Centrale électrique
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Une centrale (de production d'énergie) électrique est un site industriel, destiné à la production d'électricité.
Les centrales électriques transforment des sources d'énergie naturelle en énergie électrique, afin d'alimenter en électricité les consommateurs, particuliers ou industriels relativement lointains. Le réseau électrique permet de transporter puis de distribuer l'électricité jusqu'aux consommateurs.
Différentes sources d'énergie primaire sont utilisées dans les centrales.
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[modifier] Centrales thermiques à flamme
Les centrales thermiques à flamme utilisent des combustibles chimiques pour produire de la chaleur transformée en énergie mécanique par un cycle moteur thermodynamique, lui même alimentant un alternateur. Les combustibles sont généralement fossiles :
Des combustibles renouvelables tels le bois ou le biogaz sont parfois utilisés.
[modifier] Centrales conventionnelles à chaudières
Les centrales les plus répandues sont constituées d'une chaudière et d'une turbine à vapeur (cycle Rankine). Leur carburant est le plus souvent du charbon mais on trouve aussi des chaudières utilisant de la biomasse, du gaz naturel, du pétrole, ou des déchets municipaux.
La plupart des centrales à charbon sont de type « feu pulvérisé », où le charbon est réduit en poudre très fine et injecté dans la chaudière. Les centrales les plus récentes possèdent un cycle vapeur supercritique, qui permet d'avoir un rendement qui dépasse 45%.
[modifier] Turbines à gaz
Les turbines en cycle simple sont peu coûteuses à construire, de plus elles ont l'avantage de démarrer très rapidement (contrairement aux chaudières à vapeur qui ont une certaine inertie). Néanmoins, leur rendement faible (35% au mieux) empêche de les utiliser directement pour la production d'électricité sans valoriser leur chaleur résiduelle, sauf en appoint lors des pics de demande ou à toute petite échelle.
Les gaz d'échappement des turbines à gaz étant très chauds (de l'ordre de 600°C), la chaleur peut être réutilisée de diverses façons. La cogénération (ou trigénération) est le plus souvent associée aux turbines à gaz ; les gaz d'échappement alimentant une chaudière qui fournit de la chaleur (généralement sous forme de vapeur) et/ou une turbine fournissant de l'énergie mécanique (mouvement) pour un procédé industriel.
[modifier] Obstacles, défauts ou inconvénients
- Les sources d'énergie fossile ont comme principaux défauts d'être épuisables, et consommatrice d'eau et source importante dans leur mise en œuvre de pollution de l'air (dont pollutions acides et liées via les gaz à effet de serre).
Un rapport (2008) de l'EEA, à partir d'une comparaison entre des centrales de l'UE-25 ayant mis en œuvre de "bonnes pratiques" et d'autres, montre qu'il reste un important potentiel de réduction des émissions de SO2 et de NOx, si toutes les centrales utilisaient les meilleures techniques disponibles (MTD)[1]. Une étude est prévue pour l'UE, sur l'effet de l'application de la directive LCP et de nouvelles valeurs limites d'émission (VLE) qui visent 70 % d'abattement sur le SO2 et de NOx (Directive IPPC). D'autres études portent sur la possibilité d'enfouir le CO2, éventuellement inerté à partir des cheminées, mais cette solution n'a pas encore fait ses preuves.
Il peut y avoir beaucoup de pollution dans certaines centrales.
- Elles induisent une dépendance à l'égard des producteurs de ressources (gaz, pétrole, charbon...)
- Le caractère très centralisé des centrales et la dépendance au réseau électrique THT les rendent vulnérables
- Les centrales thermiques à flamme produisent du dioxyde et monoxyde de carbone, des oxydes de l'azote et de la vapeur d'eau (tous étant gaz à effet de serre) et d'autres polluants (poussières, métaux lourds, dont mercure, dioxyde de soufre ...) contribuant aux smogs photochimiques, à la production d'Ozone troposphérique, et de pluies, brumes et brouillards acides.
[modifier] Avantages
La production d'énergie est relativement indépendante des conditions météorologiques, la source d'énergie peut être (dans une certaine mesure) facilement stockée et la densité de puissance est très élevée.
