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Des hommes ont su tirer profit de lasituation topographique et des ressour-ces en eau de la Suisse pour produireune énergie renouvelable, propre, sûreet irremplaçable. Aujourd’hui encore, laforce hydraulique couvre la majeurepartie de nos besoins en électricitémême si, entre-temps, le nucléaire aporté sa part à quelque 40% du cou-rant consommé.Plus d’un millier de petites et de gran-des centrales, dans notre pays, pro-

duisent chaque année environ 65milliards de kilowattheures d’énergieélectrique. Comment travaillent-elles?Quelles sont leurs particularités?Quels sont leurs avantages et leursinconvénients? Autant de questions auxquelles laprésente brochure répond de manièresimple, claire et précise.Les centrales suisses d’électricité appar-tiennent à notre patrimoine. Nous vousinvitons à faire leur connaissance.

Quelle aventure!PH

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SIGCopyright:

Les Electriciens Romands, LausanneEditeur: Edidac, Lausanne.

Conception/texte: Dr Alain Kespy.

Design graphique/réalisation: Tristan Boy de la Tour, Lausanne.

Impression: Artprint, Lausanne.

Tous droits de reproduction, de traduction ou d'adaptation, mêmepartielle, réservés pour tous les pays.Achevé d'imprimer en juin 2005.

Sommaire3De l’énergie brute à la centrale, de la centrale à la prise p. 4Les hauts et les bas de la consommation p. 6L’eau et l’uranium p. 7

Les ouvrages hydrauliques p. 8

Les turbines hydrauliques p. 9Les ouvrages à accumulation à haute chute p. 10Les centrales à accumulation p. 12Les barrages p. 14Des réalisations complexes: l’exemple de Mauvoisin p. 16L’usine hydraulique de Chanrion p. 18Le pompage-turbinage p. 19L’alternateur devient moteur p. 20Les centrales au fil de l’eau p. 21

Les ouvrages thermiques p. 24

La turbine à vapeur p. 26La chaleur en plus p. 28Les techniques de refroidissement p. 29Les centrales nucléaires p. 30Les centrales thermiques classiques p. 32Le cycle combiné et le couplage chaleur-force p. 33La production de chaleur et d’électricité p. 34

Energies renouvelables non hydrauliques p. 35

L’énergie éolienne p. 36L’électricité solaire p. 37Comparaison des différents types de centrales p. 38

De l’énergie brute à la centrale…

Réacteur

Combustiblenucléaire

Pétrole, gaz,charbon,ordures, déchets, biomasse

Energiehydraulique,grandsbarrages

Energiehydraulique,rivières

Energieéolienne

Energiesolaire

Turbine à vapeur Alternateur Nucléaire

Energie calorifiqueEnergie brute Energie mécanique Electricité Centrale

Chaudière et chambreà combustion

Turbine à vapeurTurbine à gaz

Alternateur Thermiqueclassique

Turbine à eau Alternateur Hydrauliqueà haute chute

Turbine à eau Alternateur Hydrauliqueau fil de l’eau

Hélice à pales Alternateur Eolienne

Cellules photovoltaïques Solaire

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OU

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type

hauteur: 35 à 80 m hauteur: 25 m hauteur: 10 m hauteur: 10 m

Quartiers industriels(5-25 kV)

Habitations, bureaux(230-400 V)

Dans les villes(30-125 kV)

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Transport à hautetension (220-400 kV)

… de la centraleà la prise

Les hauts et les bas de la consommation

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Jour ouvrable en hiver Dimanche d’été

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Prod

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Centrales à accumulation

Centrales au fil de l’eau

Centrales nucléaires

Centrales thermiques conventionnelleset renouvelables non hydrauliques

Evolution de la demandejournalière

6Les courbes de la consom-mation d’énergie électriquejouent aux montagnes rus-ses. La demande changeconsidérablement d’une sai-son, d’un jour, voire d’uneheure à l’autre. Les nuits pluslongues et les chauffagesd’appoint font monter laconsommation en hiver. Etles besoins fléchissent forte-ment le week-end puisqueles entreprises et industriessont au repos.Cela dit, il existe un seuil deconsommation minimumconstant. C’est la charge debase. Les kilowattheures supplémentai-

res constituent lademande de pointe.En Suisse, la chargede base est couvertepar les centraleshydrauliques dites aufil de l’eau, aména-gées sur le cours desrivières, et par lesinstallations nucléai-res surtout.Ces ouvrages four-nissent une quantitéd’énergie constante,pratiquement vingt-quatre heures survingt-quatre.

L’illustration graphique de leur produc-tion représente une large bande régu-lière. Raison pour laquelle on parle icid’énergie «en ruban».Que se passe-t-il, toutefois, lorsque laconsommation augmente brusque-ment, par exemple en fin de matinéequand les industries tournent à pleinrendement et que les ménagèresenclenchent leurs cuisinières? Ce sontalors les centrales à accumulation quifournissent l’électricité manquante. Il suffit de turbiner une partie de l’eauretenue derrière les barrages alpins. Sicet apport supplémentaire s’avèreinsuffisant, les électriciens importentdu courant en provenance de l’étran-ger.

L’eau et l’uranium

Centrales hydrauliques(accumulation et fil de l’eau) 14%

Centrales nucléaires 36%

Centrales thermiquesconventionnelles 50%

Renouvelablesnon hydrauliques 0,2%

Répartition de la production d’électricité en Suisse et en Europe en 2004.

