L'électricité : de la source d'énergie à la distribution sur le réseau
L’énergie utilisée dans les centrales thermiques à flamme est une énergie chimique contenue dans des composés issus de l’évolution de la matière organique.
Le fioul, issu du pétrole, le gaz naturel et le charbon sont appelés combustibles fossiles, ils se sont formés par enfouissement de restes végétaux ou animaux, qui ont été transformés à l’abri de la dégradation pendant des millions d’années (d’où leur nom de “fossile”). Ces sources sont dites non renouvelables, car une fois utilisées elles ne peuvent pas se reconstituer dans une échelle de temps compatible avec la vie humaine.
Combustion de gaz
Le gaz émet deux fois moins de gaz à effet de serre que le charbon, pour la même quantité d'énergie délivrée.
C’est pour cela qu’il est privilégié comme source d’énergie dans ce type de centrales (plus de 65 % de la capacité installée).
Minerai de charbon
Les quatre dernières centrales à charbon de France seront mises à l’arrêt d’ici 2022 car elles produisent près de 30 % des gaz à effet de serre du mix électrique pour produire 1,18 % de l’électricité française.
Pompe de puits de pétrole
En France, les centrales utilisant le fioul ont été fermées dans les années 1970 à la suite du choc pétrolier. Reste une seule centrale, à la Réunion.
Vidéo : Pétrole et gaz : de la terre aux consommateurs ©IDIX pour Planète Énergies
La production d’électricité dans la centrale thermique se fait à partir de la combustion du charbon, du gaz ou du fioul. Elle se fait dans les brûleurs de la chaudière qui peuvent mesurer plus de 90 m de haut.
Le charbon est réduit en poudre avant d’être brûlé, le fioul est chauffé pour être rendu liquide puis vaporisé, le gaz quant à lui est injecté directement.
Cette combustion produit du CO2.
La chaudière est tapissée de tubes où circule de l’eau qui est chauffée et se transforme en vapeur qui est envoyée sous pression vers la turbine.
être rendu liquide qui, couplée à un alternateur, produit de l’électricité. Un transformateur va ensuite élever la tension pour qu’elle soit adaptée au transport et au réseau électrique.
L’eau quant à elle retourne à l'état liquide grâce à un condenseur.
Fonctionnement d’une centrale à charbon ©EDF
Principe de fonctionnement d’une centrale à gaz à cycle combiné © IDIX
Vidéo : Le fonctionnement d’une centrale thermique © EDF
La production d’électricité dans la centrale thermique se fait à partir de la combustion du charbon, du gaz ou du fioul. Elle se fait dans les brûleurs de la chaudière qui peuvent mesurer plus de 90 m de haut.
Le charbon est réduit en poudre avant d’être brûlé, le fioul est chauffé pour être rendu liquide puis vaporisé, le gaz quant à lui est injecté directement.
Cette combustion produit du CO2 qui correspond à l’oxydation du combustible.
La chaudière est tapissée de tubes où circule de l’eau qui est chauffée et se transforme en vapeur qui est envoyée sous pression vers la turbine.
être rendu liquide qui, couplée à un alternateur, produit de l’électricité. Un transformateur va ensuite élever la tension pour qu’elle soit adaptée au transport et au réseau électrique.
L’eau quant à elle retourne à l’état liquide grâce à un condenseur.
L’enjeu est de produire de l’électricité tout en produisant moins de CO2. Les centrales à cycle combiné associent une turbine à combustion gaz (TAC) à une turbine à vapeur (TAV). Elles produisent jusqu’à 58 % d’électricité de plus que les centrales classiques.
Fonctionnement d’une centrale à charbon ©EDF
Principe de fonctionnement d’une centrale à gaz à cycle combiné © IDIX
Vidéo : Le fonctionnement d’une centrale thermique © EDF
Ces centrales font appel à des types de combustibles variés tels que : centrales au charbon, au fioul, au gaz naturel, turbines à combustion (TAC) et cycles combinés gaz (CCG).
Leur gamme de puissances est très variée, de 120 à 700 MW pour une capacité de production installée de 18,5 GW.
Les centrales thermiques à gaz représentent plus de 65 % de la puissance installée.