Elles permettent de faire de la cogénération : lorsque l'on a besoin à un endroit déterminé (agglomérations, industries chimiques, serres, ...) de chaleur en grande quantité, il est intéressant de créer une centrale thermique qui produit de l'électricité et dont le circuit de refroidissement sert de source de chaleur pour l'application désirée. (les centrales solaires, hydrauliques et les éoliennes le permettent aussi quand le soleil, l'eau ou le vent sont présents).
C'est une manière de rentabiliser les inévitables pertes de ce type de centrales. la Co- et la tri-génération ne sont cependant pas encore systématiques.
[modifier] Centrales nucléaires
Article détaillé : Centrale nucléaire.Ces centrales utilisent également des cycles de conversion thermodynamique, néanmoins leur "chaudière" est un réacteur nucléaire. L'énergie nucléaire obtenue à la suite de réactions de fission de l'uranium et du plutonium est la source de chaleur utilisée. Les centrales nucléaires produisent environ 15% de l'électricité mondiale. Elles rejettent des déchets radioactifs et tout risque d'accident ne peut être exclu. La probabilité d'occurrence d'un tel accident sur les centrales modernes est sujette à débat.
[modifier] Énergies renouvelables
Les énergies renouvelables correspondent à différentes sources d'énergies qui se renouvellent à l'échelle humaine.
[modifier] Centrale hydroélectrique
L'énergie hydraulique est depuis longtemps une solution mise en œuvre dans la production d'électricité (appelée aussi hydroélectricité) car elle utilise une énergie renouvelable.
- À un étranglement des rives d'un cours d'eau, les hommes érigent un barrage qui crée une retenue d'eau. Au pied de ce barrage, on installe des turbines reliées à des alternateurs. On alimente en eau sous pression les turbines par un système de canalisations et de régulateurs de débit.
- Outre que les sites potentiels se situent généralement en montagne entraînant des sur coûts importants de construction, le nombre de ces sites est limité.
- De plus ce système implique parfois de noyer des vallées entières de terre cultivable, où les hommes vivent bien souvent depuis des générations.
- Il y a différents types de centrales hydro-électriques, notamment les micro-centrales, installées sur des rivières en tête de bassin, certaines avec un fort impact écologique.
- Il existe également des centrale hydroélectrique de pompage turbinage qui permettent d'accumuler l'énergie venant d'autres sites de productions peu maniables telle que les centrales nucléaires lorsque la consommation est basse et, de la restituer lors des pics de consommation.
[modifier] Énergie éolienne
L'énergie électrique est produite directement par une éolienne. Ces machines formées d'un mat, surmonté d'un générateur électrique entrainé par une hélice, sont positionnées idéalement sur les plans d'eau ou les collines ventées.
- Obstacles et inconvénients
Les principaux défauts de ces éoliennes sont :
- Une pollution visuelle du paysage,
- des obstacles pour la navigation aérienne de proximité à très basse altitude.
- Le bruit est également gênant, d'après certains témoignages, lorsque qu'une éolienne est installée près d'une habitation.
- L'investissement est conséquent, avec des rendements sujets aux caprices du vent et assez moyens comparés à d'autres systèmes concurrents.
- Solution individuelle
- Tout comme on voit de plus en plus des panneaux solaires individuels sur les habitations, une version horizontale de l'éolienne, deux roues à aubes imbriquées, peut être installée sur le toit. Ce modèle est quasi silencieux, évite le transport de l'énergie sur de longues distances, ainsi que les pertes qui vont avec. Des solutions de stockage (donc la régularité de l'énergie disponible) existent à l'échelle d'une habitation individuelle.
[modifier] Énergie solaire
On distingue les centrales électriques solaires photovoltaïques des centrales électriques thermiques, ces dernières étant très peu développées.
[modifier] Centrale solaire photovoltaïque
- Cet autre moyen de fabriquer de l'électricité avec l'énergie solaire utilise les rayonnements lumineux du soleil, qui sont directement transformés en un courant électrique par des cellules à base de silicium ou autre matériau ayant des propriétés de conversion lumière/électricité. Chaque cellule délivrant une faible tension, les cellules sont assemblées en panneaux.