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Centrales à accumulation 30%

Centrales aufil de l’eau 25.3%

Centrales nucléaires 40%

Centrales thermiques conventionnelles 3%

Renouvelablesnon hydrauliques 1,7%

Les pays voisins tirent la majeure partiede leur électricité de centrales ther-miques à combustibles fossiles (char-bon, fuel, gaz) et de réacteurs nucléai-

res. Château d’eau de l’Europe, laSuisse produit quant à elle environ60% de ses besoins à l’aide de la forcehydraulique. On y compte plus de 500centrales de plus de 300 kilowatts depuissance, et plus de 700 centraleshydrauliques de puissance inférieure.Les cinq réacteurs nucléaires (Beznau Iet II, Mühleberg, Gösgen et Leibstadt)fournissent les 40% restants.Il serait possible d’accroître la produc-tion hydraulique, quoique dans de fai-bles proportions. Les perspectives dedéveloppement restent limitées pourdes raisons économiques et de protec-tion de l’environnement. En cas dehausse des besoins futurs, celle-cidevra par conséquent être couvertepar de nouvelles centrales thermiques,nucléaires ou à combustibles fossiles(gaz, charbon, biomasse), par unaccroissement des énergies renouvela-bles non hydrauliques (solaire, éolien-ne, géothermie…) ou par un accroisse-ment des importations.

Les ouvrages hydrauliques 8Il existe différents types de turbines quisont choisis de cas en cas, conformé-ment aux caractéristiques topogra-phiques du site de la centrale et auxdébits d’eau disponibles.On différencie en général deux typesde centrales hydroélectriques:– à accumulation (haute chute);– au fil de l’eau (basse chute).Il existe aussi des cas particuliers, telsles ouvrages au fil de l’eau mais à hautechute, ou à accumulation mais à chutemoyenne, ainsi que les centrales depompage-turbinage qui offrent la pos-

sibilité de pomper l’eau en plaine et dela remonter derrière le barrage.Tout aménagement hydroélectriquecomprend une installation de retenue,une ou plusieurs turbines, un alterna-teur, une station de transformation etde couplage au réseau et des installa-tions de commande.

Le barrage de Lavey.

Le barrage de Mauvoisin.

Les turbines hydrauliques9La PeltonCette turbine est installée sur les gran-des chutes (jusqu’à 1900 mètres). Elleest entraînée par un jet qui se partagesur l’arête médiane de l’aube à deuxgodets. Le jet transmet pratiquementtoute son énergie à la roue. Pour unechute de 1000 mètres, l’eau jaillit desinjecteurs à une vitesse de 500 kilomè-tres à l’heure, soit 140 mètres parseconde. La Pelton exploite les hauteschutes (forte pression) et avec un faibledébit. Son diamètre varie de 60 à 460centimètres. Pour augmenter la puis-sance, on peut utiliser plusieurs jets.

La KaplanCette turbine est équipée d’aubes mobi-les légèrement hélicoïdales, à l’imaged’une hélice de bateau. Comme pour laFrancis, ce sont les aubes du distributeurqui amènent l’eau sur la roue. Onmodule la puissance en modifiant ledébit par déplacement des aubes dudistributeur et de la roue. La Kaplan estdestinée aux centrales au fil de l’eau àgrands débits, ou avec des chutes demoins de 30 mètres. Les groupes bulbeet la variante Straflo en sont les déve-loppements les plus récents. Elle seprête à l’exploitation de basses chutes(faible pression) et de grands débits. Sondiamètre varie de 1 à 11 mètres.

La FrancisC’est la turbine la plus répandue. Ellepermet de valoriser des chutes dehauteur variable. Conçue à l’originepour des chutes relativement bas-ses, elle s’est depuis lors imposéepour des hauteurs de plus de400 mètres, voire de 700 mètresen cas de fonctionnement parpompage. L’eau atteint la rouepar le distributeur en spirale. Lesaubes mobiles du distributeurcirculaire permettent de modulerla puissance. La Francis se caracté-rise par une hauteur de chute etpar un débit moyens. Son diamètrevarie de 60 à 800 centimètres. Le ren-dement de ces turbines est voisin de 90%.

Les ouvrages à accumulation à haute chute 10Ce sont les barrages alpins. Ils retien-nent l’eau de fonte des neiges et desglaciers pendant l’été, permettant ainside produire de l’énergie au moment oùles besoins en électricité sont les plusélevés, surtout en hiver. Ces installations comprennent deuxouvrages distincts et séparés de plu-sieurs kilomètres: le mur de retenue enaltitude, la centrale de production enplaine. Outre le barrage, la partie supé-rieure comprend également les prises

d’eau et les galeries d’adduction, aux-quelles on peut ajouter la chambred’équilibre, qui permet d’amortir les«coups de bélier», la galerie sous pres-sion et la conduite forcée.La centrale de production, construite àdécouvert ou en souterrain, abrite lesturbines, les alternateurs, chambre desvannes et galerie de restitution. Ellevoisine avec la station de transforma-tion et de couplage au réseau.En cas de forte dénivellation, l’ouvrageest complété par des centrales intermé-diaires. Dans ces aménagements à chu-tes multiples, l’eau passe par un bassinde compensation situé à la sortie d’uneunité de turbinage. Elle est ensuite diri-gée vers la galerie sous pression d’unenouvelle centrale située en aval. Lachute utile ainsi créée permet de pro-duire des quantités d’énergie impor-tantes, y compris en cas de faiblesdébits.

