Production de l’Energie Electrique · 2020. 4. 6. · Ce polycopié est destiné à être utilisé comme un manuel par les étudiants en deuxième année Electrotechnique dans le

RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Hassiba Benbouali Chlef

Faculté de Technologie Département d’Electrotechnique

Polycopié de Cours

Licence 2P

èmeP Année

Intitulé

Production de l’Energie Electrique

Dr. TEBANI HOCINE

Maître de Conférences classe B

2019 / 2020

Production de l’énergie électrique

AVANT-PROPOS

Ce polycopié est destiné à être utilisé comme un manuel par les étudiants en

deuxième année Electrotechnique dans le domaine de la production de l’énergie

électrique. Il a été rédigé dans le but de permettre d'avoir un outil de travail et de

référence recouvrant les connaissances qui leur sont demandés. Le manuscrit est

constitué de cours, il est conforme aux programmes agrée par le ministère. Sa

présentation didactique est le fruit de plusieurs années d’expérience pédagogique

par l’auteur. Son contenu résulte de la lecture de nombreux ouvrages et

documents dont les plus importants sont cités dans les références

bibliographiques.

La production de l’énergie électrique consiste en différentes chaines

énergétiques qui s’effectuent dans des sites industriels appelés centrales

électriques, à cet effet, nous avons jugé utile d’ajouter au programme officiel un

cours introductif intitulé « généralités sur l’énergie » dans lequel sont expliquées

les sources, les formes ainsi que toutes les transformations d’énergie possibles.

Bien que l'élaboration de ce manuscrit ait été faite avec le plus grand soin, le

contrôle que nous avons pu faire de notre travail n'est pas absolu, et il serait

étonnant qu'il ne subsiste pas d'erreurs.

Dr. TEBANI Hocine


TABLE DES MATIERES

GENERALITES SUR L’ENERGIE ................................................................ 011. DEFINITION ............................................................................................... 01 2. LES SOURCES D’ENERGIE .......................................................................... 01 3. CHAINE ENERGETIQUE .............................................................................. 01 4. LES FORMES D’ENERGIE ............................................................................ 01

4.1 ENERGIES LIBRES .................................................................................. 01 4.2 ENERGIES STOCKEES ............................................................................. 02

5. TRANSFORMATIONS DE L’ENERGIE ........................................................... 03 5.1. TRANSFORMATIONS DES FORMES D’ENERGIE LIBRE ............................... 03 5.2. LIBERATION DE L’ENERGIE STOCKEE ....................................................... 05 5.3. STOCKAGE DE L’ENERGIE ....................................................................... 05

HISTORIQUE DE LA PRODUCTION D’ELECTRICITE.............................. 06 1. L’ENERGIE AU FIL DES TEMPS ................................................................... 06 2. DE LA DECOUVERTE DU FEU A EOLE : LES PREMIERES SOURCES

D’ENERGIE ................................................................................................. 06 3. LA REVOLUTION INDUSTRIELLE GRACE A L’ENERGIE ............................... 06 4. LA NECESSITE D’UNE NOUVELLE POLITIQUE ENERGETIQUE ................... 07 5. BREF HISTORIQUE SUR LA PRODUCTION DE L’ELECTRICITE : ................. 07

PRODUCTION DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ........................................... 09 1. INTRODUCTION .......................................................................................... 09 2. DEFINITIONS ............................................................................................. 09 3. APPEL DE PUISSANCE D'UN RESEAU ......................................................... 10 4. MODES DE PRODUCTION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE ............................. 10

CENTRALE THERMIQUE A VAPEUR ......................................................... 12 1. INTRODUCTION .......................................................................................... 12 2. ORGANISATION D’UNE CENTRALE THERMIQUE ......................................... 13 3. DIAGRAMME ENERGETIQUE D’UNE CENTRALE THERMIQUE .................... 14 4. SELECTION DU SITE POUR LA CENTRALE THERMIQUE ............................. 15

4.1 APPROVISIONNEMENT EN CARBURANT ..................................................... 15 4.2 DISPONIBILITE DE L'EAU ......................................................................... 15 4.3 FACILITE DE TRANSPORT ......................................................................... 15 4.4 TYPE DE TERRAIN ................................................................................... 16 4.5 PRES DU POSTE ELECTRIQUE: ................................................................. 16 4.6 DISTANCE DE LA ZONE D’HABITATION ...................................................... 16

5. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 16

CENTRALE THERMIQUE A GAZ ................................................................ 17 1. INTRODUCTION .......................................................................................... 17 2. TURBINES À COMBUSTION (TAC) ............................................................... 17 3. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 18

CENTRALE THERMIQUE A CYCLE COMBINE ......................................... 20 1. INTRODUCTION .......................................................................................... 20 Dr. TEBANI Hocine

Production de l’énergie électrique 2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ............................................................... 20 3. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 21

CENTRALE NUCLEAIRE .............................................................................. 22 1. INTRODUCTION ......................................................................................... 22 2. COMPOSITION DU NOYAU ATOMIQUE ....................................................... 22 3. ENERGIE LIBEREE PAR LA FISSION .......................................................... 23 4. REACTION EN CHAINE ................................................................................ 23 5. FILIERES DE REACTEURS NUCLEAIRES .................................................... 24 6. REACTION NUCLEAIRE PAR FUSION .......................................................... 25 7. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 26

CENTRALE HYDRAULIQUE ........................................................................ 27 1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ................................................................ 27 2. PUISSANCE DISPONIBLE ............................................................................. 27 3. DIFFERENTES CENTRALES HYDRAULIQUES .............................................. 28

3.1 LES CENTRALES DE HAUTES CHUTES : h > 300M ..................................... 28 3.2 LES CENTRALES DE MOYENNES CHUTES : 30M < h < 300M ........................ 28 3.3 LES CENTRALES DE BASSES CHUTES : h < 30M ......................................... 29

4. LES STATIONS DE POMPAGES ..................................................................... 29 5. PARTIES PRINCIPALES D’UNE CENTRALE HYDRAULIQUE .......................... 30

5.1 BARRAGE ............................................................................................... 30 5.2 CONDUITE D’AMENEE ............................................................................. 30 5.3 CONDUITE D’ECHAPPEMENT .................................................................... 30 5.4 SALLE DE COMMANDE ............................................................................. 30


ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE ................................................... 31 1. PRINCIPE .................................................................................................... 31 2. TECHNOLOGIE ............................................................................................ 31

2.1 CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE .................................................................... 31 2.2 MODULE SOLAIRE OU PHOTOVOLTAÏQUE .................................................. 33 2.3 CONSTITUTION D’UN CHAMP PHOTOVOLTAÏQUE ........................................ 34

3. LES DIFFERENTES INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES .......................... 35 3.2 LES INSTALLATIONS RACCORDEE AU RESEAU DE DISTRIBUTION PUBLIC .... 35

4. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 36 5. TECHNOLOGIE DE CAPTEURS .................................................................... 36 6. COMPARAISON DES 03 PRINCIPALES TECHNOLOGIES DE CAPTEURS ...... 37

ENERGIE EOLIENNE ................................................................................... 381. QU’EST-CE QUE L’ENERGIE EOLIENNE ..................................................... 38 2. FONCTIONNEMENT D’UNE EOLIENNE ........................................................ 38

2.1 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L’EOLIENNE A AXE VERTICAL .............. 39 2.2 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L’EOLIENNE A AXE HORIZONTAL .......... 40

3. COMPOSANTS D’UNE EOLIENNE A AXE HORIZONTAL ............................... 40 4. CRITERES DE CHOIX DE SITES EOLIENS ................................................... 41 5. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 43

Dr. TEBANI Hocine

Production de l’énergie électrique ENERGIE DE LA BIOMASSE ....................................................................... 44 1. INTRODUCTION .......................................................................................... 44 2. DIVERSITE DES RESSOURCES & DIVERSITE DES USAGES ....................... 44

2.1 TRANSFORMATION PAR COMBUSTION ....................................................... 44 2.2 TRANSFORMATION PAR GAZEIFICATION .................................................... 45 2.3 TRANSFORMATION PAR METHANISATION ................................................... 45 2.4 PRODUCTION DES BIOCARBURANTS ........................................................ 45

3. DIVERSITE DES OPPORTUNITES ................................................................ 46 4. CENTRALES ELECTRIQUES A COMBUSTION BIOMASSE SOLIDE ............... 46 5. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 47

ENERGIE GEOTHERMIQUE ........................................................................ 48 1. INTRODUCTION ........................................................................................... 48 2. ORIGINE DE LA GÉOTHERMIE .................................................................... 48 3. LE GRADIENT GÉOTHERMIQUE .................................................................. 48 4. LE FLUX GEOTHERMIQUE .......................................................................... 48 5. CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DE LA GÉOTHERMIE ............................. 48 6. LA GEOTHERMIE MOYENNE ET HAUTE ENERGIE ...................................... 49 7. AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS ............................................................... 50

LA PILE A COMBUSTIBLE .......................................................................... 511. PRESENTATION GENERALE ........................................................................ 51 2. DIFFERENTS TYPES ET FONCTIONNEMENT TECHNIQUE ......................... 52

2.1 PILE A COMBUSTIBLE A MEMBRANE D'ECHANGE DE PROTONS ................... 52 2.2 PILE A COMBUSTIBLE ALCALINE ............................................................... 53


PRODUCTION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE EN ALGERIE .................... 56 1. INTRODUCTION .......................................................................................... 56 2. HISTORIQUE DE LA SOCIETE DE PRODUCTION D’ELECTRICITE « SPE » .... 56 3. LA PRODUCTION D’ELECTRICITE EN ALGERIE ........................................... 57 4. PRINCIPAUX PRODUCTEURS D’ELECTRICITE EN ALGERIE ...................... 58 5. CAPACITE DE PRODUCTION ET POTENTIALITES EN ENERGIE ELECTRIQUE ....... 58

5.1 CENTRALES DE PRODUCTION NATIONALE SPE ........................................... 58 5.2 PLAN DE DEVELOPPEMENT DU PARC DE PRODUCTION SPE ........................ 60 5.3 CAPACITES DES ENERGIES RENOUVELABLES .......................................... 61 5.4 PLAN DE DEVELOPPEMENT DES ENERGIES RENOUVELABLES .................... 62

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ......................................................... 63

Dr. TEBANI Hocine


GENERALITES SUR L’ENERGIE

1. DEFINITION

L'énergie est définie en physique comme la capacité d'un système à produire un travail, entraînant un mouvement ou produisant par exemple de la lumière, de la chaleur ou de l’électricité. L’énergie ne disparaît jamais ; elle se transforme d’une forme en une ou plusieurs autres. Elle s’exprime en joules ou en kilowattheure (kWh).

2. LES SOURCES D’ENERGIE

On désigne par énergies primaires les formes d’énergie telles quelles sont captées dans la nature.

Les principales ressources énergétiques sont résumées dans le tableau suivant :

Sources d’énergie Avantages Inconvénients Fossiles :

- Pétrole - Gaz - charbon

− Faciles à exploiter

− Production de COR2R − Epuisable

Nucléaire

− Moins cher aujourd’hui. − Moins de COR2R

− Epuisable − Déchet radioactifs − Risque d’accident nucléaire.

Renouvelables:

- Eau -Soleil (thermique et photovoltaïque) - Vent - biomasse (bois, plantes...) - Géothermie

− Inépuisables à notre échelle. − Peu ou non polluantes

− Ne peuvent être implantée de partout. − Coût plus élevé. − Faible puissance. − Fabrication recyclage des cellules photovoltaïque

3. CHAINE ENERGETIQUE

Une quantité d’énergie qui passe du stade d’énergie primaire à celui d’énergie utile suit une série de processus de transformations bien définies et de transports. Cette série de processus constitue une chaîne énergétique.

4. LES FORMES D’ENERGIE

On peut distinguer diverses formes d’énergie qui, peuvent se transformer l’une en l’autre; « formes d’énergie libre (manifeste)» et « formes d’énergie stockée (potentielle) ».

4.1 ENERGIES LIBRES

Sont celles sous lesquelles apparaît l’énergie lorsqu’elle est utilisée. Si nous nous référons à notre expérience quotidienne, nous pouvons distinguer quatre formes d’énergie libre (directement perceptible).

Dr. TEBANI Hocine Page 1

Production de l’énergie électrique Le rayonnement, visible (lumière) ou invisible (ondes de radio, rayons X, etc.). Il

s’agit, fondamentalement du déplacement dans l’espace de particules, le plus souvent des photons se propageant à la vitesse de la lumière (environ 300 000 km/s)

La chaleur: un apport de chaleur conduit à une augmentation de température (par exemple, un radiateur) et inversement (réfrigérateur).

L’énergie cinétique, associée au mouvement.

L’électricité. Pour des raisons pratiques, cette forme a vu un développement industriel considérable. Ce n’est pas, à proprement parler, une énergie « visible » mais comme on sait qu’il s’agit du déplacement d’un « courant électrique » (en fait des électrons) dans des conducteurs, on peut qualifier de « libre » cette forme d’énergie.

Il existe des appareillages plus ou moins courants permettant de transformer l’une en l’autre ces quatre formes d’énergie libre.

4.2 ENERGIES STOCKEES

S’il paraît difficile de stocker l’énergie sous forme de rayonnement ou de courant électrique (sauf peut-être dans un circuit supraconducteur), il est envisageable, en revanche, de stocker l’énergie sous forme de :

chaleur : l’énergie géothermique, constituée de la chaleur emmagasinée au sein de la Terre dégagée par la radioactivité naturelle.

Cinétique : le vent, dont l’éolienne capte l’énergie cinétique

Par exemple, pour réduire votre facture d’électricité, vous pouvez utiliser de l’électricité pendant la nuit, lorsque les kilowattheures sont moins chers, pour chauffer des briques et accumuler ainsi de la chaleur, puis récupérer cette chaleur pendant la journée pour votre chauffage domestique.

En ce qui concerne l’énergie cinétique, le volant d’inertie d’un moteur représente un exemple de stockage d’énergie sous cette forme (en fournissant de l’énergie pendant les temps morts de la combustion, ce volant permet de pallier les à-coups).

C’est cependant sous forme d’énergie potentielle qu’il est, en général, plus intéressant de stocker l’énergie. Le principe général est semblable à celui de l’exemple pris ci-dessus, celui de l’élastique de la fronde : on accumule de l’énergie potentielle en faisant travailler une force « à l’envers » c’est-à-dire dans le sens inverse de celui dans lequel elle s’exerce ; en laissant, ensuite, travailler cette force dans son sens, l’énergie potentielle emmagasinée sera libérée.