En 2019 elles ont produit 42,6 TWh soit une hausse de 9,8 % par rapport à 2018. Elles peuvent être utilisées lors des pics de consommation de la journée comme moyen de production d’électricité complémentaire.
Le thermique à flamme représente 63,9 % de la production mondiale d’électricité avec 17 093,15 TWh en 2018. C’est la première source de production d’électricité mondiale. La Chine (5 093,9 TWh), les États-Unis (2 949,5 TWh) et l’Inde (1 210,9 TWh) sont les trois principaux pays producteurs d’électricité d’origine fossile.
Centrale thermique de Cordemais © EDF
La centrale thermique à charbon de Cordemais, dans l’ouest de la France, dans le département de la Loire-Atlantique, entre Nantes et Saint-Nazaire, est une centrale thermique à charbon d’une puissance totale de 1 200 MW électriques. La plus haute de ses cheminées a une hauteur de 220 mètres. Fin mars 2018, la dernière unité fonctionnant au fioul a cessé son activité, c’était la dernière unité de production au fioul de France métropolitaine.
La source d’énergie la plus anciennement utilisée par l’être humain est la biomasse. Il s’agit d’une énergie chimique contenue dans les matériaux issus du vivant : matière végétale ou animale.
La combustion de bois, végétaux, déchets agricoles, ordures ménagères organiques ou du biogaz, dans des centrales à biomasse permet la production d’électricité.
Il existe deux types de techniques :
- la combustion de biomasse, au cours de laquelle les déchets sont brûlés et produisent de la chaleur, de l’électricité ou les deux (cogénération) ;
- la méthanisation, au cours de laquelle les déchets sont transformés en biogaz qui est ensuite brûlé, ce qui évite l’émission de méthane (gaz à effet de serre).
Plaquettes forestières
Centrale de cogénération
Cuves de méthanisation
Vidéo : Les utilisations de la biomasse © Planète Énergies
La source d’énergie la plus anciennement utilisée par l’être humain est la biomasse. Il s’agit d’une énergie chimique contenue dans la matière organique.
La combustion de bois, végétaux, déchets agricoles, ordures ménagères organiques ou du biogaz, dans des centrales à biomasse permet la production d’électricité.
Il existe deux types de techniques :
- la fabrication d’électricité par combustion de la biomasse, où les déchets sont brûlés et produisent de la chaleur, de l’électricité ou les deux (cogénération).
- la fabrication d’électricité par méthanisation, où les déchets sont d'abord transformés en biogaz par un processus biologique naturel de dégradation de matière organique en l’absence d’oxygène. Le biogaz est ensuite brûlé, ce qui évite l’émission de méthane (gaz à effet de serre).
Plaquettes forestières
Centrale de cogénération
Cuves de méthanisation
Vidéo : Les utilisations de la biomasse © Planète Énergies
Dans ce type de centrale, les déchets sont brûlés et produisent de la chaleur, de l’électricité ou les deux en même temps (cogénération).
Le fonctionnement de la centrale par méthanisation est similaire à celui de la centrale thermique classique, avec des brûleurs qui consument le gaz lors de la combustion. Un réseau d’eau indépendant est chauffé, l'eau se transformant en vapeur sous pression grâce à la chaleur.
Le groupe turboalternateur convertit l’énergie mécanique de l’eau sous pression en énergie électrique et le transformateur adapte l’électricité au réseau de distribution.
Principe de la cogénération © EDF
Schéma de principe d’une centrale de cogénération à biomasse avec cycle organique de Rankine © ENERTIME
Écosystème de la méthanisation © IDIX
Vidéo : Le fonctionnement d’une centrale à biomasse © EDF
Dans ce type de centrale, les déchets sont brûlés et produisent de la chaleur, de l’électricité ou les deux en même temps (cogénération).
Pour les installations produisant de l’eau chaude jusqu’à 110 °C (chauffage urbain, eau chaude sanitaire, séchage industriel…) le fonctionnement est très proche des centrales thermiques. Un fluide est chauffé et passe à l’état de vapeur. La vapeur est ensuite envoyée dans une turbine qui va produire de l’électricité. Le fluide passe dans un premier temps dans un échangeur thermique pour “donner” sa chaleur au réseau à chauffer. Il passe ensuite dans un condenseur pour retourner à l’état liquide.