En haut: le barrage de MauvoisinEn bas: la centrale de la Bâtiaz.

1 prise d’eau. 2 galerie d’adduction. 3 retenue. 4 barrage. 5 déversoir. 6 vidange de fond. 7 ouvrage de prise. 8 galerie sous pression. 9 chambre d’équilibre. 10 conduite forcée. 11 chambre des vannes. 12 centrale souterraine.13 galerie de restitution. 14 galerie d’accès. 15 station de couplage, éventuellement de transformation.

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Les centrales à accumulation 12Elles sont généralement souterraines etse distinguent par une très grande sou-plesse d’utilisation. Les turbines d’unecentrale à accumulation peuvent être

enclenchées ou arrêtées en quelquesminutes seulement. En cas d’arrêt,l’eau reste en attente derrière le barra-ge et dans la conduite forcée.C’est tout le contraire de ce qui sepasse dans les centrales au fil de l’eau,où, une fois la production interrompue,l’eau continue de s’écouler par-dessusla digue. Elle est perdue pour la pro-duction d’énergie.Les ouvrages à accumulation sont équi-pés de turbines Pelton, dont le diamè-tre et le nombre de jets dépendent duvolume d’eau à turbiner. Les turbinesmodernes de grande puissance à axevertical comptent jusqu’à six jets. Encas de nécessité, il est possible deréduire, voire de couper rapidementtoute la puissance en insérant undéflecteur qui dévie le jet de la roue.

1 conduite de répartition. 2 vanne sphérique. 3 corps de la turbine. 4 conduite circulaire. 5 injecteur. 6 déflecteur. 7 turbine Pelton. 8 palier. 9 arbre de la turbine. 10 arbre de l’al-ternateur. 11 rotor de l’alternateur. 12 statorde l’alternateur. 13 réfrigération. 14 excitatri-ce. 15 tableau de commande. 16 transforma-teur. 17 pont roulant. 18 galerie des câbles. 19vers la galerie de restitution.

Centrale du Châtelot:2 groupes de15 MW cha-cun avec tur-bines Francisdoubles.

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Les barragesRetenue Barrage

Rocher

Ancrage

Retenue Barrage

Rocher

Retenue

Noyau

Couche protectrice

Remblayage

14La poussée totale qui s’exerce sur unbarrage dépend de la hauteur d’eauaccumulée et de la largeur de la vallée.Ce sont par conséquent les particulari-tés topographiques, géologiques, et lesconditions hydrologiques qui détermi-nent très largement le type de barragele plus approprié à chaque site. Il existeen Suisse trois systèmes de retenuepour les ouvrages de haute montagne.

Le barrage-voûteC’est un ouvrage particulièrement élé-gant. En raison de sa forme arquée,horizontalement et verticalement, lapoussée de l’eau est reportée sur les

flancs de la vallée. Le barrage-voûtepeut atteindre jusqu’à 250 mètres dehauteur.

Le barrage-poidsIl présente en principe une section tri-angulaire. Il oppose son propre poids à

la poussée de l’eau. Une solution inter-médiaire consiste à réaliser un ouvragemixte poids-voûte. Le cas échéant, lastabilité repose en partie sur le poids del’ouvrage et en partie sur son appui surles rives. Le barrage-poids peut attein-dre une hauteur de plus de 280 mètres. Barrage de Mauvoisin.

Barrage-voûte

Barrage-poids

Digue

Barrage de la Grande Dixence.

15La digueContrairement aux ouvrages en béton,les digues ont des sections plus largesque hautes. Leur étanchéité est assu-rée par un noyau central ou par unrevêtement étanche sur la face amontde la digue. Ce type de barrage atteinten Suisse des hauteurs de l’ordre de150 mètres.

Barrage de Göscheneralp.

En haut: barrage de Schiffenen.Ci-contre: barrage du Châtelot.

Des réalisations complexes: l’exemple de Mauvoisin 16

Rhôn

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5 00

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478.05 m.

1492.50 m.

1975.00 m.

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903,30 m.

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Fionnay138 000 kW

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Chanrion28 000 kW

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Champsec5 500 kW

1975 m.

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Grand

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Le 16 juin 1818, le barrage naturelformé de séracs du glacier Giétroz s’écroule. Cette barrière naturelle rete-nait 18 millions de m3 d’eau, elle causela mort de 40 personnes en se rompant,

c’est la «Grande débâcle». C’est audébut des années 1940 que l’idée d’unbarrage de Mauvoisin fut reprise par uningénieur bagnard, Albert Maret.Les travaux commencent en 1951, plusde mille personnes travaillent sur cechantier. La mise en eau complète del’installation a lieu en 1958.La surface du bassin versant naturel estde 113,5 km2. En tenant compte desadductions des rives gauche et droite, lasurface totale avoisine les 156 km2. Al’origine, le barrage de Mauvoisin possé-dait une capacité totale de 180 millionsde m3. Longtemps reconnu comme leplus haut barrage voûte au monde,d’une hauteur originelle de 237 m.Mauvoisin a été rehaussé de 13,5 mentre 1987 et 1992. Actuellement, lebarrage de Mauvoisin a une capacitétotale de retenue de 211,5 millions dem3, ce qui correspond à un volume utile

de 204 millions de m3.