L’énergie gravitationnelle (la force de la pesanteur) peut trouver davantage d’applications industrielles. Limitons-nous à deux exemples :

− L’horloge à poids, à qui l’on fournit de l’énergie en remontant le poids et qui l’utilise ensuite au fil des jours pour vaincre les frottements des mécanismes;

− Le barrage hydroélectrique, dont le lac constitue une réserve disponible pour compléter, si nécessaire, d’autres sources de production d’électricité.


Production de l’énergie électrique L’énergie chimique utilise les forces, de nature électromagnétique, reliant les

atomes au sein des molécules : en réarrangeant les atomes pour former de nouvelles molécules à partir des molécules initiales, on fait travailler, dans un sens ou dans l’autre, les forces de liaison entre les atomes, et on libère ou on stocke de l’énergie. Exples: les stocks naturels que sont les réserves de charbon, pétrole et gaz qui se sont constitués à partir du rayonnement solaire; et, parmi les applications industrielles: l’essence utilisée par une voiture, la pile électrique ou la batterie, etc.

L’énergie nucléaire utilise les forces agissant entre les nucléons (protons et neutrons) des noyaux atomiques. Là aussi, en réarrangeant différemment ces nucléons, on peut espérer faire travailler ces forces, changer ainsi l’énergie interne et stocker ou libérer de l’énergie. En pratique, seule une libération d’énergie nucléaire est réalisable industriellement, soit en cassant de gros noyaux (fission), soit en assemblant de petits noyaux (fusion). Dans les deux cas, l’énergie libérée est obtenue sous forme de chaleur. Seule l’énergie de fission a aujourd’hui une application industrielle; la matière à la base de cette source d’énergie est l’uranium (le thorium pourrait aussi être utilisé). L’énergie de fusion pourrait s’avérer prometteuse à long terme si les difficultés techniques de sa mise en œuvre sont surmontées; les matières à la base de cette source sont le deutérium (l’isotope rare de l’hydrogène) et le lithium.

5. TRANSFORMATIONS DE L’ENERGIE

5.1. TRANSFORMATIONS DES FORMES D’ENERGIE LIBRE

Comme nous l’avons vu, les quatre formes d’énergie libre sont l’énergie rayonnante, l’énergie thermique (ou chaleur), l’énergie mécanique (ou cinétique) et l’énergie électrique. Cela fait douze transformations susceptibles d’être réalisées : toutes sauf deux ont des applications dans la vie courante ou dans l’industrie.

Figure 1: Les principales transformations des formes d’énergie libre

Transformation de l’énergie rayonnante en énergie thermique : elle est réalisée, par exemple, par les capteurs de rayonnement solaire fournissant l’eau sanitaire pour une habitation ou pour échauffer un fluide en vue d’une production d’électricité.

Transformation de l’énergie rayonnante en énergie mécanique: cette transformation est à l’origine de la poussée de radiation qui fait que la queue des



comètes est toujours à l’opposé du Soleil. La force de cette poussée est faible et elle n’a pas trouvé d’application industrielle (peut-être sera-t-elle un jour utilisée en astronautique).

Transformation de l’énergie rayonnante en énergie électrique: cela est réalisé dans les convertisseurs photovoltaïques, par exemple les panneaux solaires d’un satellite artificiel ou à usage domestique.

Transformation de l’énergie thermique en énergie rayonnante: c’est l’incandescence, c’est-à-dire l’émission spontanée de rayonnement par les corps à une température non nulle et cela d’autant plus que la température est élevée ; exemple: le rayonnement du Soleil, dont la surface est à environ 6 000 ºC.

Transformation de l’énergie thermique en énergie mécanique: c’est que ce réalisent la machine à vapeur et, plus généralement, les turbines et moteurs thermiques, tels ceux des voitures automobiles.

Transformation de l’énergie thermique en énergie électrique: cette conversion directe est réalisée dans les convertisseurs thermoélectriques (par exemple, les thermocouples utilisés pour des mesures de température) et thermoïoniques. (Industriellement, on passe plus souvent par l’intermédiaire de l’énergie mécanique, par exemple dans les centrales électriques classiques ou nucléaires).

Transformation de l’énergie mécanique en énergie rayonnante : elle est observée dans le bremsstrahlung (rayonnement de freinage ou rayonnement synchrotron) utilisé dans des accélérateurs de particules pour créer un rayonnement intense de photons, tel Soleil à Saint-Aubin (Essonne) ; mais cette transformation n’a pas d’autre application industrielle.

Transformation de l’énergie mécanique en énergie thermique: cette transformation est inévitable dans des frottements et des chocs ; elle est, par exemple, observée dans les freins qui chauffent.

Transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique : ce sont les générateurs électriques (dynamos, alternateurs) qui réalisent cette transformation.

Transformation de l’énergie électrique en énergie rayonnante : cela se produit dans les décharges (étincelles, éclairs) et l’électroluminescence (par exemple, les tubes à néon) ; on remarquera que dans les lampes les plus usuelles (à incandescence), il y a un passage intermédiaire par la chaleur.

Transformation de l’énergie électrique en énergie thermique : c’est «l’effet Joule », c’est-à-dire le dégagement de chaleur dans tout conducteur parcouru par un courant électrique; cet effet correspond souvent à une perte, mais il peut aussi être recherché (radiateur électrique).

Transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique : c’est ce que réalisent les moteurs électriques ; citons aussi la piézo-électricité qui est l’apparition de charges électriques à la surface de certains cristaux mis sous contrainte et, inversement, leur déformation sous l’action d’un champ électrique: ce dernier effet est utilisé dans les montres à quartz.



On remarquera que les transformations de l’électricité en d’autres formes d’énergie libre sont aisées : c’est, avec la facilité du transport par câbles, la raison de l’utilisation intensive de cette forme d’énergie dans les sociétés industrielles.

5.2. LIBERATION DE L’ENERGIE STOCKEE L’énergie gravitationnelle est celle emmagasinée par une masse placée à une

certaine hauteur dans un champ de pesanteur (gravitation); le plus souvent, il s’agit d’eau, soit retenue par un barrage en altitude, soit prélevée sur le courant d’une rivière: c’est l’énergie hydraulique. Cette énergie se transforme spontanément en énergie mécanique dès qu’on laisse descendre cette masse; avec une turbine hydraulique, on récupère cette énergie mécanique pour la convertir en électricité.

L’énergie chimique (celle qui est emmagasinée au sein des molécules de la matière sous forme de liaisons chimiques) peut être libérée sous toutes les formes d’énergie libre : − Transformation en rayonnement: c’est la chimiluminescence, c’est-à-dire

une émission de lumière; − Transformation en chaleur : c’est la combustion et la fermentation

(combustion lente par les organismes vivants); − Transformation en énergie mécanique : l’explosion ; − Transformation en électricité: piles et accumulateurs électriques (ces

derniers pouvant être rechargés, ce qui est la transformation inverse d’énergie électrique en énergie chimique) ; piles à combustible.

L’énergie nucléaire (celle qui est emmagasinée au sein des noyaux des atomes sous forme de liaisons nucléaires entres les nucléons) ne peut être libérée, en l’état actuel des techniques, que sous forme de chaleur.

5.3. STOCKAGE DE L’ENERGIE

Il n’est pas possible de transformer directement une forme d’énergie stockée en une autre: il faut forcément passer par une forme d’énergie libre intermédiaire. Les passages d’une forme d’énergie stockée vers une forme d’énergie libre ont été décrits au paragraphe précédent ; nous considérons ici les transformations inverses d’une forme d’énergie libre vers une forme d’énergie stockée.

Une pompe permet de hisser une certaine masse de fluide à une hauteur supérieure: elle transforme de l’énergie mécanique en énergie gravitationnelle.

Il est possible de stocker trois des quatre formes d’énergie libre en énergie chimique:

− Le rayonnement grâce à la photochimie, notamment la photosynthèse dans laquelle la chlorophylle des plantes capte l’énergie du rayonnement solaire ;

− La chaleur grâce à la thermolyse (synthèse chimique prélevant de la chaleur dans les réactifs) ;

− L’électricité grâce à l’électrolyse, par exemple lors de la recharge d’une batterie d’accumulateurs.

En revanche, nous ne savons pas, aujourd’hui, stocker de l’énergie sous forme d’énergie nucléaire.



HISTORIQUE DE LA PRODUCTION D’ELECTRICITE

1. L’ENERGIE AU FIL DES TEMPS

L’évolution de nos sociétés humaines est très étroitement liée a la découverte d’énergie. En apprenant à maitriser le feu, la force du vent et de l’eau, a utiliser le bois, le charbon, le pétrole... les hommes ont sans cesse cherche a améliorer leur bien- être. Mais, selon la façon dont l’énergie est produite, partagée ou utilisée, elle peut aussi être un facteur de régression.

Les premiers hommes ne pouvaient compter que sur leur force musculaire pour se déplacer, chasser, façonner des objets et les transporter, construire leurs abris.

2. DE LA DECOUVERTE DU FEU A EOLE : LES PREMIERES SOURCES D’ENERGIE

Vers 400 000 avant notre ère, les hommes préhistoriques apprennent à utiliser du bois pour faire du feu : ils peuvent désormais se chauffer, s’éclairer, faire cuire leur nourriture et éloigner d’eux les bêtes sauvages ! Ce fut un progrès fondamental pour l’évolution de l’humanité .

Au Néolithique, entre 9000 et 3300 ans avant notre ère, les hommes commencent a cultiver la terre et domestiquent des animaux qui, pour certains, deviennent alors une source d’énergie pour tracter les charrues, transporter les ressources... en facilitant ainsi le travail de tous les jours.

A la fin de cette période (3000 ans avant notre ère), une autre source d’énergie, la force du vent, devient l’alliée des hommes : ils construisent les premiers bateaux a voile, permettant des échanges fluviaux et maritimes de plus en plus lointains et la découverte de nouveaux horizons.

C’est 200 ans avant notre ère que les premiers moulins a vent apparaissent en Perse.

Durant toute l’Antiquité, le Moyen-Age et jusqu’au XIXP

eP siècle, si on fait

abstraction de la force humaine, notamment à travers l’esclavage, l’énergie mondiale consommée par l’humanité provient a plus de 95% du bois. Elle est utilisée pour se chauffer, cuisiner, s’éclairer, cuire les poteries et forger les métaux. Mais avec l’utilisation massive du charbon de bois pour la métallurgie, la ressource à commencer à s’épuiser dans certaines régions. Les hommes se sont alors tournés vers une nouvelle source d’énergie : le charbon (bois fossilise).

3. LA REVOLUTION INDUSTRIELLE GRACE A L’ENERGIE

A la fin du XVIIIP

eP siècle, le couple charbon- vapeur donne le coup d’envoi a la

Révolution industrielle. L’énergie devient ainsi disponible en plus grande quantité sur un même lieu. Il est alors possible de faire fonctionner de nombreuses machines-outils, de faire avancer une locomotive, des bateaux a vapeur...



Dès le début du XXP

eP siècle, l’utilisation du gaz, du pétrole et de l’électricité

change radicalement le mode de vie des pays riches. Cela modifie également la vie de nombreux hommes dans les pays qui possèdent des mines ou des gisements dans leurs sous-sols. L’innovation et la recherche se poursuivent. En 1896, la radioactivité naturelle est découverte sur des sels d’uranium par le physicien Henri Becquerel. Les premières centrales nucléaires ouvrent dans les années 1950.

A la même période, plusieurs pays décident de construire de grands barrages hydroélectriques et de trouver des solutions pour utiliser la chaleur des eaux en sous-sol pour le chauffage et la production d’électricité (géothermie). Dans les pays du Nord et dans les pays à forte croissance industrielle, la consommation d’énergie ne cesse de croitre, les besoins sont en constante augmentation, on cherche a exploiter toutes les énergies disponibles, parfois au mépris de l’environnement.

4. LA NECESSITE D’UNE NOUVELLE POLITIQUE ENERGETIQUE

En effet, le défi est de taille : répondre aux besoins énergétiques croissants, voire exponentiels dans certaines zones du monde, alors que les énergies fossiles se raréfient et que la sonnette d’alarme en matière environnementale est tirée depuis plusieurs décennies. Nous savons que nous devrons compter a l’avenir sur un bouquet énergétique regroupant plusieurs sources d’énergies : fossiles, nucléaire, solaire, éolien, géothermie, hydraulique, biomasse, énergies marines...

Les énergies fossiles

Les énergies fossiles sont produites a partir de la transformation de matières organiques fossilisées : pétrole, gaz, charbon. Ces matières mettent des millions d’années a se constituer et sont présentes en quantités limitées sur Terre. On parle aussi d’hydrocarbures. Leur combustion dégage du dioxyde de carbone (COR2R) qui est le principal gaz a effet de serre, responsable du changement climatique.

Les énergies renouvelables

Ce sont des sources d’énergie inépuisables. La première d’entre elles est le rayonnement solaire et les autres en découlent plus ou moins directement (vents, cycle de l’eau et courants marins, fabrication de biomasse, etc.).

5. BREF HISTORIQUE SUR LA PRODUCTION DE L’ELECTRICITE :

La mise au point de la machine à vapeur (début de l’ère industrielle) leur a permis de disposer de quantités d’énergie beaucoup plus grandes, avec les conséquences (positives et négatives) que l’on connaît. Puis, après l’invention de la pile électrique par Alessandro VOLTA, de la dynamo par GRAMME, de la lampe à incandescence par Thomas EDISON, vint l’ère de l’électricité.

Aujourd’hui, cette forme d’énergie est omniprésente dans notre vie quotidienne.


Production de l’énergie électrique 1800 : Volta (Italien), invente la pile. Mais elle ne peut pas stocker de grosses

quantités d’électricité. La pile de Volta suscite un énorme intérêt dans le monde scientifique car le courant électrique est alors un phénomène nouveau et inattendu. Grâce à elle, les physiciens de l’époque peuvent entreprendre de nombreuses recherches sur les propriétés du courant électrique et sur la résistance électrique. Ces travaux sont à l’origine du transport d’électricité par câbles.

1820 : Oersted (Danois), remarque qu’une aiguille aimantée placée à côté d’un fil conducteur traversé par le courant est déviée.

D’une importance capitale, l’expérience d’Oersted établit pour la première fois un lien entre électricité et magnétisme. Elle ouvre la voie à de nombreuses inventions comme celle du télégraphe, qui révolutionnera un peu plus tard les moyens de communication.

1830 : Michael Faraday (Anglais), montre qu’un courant passe dans une bobine lorsqu’on y introduit un aimant.

L’histoire du début des applications de l’électricité est dominée par les découvertes du physicien anglais, Michael Faraday en 1830. En reliant les bornes d’une bobine à un galvanomètre (sorte d’ampèremètre), il observe le passage d’un courant dans la bobine, lorsqu’il introduit ou retire un aimant de cette bobine.