Le fonctionnement de la centrale par méthanisation est similaire, lui aussi, à celui de la centrale thermique classique, avec des brûleurs qui consument le gaz lors de la combustion. Un réseau d’eau indépendant est chauffé, l'eau se transformant en vapeur sous pression grâce à la chaleur.
Le groupe turboalternateur convertit ensuite la pression de la vapeur d’eau en électricité et le transformateur adapte l’électricité au réseau de distribution.
Schéma de principe d’une centrale de cogénération à biomasse avec cycle organique de Rankine © ENERTIME
Écosystème de la méthanisation © IDIX
Vidéo : Le fonctionnement d’une centrale à biomasse © EDF
Cette énergie est principalement produite localement, le plus souvent pour une production combinée de chauffage et d’électricité.
En France la production se divise en quatre catégories : les déchets ménagers, les déchets de papeterie, le biogaz, et le bois-énergie et autres composants solides.
La capacité de production française atteint en 2019 2,1 GW et progresse de 3,1 % par rapport à 2018.
Quatre régions se partagent près de la moitié de la production d’électricité par bioénergie en 2019 : la Nouvelle Aquitaine (1 602 GWh), l’Ile de France (2 082 GWh), les Hauts de France (1 071 GWh) et l’Auvergne Rhône-Alpes (1 060 GWh).
La part des bioénergies dans le mix électrique français est de 1,4 % pour 7,7 TWh produit en 2019.
Les bioénergies dans le monde :
- avec 518,7 TWh produit en 2019 dans le monde, les bioénergies représentent 1,9 % de la production d’électricité ;
- les premiers producteurs mondiaux sont les États-Unis (59,5 TWh), la Chine (90,1 TWh) et le Brésil (53,9 TWh).
Cogénération d’énergie électrique et d’énergie thermique
- énergie thermique par an : 112 000 MWh
- électricité par an : 70 000 MWh
Centrale à biomasse de l’Eurométropole de Strasbourg © ÉS - Électricité de Strasbourg
Vidéo : Centrale à biomasse de l’Eurométropole de Strasbourg © ÉS - Électricité de Strasbourg
L’énergie convertie en électricité dans les centrales hydroélectriques est de l’énergie cinétique, elle est liée au mouvement de l’eau. La quantité d’énergie qui arrive à la turbine dépend de la hauteur de la chute d’eau (centrales à haute ou moyenne chute), du débit des fleuves ou des rivières (centrale au fil de l’eau) ou du mouvement de l’eau créé par les marées (marémotrice). C’est la plus grande source d’énergie renouvelable utilisée pour produire de l’électricité soit 13 % du mix électrique en 2020. En France EDF exploite 640 barrages dont 150 ont une hauteur supérieure à 20 m.
Tolla France (Corse du Sud), le village et son lac de barrage Jean-Pol GRANDMONT CC BY 3.0
Vidéo : C'est quoi l'énergie hydroélectrique ? © Planète Énergies
La centrale hydraulique produit de l’électricité grâce à la différence d’énergie potentielle entre deux niveaux.
En s’écoulant, l’eau va mettre en rotation une turbine qui est reliée à un alternateur.
Le barrage retient l’eau présente dans le lac de retenue. À l'ouverture d'une vanne, l’eau s’engouffre dans de longs tuyaux appelés "conduites forcées" qui permettent de l’acheminer jusqu’à la centrale hydraulique, qui contient une turbine et un alternateur dont les rôles sont de convertir l’énergie mécanique de l’eau en électricité.
La puissance des centrales dépend de la hauteur de chute et du débit d’eau.
Un transformateur élève ensuite la tension pour l’adapter au réseau électrique.
Les centrales au fil de l’eau quant à elles utilisent le débit du cours d’eau pour produire l’électricité.
D’autres systèmes de production d’énergie électrique à l’aide du mouvement de l’eau existent, tels que les centrales marémotrices mais leur production est marginale.
Principe de fonctionnement d’une centrale gravitaire ©Connaissance des Énergies
Principe de fonctionnement d’une station de transfert d’énergie par pompage (STEP) ©Connaissance des Énergies
Centrale au fil de l’eau
Vidéo : Le fonctionnement d’une centrale hydraulique © EDF
La centrale hydraulique produit de l’électricité grâce à la différence d’énergie potentielle entre deux niveaux.