Caractéristiques du barrage

Type voûte, la plushaute voûte d’Europe.Hauteur: 250 mLargeur à la base: 53,5 mLargeur au couronne-ment: 12 mRetenue max.: 1975 mRetenue min.: 1810 mVolume utile: 204 millions de m3

4 centrales: Chanrion, Fionnay,Champsec, Riddes

Production annuelle:1000 GWh (65% enhiver, 35% en été),soit 10% de l’énergieélectrique d’originehydraulique valaisanne.

L’usine hydraulique de Chanrion 18

13,5 m

La centrale de Chanrion, mise en servi-ce en 1964, est alimentée par une gale-rie à écoulement libre quiamène les eaux captées dansles torrents de Crête Sèche,d’Otemma et de Brenay à undessableur puis à un bassin decompensation souterrain àBrenay. Une galerie d’amenéesous charge, dans laquelle sontajoutées les eaux de Giétroz,conduit à la chambre d’équili-bre. Un puits blindé est raccor-dé à la centrale en caverne deChanrion. Les eaux sont, aprèsturbinage, restituées dans le lacde Mauvoisin.La centrale de Chanrion estéquipée d’un groupe à 2 turbi-

nes Pelton de 15 MW chacune. Lorsdes travaux de surélévation du barragede Mauvoisin, l’usine de Chanrion adû être adaptée afin de pouvoir tra-vailler à contre-pression. Les augetsdes roues Pelton ont été recouverts decéramique en 1996. Ainsi, les interval-les de révision en sont devenus plusespacés.La centrale de Chanrion produit envi-ron 66 GWh par an, ceci principale-ment en été. En hiver, la productiond’appoint est d’environ 2 GWh. Le ren-dement total de la centrale est de80%, ce qui correspond à la valeurmoyenne du rendement de ce type deproduction d’énergie électrique.

Chanrion - Groupe Pelton horizontal fonctionnant encontre-pression.

Le pompage- turbinage

Bassinsupérieur

Conduite forcéeCourantélectrique

Bassin inférieur

Turbine

Moteur-alternateur

Vanne

Pomped’accumulation

Bassinsupérieur

Conduite forcéeCourantélectrique

Bassin inférieur

Turbine

Moteur-alternateur

Vanne

Pomped’accumulation

19L’énergie électrique répond à la loi del’offre et de la demande. Autrementdit, le courant est plus cher pendant lesheures de pointe de la journée quependant la nuit ou en fin de semaine.Lorsque la demande faiblit, la produc-tion en ruban, qui est constante,devient parfois excédentaire. L’idéal consisterait alors à la stocker envue des périodes de forte consomma-tion. A cause de sa nature, le seulmoyen de conserver de grandes quanti-tés d’électricité consiste à pomper l’eauen plaine, dans des bassins de rétentionprès de la centrale, ou dans la rivière,

et de la «remonter» derrière le barrage.Certaines installations sont équipéesde pompes qui sont alimentées avecde l’électricité excédentaire produitependant les heures creuses. Ce sont lescentrales dites de pompage-turbinage.Ce type de récupération présente despertes, dans la mesure où les troisquarts seulement de l’énergie injectéedans les pompes sont restitués ulté-rieurement sous forme d’hydroélectri-cité. Mais cet inconvénient est très lar-gement compensé par la possibilitéd’accroître les réserves d’eau pour lespériodes de forte consommation.

Salle des machines de la centrale deVeytaux.

Turbinage

Pompage

L’alternateur devient moteur

1 conduite de répartition (vers la conduite forcée). 2 répartiteur. 3 vanne sphérique. 4 turbine Francis. 5 vanne papillon. 6 en provenance ou à destination de la galerie de restitution (retenue du Grimsel). 7 moteur-alternateur. 8 pompe. turbinage pompage

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20Dans le groupe ternaire (turbine /moteur-alternateur / pompe) des centra-les de pompage-turbinage de Veytaux etdu Grimsel, par exemple, l’alternateurtravaille également comme moteur. Il estmonté sur le même axe que la turbine etla pompe. La turbine ou la pompe qui netravaille pas tourne à vide.

Les centrales au fil de l’eau21

Peu d’eau et beaucoup de chute pourla centrale à accumulation, beaucoupd’eau et peu de chute pour les ouvra-ges au fil de l’eau: telles sont, très résu-mées, les principales caractéristiquesdes deux plus importants types de pro-duction d’énergie hydroélectrique.Dans les centrales au fil de l’eau, instal-lées sur les rivières, la différence deniveau entre l’amont et l’aval est faible.Leur exploitation dépend des variationsde débit des cours d’eau. Ces installa-tions tournent vingt-quatre heures survingt-quatre pour des raisons éviden-

tes: en cas d’arrêt des turbi-nes, l’eau s’écoulerait par-

dessus la retenue sans produire d’éner-gie.Ces ouvrages fournissent de l’énergiede base, en ruban. Ils sont générale-ment équipés de turbines Kaplan à axevertical. Les centrales les plus récentestravaillent avec des groupes bulbe, àaxe horizontal.L’avantage des groupes bulbe, conçusspécialement pour les basses chutes(jusqu’à 25 mètres environ) et pour lesgrands débits, réside dans l’alignementet dans la réduction de la distanceentre les niveaux amont et aval.