L’importance de cette découverte est extrême car elle rend possible la production de courant électrique sans avoir à utiliser de pile. L’énergie mécanique peut, dès lors, être directement convertie en énergie électrique. C’est ce que font, depuis, tous les alternateurs.



PRODUCTION DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

1. INTRODUCTION

L’énergie électrique est un facteur essentiel de développement économique, dans tous les pays du monde. Son importance relative s’accroit avec les progrès techniques, l’industrialisation et le besoin de confort moderne. L’augmentation de sa production est synonyme d’amélioration de la qualité de vie et de création de richesse. La production d’électricité, ramenée au nombre d’habitants, est donc un bon indicateur permettant de mesurer les écarts de développement entre les différentes régions de monde.

2. DEFINITIONS

La production de l’énergie électrique consiste en la transformation de l’ensemble des énergies primaires en énergie électrique.

Une centrale électrique est un site industriel destiné à la production d'électricité. Elle transforme diverses sources d'énergie primaire en énergie électrique en établissant des chaînes énergétiques.

Tranche de production Elle correspond à l’unité de production standard d’une centrale électrique. On parle généralement de tranche pour qualifier les unités de production des centrales nucléaires ou des centrales thermiques, qui peuvent contenir plusieurs tranches sur un même site.

Moyen de production « dispatchable » Ce terme désigne un moyen de production d’énergie considéré comme flexible vis-à-vis du gestionnaire de réseau. Les moyens de production « dispatchables » peuvent notamment réagir de manière commandée à une sollicitation du gestionnaire de réseau en injectant à la hausse ou à la baisse, ceci dans un temps imparti.

Moyens de production centralisé et décentralisé Les termes centralisé et décentralisé rendent compte du niveau de dissémination d’un parc de production d’énergie. Sans qu’il y ait de distinction univoque entre les deux catégories, on parlera de moyens centralisés lorsque la production énergétique est concentrée en quelques points du réseau (centrales nucléaires, centrale thermique à flamme, etc.) et de moyens décentralisés lorsqu’il existe une multitude de points d’injection avec des systèmes de tailles unitaires réduites (éolienne, panneau solaire, etc.).

Pointe électrique Elle correspond à un maximum de puissance électrique sur le réseau, et donc à un pic de consommation d’électricité. Les profils de consommation d’électricité suivent une trame globalement périodique avec un pas journalier, hebdomadaire ou saisonnier. Ainsi, on parlera de pointe journalière pour désigner le maximum de puissance appelée sur une journée. Le niveau de la pointe saisonnière, désignant le maximum de puissance appelée sur une année, permet quant à lui de dimensionner en puissance le parc de production d’électricité.

Réactivité La réactivité d’un moyen de production d’énergie qualifie sa capacité à répondre plus ou moins vite à une consigne de fonctionnement. La définition précise d’un indicateur de réactivité dépend du type de consigne



considéré (réactivité au démarrage ou en fonctionnement, temps de montée en charge partielle ou totale, vitesse de montée en charge, etc.).

3. APPEL DE PUISSANCE D'UN RESEAU

La puissance demandée par l'ensemble des clients d'un réseau subit de grandes fluctuations selon l'heure de la journée et selon les saisons.

Ces fluctuations de l'appel de puissance obligent les compagnies d'électricité à prévoir trois classes de centrales de génération :

Les centrales de base de grande puissance qui débitent leur pleine capacité en tout temps. Les centrales nucléaires et les centrales thermiques sont particulièrement aptes à remplir ce rôle.

Les centrales intermédiaires de puissance moyenne qui peuvent réagir rapidement aux fluctuations de la demande. C'est le cas des centrales hydrauliques dont le débit est facilement contrôlable.

Les centrales de pointe de puissance moyenne qui ne débitent leur pleine capacité que pendant de courtes périodes. C’est pourquoi les compagnies d'électricité encouragent les usagers à limiter leur charge de pointe.

4. MODES DE PRODUCTION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE

Une des souplesses signalées du système électrique est de pouvoir disposer de moyens de production alimentes par les sources d’énergie les plus diverses, dont les caractéristiques techniques et économiques sont suffisamment variées pour satisfaire à tous les aspects de la demande, et dont les localisations géographiques peuvent être très différentes, imposées soit par la source d’énergie, soit pour le bon équilibre dynamique du réseau.

Un groupe de production se caractérise par de nombreux paramètres techniques dont on ne cite ici que les principaux :

sa puissance unitaire nominale ;

son domaine de fonctionnement en tension et en fréquence ;

son minimum technique (sa puissance minimale en fonctionnement continu) ;

son temps de démarrage, son aptitude à participer au réglage de la fréquence ;

sa capacité de suivi de charge.

Les modes de production se classent en grandes catégories selon le principe de la transformation en électricité de l’énergie primaire utilisée. Les plus courantes sont brièvement décrites dans le schéma ci-dessous.



Figure 1: Voies de production de l’énergie électrique

Le choix d'un système de production d'électricité dépend principalement de la disponibilité des ressources énergétiques. Par exemple, la majorité des centrales de production d’énergie électrique en Algérie utilise le gaz naturel comme énergie primaire. Le choix du système peut aussi dépendre de l'impact environnemental des différentes ressources énergétiques.


http://bv.alloprof.qc.ca/s1385.aspx

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CENTRALE THERMIQUE A VAPEUR

1. INTRODUCTION

Dans une centrale thermique, une chaudière chauffe de l'eau et la transforme en vapeur. L'énergie calorifique est obtenue en brûlant le plus souvent du charbon, du pétrole ou du gaz.

La chaleur dégagée par la combustion vaporise l'eau qui atteint alors une très haute température.

Cette vapeur se détend progressivement dans les corps haute, moyenne et basse pression de la turbine avant de se liquéfier dans le condenseur et d'être renvoyée dans le générateur de vapeur.

L'énergie mécanique engendrée par la vapeur circulant dans la turbine, entraîne l'alternateur qui la transforme en énergie électrique.

Les centrales thermiques produisent l’électricité à partir de la chaleur qui se dégage de la combustion du charbon, du mazout ou du gaz naturel. La plupart ont une capacité comprise entre 200 MW et 2000 MW afin de réaliser les économies d’une grosse installation. On la trouve souvent près d’une rivière ou d’un lac, car d’énormes quantités d’eau sont requises pour refroidir et condenser la vapeur sortant des turbines.

En fonctionnement nominal, le rendement de ces centrales se situe entre 40 et 42%. Leur minimum technique est de l’ordre de 20 %. Elles peuvent participer au réglage primaire et secondaire de la fréquence.


Production de l’énergie électrique 2. ORGANISATION D’UNE CENTRALE THERMIQUE

La figure montre les parties principales d’une centrale thermique identifiées comme suit :

Figure 1: Eléments d’une centrale thermique

1. Immense chaudière construite en hauteur dans laquelle on brûle le combustible. La chaleur est absorbée par l’eau circulant dans une série de tubes SR1 Rqui entourent les flammes. La circulation est forcée par la pompe PR1R.

2. Réservoir, contenant de l’eau et de la vapeur à haute pression. Il constitue à la fois le point de départ de la vapeur vers les turbines et le récepteur de l’eau d’alimentation de retour. La vapeur se dirige vers la turbine haute pression (HP) en passant par un surchauffeur SR2R. Ce dernier formé d’une série de tubes entourant le feu, provoque une forte augmentation de la température de la vapeur (200 °C environ). Cela assure une vapeur qui est absolument sèche et donne un meilleur rendement thermique.

3. Turbine haute pression (HP) qui permet une première expansion de la vapeur durant laquelle une partie de l’énergie mécanique. La pression et la température à la sortie de la turbine HP sont donc plus basses qu’à l’entrée. Afin d’augmenter le rendement thermique et pour éviter une condensation prématurée de la vapeur, on la fait passer par un réchauffeur SR3R composé d’une troisième série de tubes.

4. Turbine moyenne pression (MP) semblable à la turbine HP sauf qu’elle est plus grosse pour permettre à la vapeur de ce détendre davantage.


Production de l’énergie électrique 5. Turbine basse pression (BP) à double carter qui enlève le reste de l’énergie

thermique disponible dans la vapeur, permettant à cette dernière de se détendre dans un vide presque complet à l’intérieur du condensateur.

6. Condensateur qui provoque la condensation de la vapeur, grâce à la circulation d’eau froide venant de l’extérieur et circulant dans des tubes SR4R. Une pompe d’extraction PR2R enlève l’eau tiède condensée et la pousse à travers le réchauffeur (7) vers la pompe PR3 Ralimentant la chaudière.

7. Réchauffeur. Dans cet échangeur de chaleur, une partie de la vapeur qui est passée par la turbine HP réchauffe l’eau d’alimentation, après quoi, la vapeur se condense aussi dans le condensateur. Les analyses thermodynamiques prouvent que le rendement ainsi obtenu est meilleur que si la vapeur dérivée dans le réchauffeur allait aux turbines MP et BP en passant par le réchauffeur SR3R.

8. Pompe d’alimentation PR3 Rqui refoule l’eau d’alimentation contre la forte pression régnant à l’intérieur du ballon (2) et complète ainsi le cycle thermique

9. Brûleurs provoquant la combustion du gaz, du mazout ou du charbon pulvérisé projeté à l’intérieur de la chaudière.

Avant d’être projeté dans la chaudière, le charbon est réduit en poudre. De la même façon, l’huile lourde est préchauffée et soufflée en jet vaporisé afin d’augmenter sa surface de contact avec l’air environnant.

10. Ventilateur soufflant l’air requis pour la combustion

11. Ventilateur aspirant les gaz brûlés qui s’échappent par la cheminée.

En pratique, une centrale contient bien d’autres appareils et accessoires essentiels pour assurer un bon rendement et des conditions sécuritaires. Ainsi, des vannes de réglage permettent de contrôler l’admission de la vapeur dans les turbines, un système d’épuration maintient la propreté de l’eau d’alimentation, des pompes gardent les paliers en bon état de lubrification, etc. Cependant, les composants que nous venons de décrire suffisent à expliquer le fonctionnement et les problèmes de base d’une centrale thermique.

3. DIAGRAMME ENERGETIQUE D’UNE CENTRALE THERMIQUE

Les centrales thermiques modernes se ressemblent beaucoup et la plupart fonctionnent à une température de 550 °C et une pression de 16.5 MPa; elles donnent un rendement global de l’ordre de 40 %. Les quantités d’énergie, les débits de vapeur, etc., ne changent pas beaucoup, même pour des températures et des pressions différentes. Cela nous a permis de tracer le schéma de répartition de l’énergie pour un modèle réduit ayant un puissance calorifique de 30 MW et un débit électrique de 12 MW, soit un rendement global de 40 %.



Par exemple une centrale de 480 MW aurait les caractéristiques approximatives suivantes :

Puissance électrique

Consommation de charbon

Consommation d’air

Puissance de la chaudière

Débit de vapeur

Eau de refroidissement

(Avec Δt =10 °C)

480 MW

40 Kg/s

400 Kg/s

1200 MW

320 Kg/s

14 400 Kg/s

ou 14.4 mP

3P/s

Si l’on doit installer une tour de refroidissement, elle doit évaporer une quantité d’eau égale à : 2 % × 14.4 = 0.288 m3/s

Figure 2: Modèle réduit d’une centrale thermique de 12 MW

4. SELECTION DU SITE POUR LA CENTRALE THERMIQUE

4.1 APPROVISIONNEMENT EN CARBURANT

La centrale électrique à vapeur devrait être située près de la mine de charbon de sorte que le coût de transport du carburant soit minimum. Si le terrain n'est pas disponible à proximité des mines de charbon, prévoir des installations adéquates pour le transport du carburant.

4.2 DISPONIBILITE DE L'EAU

Une énorme quantité d'eau est nécessaire pour alimenter la chaudière et le condenseur, pour cela la station devrait être située près de la mer, rivière, du lac, etc.

4.3 FACILITE DE TRANSPORT

Pour la centrale à vapeur offrir un meilleur service de transport pour le transport de l'homme, de la machinerie, etc.,



4.4 TYPE DE TERRAIN:

La centrale électrique à vapeur devrait être installée dans un terrain ou l'extension future est possible et zone non sismique.

4.5 PRES DU POSTE ELECTRIQUE:

Afin de réduire les pertes de transmission et de distribution, la centrale devrait être située près du poste Interconnexion.

4.6 DISTANCE DE LA ZONE D’HABITATION:

Comme la centrale thermique produit des gaz de combustion, ces gaz affecteront l'être humain vivant, donc la centrale devrait être située loin de la zone densément peuplée.

5. AVANTAGES ET INCONVENIENTS

5.1 AVANTAGES

Centrales d’appoint qui peuvent être facilement mise en fonctionnement ou arrêtées

Moyen de production d'électricité « dispatchable » pour répondre aux variations de la demande

Autonomie (dépendant de l'approvisionnement et du stock de combustible)

Flexibilité dans le choix du combustible (pour certaines technologies)

Longue durée de vie (30 à 40 ans) 5.2 INCONVENIENTS

Réactivité faible au démarrage (plus d’1h pour atteindre la puissance max)

Usage de combustibles fossiles (raréfaction et coût de la ressource, dépendance énergétique)

Emissions de gaz à effet de serre et d'éléments polluants, en particulier sur charbon et fioul (SOx, NOx, poussières)

Coût et usure liés aux arrêts / démarrages

Besoin d’un débouché (ouverture) chaleur pour la cogénération



CENTRALE THERMIQUE A GAZ

1. INTRODUCTION

Les centrales à gaz sont basées sur la combustion du gaz naturel ou fioul dans de l’air sous pression et sur la détente des gaz chauds brules dans une turbine couplée à un alternateur.

La turbine est l’élément de base d’une centrale électrique. C’est un moteur rotatif qui convertit l’énergie de vapeur ou de gaz en énergie mécanique. Plus généralement, c’est un organe permettant la détente d’un fluide en recueillant son énergie sous formes mécanique. On distingue les turbines hydrauliques, les turbines à vapeur et les turbines à gaz.

2. TURBINES À COMBUSTION (TAC)

Les turbines à gaz (turbines à combustion) sont plus généralement connues pour leur application dans le domaine de l’aéronautique, mais elles ont également utilisées pour la propulsion ferroviaire et marine. Aujourd’hui, les générateurs à turbine à gaz produisent la plus grande partie de l’énergie électrique dans le monde.

Le système d’une turbine à gaz est composé principalement d’un compresseur (généralement à plusieurs étages), d’un système de combustion (plusieurs chambres de combustion), d’une turbine à plusieurs étages, un dispositif de démarrage et quelques auxiliaires.