En s’écoulant, l’eau va mettre en rotation une turbine qui est reliée à un alternateur.
Le barrage retient l’eau présente dans le lac de retenue. À l'ouverture d'une vanne, l’eau s’engouffre dans de longs tuyaux appelés "conduites forcées" qui permettent de l’acheminer jusqu’à la centrale hydraulique, qui contient une turbine et un alternateur dont les rôles sont de convertir l’énergie mécanique de l’eau en électricité.
La puissance des centrales dépend de la hauteur de chute et du débit d’eau.
Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) permettent de renvoyer l’eau dans le bassin de retenue par pompage. Elles ont donc deux phases de fonctionnement.
Un transformateur élève ensuite la tension pour l’adapter au réseau électrique.
Les centrales au fil de l’eau quant à elles utilisent le débit du cours d’eau pour produire l’électricité.
D’autres systèmes de production d’énergie électrique à l’aide du mouvement de l’eau existent, tels que les centrales marémotrices mais leur production est marginale.
Principe de fonctionnement d’une centrale gravitaire ©Connaissance des Énergies
Principe de fonctionnement d’une station de transfert d’énergie par pompage (STEP) ©Connaissance des Énergies
Centrale au fil de l’eau
Vidéo : Le fonctionnement d’une centrale hydraulique © EDF
C’est la troisième source de production d’électricité en France et la première à partir d’énergie renouvelable, avec 11,2 % de la production pour 60 TWh produits en 2019.
On dénombre près de 2 300 installations hydroélectriques en métropole, la gamme de taille et de puissance est très diverse.
Près de 79 % des capacités de productions est localisé dans les régions montagneuses. Ces régions produisent près de 90 % de l’hydroélectricité du pays.
En 2018 l’hydroélectricité représente 16,2 % de la production mondiale pour 4 525 TWh produits.
Quatre pays se partagent plus de la moitié de la capacité mondiale installée (en 2019) : la Chine (28 %), le Brésil (9 %), les États-Unis (7 %) et le Canada (7 %).
La centrale du barrage de Guerlédan (Côtes d’Armor) CC BY-NC-ND 2.0 by Pier
L'usine hydroélectrique a une puissance électrique installée de 15 MW, pour une production de 20 GWh/an.
L’énergie des centrales nucléaires est une énergie associée aux forces de cohésion à l’intérieur du noyau des atomes. On peut l’extraire relativement facilement dans le cas des composés radioactifs, comme l’uranium, qui se transforme lors d’une réaction nucléaire appelée "fission" en libérant de l’énergie. L’uranium est un élément présent à l’état naturel. Son symbole est U et son numéro atomique 92. La croûte terrestre contient en moyenne 2 à 3 grammes d’uranium par tonne. Cet élément est plus abondant que les métaux comme l’or et l’argent. Les principaux pays producteurs sont le Kazakhstan, le Canada, l’Australie, le Niger, la Russie et la Namibie.
Minerai d’uranium
Fission du noyau d’uranium
L’énergie des centrales nucléaires est une énergie associée aux forces de cohésion à l’intérieur du noyau des atomes. On peut l’extraire relativement facilement dans le cas des composés radioactifs, comme l’uranium. L’uranium est un élément présent à l’état naturel. Son symbole est U et son numéro atomique 92. La croûte terrestre contient en moyenne 2 à 3 grammes d’uranium par tonne. Cet élément est plus abondant que les métaux comme l’or et l’argent. Il est utilisé comme combustible dans les centrales nucléaires. Les principaux pays producteurs sont le Kazakhstan, le Canada, l’Australie, le Niger, la Russie et la Namibie. L’uranium naturel est constitué des isotopes 238U (99,28 %), 235U (0,71 %) et 234U (0,0056 %). Les réacteurs nucléaires utilisés en France (réacteurs à eau sous pression ou REP) utilisent de l’uranium enrichi en 235U jusqu’à 3 à 4 %. En effet, le noyau de l’uranium 235 est fissible dans un réacteur nucléaire : sous l’action d’un neutron, il se brise en plusieurs produits de fission. Ce phénomène libère une grande quantité d’énergie. Chaque fission produit également 2 à 3 neutrons. Ces neutrons, s’ils sont ralentis, peuvent à leur tour être capturés par d’autres noyaux d’235U et provoquer ainsi de nouvelles fissions : c’est une réaction en chaine.