La centrale du Seujet règle leniveau du lac Léman en plus desa production électrique.

En haut: centrale au fil de l’eau àaxe vertical.En bas: centrale au fil de l’eau àaxe horizontal.

1 barrage. 2 vannes. 3 bassin amortisseur. 4 piles. 5 centrale. 6 puits de pompage. 7 bâti de l’alternateur. 8 puits d’accès. 9 roue de la turbine. 10 aubes directrices. 11 distributeur. 12 alternateur. 13 réfrigération. 14 galerie des câbles. 15 grille. 16 dégrilleur. 17 batardeau. 18 sortie de la turbine. 19 poste de commande.20 atelier et garage.21 échelle à poissons.22 rampe à bateaux.23 poste de couplage électrique.

Barrage et centrale de Verbois. Puissance: 4 x 25 MW

Centrale de Lavey.Puissance: 3 x 20 MW

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Les ouvrages thermiques

Vapeur

Chaudière classique alimentée au charbon, au gaz ou au fuel

Réacteur nucléaire à eau bouillante

Générateurs de vapeur

Réacteur nucléaire à eau pressurisée

Chaudière

Eau

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Barres de réglage

Eau

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Vapeur

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Vapeur

Evaporateur

Barres de réglage

Ence

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Vapeur

Turbine haute pression Turbine basse pression

Courant électrique

Alternateur

Tour de refroidissement

Eau

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Pompe

Condenseur

Eau d’alimentationPompe

L’origine de la chaleur

Dans les centrales thermiques, c’est la chaleur, généralement sous for-me de vapeur d’eau à haute pression et température, qui entraîne les turbines. Autrement dit, l’installation nucléaire est une centrale ther-mique. La différence par rapport aux usines au charbon, au fuel ou au gaz (centrales à combustibles fossiles) réside dans la manière de pro-duire la vapeur. Pour le reste, les équipements sont identiques: turbi-ne, alternateur, condenseur de vapeur, circuits de refroidissement, sta-tion de couplage au réseau.

Utilisation de la vapeur

25

La turbine à vapeur 26La turbine à vapeurd’une centrale ther-mique classique ounucléaire transforme lachaleur produite dansla chaudière ou dans leréacteur en énergiemécanique. Elle com-prend un corps à hautepression et deux outrois corps à basse pres-sion. La vapeur à hautepression (160 à 260bars) issue de l’évapo-rateur met la turbineen mouvement, trans-mettant ainsi sonénergie à l’arbre de laturbine par l’intermé-diaire d’un systèmed’aubages fixes etmobiles. L’arbre entraî-ne l’alternateur quitransforme l’énergiemécanique en électri-cité. Les grandes cen-trales nucléaires sontéquipées d’un groupet u r b o a l t e r n a t e u rd’une puissance de1000 à 1600 méga-watts, ce qui équivautà la puissance cumuléede 300 locomotives detype «Loc 2000».

Groupe turboalternateur de 1000 MW.

Groupe turboalternateur de 170 MW.

Rotor basse pression d’une turbine à vapeur (Beznau).

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1 conduite de vapeur à hautepression.

2 vannes d’obturation et deréglage.

3 turbine, corps à haute pression. 4 séparateur d’eau / réchauffeur. 5 conduite de vapeur à basse

pression.

6 turbine, corps à basse pression.

7 aubes directrices. 8 aubes mobiles. 9 condenseur. 10 dalle support. 11 amortisseur de vibrations.

Endingen

La chaleur en plus

Riniken

Rüfenach

Brugg

Lauffohr

Turgi

Obersiggenthal

Untersiggenthal

StationSiggenthal

PSI

Villigen

Centrale nucléairede Beznau

Würenlingen

Döttingen

Leuggern

Kleindöttingen

Klingnau

N

Station de pompage

Station de chauffage

Conduite principale

Aar

28Pour des raisons physiques, toute cen-trale thermique ne peut transformer enélectricité qu’une partie de l’énergiequi lui est fournie par la combustion. Lereste, soit près des deux tiers à la moi-tié, se dissipe dans l’environnementsous forme de chaleur perdue. Quefaire pour diminuer ces pertes?Une part de cette énergie non transfor-mée en électricité peut être valoriséedans des applications à basse tempéra-ture, essentiellement pour chauffer deslocaux ou pour certaines productionsindustrielles. C’est une possibilité d’ac-croître le rendement de la centrale eninjectant une partie de la chaleur per-due dans des réseaux de chauffage à

distance qui alimentent des aggloméra-tions voisines. Une opportunité bienve-nue de remplacer des chauffages indi-viduels, à mazout ou à gaz, polluants.C’est ainsi que la centrale nucléaire deBeznau alimente en chaleur plusieurscommunes de la vallée inférieure del’Aar, en Argovie; Gösgen alimenteaussi un réseau de chauffage à distan-ce. D’autres projets de chauffage à dis-tance à partir de centrales sont à l’étu-de, comme par exemple à Mühleberg.

Conduite de chaleur à distance.

Soutirage de chaleur dans la centrale de Beznau.Réseau du chauffage à distance alimenté par lacentrale nucléaire de Beznau.

1 enveloppe. 2 supports. 3 bassin de rétention. 4 conduites d’amenée d’eau (du condenseur). 5 canaux de distribution. 6 canaux secondairesde distribution. 7 buses d’injection avec plaquesde dispersion. 8 plaques de ruissellement. 9 séparateur de gouttelettes. 10 conduite derefoulement (vers le condenseur).