Dans sa forme la plus simple et la plus répandue, une turbine à combustion est composée de trois éléments :

Un compresseur, centrifuge ou plus généralement axial, qui a pour rôle de comprimer de l'air ambiant à une pression comprise aujourd'hui entre 10 et 30 bars environ ;



Figure : Turbine à gaz simple

Une chambre de combustion, dans laquelle un combustible gazeux ou liquide est injecté sous pression, puis brûlé avec l'air comprimé, avec un fort excès d'air afin de limiter la température des gaz d'échappement ;

Une turbine, généralement axiale, dans laquelle sont détendus les gaz qui sortent de la chambre de combustion.

Dans une turbine à combustion (TAC), l'électricité est générée grâce à la circulation de gaz d'échappement issus d'une chambre de combustion et traversant directement la turbine. La chambre de combustion est le plus souvent interne à la turbine, elle génère de la chaleur à partir d'un combustible (gaz ou fioul) et d'air initialement comprimé.

Sous cette forme, la turbine à gaz constitue un moteur à combustion interne à flux continu.

On notera que le terme de turbine à gaz provient de l'état du fluide de travail, qui reste toujours gazeux, et non du combustible utilisé, qui peut être aussi bien gazeux que liquide.

Sur le réseau électrique, la forte réactivité des TAC (moins de 30 min pour atteindre la puissance max) est souvent mise à profit pour fournir la pointe électrique.

Les TAC sont également répandues pour la production décentralisée dans l'industrie ou le tertiaire, notamment pour un fonctionnement en cogénération.

L'intérêt de la cogénération sur les TAC réside dans la haute température des fumées de combustion, dont la chaleur peut être récupérée et valorisée sans affecter la production électrique.


3.1 AVANTAGES


Forte réactivité (moins de 30 min pour atteindre la puissance max)

Autonomie et sécurité de fourniture des TAC fioul, grâce au stock de combustible sur site

Longue durée de vie (25 à 30 ans)


Production de l’énergie électrique Qualité de la chaleur pour cogénération (haute température)

3.2 INCONVENIENTS


Emissions de gaz à effet de serre et d'éléments polluants, notamment pour le fioul (SOx, NOx)

Coût et usure liés aux arrêts / démarrages (croissants avec le besoin de flexibilité sur les réseaux)

Besoin d’un débouché chaleur pour la cogénération



CENTRALE THERMIQUE A CYCLE COMBINE

1. INTRODUCTION

La recherche continue pour améliorer le rendement thermique qui a donné lieu à des modifications plutôt innovantes aux centrales électriques conventionnelles. La modification la plus populaire implique le cycle à gaz qui surmonte un cycle de vapeur, qui est appelé le cycle combiné gaz-vapeur, ou simplement le cycle combiné.

2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Les centrales à cycle combiné (CCC) sont de grandes centrales thermiques utilisant le gaz naturel comme combustible pour produire de l'électricité sur deux cycles successifs. Le premier cycle est semblable à celui d'une TAC : le gaz brûlé en présence d'air comprimé actionne la rotation de la turbine reliée à l'alternateur. Dans le second cycle, la chaleur récupérée en sortie de la TAC alimente un circuit vapeur qui produit également de l'électricité avec une turbine dédiée.

Un mélange de gaz naturel et d’air comprimé est brûlé dans une chambre à combustion (C), à une température d’environ 1300 degrés. En augmentant de volume, les gaz chauds issus de la combustion actionnent une turbine (T1) qui, reliée à un alternateur (A1), permet de produire de l’électricité.

Le rendement de cette turbine à gaz simple n’est pas très élevé, entre 35 et 38%, car une grande partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur dans les gaz d’échappement. La meilleure solution pour augmenter ce rendement consiste à récupérer la chaleur des gaz d’échappement, pour le chauffage ou la production de vapeur.

Au sortir de la première turbine, les gaz d’échappement sont encore suffisamment chauds pour produire de la vapeur. Dans une centrale à cycle combiné, cette vapeur sert à actionner une deuxième turbine (T2), reliée à un



deuxième alternateur (A2). Le rendement global pour la production électrique d’une centrale à cycle combiné au gaz naturel oscille actuellement entre 58 et 61%. Une partie de la chaleur des gaz d’échappement issus de la combustion du gaz naturel peut également être utilisée pour le chauffage.

Figure 1: Principe d’une centrale à gaz à cycle combiné

La cogénération sur les cycles combinés gaz (CCG) est possible en valorisant la chaleur résiduelle, mais elle demeure peu répandue.


3.1 AVANTAGES


Rendement élevé par rapport à un cycle simple

Réactivité (30 min à 1h pour atteindre la puissance max)

Impact environnemental réduit par rapport aux centrales thermiques à flammes: émissions de gaz à effet de serre et d’éléments polluants (SOx, NOx, etc.) moindres

Longue durée de vie (25 à 30 ans)

3.2 INCONVENIENTS


Emissions de gaz à effet de serre

Coût et usure liés aux arrêts / démarrages (croissants avec le besoin de flexibilité sur les réseaux)

Besoin d’un débouché chaleur pour la cogénération



CENTRALE NUCLEAIRE

1. INTRODUCTION

Les centrales nucléaires produisent l’électricité à partir de la chaleur libérée par une réaction nucléaire. Ce phénomène est provoqué par la division du noyau d’un atome, procédé que l’on appelle fission nucléaire.

Une centrale nucléaire est identique à une centrale thermique à vapeur, sauf que la chaudière est remplacée par un réacteur contenant le combustible nucléaire en fission.

Une telle centrale comprend donc une turbine à vapeur, un alternateur, un condenseur, etc. comme dans une centrale thermique conventionnelle. Le rendement global est semblable (entre 30 % et 40 %) et l’on doit encore prévoir un système de refroidissement important, ce qui nécessite un emplacement près d’un cours d’eau ou la construction d’une tour de refroidissement. A cause de ces similitudes, nous nous limiterons à l’étude du principe de fonctionnement et des caractéristiques du réacteur lui-même.

2. COMPOSITION DU NOYAU ATOMIQUE

Le noyau d’un atome est composé de protons et de neutrons, il existe des éléments appelés « isotopes » contenant un ou quelques neutrons en surplus par rapport au nombre habituel.

Éléments Symbole Protons Électrons Neutrons Hydrogène Deutérium Tritium Eau légère Eau lourde Uranium 235 Uranium 238

𝐻𝐻 𝐻𝐻2 𝐻𝐻3

𝐻𝐻2𝑂𝑂 𝐻𝐻2 2𝑂𝑂 𝑈𝑈235 𝑈𝑈238

1 1 1 10 10 92 92

1 1 1 10 10 92 92

0 1 2 8 10 143 146

Tableau 1: Composition atomique de quelques éléments



L’uranium 238 est très répondu tandis que l’uranium 235 est rare. En effet les gisements naturel de l’Uranium (𝑈𝑈3𝑂𝑂8) contiennent 99.3 % d’atomes 𝑈𝑈238 et 0.7 % de l’isotope 𝑈𝑈235 .

L’Uranium 𝑈𝑈235 est l’eau lourde sont essentielles pour le fonctionnement des réacteurs.

3. ENERGIE LIBEREE PAR LA FISSION :

Lorsque le noyau subit la fission, il se sépare en deux, une quantité d’énergie est libérée de la diminution de la masse. Sa valeur est donnée par la relation :

𝐸𝐸 = ∆𝑚𝑚. 𝑐𝑐2 Avec ∆𝑚𝑚 : Diminution de la masse

Une diminution de 1 Gramme donne une énergie 𝐸𝐸 = 9. 1013 joule, équivalent à trois tonnes de charbon.

Lors de la fission de 𝑈𝑈235 , il se produit une légère diminution de la masse. 𝑈𝑈235 est fissile mais 𝑈𝑈238 ne l’est pas.

De grandes usines sont construites pour augmenter la proportion de 𝑈𝑈235 dans le combustible, procédé que l’on appelle « Enrichissement ».

Figure 1: Etapes dans la fabrication du combustible nucléaire

4. REACTION EN CHAINE

La fission d’un atome d’uranium est provoquée par le bombardement de son noyau avec des neutrons en mouvement. Le neutron est un excellent projectile car il ne subit aucune force de répulsion à mesure qu’il s’approche du noyau.

Si l’impact est suffisamment intense, le noyau se scinde en deux et la diminution de masse qui en résulte libère de l’énergie.

La fission d’un atome 𝑈𝑈235 dégage une énergie de 218 Mev sous forme de chaleur. La fission s’accompagne de l’éjection de 02 ou 03 neutrons à hautes


Production de l’énergie électrique vitesses qui peuvent entrer à leurs tours en collision avec d’autres atomes (Principe de la bombe atomique).

Figure 2: Schéma simplifié de la fission nucléaire de l’uranium

Figure 3 : Partie principales d’une centrale nucléaire

5. FILIERES DE REACTEURS NUCLEAIRES

Une filière (modèle) de réacteurs nucléaires se caractérise par quatre choix principaux sur la nature et les caractéristiques :

Du combustible nucléaire

Du modérateur, c’est-à-dire le matériau destiné à ralentir (modérateur de vitesse) et thermaliser les neutrons, afin d’augmenter leurs chances de frapper les noyaux d’uranium. S’il s’agit d’un réacteur à neutrons rapides, l’absence de modérateur.

Du caloporteur, c’est-à-dire le fluide circulant dans le cœur du réacteur pour emporter la chaleur produite par les fissions vers les organes ou elle sera utilisée et transformée.


Production de l’énergie électrique Les absorbants utilisés pour le pilotage de la réaction en chaine, les

compensations des dérives de réactivité due aux effets de température et à l’irradiation neutronique et l’arrêt rapide en cas d’urgence (sureté).

Sur chacun de ces aspects, les matériaux envisageables sont nombreux, le tableau suivant en cite quelques un :

Matériaux fissiles Matériaux modérateurs

Matériaux caloporteurs

Matériaux absorbants

Uranium 235 (Naturel)

Uranium 233 (Artificiel)

Plotonium 239 (Artificiel)

Eau ordinaire

Eau lourde

Béryllium

Glucine

graphite

Eau ordinaire

Eau lourde

Liquide organique

Sodium

Plomb

Gaz carbonique

Hélium

Bore 10

Cadmium

Indium

Argent

Gadolinium

Erbium

6. REACTION NUCLEAIRE PAR FUSION

Tout comme la fission d’un noyau lourd provoque une diminution de masse, la fusion de deux noyaux légers pour former un seul noyau occasionne une diminution semblable. Ainsi, une grande quantité d’énergie est libérée lorsqu’un atome de deutérium P

2PH fusionne avec un atome de tritium P

3PH. Cependant, à cause

de la forte répulsion électrique qui s’exerce entre ces deux noyaux (de même polarité), on réussit à provoquer leur fusion seulement lorsqu’ils s’approchent à des vitesses énormes, correspondant à une température de plusieurs millions de degrés. Si la concentration d’atomes est suffisante et si leur vitesse est assez élevée, il se produit une réaction en chaine. Mentionnons, en passant, que le soleil produit son énergie par un processus semblable.

On réussit ainsi à produire des explosions et c’est sur ce principe que repose la bombe à hydrogène (bombe H). Cependant, on heurte à de grandes difficultés pour contrôler cette réaction de fusion et l’exploiter dans un réacteur nucléaire commercial. En effet, on n’a pas encore réussi à cerner des particules qui se déplacent à ces vitesses effarantes sans, en même temps, leur faire perdre leur énergie.

Si l’on réussit à domestiquer la fusion nucléaire, ce pourrait bien être la fin des problèmes de sources d’énergie. L’hydrogène est en effet la matière première la plus répandu sur terre.


Production de l’énergie électrique 7. AVANTAGES ET INCONVENIENTS

7.1 AVANTAGES

Pas d’émission de gaz à effet de serre pour la production d’électricité

Coût relativement faible de combustible

Longue durée de vie (40 à 60) ans

Forte densité énergétique

7.2 INCONVENIENTS

Gestion des déchets nucléaires

Usage de combustible fossile (Dépendance énergétique)

Acceptabilité sociale complexe

Criticité d’impact en cas d’incident

Complexité du démantèlement et de la gestion de la fin de vie des centrales



CENTRALE HYDRAULIQUE

1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Les centrales hydroélectriques convertissent l’énergie de l’eau en mouvement en énergie électrique. L’énergie provenant de la chute d’une masse d’eau est tout d’abord transformée dans une turbine hydraulique en énergie mécanique. Cette turbine entraine un alternateur dans lequel l’énergie mécanique est transformée en énergie électrique.

2. PUISSANCE DISPONIBLE

La puissance P que met en jeu une chute d’eau, d’une hauteur h et d’un débit q est donnée par :

Le choix de l’emplacement d’une centrale hydro-électrique dépend donc de ces facteurs.

A cause des pertes, la puissance mécanique que l’on peut recueillir sur l’arbre de la turbine est inférieure à la puissance fournie par l’eau. Cependant, le rendement des turbines hydrauliques est élevé : de l’ordre de (80 à 94)% pour les grosses unités. Dans les alternateurs, la transformation de puissance se fait à un rendement de (97 à 98.5)%.

Puissance en KW P = 9,81.q.h

Hauteur de chute en m

Débit en m3/s


Production de l’énergie électrique 3. DIFFERENTES CENTRALES HYDRAULIQUES

Centrale Hauteur de chute Turbine Situation de la Centrale

Haute chute h > 300 m Pelton à quelques km de la prise d’eau

Moyenne chute 30 m < h < 300 m Francis implantée dans le barrage

Basse chute ou fil de l’eau h < 30 m Kaplan implantée au fil de l’eau

3.1 LES CENTRALES DE HAUTES CHUTES : h > 300M :

Elles sont situées en montagne. L’alimentation en eau des turbines s’effectue grâce à une conduite forcée. L’énergie produite par ces centrales sert généralement aux heures de pointe, du fait de la rapidité de sa mise en production. Les turbines utilisées sont de type Pelton.

3.2 LES CENTRALES DE MOYENNES CHUTES : 30M < h < 300M

Elles sont situées en moyenne montagne. L’énergie produite par ces centrales sert à la régulation quotidienne ou hebdomadaire de la production. Elle utilise des turbines de types Francis

Turbine Pelton



3.3 LES CENTRALES DE BASSES CHUTES : h < 30M

On les appelle aussi centrales au fil de l’eau. Elles sont caractérisées par une faible chute, et un débit important. Ces centrales fournissent de l’énergie en permanence. Elles utilisent des turbines de type Kaplan

4. LES STATIONS DE POMPAGES

Ces centrales sont équipées de deux bassins. Aux heures de pointe, l’eau passe du bassin supérieur au bassin inférieur entraînant au passage en rotation une turbine couplée à un alternateur. Pendant les heures creuses, l’eau du bassin inférieur est pompée vers le bassin supérieur pour y être de nouveau stockée.