Minerai d’uranium
Fission du noyau d’uranium
Le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire a de nombreux points communs avec celui d’une centrale thermique à flamme :
- la fission des atomes d’uranium libère de l’énergie (conversion d’énergie nucléaire en énergie thermique) ;
- cette énergie permet de vaporiser de l’eau (conversion d’énergie thermique en énergie mécanique) qui est envoyée sous pression vers la turbine ;
- la turbine entraine la rotation de l’alternateur, ce qui produit de l’électricité (conversion d’énergie mécanique en énergie électrique). La vapeur d’eau est ensuite liquéfiée au niveau du condenseur pour pouvoir être vaporisée à nouveau.
Principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire avec aéroréfrigérant © EDF
Arkansas Nuclear One CC BY 2.0 T-Town Photo Booth
Vidéo : L'énergie nucléaire © Planète Énergies
Les réacteurs nucléaires utilisés en France utilisent la fission des noyaux d’uranium 235. Lors de cette fission, l’essentiel de l’énergie nucléaire est converti en énergie cinétique et en énergie d’excitation (des produits de fission et des neutrons formés) puis en énergie thermique.
Dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) utilisés en France, les neutrons issus de la fusion interagissent avec les noyaux des atomes d’hydrogène de l’eau présente dans le cœur du réacteur, ce qui va les ralentir : l’eau joue le rôle de modérateur.
Les neutrons ralentis (de 20 000 km/s à 2 km/s) ont une plus grande probabilité d’interagir avec un nouveau noyau d’uranium 235, ce qui perpétue la réaction en chaine.
Chaque fission produit 2 à 3 neutrons. La réaction en chaine est maitrisée si un seul de ces neutrons provoque à son tour une fission. Pour maitriser la réaction, des barres de contrôle contenant des matériaux absorbant les neutrons peuvent être plus ou moins insérées dans la structure contenant le combustible.
Dans les REP, l’énergie thermique issue des réactions de fission nucléaire est transférée par l’eau hors du réacteur, vers un circuit secondaire d’eau totalement indépendant : l’eau joue également le rôle de caloporteur.
Comme pour une centrale thermique classique, cette énergie permet de vaporiser de l’eau (conversion d’énergie thermique en énergie mécanique) qui est envoyée sous pression vers la turbine.
La turbine entraine la rotation de l’alternateur, ce qui produit de l’électricité (conversion d’énergie mécanique en énergie électrique). La vapeur d’eau est ensuite liquéfiée au niveau du condenseur pour pouvoir être vaporisée à nouveau.
Bibliographie : cea.fr ; Physique nucléaire, des quarks aux applications, Claude Le Sech, Christian Ngo, Dunod
Principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire avec aéroréfrigérant © EDF
Arkansas Nuclear One CC BY 2.0 T-Town Photo Booth
Vidéo : L‘énergie nucléaire © Planète Énergies
La production d’électricité à partir de réactions de fission nucléaire nécessite un investissement important et un haut niveau de technologie. Elle est principalement utilisée dans les pays industrialisés.
C’est la première source de production et de consommation d’électricité en France (en 2019) avec 379,5 TWh d’énergie produite soit 70,6 % de la production.
Près de 80 % de l’énergie nucléaire est produite par 4 régions : Auvergne Rhône-Alpes (22,4 %), Grand Est (21,8 %), Centre Val de Loire (19,2 %) et Normandie (17,6 %) en 2019.
Localisation des centrales françaises : la France dispose d’un parc de 56 réacteurs répartis sur le territoire.
Le nucléaire représente 10,1 % de la production électrique mondiale pour 443 réacteurs en fonctionnement répartis dans 30 pays en 2019.
Les trois principaux producteurs sont les États-Unis (841,3 TWh), la France (412,9 TWh) et la Chine (295 TWh).
