégawatts (1 MW = 1 000 000 W). Les réacteurs en service en France ont des puissances de 900 MW, 1300 MW et 1450 MW. 2- Les centrales thermiques à flamme 3
Une centrale thermique à flamme utilise l'énergie fournie par la combustion d'un combustible (charbon, pétrole, gaz naturel, gaz issus de hauts-fourneaux). Cette combustion a lieu dans une chaudière. La combustion dégage une grande quantité de chaleur utilisée pour chauffer de l'eau dans la chaudière (ou générateur de vapeur). On dispose alors de vapeur d'eau sous pression. Cette vapeur sous pression fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans la chaudière. Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confié à une réserve d'eau (cours d'eau) ou plus rarement à une tour de refroidissement analogue à celle d'une centrale nucléaire. Une centrale thermique à flamme fournit une puissance électrique de l'ordre de quelques centaines de mégawatts (1 MW = 1 000 000 W). Les centrales en service en France ont des puissances variant de 100 MW à 700 MW. 3- Les éoliennes 4
Reprenant le principe de fonctionnement des moulins à vent, les éoliennes constituent actuellement un mode de production d'énergie électrique en plein développement. L'avantage le plus évident de ce type de centrale électrique est évidemment le caractère inépuisable de l'énergie qu'elle utilise. On parle alors de ressource renouvelable. Plusieurs types d'éoliennes existent, cependant, la tendance actuelle est à la construction d'éoliennes de taille moyenne regroupées en un même lieu. Une éolienne de taille moyenne comporte en général une hélice à trois pales reliée à un rotor. L'ensemble atteint généralement 30 mètres de diamètre. Les pales peuvent être orientées en direction du vent. Le rotor est relié à un multiplicateur (un système d'engrenages) destiné à augmenter la vitesse de rotation. L alternateur demande en effet une vitesse de rotation élevée pour fonctionner. Le multiplicateur entraîne un alternateur qui génère une tension alternative sinusoïdale. Une éolienne standard fournit une puissance électrique de l'ordre de la dizaine de kilowatts (1 kilowatt = 1 000 watts). Pour obtenir une puissance satisfaisante et réellement utilisable, un très grand nombre d'éoliennes sont regroupées sur le même site. Si les éoliennes constituent évidemment un moyen de production d'électricité très "écologique" puisque non polluant et renouvelable, il reste que ces installations sont très imposantes, et très coûteuses à la construction. 4- La centrale géothermique Le principe consiste à extraire l énergie géothermique contenue dans le sol pour l utiliser sous forme de chauffage ou pour la transformer en électricité. Il existe un flux géothermique naturel à la surface du globe, mais il est si faible qu'il ne peut être directement capté. En réalité on exploite la chaleur accumulée, stockée dans certaines parties du sous-sol (nappes d'eau). 5
Selon les régions, l augmentation de la température avec la profondeur est plus ou moins forte. Ce gradient géothermique varie de 3 C par 100 m en moyenne jusqu à 15 C ou même 30 C. La plus grande partie de la chaleur de la Terre est produite par la radioactivité naturelle des roches qui constituent la croûte terrestre : c'est l'énergie nucléaire produite par la désintégration de l'uranium, du thorium et du potassium. Par rapport à d autres énergies renouvelables, la géothermie de profondeur (haute et basse énergie), présente l avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent). C est donc une source d'énergie quasi-continue car elle est interrompue uniquement par des opérations de maintenance sur la centrale géothermique ou le réseau de distribution de l'énergie. Les gisements géothermiques ont une durée de vie de plusieurs dizaines d'années. 5- Les panneaux solaires Un capteur photovoltaïque est un panneau dans lequel sont intégrées des cellules photovoltaïques (appelées aussi photopiles). En fonction de l agencement des cellules dans le panneau, on obtient la puissance désirée et la tension de sortie (12, 24, 48 V ) en courant continu. On utilise un convertisseur continu/alternatif ou DC/AC pour transformer le courant continu en courant alternatif permettant d alimenter le réseau électrique ou, directement, la plupart des appareils électriques modernes. La grande majorité des panneaux délivrent une puissance de 50 à 200 Wc (Watt crête. La puissance d une photopile varie avec l ensoleillement. Le Watt crête représente la puissance fournie dans les conditions standards de référence : éclairement solaire de 1000 W/m² et température de 25 C). Les cellules sont fragiles : pour cette raison, elles sont encapsulées au sein de panneaux solaires, afin de les protéger des chocs et de l humidité. 6