Turbine Francis

Turbine Kaplan


Production de l’énergie électrique 5. PARTIES PRINCIPALES D’UNE CENTRALE HYDRAULIQUE

Une centrale hydro-électrique comporte essentiellement :

5.1 BARRAGE

Les barrages de retenue sont établis en travers du lit des rivières ils servent à concentrer les chutes près des usines et à former des réservoirs d’emmagasinage. On peut ainsi créer des réserves d’eau pour compenser l’insuffisance de débit pendant les périodes de sécheresse et assurer à l’usine une alimentation en eau plus uniforme.

Les barrages peuvent être en béton, en enrochement ou en terre. Les barrages du type poids sont les plus utilisés, ils s’opposent à la poussée des eaux par leur masse même.

5.2 CONDUITE D’AMENEE

Elle conduit l’eau du barrage jusqu’au turbines. A l’extérieur de l’usine, elle est constituée par un canal, un tunnel ou un tuyau, la partie intérieure appelée conduite forcée est en béton, en acier ou en fonte. On dispose à l’entrée de la conduite forcée, des vannes qui permettent de contrôler l’admission de l’eau. Ces vannes sont commandées par le régulateur de vitesse.

5.3 CONDUITE D’ECHAPPEMENT

Après être passée dans les turbines, l’eau retourne dans la rivière par la conduite d’échappement. Cette dernière comporte une cheminée de succion et un canal de fuite qui peut être le lit même de la rivière.

5.4 SALLE DE COMMANDE

Les appareils de commande et de contrôle sont groupés ensemble dans une salle d’où le personnel peut surveiller la marche des groupes générateurs.


6.1 AVANTAGES

Usage de ressources renouvelables, sans émission de gaz à effet de serre pour la production d’électricité

Forte réactivité (Démarrage en quelques secondes

Longue durée de vie (plus de 50 ans)

Coût de production d’électricité faible

6.2 INCONVENIENTS

Raréfaction des sites exploitables (contraintes géographiques)

Acceptabilité sociétale potentiellement complexe (impact sur la continuité écologique des cours d’eau)

Production d’électricité fatale pour les centrales sans stock



ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE

1. PRINCIPE

Transformer le rayonnement solaire en électricité à l’aide d’une cellule photovoltaïque.

L'ECLAIREMENT OU IRRADIANCE (G) est défini comme une puissance reçue par une surface. Il s'exprime en Watt/mP

2P. Le S.I. (système international d’unités)

recommande d’utiliser le symbole E.

L'IRRADIATION OU RAYONNEMENT (H) est l'énergie reçue par une surface. Elle s'exprime en J mP

-2P. D'autres unités plus courantes sont le Wh/mP

2P.

Signalons que l’irradiation solaire dépend de:

l’orientation et l’inclinaison de la surface,

la latitude du lieu et son degré de pollution,

la période de l’année,

l’instant considéré dans la journée,

la nature des couches nuageuses.

2. TECHNOLOGIE

2.1 CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE

L’effet photovoltaïque est la création d'une force électromotrice liée à l'absorption d'énergie lumineuse dans un solide.



C’est le seul moyen connu actuellement pour convertir directement la lumière en électricité.

La cellule photovoltaïque constitue l’élément de base des panneaux solaires photovoltaïques, il s’agit d’un dispositif semi-conducteur à base de silicium délivrant une tension de l’ordre de 0,5 à 0,6 V.

La cellule photovoltaïque est fabriquée à partir de deux couches de silicium (matériau semi-conducteur):

Une couche dopée avec du bore qui possède moins d'électrons que le silicium, (05 é dont 03 CP), cette zone est donc dopée positivement (zone P),

Une couche dopée avec du phosphore qui possède plus d'électrons que le silicium (15 é dont 05 CP), cette zone est donc dopée négativement (zone N).

Lorsqu'un photon de la lumière arrive, son énergie crée une rupture entre un atome de silicium et un électron, modifiant les charges électriques. Les atomes, chargés positivement, vont alors dans la zone P et les électrons, chargés négativement, dans la zone N. Une différence de potentiel électrique, c'est-à-dire une tension électrique, est ainsi créée. C'est ce qu'on appelle l'effet photovoltaïque

A la surface, le contact électrique (électrode négative) est établi par la grille afin de permettre à la lumière du soleil de passer à travers les contacts et de pénétrer dans le silicium.

Les cellules solaires sont recouvertes d’une couche antireflet qui protège la cellule et réduit les pertes par réflexion. C’est une couche qui donne aux cellules solaires leur aspect bleu foncé.



2.2 MODULE SOLAIRE OU PHOTOVOLTAÏQUE

Association des cellules en série

Les caractéristiques électriques d’une seule cellule sont généralement insuffisantes pour alimenter les équipements électriques. Il faut associer les cellules en série pour obtenir une tension plus importante : le module solaire ou panneau photovoltaïque.

Un panneau photovoltaïque est un assemblage en série de cellules permettant d'obtenir une tension de 12 volts.

La puissance d'un panneau solaire est fonction de sa surface, c'est à dire du nombre de cellules photovoltaïques.

Un panneau constitué de 24 cellules photovoltaïques va donc délivrer une tension U de 12 V, et cela quel que soit l’ensoleillement.

Mais pour faire fonctionner des appareils électriques, c’est l’intensité I du panneau, variant en fonction de l’ensoleillement, qui va déterminer l’énergie électrique.

Définition du watt crête : la puissance crête d’une installation photovoltaïque est la puissance maximale délivrée par un module dans les conditions optimales (orientation, inclinaison, ensoleillement,…). Elle s’exprime en Watt crête (Wc).

En première approximation, on estime qu’un module de 1 mP

2P

produit 100 Wc.

Diodes « by-pass »

La mise en série des cellules peut être dangereuse lorsque l’une d’entre elles se retrouve à l’ombre. Elle va s’échauffer et risque de se détruire.

En effet, une cellule "masquée" voit l'intensité qui la traverse diminuer. De ce fait, elle bloque la circulation de l'intensité "normale" produite par les autres modules. La tension aux bornes de cette cellule "masquée" augmente, d’où apparition d’une surchauffe.

C'est l'effet d'autopolarisation inverse. Une telle cellule est appelée "Hot spot".



Pour supprimer ce problème et protéger la cellule « masquée », on place des diodes «bypass» en anti-parallèles sur 18 ou 24 cellules de façon à court-circuiter les cellules ombrées.

Un panneau solaire dispose d'une à trois diodes by-pass, en fonction de son nombre de cellules (en moyenne 36 cellules pour 3 diodes bypass). En cas de masque :

1 diode : 100 % du module est en by-pass,

2 diodes : 50 % du module est en by-pass,

3 diodes : 33 % du module est en by-pass.

Exemple :

Au niveau de la 2P

èmeP rangée, le courant passe par la diode by-pass pour cause

d’ombrage.

2.3 CONSTITUTION D’UN CHAMP PHOTOVOLTAÏQUE

Afin d’obtenir la tension nécessaire à l’onduleur, les panneaux sont connectés en série. Ils forment alors une chaîne de modules ou string.

Les chaînes sont ensuite associées en parallèle et forment un champ photovoltaïque (champ PV).

Il faut également installer des diodes ou des fusibles en série sur chaque chaîne de modules.



Ces protections sont utiles pour éviter qu’en cas d’ombre sur une chaîne, elle se comporte comme un récepteur et que le courant y circule en sens inverse et l’endommage.

3. LES DIFFERENTES INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES

3.1 LES INSTALLATIONS SUR SITE ISOLE

Figure : Schéma de principe

L’énergie produite doit être directement consommée et/ou stockée dans des accumulateurs pour permettre de répondre à la totalité des besoins.

Les panneaux photovoltaïques produisent un courant électrique continu.

Le régulateur optimise la charge et la décharge de la batterie suivant sa capacité et assure sa protection.

L’onduleur transforme le courant continu en alternatif pour alimenter les récepteur AC.

Les batteries sont chargées de jour pour pouvoir alimenter la nuit ou les jours de mauvais temps.

Des récepteurs DC spécifiques sont utilisables. Ces appareils sont particulièrement économes.

3.2 LES INSTALLATIONS RACCORDEE AU RESEAU DE DISTRIBUTION PUBLIC

Solution avec injection totale

Toute l’énergie électrique produite par les capteurs photovoltaïques est envoyée pour être revendue sur le réseau de distribution.

Cette solution est réalisée avec le raccordement au réseau public en deux points :

le raccordement du consommateur qui reste identique avec son compteur de consommation (on ne peut pas utiliser sa propre production),

le nouveau branchement permettant d’injecter l’intégralité de la production dans le réseau, dispose de deux compteurs :

− l’un pour la production,

− l’autre pour la non-consommation (permet de vérifier qu’aucun soutirage frauduleux n’est réalisé).



Solution avec injection de surplus

Cette solution est réalisée avec le raccordement au réseau public en un point : l’utilisateur consomme l’énergie qu’il produit avec le système solaire et l’excédent est injecté dans le réseau.

Quand la production photovoltaïque est insuffisante, le réseau fournit l’énergie nécessaire.

Un seul compteur supplémentaire est ajouté au compteur existant.

4. AVANTAGES ET INCONVENIENTS 4.1 AVANTAGES

Energie indépendante, le combustible (le rayonnement solaire) est renouvelable et gratuit.

L'énergie photovoltaïque est une énergie propre et non-polluante qui ne dégage pas de gaz à effet de serre et ne génère pas de déchets.

Génère l’énergie requise.

Réduit la vulnérabilité aux pannes d’électricité.

L’extension des systèmes est facile, la taille d’une installation peut aussi être augmentée par la suite pour suivre les besoins de la charge.

La revente du surplus de production permet d'amortir les investissements voir de générer des revenus.

Entretien minimal.

Aucun bruit.

4.2 INCONVENIENTS

La fabrication des panneaux photovoltaïques relèvent de la haute technologie demandant énormément de recherche et développement et donc des investissements coûteux.

Les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles.

Nécessite un système d’appoint (batteries) pour les installations domestiques.

Le coût d'investissement sur une installation photovoltaïque est cher.

5. TECHNOLOGIE DE CAPTEURS

Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. Il doit être purifié afin d’obtenir un silicium de qualité photovoltaïque.

Il se présente alors sous la forme de barres de section ronde ou carrée appelée lingots.

Les lingots sont ensuite découpés en wafers : fines plaques de quelques centaines de microns d’épaisseur. Ils sont ensuite enrichis en éléments dopants pour obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N.



Des rubans de métal sont alors incrustés en surface et raccordés à des contacts pour constituer des cellules photovoltaïques.

Les cellules les plus utilisées pour la production d’électricité sont les cellules silicium polycristallin grâce à leur bon rapport qualité-prix.

Les constructeurs garantissent une durée de vie de 20 à 25 ans à 80 % de la puissance nominale. Remarque

On estime qu’une cellule photovoltaïque doit fonctionner environ 2 à 3 ans pour produire l’énergie qui a été nécessaire à sa fabrication.

6. COMPARAISON DES TROIS PRINCIPALES TECHNOLOGIES DE CAPTEURS

TECHNOLOGIE MONOCRISTALLIN POLYCHRISTALLIN AMORPHE Cellule et module

Caractéristiques

Très bon rendement : 14 à 20 %. Durée de vie : importante (30 ans) Coût de fabrication : élevé. Puissance : 100 à 150 Wc/m2. 7 mP

2P/kWc.

Rendement faible sous un faible éclairement. perte de rendement avec l’élévation de la température. Fabrication : élaborés à partir d’un bloc de silicium fondu qui s’est solidifié en formant un seul cristal Couleur bleue uniforme.

Bon rendement : 11 à 15 %. Durée de vie :

importante (30 ans) Coût de fabrication : meilleur marché que les panneaux monocristallins Puissance :

100 Wc/m2. 8 m2/kWc. Rendement faible sous un faible éclairement. perte de rendement avec l’élévation de la température. Fabrication : élaborés à partir de silicium de qualité électronique qui en se refroidissant forme plusieurs cristaux. Ces cellules sont bleues, mais non uniforme : on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

Rendement faible : 5 à 9%. Durée de vie : assez importante (20 ans)

Coût de fabrication : peu onéreux par rapport aux autres technologies Puissance : 50 Wc/m2. 16 m2/kWc. Fonctionnement correct avec un éclairement faible. Peu sensible aux températures élevées. Utilisables en panneaux souples. Surface de panneaux plus importante que pour les autres panneaux au silicium. Rendement faible en plein soleil. Performances diminuant avec le temps. Fabrication : couches très minces de silicium qui sont appliquées sur du verre, du plastique souple ou du métal, par un procédé de vaporisation sous vide.

Part de marché 43 % 47 % 10 %



ENERGIE EOLIENNE

1. QU’EST-CE QUE L’ENERGIE EOLIENNE

L’énergie éolienne qui doit son nom au dieu grecque responsable des vents nommé Eole, est produite par la force exercée par le vent sur les pales d’une hélice. Il est possible ainsi de produire deux sortes d’énergies. Premièrement, l’hélice peut se relier à des systèmes mécaniques servant à moudre le grain ou à pomper l’eau (il s’agit du principe des moulins à vent). Il est aussi possible de rattacher l’hélice à un générateur transformant l’énergie mécanique en énergie électrique.

La quantité d’énergie produite dépend en premier lieu de la vitesse du vent élevé au carré, puis de la surface balayée par les pales et de la densité de l’air.

Une masse du vent animée d'un mouvement rectiligne renferme un énergie sous forme cinétique. On l'exprime par la relation bien connue :

Ec = ½ M V P

2P où M est la masse du vent et V sa vitesse.

Or la masse instantanée du vent qui traverse la surface balayée par les pales d'une éolienne vaut : M = A ρ V où A est la surface balayée par les pales, ρ la densité de l'air et V sa vitesse.

La puissance théorique qu'une éolienne pourrait retirer de l'action du vent est donc : PRmaxR = ½ A ρ VP

3

2. FONCTIONNEMENT D’UNE EOLIENNE

L’éolienne, appelée aussi aérogénérateur, permet une transformation de l’énergie cinétique produite par le vent en énergie mécanique de rotation dans le but de produire de l’électricité.

Il existe deux types d’éoliennes : certaines ont un axe horizontal, parallèle au


Production de l’énergie électrique sol, et d’autres avec un axe vertical, perpendiculaire au sol.