- Ce système, bien que de rendement faible, est très simple à mettre en œuvre et particulièrement léger. Inventé pour les besoins des satellites artificiels militaires, il est aujourd'hui très utilisé pour une production locale ou embarquée d'électricité.
- Des panneaux solaires embarqués à bord de bateaux, véhicules terrestres, satellites et vaisseaux spatiaux, secondés par une batterie d'accumulateurs. Ces accumulateurs fournissent de l'énergie pendant les moments de non ou faible production des panneaux et stockent le surplus d'électricité pendant les moments de grande production.
- Obstacles, défauts ou inconvénients :
- Des projets de centrale solaire dans l'espace existent. Mais outre le problème du transport de l'électricité sur terre, il faudrait dans un premier temps transporter et assembler des milliers de tonnes de matériel en orbite, sans parler des problèmes de maintenance induits par un tel système.
[modifier] Énergie solaire thermique
- Pour capter un maximum d'énergie thermique solaire, plusieurs rangées de miroirs disposés en arc de cercle face à la course du soleil renvoient les rayons solaires en un seul point, appelé foyer. Pour que le foyer ne change pas de position en permanence, les miroirs sont orientables et pilotés par un système centralisé. À ce foyer une chaudière contenant un liquide sert de capteur d'énergie.
- Un autre système utilise des miroirs incurvés face au sud dans l'hémisphère nord munis d'un tube rempli d'un fluide qui s'échauffe aux rayons du soleil concentrés par le miroir. Le liquide est en général de l'eau qui surchauffée par l'énergie thermique solaire est conduite jusqu'à une turbine à vapeur.
- Enfin, un autre système appelé tour solaire utilise l'énergie solaire pour chauffer l'air contenu dans une immense serre. L'air chauffé est alors plus léger et monte dans une cheminée où sont actionnées des turbines.
- Obstacles, défauts ou inconvénients :
- Le problème de base de ce type de centrale électrique, est que l'énergie solaire est en quantité relativement faible en un point donné de la terre et, qu'elle n'utilise que la chaleur rayonnée, (rayonnement Infrarouge). La densité de puissance est faible, mais bien supérieure à celle du photovoltaïque.
- Par ailleurs, la production est intermittente (intermittence journalière jour/nuit et saisonnière) et localement imprévisible à moyen terme (aléa météorologique). Pour réduire l'intermittance jour/nuit, voire permettre une production 24h/24, les centrales les plus modernes (comme andasol, en construction en Espagne) sont équipées de réservoirs permettant de stocker du fluide porteur chaud.
[modifier] Marémotrice, hydrolienne ou maréthermique
L'eau des mers et des océans peut également être utilisée pour produire de l'électricité.
Trois familles existent :
- Énergie marémotrice, ou l'énergie potentiel des marées est utilisée ;
- Énergie hydrolienne, ou l'énergie cinétique des courants de marée, des grands courants océaniques voir des rivières ;
- Énergie maréthermique, ou les différences de températures de l'eau à différentes profondeurs est utilisée.
- Obstacles, défauts ou inconvénients
- Les moyens mis en œuvre sont lourds et demandent beaucoup d'entretien.
- La densité de puissance est très élevée, si on reporte uniquement à la surface occupée par le barrage lui même, mais très basse si on compte la superficie recouverte par le lac de retenue.
- Leur implantation dans un site à généralement de fort retentissement sur les écosystèmes locaux.
[modifier] Géothermique
La terre est composée d'une croûte, posée sur un manteau de roche en fusion. Le principe de l'énergie géothermique consiste à creuser un trou dans cette croûte, à envoyer un fluide caloporteur au fond à l'aide d'un tuyau et à récupérer ce fluide chauffé remontant par un autre tuyau. Cette chaleur fait tourner des turbines qui entraînent des alternateurs. Cette énergie est d'un usage courant en Islande où elle est facile à mettre en œuvre.
Obstacles, défauts ou inconvénients :
- La profondeur du forage nécessaire diffère selon les endroits.
- La profondeur de forage, malgré ces variations, reste importante, ce qui entraîne un fort coût d'investissement.
- Il existe un risque de remontée de magma.
Les investisseurs laissent donc pour l'instant les géologues rechercher des zones ayant des caractéristiques favorables avant d'entamer ce genre de projet.