Les techniques de refroidissement

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Après avoir entraîné la turbine, lavapeur est amenée dans le condenseuroù elle doit être refroidie pour se trans-former en eau et recommencer unnouveau cycle.

Refroidissement direct ou en circuit ouvertToute l’eau de refroidissement est préle-vée dans la rivière, réchauffée aucontact du condenseur, puis rejetéedans le cours d’eau. (Centrales deBeznau et de Mühleberg.)

Tour de réfrigérationL’eau en provenance du condenseur estamenée dans la tour où elle est refroi-die par convection naturelle. Elle estensuite repompée vers le condenseur.Au cours de ce processus, une faiblepartie de l’eau est évaporée en panachepar le haut de la tour. Cette perte doitêtre compensée par un prélèvementdans la rivière. (Centrales de Gösgen etde Leibstadt.)

Les centrales nucléaires 30La fission des noyaux d’uranium qui sedéroule sous forme de réaction enchaîne contrôlée dans le cœur du réac-teur libère de la chaleur. Le réacteur estéquipé de barres de réglage qui per-mettent de contrôler la réaction et laproduction d’énergie. La Suisse exploi-te deux types de centrales nucléaires: àeau bouillante (Mühleberg et Leibstadt)

et à eau pressuri-sée (Beznau I et IIet Gösgen).Dans le premiercas, l’eau estamenée à ébulli-tion en circulant à

travers le réacteur, puis elle est condui-te sous forme de vapeur directement àla turbine. Dans le second cas, l’eau estportée à une pression telle qu’elle nepeut pas bouillir. La chaleur ainsi pro-duite est transmise à un autre circuit oùde l’eau est transformée en vapeur,celle-ci étant finalement amenée à laturbine.Dans les deux types de centrales, lavapeur, après avoir entraîné la turbine,est amenée dans le condenseur où ellese transforme en eau qui retourne versle réacteur, ou l’évaporateur, pour êtrechauffée. Et le cycle se poursuit ainsicontinuellement.

Bassin d’entreposagedes éléments de com-bustible et fosse duréacteur.

La centrale de Mühleberg.

1 bâtiment du réacteur. 2 enceinte de sûreté (enveloppe métallique). 3 cheminée de rejet. 4 enceinte duréacteur. 5 éléments combustibles. 6 barres de réglage. 7 pompe de refroidissement. 8 évaporateur. 9 régulateur de pression. 10 réservoir d’immersion. 11 bassin de stockage des éléments combustibles. 12 chargeur pour éléments combustibles. 13 conduite de vapeur à haute pression. 14 vannes de sécurité. 15 bâtiment des machines. 16 soupape de réglage et de mise hors service rapide. 17 turbine, corps àhaute pression. 18 séparateur d’eau / réchauffeur. 19 conduite de vapeur. 20 dérivation de vapeur. 21 turbine, corps à basse pression. 22 alternateur. 23 excitatrice. 24 transformateur. 25 réservoir d’eaud’alimentation. 26 préchauffeur. 27 conduite d’eau d’alimentation. 28 condenseur. 29 conduite d’eau derefroidissement (circuit de refroidissement). 30 stockage intermédiaire des déchets radioactifs (souterrain).

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Les centrales thermiques classiques 32Contrairement à la plupart des pays àtravers le monde qui produisent lamajeure partie de leur électricité dansdes usines à combustibles fossiles (fuel,charbon, gaz), la Suisse n’exploite plusde grande centrale thermique clas-sique, l’usine de Chavalon fonction-nant au fuel lourd ayant été arrêtée à lafin des années 90. A titre d’exemple,

l’Allemagne et la Chine utilisent princi-palement du charbon, l’Italie du fuellourd et les Pays-Bas du gaz.Les quatre modes principaux de pro-duction de ces centrales sont:– la turbine à gaz;– la turbine à vapeur;– le cycle combiné couplant turbine à

gaz et turbine à vapeur;– le couplage chaleur-force,le combustible primaire étant soit dufuel, du gaz ou du charbon, et de l’airévidemment pour assurer la combus-tion.Pour comparaison, une centrale à char-bon d’une puissance de 1000 méga-watts consomme l’équivalent de 100wagons de 60 tonnes de charbon parjour. Sept à dix hectares de terrain sontnécessaires pour stocker une réserve detrois mois de consommation.Si l’on devait construire dans notre paysune autre installation thermique clas-sique de grande taille, le choix se por-terait vraisemblablement sur une cen-trale à gaz. Construite à proximitéd’une grande agglomération, elle seraitprobablement de type chaleur-forceproduisant d’une part de l’énergie ther-mique de chauffage et d’autre part del’électricité. En zone non urbaine, cettecentrale serait de type cycle combiné,les gaz résiduels de combustion étantréutilisés pour accroître la productiond’électricité.La turbine à gaz de Pierre-de-Plan à Lausanne.

Le cycle combiné et le couplage chaleur-force33

100º C

gaz d’échappementeau d’alimentationvapeurcondensateau surchauffée «aller»eau surchauffée «retour»

540º C

175º C

gaz 8 6

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80º C

500º C

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Principe du cycle combiné«turbine à gaz-turbine

à vapeur»

1 compresseur.2 turbine à gaz.3 alternateur.4 turbine à vapeur.5 chaudière de récupération.6 échangeur de chaleur

avec chauffage à distance.7 réservoir eau d’alimentation.8 combustible.9 cheminée.