L’éolienne à axe horizontal est munie de pales (généralement deux ou trois) qui tournent dans un plan vertical. Ainsi l’éolienne doit s’orienter face au vent pour une bonne efficacité. Les pales des éoliennes à axe vertical tournent quant à elles dans un plan horizontal et prennent alors le vent plus facilement.

Type Savonius Type Darrieus

Type Darrieus

Figure 1: Eolienne à axe vertical

2.1 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L’EOLIENNE A AXE VERTICAL

Générateur au sol Structure / construction simplifiée Peu bruyantes, plus petites et esthétiques Résistance forte aux variations climatiques Démarrage à faible vitesse (Savonius) Rendement faible Masse non négligeable

Figure 2: Eolienne à axe horizontal



2.2 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L’EOLIENNE A AXE HORIZONTAL

Stabilité de la structure Bon rendement Bruyantes, peu esthétiques

L’éolienne à axe horizontal est pourtant beaucoup plus courante. C’est pourquoi nous expliquons son fonctionnement en détail.

3. COMPOSANTS D’UNE EOLIENNE A AXE HORIZONTAL

Figure 3: Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur

Les éoliennes à axe horizontal sont composées :

Des fondations : Elles assurent l’ancrage et la stabilité de l’éolienne. Leur taille est proportionnelle à la hauteur de l’éolienne. Dans le cas des éoliennes les plus connues, la fondation nécessite environ 2000 tonnes de béton. Du mât (ou tour) : Il est généralement en métal, il supporte l’ensemble des équipements permettant de produire l’électricité (nacelle + rotor).

Aujourd’hui, les mâts atteignent environ 80 m de haut. Si les éoliennes sont si haut perchées dans le ciel, c’est parce que le vent souffle plus fort en hauteur et elles ne subissent pas la conséquence de différents obstacles, donc c’est à cette hauteur que le rapport coût/rentabilité est le plus conséquent. Il faut également savoir que la puissance fournie par une éolienne est proportionnelle au cube de la vitesse du vent.

L’armoire de couplage au réseau électrique : C’est ce qui raccorde l’éolienne au réseau électrique domestique. De la nacelle : Elle abrite les équipements qui produisent l’électricité à partir de la rotation de l’axe du rotor, qu’on appelle aussi « arbre ». Le transport de l’électricité produite dans la nacelle jusqu’au sol est assuré par des câbles électriques descendant à l’intérieur du mât de l’éolienne.



Elle est composée de différents systèmes :

Figure 4: Composants de la nacelle

− Le système d’orientation : C’est une couronne dentée équipée d’un moteur qui permet d’orienter l’éolienne et de la verrouiller dans l’axe du vent grâce à un frein. Il a donc pour but de disposer les pales face au vent. − Le générateur : il assure la production électrique. Sa puissance peut atteindre jusqu’à 5 MW. Il peut-être une dynamo (produit du courant continu) ou un alternateur (produit du courant alternatif). L’alternateur est le plus utilisé pour des raisons de coût et de rendement. − Le système de régulation électrique : Il ralentit le rotor du générateur en cas de surrégime. − Le multiplicateur : Le multiplicateur est un convertisseur de puissance : il multiplie la vitesse d’entrée (rotor de l’éolienne) pour atteindre la vitesse de sortie exigée par la génératrice électrique, en multipliant parfois par 70 la vitesse de rotation initiale. Il est constitué d’un assemblage d’engrenages. − Le frein : Il permet de freiner l’arbre primaire (l’arbre qui relie les pales au multiplicateur) en cas de vents violents.

Du rotor : composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne − Les pales : Elles sont les capteurs de l'énergie cinétique qui transmettent l'énergie au rotor. Elles sont en fibres de verre et matériaux composites. Leur profil est le fruit d'études aérodynamiques complexes. − Le moyeu : Il permet d’orienter les pales pour réguler la vitesse de rotation.

UNB :U Il existe aussi au sein d’une éolienne : un système de refroidissement à air, à eau ou à huile destiné au générateur et au multiplicateur ainsi qu’un système de contrôle électronique servant à gérer le fonctionnement général de l’éolienne.

4. CRITERES DE CHOIX DE SITES EOLIENS

Les critères de choix de l'implantation éolienne dépendent de:

la taille, la puissance



et du nombre d'unités.

Ils incluent la présence d'un vent régulier et diverses conditions telles que :

présence d'un réseau électrique pour recueillir le courant, absence de zones d'exclusion (dont périmètre de monuments historiques, sites classés..), terrain approprié, etc.

L'efficacité d'une éolienne dépend de son emplacement.

Les sites sont d'abord choisis en fonction de la vitesse et la fréquence des vents présents.

Un site avec des vents d'environ 30 km/h de moyenne sera environ huit fois plus productif qu'un autre site avec des vents de 15 km/h de moyenne.

Une éolienne fonctionne d'autant mieux que les vents sont réguliers et fréquents.

Un autre critère important pour le choix du site est la constance de la vitesse et de la direction du vent, autrement dit la turbulence du vent.

En règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent est comprise entre 10 et 30 km/h,

Des valeurs excessives conduiraient à la destruction de l'éolienne ou à la nécessité de la « débrayer » (pâles en drapeau) pour en limiter l'usure.

La vitesse du vent doit donc être comprise le plus souvent possible entre ces deux valeurs pour un fonctionnement optimal de l'éolienne.

De même, l'axe de rotation de l'éolienne doit rester la majeure partie du temps parallèle à la direction du vent.

Même avec un système d'orientation de la nacelle performant, il est donc préférable d'avoir une direction de vent la plus stable possible pour obtenir un rendement optimal.

Certains sites proches de grands obstacles sont à éviter car le vent y est trop turbulent (arbres, bâtiments, escarpements complexes, etc.).

De manière empirique, on trouve les sites propices à l'installation d'éoliennes en observant les arbres et la végétation.

Les implantations industrielles utilisent des cartes de la vitesse des vents des atlas éoliens (là où ils existent) ou des données accumulées par une station météorologique proche.

La mer et les lacs sont aussi des emplacements de choix : il n'y a aucun obstacle au vent, et donc, même à basse altitude, les vents ont une vitesse plus importante et sont moins turbulents.

D'autres critères sont pris en compte pour le choix du site.

La nature du sol : il doit être suffisamment résistant pour supporter les fondations de l'éolienne.



L'accessibilité du site (virages, pente, passage de ponts) doit permettre le transport des gros éléments de l'éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires au montage. Cette contrainte peut limiter la puissance maximale installable par machine.

La connexion au réseau électrique. Pour cela, les petites fermes d'éoliennes sont le plus souvent situées à proximité d'un poste de transformation haute tension afin de diminuer le coût de raccordement qui est directement fonction de la distance à ce poste. Pour les grosses fermes éoliennes, le réseau doit être en mesure de supporter l'énergie produite, et son renforcement est parfois nécessaire (renforcement ou création de poste de transformation).


5.1 AVANTAGES

Usage de ressources renouvelables, sans émissions de gaz à effet de serre pour la production d'électricité Intermittence de production pouvant être compensée en partie par le foisonnement des régimes de vent sur le réseau. Conception, installation et maintenance aisée Coût marginal de production d'électricité très faible ("gratuité de la ressource")

5.2 INCONVENIENTS

Intermittence et caractère fatal de la production d'électricité (variabilité dans le temps et dans l'espace de la ressource) Incertitude dans la prévision de la ressource Contraintes géographiques sur les sites éligibles (topographie, obstacles, etc.) Acceptabilité sociétale potentiellement complexe (impact paysager, biodiversité, etc.)



ENERGIE DE LA BIOMASSE

1. INTRODUCTION

Le terme biomasse comprend une grande diversité de matières organiques, d’origine végétale ou animale, parfois insoupçonnées. La plupart sont en fin de vie et peuvent être transformées pour produire de l’électricité, de la chaleur ou du carburant. Il s’agit d’un gisement d’énergie local, renouvelable et propre. Une exploitation durable et équilibrée des gisements de biomasse (tout en préservant la durabilité des ressources) contribue considérablement à la réduction des émissions de gaz à effet de serre et au développement pérenne d’une économie locale.

2. DIVERSITE DES RESSOURCES & DIVERSITE DES USAGES

La diversité des matières organiques disponibles et des différents procédés technologiques mis au point pour valoriser la biomasse en énergie permet d’obtenir différents types d’énergie que ce soit de l’électricité, de la chaleur, ou encore des produits intermédiaires (sous forme liquide, gazeuse ou solide) à finalité énergétique, par exemple le biogaz ou le biocarburant.

La biomasse se transforme en énergie de différentes manières :

2.1 TRANSFORMATION PAR COMBUSTION

Brûler une buche constitue la plus ancienne méthode de valorisation énergétique de la biomasse. La combustion de biomasse solide (tels les résidus de bois) génère de l’énergie thermique. Celle-ci peut être utilisée comme tel pour alimenter par exemple un réseau de chaleur ou être transformée en électricité (par l’intermédiaire d’une turbine vapeur), voire les deux (grâce à un moteur à cogénération).



La combustion de granulés de bois (ou pellets) constitue une alternative de chauffage économique et écologique en comparaison aux énergies fossiles polluantes, que ce soit à l’échelle d’un ménage ou d’une industrie. Les appareils de chauffage proposés sur le marché deviennent, quant à eux, de plus en plus performants en termes de rendement et d’émissions.

2.2 TRANSFORMATION PAR GAZEIFICATION

La gazéification des matières organiques solides (tels les résidus de bois) est un procédé thermochimique qui transforme la biomasse en un gaz de synthèse combustible, appelé syngas (un mélange de deux gaz combustibles : le monoxyde de carbone (CO) et 30Tl’hydrogène 30T(H2)). Il s’agit d’un procédé à la frontière entre la prolyse et la combustion en l’absence d’oxygène, lors duquel le carbone plutôt que de se combiner avec l’oxygène pour former du CO₂, va prendre de l’hydrogène ou une partie de l’oxygène qui traine et produire du monoxyde de carbone (CO). Ce gaz est brûlé dans un moteur pour la production d'énergie mécanique ou d'électricité et de chaleur.

Il est à noter que la gazéification constitue pour certaines applications le moyen le plus performant pour valoriser des déchets.

2.3 TRANSFORMATION PAR METHANISATION

Le procédé de méthanisation est destiné à une biomasse généralement plus humide, du type résidus agricoles, déchets de l’industrie (ex : agroalimentaire) ou effluents ménagers.

Il consiste en la digestion des matières organiques en l’absence d’oxygène sous l’action combinée de micro-organismes. La méthanisation des matières organiques fermentescibles permet de produire du biogaz. Il peut ensuite être transformé en électricité et/ou en chaleur ou en biocarburant destiné au transport.

Certaines installations de production du biogaz valorisent également les plantes et cultures dédiées à des fins énergétiques.

2.4 PRODUCTION DES BIOCARBURANTS :

En fonction des différentes sources de biomasse, la production des biocarburants fait appel à des procédés technologiques très variés. Les différentes générations de biocarburants se développent à des stades variés de maturité.

Les biocarburants de 1P

èreP génération se développent aujourd’hui à l’échelle

commerciale. Ils concernent les procédés technologiques permettant de transformer de manière physicochimique des matières alimentaires riches en sucre, en amidon (ex. le blé, le maïs, la canne à sucre ou encore la betterave) ou en huiles (ex. le colza). Les biocarburants de 1P

èreP génération sont produits à partir de

cultures alimentaires. Il s'agit principalement du bioéthanol et du biodiesel.


http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydrogene-energie


Les biocarburants de 2P

èmeP génération sont, quant à eux, déjà produits. Il

s'agit principalement du biométhane, principalement issu de résidus et de déchets, ainsi que de cultures spécifiques.

Deux autres filières se développement à côté :

3. DIVERSITE DES OPPORTUNITES

La diversité qui caractérise la biomasse et ses technologies rend les filières des bioénergies souvent complexes mais renforce leur haut potentiel de développement.

3.1 SUR LE PLAN ENERGETIQUE : COMPLEMENTARITE ET STABILITE

Grâce à une production stable et son caractère stockable, l’énergie produite à partir de la biomasse (dont l’électricité et la chaleur) est complémentaire aux autres sources d’énergie renouvelable intermittentes (comme l’éolien ou le photovoltaïque). Elle occupe dès lors une place cruciale dans un bouquet énergétique renouvelable permettant d’améliorer notre indépendance énergétique.

3.2 SUR LE PLAN ENVIRONNEMENTAL : EQUILIBRE NATUREL ET CYCLE DE VIE

Nos besoins en énergie sont devenus vitaux, tout comme l’est l’exploitation durable de nos ressources naturelles. Le développement des bioénergies permet de concilier les deux: une production énergétique locale via la valorisation de matières organiques recyclables. Une fois transformées, certaines matières retournent à la terre sous forme de fertilisants. Ceci permet de diminuer le recours aux engrais de synthèse dont la fabrication est fortement dépendante des ressources fossiles. C'est le cas notamment de la biométhanisation qui produit, en plus du biogaz, du digestat qui est utilisé comme fertilisant naturel. Cette technologie présente ainsi une double valeur ajoutée et constitue un parfait exemple de l’économie circulaire.

Sur le plan socio-économique : nouveaux débouchés et emplois

4. CENTRALES ELECTRIQUES A COMBUSTION BIOMASSE SOLIDE

Les centrales à biomasse solide mettent en œuvre une combustion directe de biomasse au sein d'une chaudière, afin de produire de la vapeur à haute température et à haute pression. Cette vapeur entraine une turbine qui génère de l'électricité via un alternateur. Une grande majorité des centrales à biomasse produisant de l’électricité fonctionnent en cogénération, en valorisant l’énergie thermique contenue dans la vapeur en sortie de turbine. L’utilisation d’un fluide de travail organique, alternative aux cycles vapeur, peut-être plus adaptée dans certains cas d’application (température de vaporisation plus basse, etc.).

La biomasse solide regroupe le bois, les déchets de bois, les granulés et autres déchets végétaux et animaux (graisses). Les centrales de taille industrielle privilégient les plaquettes ou les granulés de bois comme combustible qui facilitent le stockage et les opérations de manipulations. La reconversion de centrales thermiques à flamme conventionnelles à charbon en centrales biomasse est une option connaissant un intérêt croissant.



1. Chambre de

combustion

2. Chaudière

3. Turbine à

Vapeur

4. Cogénérateur

5. Condenseur

Figure 1: Eléments principaux d’une centrale à biomasse


5.1 AVANTAGES

Usage de ressources renouvelables avec approvisionnement principalement local

Emissions de gaz à effet de serre limitées pour la production d'électricité (bilan carbone neutre de la biomasse énergie)

Synergies locales possibles (valorisation des résidus de biomasse sur site papetier, etc.)