Centrale nucléaire de Saint-Alban CC BY-SA 4.0 by Pilat Oueb
La centrale est équipée de deux tranches nucléaires identiques d'une puissance électrique de 1 335 MW, de type réacteur à eau pressurisée. Les réacteurs sont refroidis par un circuit d'eau de recirculation comportant un aéroréfrigérant. L'eau du Rhône constitue sa source froide et est utilisée comme modérateur et réfrigérant du cœur. Cette centrale produit 30 % de l'électricité consommée en région Auvergne-Rhône-Alpes.
L’énergie solaire que nous utilisons est une énergie électro-magnétique, c’est-à-dire qu’elle est associée à un rayonnement. Cette énergie provient de réactions nucléaires qui se produisent au sein de notre étoile et libèrent de l’énergie sous forme de rayonnements qui parviennent jusqu’à la Terre. Le soleil transfère à la Terre en une année près de 10 000 fois la consommation d’énergie mondiale.
Cette énergie disponible en quantité inépuisable à l’échelle de l’humanité est exploitable sur la totalité du globe. Sa conversion en énergie électrique nécessite l’utilisation de panneaux photovoltaïques.
Panneaux photovoltaïques
Les panneaux solaires tels que nous les connaissons commencent à arriver sur les toits dans les années 1980.
La cellule génère un déplacement d’électrons de la borne positive à la borne négative, ce qui produit l’électricité.
L’onduleur permet ensuite d’adapter l’énergie pour pouvoir soit la consommer soit l’injecter sur le réseau.
Le principe de la cellule photovoltaïque © Planète Énergies
Panneaux solaires dans la brume CC BY 2.0 by OregonDOT
Le fonctionnement d’une centrale photovoltaïque © EDF
Les panneaux solaires tels que nous les connaissons commencent à arriver sur les toits dans les années 1980.
Lorsqu’un matériau semi-conducteur est percuté par un photon, un flux d’électrons se met en mouvement de façon désordonné. On associe au flux d’électron le silicium qui vient “polariser” la cellule photovoltaïque. La face au soleil est dopée avec des atomes de phosphore et devient la borne négative (N). L’autre côté est dopé avec des atomes de bore et devient la borne positive. Entre les deux se crée un champ électrique.
Une fois l’énergie créée, un onduleur est nécessaire afin de transformer le courant continu en courant alternatif pour qu’il soit consommé ou injecté dans le réseau.
Le principe de la cellule photovoltaïque © Planète Énergies
Panneaux solaires dans la brume CC BY 2.0 by OregonDOT
Le fonctionnement d’une centrale photovoltaïque © EDF
En France la capacité du parc photovoltaïque raccordé au réseau en 2019 est de 9,5 GW. Soit une progression de 10,4 % par rapport à 2018. L’énergie électrique produite est de 11,6 TWh soit une progression de 7,8 % par rapport à 2018. Les régions Auvergne Rhône-Alpes (1 252 GWh), Nouvelle Aquitaine (3 311 GWh), Occitanie (2 581 GWh) et Provence-Alpes-Côte d’Azur (1 920 GWh) représentent près de 80 % de la production française.
En 2019, près de 115 GW de panneaux photovoltaïques ont été installés dans le monde. Cela représente une croissance de 12 % par rapport à 2018.
En 2019 la puissance installée dans le monde est de 627 GW.
La Chine est le premier producteur mondial avec 176,9 TWh soit 32 % de la production en 2018. Les États-Unis sont seconds avec 81,2 TWh soit 15 % de la production mondiale en 2018. La France est dans le top 10 avec 10,5 TWh en 2018 soit 2 % de la production mondiale.
Ferme solaire photovoltaïque Image d’illustration
Cette centrale, située au nord-est de Gien (Loiret) a été mise en service en novembre 2021. D’une capacité de 55 mégawatts (MW), elle est composée de 126 000 panneaux photovoltaïques installés sur un terrain de 75 hectares. Cette installation produira environ 64 GWh par an, l’équivalent de la consommation électrique annuelle de 38 000 personnes. Elle permettra d’éviter le rejet dans l'atmosphère de plus de 550 000 tonnes de CO2 sur toute la durée de vie de la centrale (30 ans).
L’énergie éolienne est une énergie cinétique, elle est associée au mouvement des masses d’air. Le vent est utilisé comme source d’énergie depuis l’Antiquité. Au XIIe siècle les moulins à vent servaient à moudre le grain et à pomper l’eau.