L’usine de Pierre-de-Plan des ServicesIndustriels de la Ville de Lausanne estune réalisation exemplaire d’une cen-trale à gaz. Elle fonctionne, d’une part,sur le principe du cycle combiné – tur-bine à gaz et turbine à vapeur – et,d’autre part, sur le couplage chaleur-force où l’énergie thermique résiduelleest utilisée pour alimenter le réseau duchauffage à distance de la ville. Le ren-dement énergétique global de l’instal-lation est de 82% avec des puissancesélectrique et thermique respectives de26 et 30 mégawatts.

Centrale de Cornaux (NE) au gaz etau fuel, à cycle combiné de 44MW.

La production de chaleur et d’électricité 34

La production combinée de chaleur etd’électricité n’est pas l’apanage descentrales thermiques. C’est aussi le casdes usines d’incinération: une partie dela chaleur issue de la combustion desordures peut être utilisée pour transfor-mer de l’eau en vapeur, puis dirigée surune turbine à vapeur pour produire del’électricité.Il est également possible, au lieu de lebrûler à la torche, de récupérer le biogazdes décharges et des stations d’épura-tion à des fins énergétiques. L’électricitéproduite dans de telles installations est

généralement destinée au réseau localde distribution.Les petits équipements de couplagechaleur-force alimentés au gas-oil ou àessence sont en revanche très contro-versés dans la mesure où ils sont unpeu plus polluants que les grosses cen-trales. La plupart fonctionnent au gaznaturel.

Conduite de vapeur de la centralechaleur-force de Pierre-de-Plan.

Couplage chaleur-force du Collège de l’Elysée àLausanne.

1 cadre de base. 2 arbre principal. 3 dispositifde décalage des pales du rotor / moyeu. 4 palesdu rotor. 5 boîte de transmission. 6 frein àdisque. 7 génératrice. 8 unité hydraulique. 9 dispositif d’orientation selon la direction duvent. 10 dispositif de mesure des vents.

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Energies renouvelables non hydrauliques

Coupe d’une éolienne de 600 kW (les hommes donnent l’échelle de l’ouvrage).

L’énergie éolienne 36

Au niveau mondial, bien qu’encoremarginal, on assiste à un accroissementconstant de la part d’électricité d’ori-gine éolienne. L’énergie éolienne pré-sente en effet un certain intérêt dansdes régions relativement peu peupléeset balayées par des vents réguliers endirection et vitesse constantes, telles lesrégions côtières. Ainsi le Danemark,l’Allemagne et la Californie possèdentde nombreuses centrales éoliennes.Bien que de grandes dimensions, leurpuissance est toutefois relativementfaible: dans des conditions normales

d’exploitation, de 2000 à 7000 éolien-nes sont nécessaires, selon la puissan-ce, pour produire l’équivalent d’électri-cité d’une seule centrale nucléaire.A cause de la petitesse de son territoireet de ses vents variables, la Suisse ne seprête guère à l’exploitation de cettesource d’énergie à grande échelle.Toutefois, en des endroits particulierstels que les crêtes du Jura ou dans lesAlpes, des centrales éoliennes de pro-duction sont en fonction, comme lesite du Mont-Crosin, au-dessus deSaint-Imier.

La centrale éolienne du Mont-Crosin est équipée de huit éoliennesd’une puissance totale de 7600 kW.

L’électricité solaireBien que basée sur le principerelativement simple de latransformation de l’énergiesolaire en énergie électrique,l’énergie photovoltaïque enest encore au stade post-expé-rimental. Elle se prête particu-lièrement bien à certainesapplications décentralisées. EnSuisse, on dénombre plus de1000 installations photovol-taïques raccordées au réseau,et plus de 10 000 non raccordées, sursites isolés. Plusieurs milliers de petites

installations particulières de faible puis-sance sont exploitées dans le pays, quifournissent à leurs propriétaires de l’é-nergie électrique dans des endroits oùil n’y a pas de réseau, comme parexemple dans des refuges de monta-gne.Son développement à plus grandeéchelle dépendra de facteurs technolo-gique, économique et culturel, ainsique des enseignements tirés de centra-les expérimentales, comme celle duMont-Soleil, dans le Jura bernois.Actuellement, ces enseignements ontconduit à la mise en exploitation d’ins-tallations productrices comme celle dustade du Wankdorf à Berne, et la cen-trale SIG Solar III de 1 MW, susceptibled’alimenter quelques 300 ménages.

En haut: installation de panneaux photovol-taïques sur un immeuble à Morges.A gauche: centrale de 500 kW du Mont-Soleil.

Centralesnucléaires

Centralesau charbon

Centraleshydrauliquesà haute chute

Centraleshydrauliques au fil de l’eau

Centraleséoliennes

Centralessolaires

1. Taux d’utilisation annuel 2. Production annuelle 3. Energie bruteType de centrale

Comparaison des différents types de centrales

80 à 92% (7000 à 8000 h). Puissance de 1000 MW, production d'environ 8 milliards de kWh/an.

Combustible nucléaire (uranium): 25 à 35 tonnes/an= 2 wagons.