Conversion de centrales charbon à la biomasse possible

Coûts d’investissement de la biomasse forestière relativement faibles et stables.

Source d’énergie continue, contrairement à l’éolien ou au solaire photovoltaïque.

5.2 INCONVENIENTS

Contraintes d'approvisionnement en biomasse (gestion des parties prenantes, sécurisation sur de longues périodes)

Qualité variable du combustible (taux d’humidité, etc.) Traitement des fumées spécifique (poussières…) Besoin d’un débouché chaleur pour la cogénération Gestion des cendres

Densité énergétique moindre que celle des combustibles fossiles.



ENERGIE GEOTHERMIQUE

1. INTRODUCTION

Actuellement, le développement durable s'intéresse à d'autres filières énergétiques, plus respectueuses de l'environnement et quasiment inépuisables pour l'homme, comme la géothermie.

L’énergie géothermique est un mot composé (du grec géo = la terre et thermie = la chaleur) qui désigne l’énergie provenant de la chaleur naturelle présente dans la croûte terrestre et dans les couches superficielles de la terre.

2. ORIGINE DE LA GÉOTHERMIE

La chaleur de la Terre provient essentiellement (90%) de la désintégration d’éléments radioactifs (uranium, thorium, potassium) présents dans les roches et du noyau terrestre qui génère un flux de chaleur vers la surface.

La chaleur produite par les réactions nucléaires varie avec la composition chimique des roches mais aussi selon l'âge des roches, raison pour laquelle les gradients géothermiques sont plus élevés dans les plates-formes jeunes.

Plus la profondeur est grande et plus la chaleur est élevée, elle augmente en moyenne de 3,3 °C tous les 100 m, mais ces valeurs peuvent être nettement supérieures dans certaines zones instables du globe et même varier de façon importante dans des zones continentales stables.

3. LE GRADIENT GÉOTHERMIQUE

Le Gradient géothermique ou accroissement de la température avec la profondeur varie avec:

La composition chimique des roches (proportion en éléments radioactifs),

Le contexte géodynamique,

La convection, si présence d’eau.

La variation de conductivité thermique (capacité à transférer la chaleur par conduction thermique) des couches sédimentaires.

4. LE FLUX GEOTHERMIQUE

Le Flux géothermique ou flux de chaleur est la quantité d'énergie évacuée par la Terre, exprimée par unité de surface et par unité de temps.

Le flux thermique en un point donné est obtenu en multipliant la conductivité thermique et le gradient thermique. Il dépend de la radioactivité des roches et du refroidissement de la chaleur initiale de la terre par cristallisation du noyau terrestre et il est variable suivant le contexte.

5. CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DE LA GÉOTHERMIE

La géothermie est la seule énergie renouvelable qui s’adresse aux deux grandes filières énergétiques comme illustré sur la figure 1.

production de chaleur


Production de l’énergie électrique production d’électricité

Il existe trois types d’exploitation de la géothermie :

La géothermie très basse température : exploite des réservoirs situés à moins de 100 m et dont les eaux ont une température inférieure à 30 °C ; on l’utilise pour le chauffage et la climatisation grâce à une pompe à chaleur.

La géothermie basse énergie : utilise des aquifères à des températures comprises entre 30°C et 100°C, on l’exploite dans des réseaux de chaleur pour le chauffage urbain ou dans le cadre de procédés industriels.

La géothermie moyenne et haute énergie (jusqu’à 250°C) : est utilisée pour produire de l’électricité via des turbines

Figure 1 : Géothermie : principaux usages en fonction du contexte géologique.

6. LA GEOTHERMIE MOYENNE ET HAUTE ENERGIE

Cette technologie nécessite des sols particuliers où la température est naturellement élevée (>150 °C), c'est le cas notamment des zones volcaniques où la température de sous-sol peut augmenter de 1000 °C/100 m.

La géothermie haute température consiste là encore à un doublet géothermique. A ces profondeurs, l'eau pompée est supérieure à 200°C.



Figure 2 : Schéma d’une centrale géothermique

7. AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS

7.1 AVANTAGES

Les puissances produites peuvent être importantes

La technologie de production d'électricité est bien maîtrisée (turbine/alternateur)

7.2 INCONVÉNIENTS

Seules les régions volcaniques sont pour l'heure concernées par la géothermie moyenne/haute température

Le coût des forages très élevé

Les forages doivent être bien réfléchi pour préserver la ressource en eau souterraine et ne pas la polluée.



LA PILE A COMBUSTIBLE

1. PRESENTATION GENERALE

Une pile à combustible (PAC) permet de convertir directement de l’énergie chimique de combustion (oxydo-réduction) en énergie électrique, en chaleur et en eau. Les PAC sont constituées d’un assemblage de cellules électrochimiques, d’où l’appellation « pile ». La tension aux bornes d’une cellule est souvent de l’ordre de 0,7 V. L’association d’un certain nombre de cellules permet d’obtenir des tensions et courants électriques adaptés aux besoins.

Le cœur d’une PAC est constitué de trois éléments, dont deux électrodes : une anode oxydante (émettrice d’électrons); une cathode réductrice (collectrice d’électrons) séparées par un électrolyte.

L’électrolyte a la propriété de conduire directement d’une électrode à l’autre des molécules ionisées et de faire barrage aux électrons en les obligeant à passer par le circuit extérieur de la pile ou leur énergie électromotrice peut être exploitée.

L’alimentation d’une PAC se fait par injection continue de combustible à l’anode, généralement de l’hydrogène, et à la cathode, généralement le dioxygène (oxygène dans le langage courant) de l’air ou l’air lui-même. Une énergie électrique continue est alors disponible aux bornes de la pile.

Historiquement, la première pile à combustible datant de 1839 a été inventée par William Robert Grove. Dès 1932, ses travaux furent repris par Francis Thomas Bacon, qui mit au point les premiers prototypes de piles à dihydrogène capables de produire une énergie électrique. Les premières utilisations concrètes concernent les missions spatiales dont Apollo, Gemini, et les navettes spatiales. Plus récemment, les piles à combustible ont connu un regain d’intérêt et ont été perfectionnées.


http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/energie-chimique

http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/energie-chimique

http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydrogene-energie

Production de l’énergie électrique 2. DIFFERENTS TYPES ET FONCTIONNEMENT TECHNIQUE

Les piles à combustible utilisant l’hydrogène ou un combustible hydrogéné sont appelées « piles à hydrogène ».

Les piles à combustible se différencient d’abord par la nature de leur électrolyte, soit acide conduisant les ions positifs (protons HP

+P) de l’anode à la

cathode, soit basique (anions OHP

-P, OP

2-P, COR3RP

2-P) en sens contraire. Celui-ci

détermine en même temps la température de fonctionnement

2.1 PILE A COMBUSTIBLE A MEMBRANE D'ECHANGE DE PROTONS

Dans cette pile, le dihydrogène arrive au niveau de l’anode, et est ionisé selon la réaction d’oxydation:

𝐻𝐻2 → 2𝐻𝐻+ + 2𝑒𝑒−

Les électrons sont captés par l’électrode et injectés dans le circuit électrique. L’anode constitue la borne négative.

Les protons, quant à eux, passent à travers la membrane constituée par l’anode. Ils vont migrer à travers l’électrolyte jusqu’à atteindre la cathode.

Avec les électrons incidents à la cathode et l'arrivée de dioxygène, les protons participent à la réaction de réduction:

4𝐻𝐻+ + 4𝑒𝑒− + 𝑂𝑂2 → 2𝐻𝐻2𝑂𝑂

La cathode est la borne positive.

L'équation globale de la réaction est:

𝑂𝑂2 + 2𝐻𝐻2 → 2𝐻𝐻2𝑂𝑂

Elle est exothermique c'est-à-dire qu'il y a dégagement de chaleur au sein de la pile (pouvant dépasser exceptionnellement 100 °C!). La vapeur d’eau produite sort de la pile en emportant une part de l’énergie thermique. Cette chaleur peut être mise à profit : chauffage, source d’eau chaude.

Au niveau des deux électrodes, les demi-réactions sont catalysées (le platine est le plus fréquent des catalyseurs).



La technologie des piles à combustible à membrane d'échange de protons est actuellement en plein développement grâce aux progrès effectués en physique des matériaux (en ce qui concerne les membranes).

2.2 PILE A COMBUSTIBLE ALCALINE

Dans la pile vue précédemment, les protons migrent entre les électrodes. Ici, ce sont des ions hydroxydes (𝐻𝐻𝑂𝑂−) qui se déplacent dans un électrolyte constitué d’une solution basique (d’où le terme « alcalin »), comme par exemple l’hydroxyde de potassium (𝐾𝐾𝐻𝐻𝑂𝑂−).

Au niveau de la cathode (borne positive), le dioxygène réagit avec de l’eau selon la réaction:

𝑂𝑂2 + 2𝐻𝐻2𝑂𝑂 + 4𝑒𝑒− → 4𝐻𝐻𝑂𝑂−

Il s’agit d’une réduction.

Puis, les ions 𝐻𝐻𝑂𝑂− vont migrer jusqu’à l’anode, où ils vont réagir avec le dihydrogène selon la réaction d’oxydation :

2𝐻𝐻2 + 4𝐻𝐻𝑂𝑂− → 4𝐻𝐻2𝑂𝑂 + 4𝑒𝑒−

Une partie de l’eau produite va s’échapper de la pile sous la forme de vapeur d’eau. L’autre partie restera dans la solution alcaline de l’électrolyte, de sorte que la solution ne verra pas sa quantité d’eau varier. La réaction globale qui a lieu est ainsi :

𝑂𝑂2 + 2𝐻𝐻2 → 2𝐻𝐻2𝑂𝑂

Le tableau ci-après résume les divers types de piles couramment développées :


Production de l’énergie électrique On distingue ainsi 6 types de piles à combustible :

Trois à électrolytes acides (ions HP

+P migrant de l’anode vers la cathode):

− Les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). L’électrolyte est constitué d’une membrane solide polymère fonctionnant à basse température. (20-100°C). Celle-ci transmet sélectivement vers la cathode les ions HP

+P formés par oxydation catalytique de l’hydrogène injectée

directement sur l’anode ;

− Les DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Au lieu d’hydrogène, ces piles utilisent comme combustible le méthanol (CHR3ROH). Injecté directement sur l’anode avec de l’eau son oxydation catalytique produit des ions HP

+P et du gaz

carbonique. Comme sur les PEMFC, une membrane solide polymère transmet sélectivement les HP

+P vers la cathode

− Les PAFC (Phosphorique Acid Fuel Cell) utilisent à la place de membranes solides de l’acide phosphorique liquide occlus dans une matrice solide poreuse. Elles peuvent fonctionner jusqu’à 200°C.

Trois à électrolytes basiques (ions négatifs migrant de la cathode vers l’anode) :

− Les AFC à potasse liquide (Alkaline Fuel Cell) utilisent l’ion OHP

- Plibéré par

réduction catalytique de cette base sur la cathode ;

− Les MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) utilisent des carbonates de lithium et de potassium fondus pour faire migrer des ions COR3RP

2-P ;

− Les SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) exploitent un électrolyte solide (zircone dopé aux terres rares) pour produire des ions OP

2-P.

Les piles à combustible se différencient aussi par leurs domaines d’application. Ce sont principalement :

les transports : voitures électriques, bus, aéronefs ;

les appareils portables : ordinateurs, téléphones, DVD, etc ;

la production stationnaire d’électricité et la cogénération chaleur/électricité;

la Défense : sous-marins et l’espace.


http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydrogene-dans-les-transports

http://www.connaissancedesenergies.org/qu-est-ce-que-la-cogeneration

Production de l’énergie électrique 3. AVANTAGES ET INCONVENIENTS

3.1 AVANTAGES

Rendements très élevés

Hydrogène : élément le plus abondant sur terre (eau)

Peu ou pas polluant : (pas de rejet de gaz à effet de serre, ni de SOx, ni de NOx, ni de particules)

Très silencieuses

Peu encombrantes (miniaturisation possible)

3.2 INCONVENIENTS

Le platine employé en tant que catalyseur est un polluant. Coûteux,

Les piles à combustible sont chères : c'est pourquoi cette technologie ne s’est pas développée davantage.

Le dihydrogène est un combustible non-polluant. Cependant, il est rare d'où l'obligation de le produire industriellement à partir d’un autre combustible (hydrocarbures ou autre) : on parle alors de reformage. Ainsi, il peut être imaginé de faire appel directement à des combustibles « standards », sans faire appel au dihydrogène.

Des recherches visent à limiter ou à remplacer le platine et étudient la possibilité d’utiliser directement des combustibles (comme des hydrocarbures ou des alcools) sans avoir à les reformer en dihydrogène.



PRODUCTION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE EN ALGERIE

1. INTRODUCTION

Dès son indépendance, en 1962, l'Algérie avait opté pour le développement du secteur de l’énergie, dans le cadre d’une politique nationale visant le développement des infrastructures électriques. Cette politique prévoit l'accès de la population à l'électricité comme une priorité absolue pour l’amélioration de la qualité de vie du citoyen et de la situation économique du pays. La charte nationale en 1976, annonça la volonté de généralisation de l'électrification des ménagers à travers tout le territoire national.

Ces dernières années, la demande en électricité a connu une évolution importante et particulièrement en périodes estivale, atteignant des pics de consommation importants. Cette forte augmentation de la demande est une conséquence directe du changement des habitudes du consommateur et l’amélioration de sa qualité de vie, ainsi que la pulsion donnée au secteur économique et industriel.

Conscient de cet enjeux et de l’importance de l’accès à l’électricité pour les citoyens, le secteur s’est fixé comme priorité de développer tous les axes permettant de garantir la couverture à long terme, des besoins en électricité du pays, notamment par la diversification des sources d’énergie, le développement du parc de production électrique et des infrastructures de transport et de distribution de l’électricité.

L’entreprise SONELGAZ en tant qu’entreprise publique au terme du monopole conféré par l’Etat, assumait seule la mission de service public dans le domaine de la distribution de l’électricité et du gaz.

La promulgation de la nouvelle loi n° 02-01 du 05 février 2002 a donné le coup d’envoi pour la réorganisation du secteur et l’ouverture du marché électrique à la concurrence, elle a également permis la réorganisation de Sonelgaz qui s’est achevée en 2011, avec la création de la société holding « Sonelgaz » ainsi que l’ensemble de ses sociétés filiales. Sonelgaz est aujourd’hui érigé en Groupe industriel composé de 39 filiales et 5 sociétés en participation. Des filiales métiers sont charges des activités de production de l’électricité, de transport et de la distribution de l’électricité et du gaz.