Le mouvement de l’air est dû aux différences de pression entre des masses d’air chaudes et froides, son origine est donc liée au réchauffement de l’atmosphère par le rayonnement solaire.
C’est par l’action du vent sur les pales de l’éolienne que cette énergie mécanique peut être convertie en énergie électrique.
Manche à air
Éolienne verticale et centre d’interprétation à Cap-Chat, Québec ChristianT, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons
Éolienne
Vidéo : Le vent, dans l’histoire de l’Homme © Planète Énergies
L’énergie cinétique du vent entraîne la rotation des pales de l’éolienne montées sur un axe appelé "rotor". Ce rotor des pales est couplé à l’alternateur qui convertit l’énergie mécanique de rotation en électricité. Celle-ci est adaptée au réseau à l’aide d’un transformateur qui permet d’augmenter la tension de sortie. Une éolienne peut donc fournir au réseau électrique un courant alternatif de 20 000 volts.
Trois éoliennes situées sur un champ
Composition d'une éolienne
Vidéo : Qu’est-ce que l’énergie éolienne ? © Planète Énergies
L’énergie cinétique du vent entraîne la rotation des pales de l’éolienne montées sur un axe appelé "rotor". Ce rotor des pales est couplé à l’alternateur dont le rôle est de convertir l’énergie mécanique de rotation en énergie électrique. Il crée le courant électrique grâce à la rotation d’un aimant (rotor) dans des bobinages de cuivre placés dans le stator, la partie fixe de l’alternateur. Le rotor et le stator se trouvent dans la nacelle située en haut du mât.
Il existe deux types d’éoliennes : celles à axe horizontal et celles à axe vertical.
Leur fonctionnement nécessite un vent minimum de 12 à 14 km/h. Leur pleine puissance est atteinte pour une vitesse de 50 à 60 km/h. Au-delà de 90 km/h la production doit être interrompue pour éviter la dégradation de l’éolienne.
Un transformateur élévateur situé en bas du mât va ensuite élever la tension pour qu’elle soit adaptée au réseau électrique.
Trois éoliennes situées sur un champ
Composition d'une éolienne
Vidéo : Qu’est-ce que l’énergie éolienne ? © Planète Énergies
En 2015 la France s'est fixé l’objectif d’atteindre 32 % d’énergies renouvelables dans sa consommation d’énergie totale. Le développement de l’éolien comme source de production d’énergie électrique est donc primordial pour atteindre cet objectif. Avec 16,5 GW de capacité installée, la France dispose du quatrième parc éolien européen en 2019. Cette même année il a produit 34,1 TWh d’énergie électrique, soit une augmentation de 21,2 % par rapport à 2018. Cela représente 6,3 % du mix électrique français. Le Grand Est, les Hauts de France et l'Occitanie représentent près de 60 % de la production française. À l’heure actuelle le parc éolien français est principalement terrestre. Sept parcs éoliens en mer sont en cours de développement pour une puissance totale de 3 900 MW. Leur mise en service s'étale de 2022 à 2027.
L’éolien représente 4,8 % de la production d’électricité renouvelable mondiale.
La Chine est le premier producteur mondial avec 365,8 TWh soit 28 % de la production, les États-Unis à la seconde place produisent 303,4 TWh soit 24 % de la production, la France quant à elle représente 2,6 % de la production mondiale.
Le projet se compose de 80 éoliennes en mer d’une capacité unitaire de 6 mégawatts (MW) pour une puissance totale de 480 MW.
Les éoliennes seront localisées entre 12 et 20 km au large de la Loire-Atlantique, sur une surface globale de 78 km², à des profondeurs variant entre 12 et 25 m.
La production envisagée équivaut à couvrir l’équivalent de 20 % de la consommation en électricité de la Loire-Atlantique.
Mise en service débutée en 2022.