50 à 70% (4000 à 6000 h). Les centrales au charbon de l'ordre de 700 MW de puissance produisent en charge moyenne en-viron 4,2 milliards de kWh. Pour pouvoir compa-rer l'alimentation en énergie et les incidences des déchets et de l'exploitation sur l'environnement, on s'est ramené à la production d'une centrale nucléaire d'environ 7 milliards de kWh/an.

Charbon: 2 500 000 tonnes/an = 50 000 wagons (630 km).

5 à 25% (400 à 2000 h). Variable (suivant les précipitations et la fonte des neiges).Cas de la Grande Dixence: puissance totale: 2000 MW;production annuelle: plus de 2 milliards de kWh.

Eau.

50 à 90% (4000 à 8000 h). Cas du Seujet: puissance: 5,5 MW;production annuelle: 25 millions de kWh.

Eau.

10 à 50% (800 à 4000 h).Dépend du site et de la régularitédes vents.

Cas du site du Mont-Crosin: six éoliennes; puissance par éolienne: 600 kW;production annuelle par éolienne:830 000 kWh.

Vent.

10 à 20% (800 à 1600 h).Production de la puissance maximale lors de l'ensoleillement optimal en fonction de l'orientation des capteurs.

Chaque mètre carré de capteur peut produire annuellement 100 à 150 kWh.Centrale du Mont-Soleil: un site,puissance: 500 kW;production annuelle: 700 000 kWh.

Soleil.

Centralesnucléaires

Centralesau charbon

Centraleshydrauliquesà haute chute

Centraleshydrauliques �au fil de l’eau

Centraleséoliennes

Centralessolaires

1. Taux d’utilisation annuel 2. Production annuelle 3. Energie brute 4. Incidences visuelles 5. Incidences sur l’air et sur l’eau 6. Production de déchets solidesType de centrale

Comparaison des différents types de centrales

80 à 92% (7000 à 8000 h). Puissance de 1000 MW, production d'environ 8 milliards de kWh/an.

Combustible nucléaire (uranium): 25 à 35 tonnes/an= 2 wagons.

Encombrement des installations �(10 à 20 ha).Constructions marquantes (tour de refroidissement, cheminée, bâtiment du réacteur).

Petites quantités d'éléments gazeux radioactifs dans l'air vicié qui augmentent de moins de 1% la radioactivité naturelle dans le voisinage le plus touché.Chaleur de rejet (environ deux tiers de la chaleur produite, moins la part récupérée pour chauffage à distance).

735 tonnes de déchets faiblement et moyennement radioactifs (emballage compris).12 tonnes de déchets hautement radioactifs (emballage compris).

50 à 70% (4000 à 6000 h). Les centrales au charbon de l'ordre de 700 MW de puissance produisent en charge moyenne environ 4,2 milliards de kWh. Pour pouvoir comparer l'alimentation en énergie et les incidences des déchets et de l'exploitation sur l'environnement, on s'est ramené à la production d'une centrale nucléaire d'environ 7 milliards de kWh/an.

Charbon: 2 500 000 tonnes/an = 50 000 wagons (630 km).

Encombrement important dû aux installations, au stockage du charbon et à l'évacuation des cendres, du mâchefer et du gypse (40 à 70 ha). Constructions marquantes (tour de refroidissement, chau-�dière, cheminée).

Emission par la cheminée: 7 500 000 tonnes de gaz carbonique, 40 000 tonnes de dioxyde de soufre, 20 000 tonnes de dioxyde d'azote, 5000 tonnes de poussières. Bruit dû au transport et au transbordement du charbon, des cendres, du mâchefer et du gypse. Chaleur de rejet (environ deux tiers de la chaleur produite).

350 000 tonnes de cendres �et de mâchefer.120 000 tonnes de boue.

5 à 25% (400 à 2000 h). Variable (suivant les précipitations et �la fonte des neiges).Cas de la Grande Dixence: puissance totale: 2000 MW;production annuelle: plus de 2 milliards de kWh.

Eau. Grande surface pour les retenues.Constructions marquantes (barrages, canalisations de rivières, bâtiments des centrales).

Modifications des débits d’eau des rivières (débits résiduels d’aménagements à accumulation et remous à la sortie des centrales)..

Pas de déchets.

50 à 90% (4000 à 8000 h). Cas du Seujet: puissance: 5,5 MW;production annuelle: 25 millions de kWh.

Eau. Constructions marquantes (barrages, canalisations de rivières, bâtiments des centrales).

Remous à la sortie des centrales. Pas de déchets.

10 à 50% (800 à 4000 h).Dépend du site et de la régularitédes vents.

Cas du site du Mont-Crosin: six éoliennes; puissance par éolienne: 600 kW;production annuelle par éolienne:830 000 kWh.

Vent. Visible de loin.Peut porter atteinte à l’harmoniedes paysages.

Niveau sonore relativement élevé. Pas de déchets.

10 à 20% (800 à 1600 h).Production de la puissance maximale lors de l'ensoleillement optimal en fonction de l'orientation des capteurs.

Chaque mètre carré de capteur peut produire annuellement 100 à 150 kWh.Centrale du Mont-Soleil: un site,puissance: 500 kW;production annuelle: 700 000 kWh.

Soleil. Grande surface au sol (centrale du Mont- Soleil: 20 000 m2 pour 4600 m2 de capteurs et les bâtiments des centrales). Les matériaux de la centrale sont pratiquement tous recyclables en fin de vie.

Grande surface réfléchissante. Pas de déchets d'exploitation.