2. HISTORIQUE DE LA SOCIETE DE PRODUCTION D’ELECTRICITE « SPE »

1910 : La mise en service de la première centrale hydraulique d'une puissance de 4.2MW au fil de l'eau dans les gorges du Rhumele à Constantine

1913 : Intégration de la filière thermique vapeur - TV dans le parc de production par la mise en service de la première centrale thermique à vapeur fonctionnant au charbon d'une puissance installée de 22MW à Mers El Kebir, Oran

1914 – 1920 : Développement important de la filière TV fonctionnant au charbon avec la mise en services de 3 ouvrages

Centrale El Hamma d'une puissance installée de 64MW

Centrale d'Alger port d'une puissance installée de 34MW


Production de l’énergie électrique Centrale d'Annaba d'une puissance installée de 58MW

1950-1963 : Développement important de la filière Hydraulique TH avec la mise en service de 9 ouvrages totalisant une puissance globale de 208MW

1960 : Intégration de la filière Turbine à Gaz par la mise en service de la première turbine à gaz TG en Algérie (Haoud El Hamra) d'une puissance installée de 22MW

1962: La production de l'Electricité était assurée par la compagnie de l'Electricité Gaz d'Algérie, la puissance installée était de 548MW

1969 : Création de la Sonelgaz par l'ordonnance N°6959 juillet 1969, l'activité de la production de l'Electricité été intégrée dans cette dernière

1970-1979: Développement important du parc de production avec une production à base de turbines à vapeur.

1980-1995: Introduction des paliers 100MW pour les TG et paliers 169-196MW pour les TV

1995 : Introduction des paliers TG supérieur à 100MW jusqu'à 215MW

2002 : Promulgation de la loi sur l'électricité N°02-01 relative à l'électricité et à la distribution du gaz par canalisation

Janvier 2004 : La direction de la production de l'électricité (DPE), Direction au sein de la société Sonelgaz devient la Société de Production de l'Electricité SPE, filiale issue de la restructuration de Sonegaz, au capitale de 35 milliards de dinars, dont le siège sociale est sis, immeuble des 700 bureaux, route nationale n°38 Gué de Constantine, Alger

2009 : Changement de dénomination : Société Algérienne de Production de l’Electricité dénommée par abréviation SPE.

2010-2013 : Un rajeunissement du parc de production avec la mise en service successives, de six (06) nouvelles centrales Turbine à Gaz d'une capacité totale de 2000MW.

SPE a donné naissance en avril 2013 à une autre filiale de production d'électricité par scission dénommée SKTM.

2014 Horizons 2017 : Introduction du cycle combiné dans le parc de production de SPE, Une technologie aux normes d'efficacité énergétique et du respect de l'environnement.

3. LA PRODUCTION D’ELECTRICITE EN ALGERIE

Les impératifs de préservation de l’environnement imposent l’utilisation du gaz naturel comme énergie primaire pour la production d’électricité, par rapport aux autres énergies fossiles jugées polluantes, sachant que la ressource du gaz est largement disponible en Algérie.

Mais la préoccupation environnementale exige aussi de développer d’autres énergies dites propres et renouvelables comme l’énergie solaire et éolienne, dont les gisements sont disponibles et abondants au sud du pays. Les perspectives de relance de l’économie se traduiront également par un impact certain sur le plan


Production de l’énergie électrique socio-économique et par conséquent, une augmentation notable de la consommation d’électricité, notamment en saison estivale.

Les perspectives de relance de l’économie se traduiront également par un impact certain sur le plan socio-économique et par conséquent, une augmentation notable de la consommation d’électricité, notamment en saison estivale.

Aussi, pour répondre à ce besoin en électricité sans cesse croissant, un programme ambitieux a été engagé pour le dédoublement des capacités de production conventionnelle.

4. PRINCIPAUX PRODUCTEURS D’ELECTRICITE EN ALGERIE

Le parc de production national est constitué des centrales électriques de la Société Algérienne de Production de l’Électricité (SPE), et des sociétés en partenariat, à savoir:

Kahrama Arzew mise en service fin 2005 ; Shariket Kahraba Skikda « SKS » mise en service en 2006 ; Shariket Kahraba Berrouaghia « SKB » (Médéa) mise en service en 2007; Shariket Kahraba Hadjret Ennouss « SKH » mise en service en 2009. Shariket Kahraba Terga « SKT » mise en service en 2012 ; Shariket Kahraba Koudiet Edraouch « SKD » mise en service en 2013.

5. CAPACITE DE PRODUCTION ET POTENTIALITES EN ENERGIE

ELECTRIQUE

5.1 CENTRALES DE PRODUCTION NATIONALE SPE

Le tableau suivant résume les centrales qui compose le parc de production national de l’énergie électrique, un parc dominé par le cycle combiné avec cinq (5) centrales d’une puissance totale de 5007 MW représentant un pourcentage de 35.87%, elles sont suivies par seize (16) centrales à gaz d’un totale de 4701 MW, avec un pourcentage de 33.67%, et puis neuf (9) centrales à vapeur qui produisent un total de 3833 MW (27.46%), viendront ensuite treize (13) centrales hydrauliques avec un total de 269.208 MW soit 1.93%, et enfin 150 MW de la puissance totale nette est produite par la nouvelle centrale hybride de Hassi R’Mel qui représente 1.07% de la production totale.



Région Localité Type Puis. (MW) Région Localité Type Puis.

(MW)

ALGER

ALGER PORT TG FIXE 2x36 El oued EL OUED TG MOBILE 8x23 HAMMA 2 TG FIXE 2x209

Laghouat TIGHEMT 1 TG FIXE 2x100

BAB EZZOUAR TG FIXE 4x27 TIGHEMT 3 TG FIXE 3x197 HAMMA TG MOBILE 2x24 Hassi R’Mel H.RNORD TG FIXE 4x22 SABLETTE TG MOBILE 2x25 GHardaia GHARDAIA TG FIXE 2x8.5 BARAKI TG MOBILE 3x24 Béchar Béchar TG FIXE 4x6

Blida

LARBAA TG FIXE 4x140

Adrar

ADRAR TG FIXE 3x15+2x 20+4x25

BOUFARIK 1 TG FIXE 4x24 ADRAR TG MOBILE 2x23 BOUFARIK 2 TG FIXE 3x235 KABERTENE TG MOBILE 2x23

BOUFARIK 3 TG MOBILE 2x24 Z.KOUNTA TG MOBILE 4x23+ 4x25

BENI MERED TG MOBILE 2x24 TIMIMOUN TG MOBILE 2x23+ 2x25

Tipaza AHMER EL AIN TG MOBILE 3x24

Ouargla

H.M.NORD 1 TG FIXE 5x24 Boumerdes RAS DJINET TV 4x168 H.M.NORD 2 TG FIXE 2x100

Bejaia

AMIZOUR TG MOBILE 8x23 H.M.NORD 3 TG FIXE 3x220

IGHIL EMDA TH 2x12 H.M.S TG FIXE 2x16+ 2x20

DARGUINAH TH H.M.ouest TG FIXE 4x123

Oran

MARSAT TV TV 5x168 H.M.Ouest TG MOBILE 4x23 RAVIN BLANC TV 1x73 OUARGLA TG MOBILE 4x24

ORAN EST TG FIXE 2x40

Tamanrasset

IN SALAH ANCENNE CENTRALE

TG FIXE 2x3.5

MARSAT TG FIXE 8x23 IN SALAH NOUVELLE CENTRALE

TG FIXE 4x23

Relizane RELIZANE TG FIXE 3x155 Biskra OUMACHE 2 TG FIXE 457

Tiaret TIARET 1 TG FIXE 4x30 Khenchela LABREG TG FIXE 3x140 TIARET 2 TG FIX 3x100

M’SILA

M’SILA1 TG FIXE 2x23 Naama NAAMA TG FIXE 8x23 M’SILA2 TG FIXE 3x100

JIJEL

JIJEL TV 3x196 M’SILA3 TG FIXE 2x215 ERRAGUENE TH 1x14.4 M’SILA4 TG MOBILE 12x24 MANOURIAH TH 2x50

Batna Batna

AIN DJASSER 1 TG FIXE 2x126 Annaba ANNABA TG FIXE 2x36 AIN DJASSER 2 TG FIXE 2x132

Skikda SKIKDA TV 2x131 AIN DJASSER 3 TG FIXE 277.5

Oum el boua-gui

F’KIRINA 1 TG MOBILE 4x25 F’KIRINA 2 TG FIXE 2x146

TOTAL 12019 MW

Tableau 1: Centrales qui compose le parc de production de l’énergie électrique



Figure 1: Carte des sites de production d’électricité en Algérie selon SPE

5.2 PLAN DE DEVELOPPEMENT DU PARC DE PRODUCTION SPE

La capacité de production additionnelle nationale prévue sur la période 2017-2026 est de 19 395,4 MW (tous réseaux confondus) dont 11 895,4 MW en cours de réalisation (11 575,4 pour le RIN et 320 MW pour le réseau PIAT) et 7500 MW décidé dans le cadre du plan de développement à l’horizon 2026. Les 11 895,4 MW déjà décidés sont réparties comme suit :

11 575,4 MW en conventionnel (TG et CC) pour le RIN (Réseau Interconnecté National),

320 MW (TG mobile) pour le PIAT,

Région Localité Type Puissance installée

Date de mise en service

Sétif Ain arent CC 1015 Avril 2019 Boumerdes Ras djinet CC 1131 Décembre 2018 Nàama Méchria CC 1163 Juin2020 Khenchela Kais CC 1266 Mai2020 Biskra Oumach 1 CC 1338 Mai2020 Jijel Bellara CC 1398 Mai2020 Djelfa Ain ouessara CC 1262 Novembre2020 Mostaghanem Sonaghter CC 1450 Juin2021 Batna Ain djasser 2 TG 139 Février 2018 Oran Boutlélis TG 446 Juin 2018 Hassi R’Mel Timghemt 2 TG 368 Juin 2018

TOTAL 10 976 MW

Tableau 2: Plan de développement des Moyens de production de l’électricité en turbine à Gaz et cycle combiné 2018-2021



Figure 2: sites des centrales CC et TG des projets SPE à réaliser en

2018-2021

Pour le pôle In Salah – Adrar - Timimoun, le parc sera renforcé avec plus de 320 MW sur la période 2018-2025.

A noter que 320 MW (16 TG mobiles) ont déjà été installés au niveau du PIAT : 02 groupes à Adrar, 04 groupes à Timimoun, 08 groupes à Zaouiet Kounta et 02 groupes à Kabertene.

5.3 CAPACITES DES ENERGIES RENOUVELABLES

Tableau 3: Production d’électricité par source pour la période de 2002-2015

TWh 2002 2009 2010 2011 2012 2015

Solaire _ 0,004 0,004 0,062 0,069 0,9 Partie PV - 0,004 0,004 0,004 0,011 0,8 Partie thermique - - - 0,058 0,058 0.1 Eolien - - - - - - Hydraulique 0,057 0,306 0,174 0,378 0,389 - Fossiles 29,7 40 47,9 51,2 56,7 67 Total des renouvelables 0,057 0,31 0,187 0,417 0,458 0,9 Total conventionnel 29,7 40 47,9 51,2 56,7 67 Total de la production 29,8 40,3 48,1 51,6 57,2 67,9 Pourcentage des renouvelables 0,2% 0,8% 0,4% 0,8% 0,8% 1,3%



Figure 3: structure de production d’électricité 2002-2015

5.4 PLAN DE DEVELOPPEMENT DES ENERGIES RENOUVELABLES

Suite au lancement du programme de développement des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique, adopté en février 2011 par le Gouvernement, il est apparu dans sa phase expérimentale et de veille technologique, des éléments nouveaux et pertinents sur la scène énergétique, aussi bien nationale qu’internationale, nécessitant la révision du programme de développement des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique.

Parmi ces éléments, il convient de citer:

Une meilleure connaissance du potentiel national en énergies renouvelables à travers les études engagées, lors de cette première phase, notamment les potentiels solaire et éolien;

La baisse des coûts des filières photovoltaïque et éolienne qui s’affirment de plus en plus sur le marché pour constituer des filières viables à considérer (maturité technologique, coûts compétitifs …)

Ainsi, le programme des énergies renouvelables actualisé consiste à installer une puissance d’origine renouvelable de l’ordre de 22 000 MW à l’horizon 2030 pour le marché national, avec le maintien de l’option de l’exportation comme objectif stratégique, si les conditions du marché le permettent.

Les projets de production de l’électricité dédiés au marché national seront menés en deux étapes:

Première phase 2015 - 2020 : Cette phase verra la réalisation d’une puissance de 4000 MW, entre photovoltaïque et éolien, ainsi que 500 MW, entre biomasse, cogénération et géothermie.

Deuxième phase 2021 - 2030 : Le développement de l’interconnexion électrique entre le Nord et le Sahara (Adrar), permettra l’installation de grandes centrales d’énergies renouvelables dans les régions d’In Salah, Adrar, Timimoun et Béchar et leur intégration dans le système énergétique national.



REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

1. Énergie, électricité et nucléaire, Gilbert NAUDET et Paul REUSS, Institut National Des Sciences Et Techniques Nucléaires, EDP Sciences 2008, 17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112, 91944 Les Ulis Cedex A, France.

2. Electrotechnique, Théodore Wildi Avec la collaboration de Gilbert Sybille, 3P

èmeP édition, Editions de Boeck Université, Rue des Minimes 39, B-1000

Bruxelles.

3. Turbomoteurs à Combustion Interne, Gicquel Renaud, Extrait de "Systèmes Energétiques, tome 2", Presses de l'Ecole des Mines de Paris.

4. Les piles électriques et l’électricité dynamique, PIERRE LANGLOIS. Éditions Multi-Mondes 2006 930, rue Pouliot Québec (Québec) G1V 3N9 Canada.

5. La pile à Combustible, Structure - Fonctionnement – Applications par Méziane Boudellal, Editions Dunod, juin 2007.

6. Cellules solaires, Les bases de l’énergie photovoltaïque par Anne Labouret, Pascal Cumunel, Jean-Paul Braun Et Benjamin Faraggi. 5P

èméP

Editions Dunod Paris, 2010.

7. Energie électrique, Traite d’électricité. V. XII. M. Aguet et al., 1990.

8. Lumière news, Revue trimestrielle éditée par SPE/Spa Société Algérienne de Production de l’Electricité Filiale du groupe Sonelgaz.

9. Énergie Éolienne, Principes et Études de cas, Marc Rapin Jean-Marc Noël, Editions Dunod Paris, 2010.


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Production de l’Energie Electrique · 2020. 4. 6. · Ce polycopié est destiné à être utilisé comme un manuel par les étudiants en deuxième année Electrotechnique dans le