6- La biomasse La biomasse (ensemble de la matière végétale) est une véritable réserve d énergie, captée à partir du soleil grâce à la photosynthèse. La biomasse peut produire de l énergie par combustion dans une chaudière. Elle peut aussi produire par méthanisation du biogaz, qui sera converti en énergie. Des procédés permettent aussi la production de biocarburants à partir de colza ou de betteraves (diester, méthanol ) Le gaz produit est ensuite brûlé pour chauffer de l eau qui entraînera soit une turbine ou ira directement dans les canalisations pour le chauffage. 7- Les centrales hydrauliques Une centrale hydraulique utilise l'énergie fournie par une masse d'eau en mouvement pour produire de l'énergie électrique. Un barrage retient une grande quantité d'eau sous la forme d'un lac de retenue. Pour produire de l'électricité, les vannes du barrage sont ouvertes, de l'eau s'y engouffre dans une conduite forée dans le barrage, sa vitesse augmente. A la sortie de cette conduite, l'eau fait tourner une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. L'eau est ensuite libérée au pied du barrage et reprend le cours normal de la rivière. Plusieurs variantes des centrales hydrauliques existent. Certaines fonctionnent en exploitant l'énergie fournie par les marées ou par les vagues. Leur nombre reste toutefois très limité. 7
Les centrales hydrauliques ont une puissance qui peut aller de quelques milliers de watts pour une centrale individuelle (destinée à alimenter une seule habitation) à 500 MW (mégawatts) pour un barrage d'importance. a. Les différentes turbines Chaque turbine, en quelque sorte, est un prototype, car elle doit être dimensionnée en fonction de la chute d eau. Cependant, on différencie trois types principaux de turbine, qui sont la turbine Pelton, pour des hautes chutes, la turbine Francis pour des chutes moyennes voire même faibles (~20 mètres), et enfin la turbine Kaplan, utilisée dans les centrales au fil de l eau. est utilisée dans les hautes chutes, jusqu à 1800 mètres (comme à Cleuson-Dixence) et de débit assez faible (~25m3/seconde). Son diamètre varie de 0.6 à 3.5 mètres... est profilée pour les centrales au fil de l eau à débit important, ou avec des chutes très basses (~30 mètres). Son diamètre varie de 1 à 11 mètres. est la plus répandue. Elle permet la valorisation de chutes de hauteur faible voire moyenne (700 mètres dans le cas de Veytaux). Son diamètre varie de 0.6 à 8 mètres. 8- Récapitulatif :. Puissance installée en France : (dont 109,1 détenus par les adhérents de l UFE) Exercice La production d électricité en France a atteint..en 2005. Il existe différents types de centrales électriques qui produisent de l électricité. Quelle est celle qui n existe pas donc qui ne produit pas de courant électrique? centrale thermique nucléaire centrale thermique à flamme centrale hydroélectrique centrale ionique 8
Les centrales nucléaires produisent la majorité de l énergie électrique consommée en France. Quel est le pourcentage de l énergie électrique nucléaire en France? 68 % 78 % 88 % 98 % Une centrale thermique à flamme utilise un combustible organique. Quel est l intrus parmi les propositions suivantes? le charbon le fioul le gaz naturel le dihydrogène Quelle est la source d énergie qui n est pas une source d énergie fossile? le bois le charbon le gaz naturel le pétrole Certaines centrales thermiques à flamme utilisent deux combustibles dont l un est un résidu de matières organiques essentiellement végétales. Comment appelle-t-on ce résidu de matières organiques dont on se sert pour produire de l électricité ou de la chaleur? la biomasse la géothermie l écologie la biodégradation Certaines sources d énergie peuvent produire de l électricité indéfiniment. Comment les appelle-t-on? les énergies inépuisables les énergies récupérables les énergies rentables les énergies renouvelables Quelle est la puissance moyenne des éoliennes? 1,5 kw 15 kw 150 kw 1,5 MW La plus grande éolienne de France se dresse à Chaussée sur Marne. Avec les pales, elle mesure : 60 m 80 m 100 m 120 m Quel est le pays européen qui a assuré, en 2002, 18% de ses besoins en électricité grâce à l énergie éolienne? la France la Belgique le Danemark l Italie Quel nom donne-t-on à un élément d un panneau solaire? une cellule photo électrique une cellule photovoltaïque une cellule photo électronique une cellule photographique Les panneaux solaires sont toujours raccordés à une batterie d accumulateurs. Quel nom porte l appareil qui convertit la tension continue de la batterie en 230 V alternatif? un transformateur un adaptateur un onduleur un redresseur 9