mercredi 16 novembre 2011

Filières électrothermiques

Elles utilisent des énergies primaires principalement fossiles (charbon, pétrole ou ses dérivés, gaz, lignites) ou plus rarement renouvelables (biomasse, déchets) pour produire de l’énergie calorifique qui peut être convertie, avec un rendement très loin de 100%,  mais plutôt de 30 à 40%, en énergie mécanique, par deux voies principales :

·        Les moteurs à combustion interne, dans lesquels les gaz de combustion produisent eux-mêmes l’énergie mécanique :
o   Moteurs à pistons, pour les faibles à moyenne puissance,
o   Turbines « à gaz » pour les puissances moyennes à fortes

·       Les moteurs à combustion externe, essentiellement des turbines à vapeur, pour les puissances moyennes à fortes, jusqu’à 1 600 Mw. La combustion permet de produire de la vapeur d’eau qui produit l’énergie mécanique.

·     Les centrales électronucléaires font partie de cette dernière catégorie, avec cette différence que la chaleur provient d’une réaction de fission nucléaire et non d’une combustion.

Dans tous les cas, cette énergie mécanique est convertie en énergie électrique par un alternateur dont le rendement est excellent, proche de 100% dans les fortes puissances.


Le reste de l’énergie thermique, soit généralement près des deux tiers de l’énergie primaire, doit être évacuée vers la source froide, qui doit être refroidie par la mer (que l’on ne réchauffe pas eu égard à sa masse) ou, le plus souvent, par un cours d’eau. Dans ce dernier cas, l’eau est alors refroidie par évaporation partielle (quelques %) dans des réfrigérants atmosphériques, souvent en forme d’hyperboloïde très caractéristique (photo).

Dans certains cas, on cherche à récupérer l’énergie calorifique perdue dans le condenseur pour l’utiliser en chauffage domestique ou  tertiaire, ou dans des applications industrielles. On parle alors de cogénération.

Centrales thermiques à combustion interne

Elles utilisent des énergies primaires fossiles (pétrole ou ses dérivés : essence, fuel léger ou lourd, gaz naturel, gaz de coke) ou rarement renouvelables (gaz de fermentation), disponible sous forme liquide ou gazeuse suffisamment pure pour pouvoir brûler dans l’air sans résidus solide.  Dans tous les cas, le combustible est brûlé dans de l’air préalablement comprimé, qui ainsi s’échauffe et se dilate. Sa détente transforme l’énergie thermique en énergie mécanique transmise respectivement aux pistons ou aux roues à aubes.

Moteurs à pistons, analogues à ceux des véhicules, mais beaucoup plus gros, pour les puissances faibles à moyenne, pratiquement des groupes de secours ou de chantiers, jusqu’à une puissance maximum de quelques mégawatts.


Turbines à gaz, analogues à celles des avions, mais beaucoup plus lentes, pour les puissances supérieures uniquement : les lois de la mécanique des fluides imposent  que leurs aubages de ces turbines travaillent à des vitesses linéaires très élevées. Leur vitesse de rotation étant limitée à 3 000 t/min, soit 50 t/sec, par la fréquence (50Hz) du réseau électrique, un grand rayon est nécessaire pour obtenir une grande vitesse linéaire. Ceci débouche sur une puissance de turbine élevée.



Leur rendement est bien loin de 100%. La majeure partie de l’énergie primaire est transformée en chaleur en fin de cycle, et évacuée par la « source froide ».

Centrale thermique à combustion externe

Dans un moteur à combustion externe, les gaz de combustion sont distincts du fluide thermodynamique : la combustion s’effectue dans une chaudière qui transforme de l’eau en vapeur sèche (c'est-à-dire exempte de gouttelettes d’eau) sous pression élevée. La chaudière, dont le foyer est à la pression atmosphérique, permet une évacuation aisée des cendres s’il y en a. Ceci permet d’utiliser pratiquement n’importe quel type de combustible :
·        Liquides ou gazeux, communs aux moteurs à combustion interne
·        Mais aussi solides avec cendres : charbons, lignites, déchets ménagers ou industriels


La vapeur sèche (exempte de gouttelettes d’eau liquide), sous pression élevée produite par la chaudière, est le fluide thermodynamique qui fait tourner le « moteur », lequel transforme son énergie thermique en énergie mécanique. En fin de cycle, la vapeur, devenue saturée pendant sa détente et son refroidissement, redevient liquide dans le condenseur, lui-même refroidi par de l’eau extérieure provenant de la mer ou d’un cours d’eau. Dans ce dernier cas, cette eau est elle-même refroidie par évaporation naturelle de quelques % dans des réfrigérants atmosphériques.

Le moteur pourrait être une machine à vapeur analogue à celle des locomotives ferroviaires d’antan. Cette solution est totalement abandonnée pour la production électrique : puissance limitée, mauvais rendement, maintenance difficile…

C’est pratiquement toujours une turbine à vapeur à plusieurs « étages », c'est-à-dire plusieurs roues à aubes consécutives. Elles peuvent atteindre 1 600 Mw. Leur technologie est parfaitement maîtrisée depuis un siècle. Elles peuvent tourner à 3000, 1500 t/min ou moins selon que l’alternateur a une  paire de pôles, ou deux, ou plus.

Centrale thermiques à cycle combiné

Cette filière très récente et en plein développement résulte de l’optimisation des rendements en application du principe de Carnot-Clausius.

Les turbines à gaz (combustion interne) émettent des gaz brûlés à une température (source froide T2) trop élevée. A l’inverse, les turbines à vapeurs (combustion externe) sont alimentées par de la vapeur d’eau à une température (source chaude T1) trop basse. Pour y remédier, on utilise une turbine à gaz dont les gaz brûlés à température élevée produisent de la vapeur d’eau utilisée dans une turbine à vapeur. Les deux turbines produisent de l’énergie mécanique convertie en énergie électrique par des alternateurs. En procédant ainsi on arrive à un rendement réel atteignant 58%, le plus élevé des filières électrothermiques. Ce rendement élevé à partir d’un gaz dit « naturel » aboutit à des émissions de CO2 largement inférieures à celles des  centrales conventionnelles, particulièrement au charbon. Il ne s’agit pourtant pas d’une énergie verte : elle consomme du gaz fossile non renouvelable, et émet beaucoup de CO2. C’est plutôt un moindre mal par rapport aux générations précédentes.