Schéma de raccordement du parc éolien en mer de Saint-Nazaire © RTE
© Parc éolien en mer de Saint-Nazaire
Localisation du parc éolien en mer de Saint-Nazaire © Parc éolien en mer de Saint-Nazaire
Parc éolien en mer de Saint-Nazaire : découvrez les étapes de la construction du projet © Parc éolien en mer de Saint-Nazaire
La géothermie est l’utilisation de la chaleur du sous-sol. Et en effet, plus on descend dans les sols, plus la roche et les eaux souterraines sont chaudes. Cette énergie thermique provient en partie de la radioactivité contenue dans les roches du manteau terrestre, en partie de l’énergie libérée lors de la formation de la planète Terre par agrégation de matière. La géothermie est le nom qu’on donne aux techniques permettant de récupérer cette chaleur à la fois pour se chauffer mais aussi pour créer de l’électricité.
Le geyser Strokkur (Islande)
La géothermie est l’utilisation de la chaleur du sous-sol. Et en effet, plus on descend dans les sols, plus la roche et les eaux souterraines sont chaudes. Le gradient géothermique de chaque région mesure l’augmentation de la température en fonction de la profondeur du sous-sol terrestre. Il varie en fonction des couches géologiques et des conditions physiques de la région (ex. : zone volcanique). Cette énergie thermique provient en partie de la radioactivité contenue dans les roches du manteau terrestre, en partie de l’énergie libérée lors de la formation de la planète Terre par agrégation de matière. La géothermie est le nom qu’on donne aux techniques permettant de récupérer cette chaleur à la fois pour se chauffer mais aussi pour créer de l’électricité. Les techniques de géothermie varient en fonction de la profondeur, de la localisation et de l’usage qu’on fera de la chaleur.
Le geyser Strokkur (Islande)
Une centrale utilisant la géothermie produit de l’électricité de deux manières différentes :
- soit avec la géothermie haute énergie, où on va puiser des vapeurs d’eau à 150 °C dans le sol puis on se sert d’un turbo-alternateur pour convertir cette énergie en énergie électrique qu’on adaptera ensuite au réseau grâce à un transformateur. À la sortie de la turbine, la vapeur passe par un condenseur pour se retransformer en eau.
- soit par cogénération, où la géothermie est utilisée pour produire principalement de la chaleur et de l’électricité.
Géothermie haute énergie © ADEME
Vidéo : Le fonctionnement d’une centrale géothermique ©EDF
La géothermie ©CEA/Play Bac
En France cette source d’énergie reste peu utilisée pour produire de l’électricité. Seule la centrale de Bouillante en Guadeloupe produit de l’électricité géothermique. Les autres centrales fonctionnent en cogénération pour produire de la chaleur et une valorisation de la combustion en électricité afin d’améliorer le rendement.
La production mondiale est de 88,9 TWh en 2018.
Les plus grands producteurs mondiaux sont les États-Unis (18,6 TWh), l’Indonésie (14 TWh) et les Philippines (10,7 TWh) en 2018.
La centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe © ADEME
La seule centrale géothermique de France est située en Guadeloupe. La centrale de Bouillante est exploitée depuis 1996 et elle a évolué en 2003 pour une capacité de production de 16 MW. En 2017 elle produit 6,4 % de l’électricité de l’île.
L’alternateur permet de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique.
C’est au XIXe siècle que le lien entre les phénomènes magnétiques et les phénomènes électriques a été démontré.
En 1820, le physicien danois Hans Christian Ørsted réalise une expérience historique.
Il observe que le passage d’un courant électrique dans un fil dévie une aiguille aimantée placée à proximité.
Cette expérience montre que des phénomènes électriques induisent des phénomènes magnétiques.
Le savant britannique Michael Faraday démontre par la suite que la réciproque est vraie, c’est-à-dire que des phénomènes magnétiques induisent à leur tour des phénomènes électriques.
Le déplacement d’un aimant ou d’un électro-aimant à proximité d’une bobine de cuivre induit un courant électrique dans celle-ci.
C’est ce dernier phénomène qui est utilisé dans les alternateurs.
On peut illustrer l’une de ses expériences, réalisée en 1831, en déplaçant un aimant ou un électro-aimant à proximité d’une bobine de cuivre. On observe alors l’apparition d’un courant électrique variable dans la bobine.
Entretien préventif d’une turbine-alternateur de 12,5 MVA © FLIPO RICHIR
Manutention d’un alternateur d’éolienne © FLIPO RICHIR
Exemples d’alternateurs de 400 à 1 650 kVA © FLIPO RICHIR
