Science et technologie s1384

Les moyens technologiques pour produire de l'électricité

​L'électricité est la forme d'énergie la plus utilisée par l'homme. Les formes naturelles d'électricité, par exemple la foudre, sont toutefois difficiles, voire impossibles, à utiliser pour combler nos besoins énergétiques. Ainsi, il nous faut transformer les diverses manifestations naturelles de l'énergie afin de produire l'électricité dont nous avons besoin. Pour ce faire, plusieurs moyens ont été développés. En voici quelques-uns accompagnés des ressources naturelles qu'ils transforment.

Système de production d'énergie électrique Ressource énergétique
Centrale thermique Hydrocarbures et biomasse
Centrale nucléaire Éléments radioactifs
Centrale hydroélectrique Eau (courants des rivières)
Éolienne Vent
Centrale géothermique Géothermie (chaleur du sol)
Panneau photovoltaïque Rayonnement solaire (lumière et chaleur)

Le choix d'un système de production d'électricité dépend principalement de la disponibilité des ressources énergétiques. Par exemple, de par l'importance de son réseau hydrographique, le Québec produit la majorité de son électricité au moyen de centrales hydroélectriques. Le choix du système peut aussi dépendre de l'impact environnemental des différentes ressources énergétiques.

Fonctionnement d'une centrale thermique classique

Les centrales thermiques fonctionnent traditionnellement à l'aide de combustibles fossiles, principalement le charbon. Toutefois, étant donné la forte production de gaz à effet de serre et de polluants divers, on privilégie maintenant les centrales thermiques fonctionnant à l'aide des énergies de la biomasse.

  1. Une chambre à combustion (18) est alimentée en air (24) et en combustible (charbon ou autre). Pour faciliter la combustion et augmenter le rendement de la centrale, on pulvérise les combustibles solides (16) alors qu'on vaporise en fines gouttelettes les combustibles liquides dans la chambre à combustion.
  2. Des canalisations d'eau (19) passent dans la chambre à combustion. Sous l'effet de la chaleur, l'eau se transforme en vapeur dans les tuyaux.
  3. La vapeur sous haute pression est acheminée dans une turbine (6), et en provoque le mouvement de rotation.
  4. Cette turbine est liée à un alternateur (5) qui, lorsqu'il est mis en rotation, produit de l'électricité.
  5. Lorsque la vapeur sort de la turbine, elle est dirigée vers un condensateur (8) pour la transformer en eau. Cette eau est ensuite refroidie en passant dans un bassin ou dans un cours d'eau. Elle peut alors être réintroduite dans le générateur de vapeur et recommencer le cycle.


Schéma d'une centrale thermique classique Source

1. Tour de refroidissement 10. Vanne de contrôle de vapeur 19. Surchauffeur
2. Pompe de la tour de refroidissement 11. Turbine à vapeur (corps haute pression) 20. Ventilateur d'air primaire
3. Ligne de transmission triphasée 12. Bâche alimentaire avec dégazeur 21. Resurchauffeur
4. Transformateur élévateur de tension 13. Préchauffeur d'eau de chaudière 22. Prise d'air de combustion
5. Alternateur 14. Convoyeur à charbon 23. Économiseur
6. Turbine à vapeur(corps basse pression) 15. Trémie à charbon 24. Réchauffeur d'air
7. Pompe d'extraction des condensats 16. Broyeur à charbon 25. Electro-filtre
8. Condenseur 17. Ballon de la chaudière 26. Ventilateur de tirage
9. Turbine à vapeur  (corps moyenne pression) 18. Trémie à mâchefers 27. Cheminée

Afin de maintenir une température optimale, des brûleurs entretiennent constamment la combustion dans la chambre à combustion. De plus, le mélange de carburant et d'air doit y être calibré de façon précise. Les gaz produits lors de la combustion (CO2, NO2, SO2 et autres) sont expulsés par de hautes cheminées. Diverses solutions techniques permettent de réduire la pollution atmosphérique émise. 

Fonctionnement d'une centrale nucléaire

Une centrale nucléaire fonctionne essentiellement sous le même principe qu'une centrale thermique, c'est-à-dire qu'une production de chaleur transforme de l'eau en vapeur afin d'actionner une turbine. La différence majeure réside dans la présence du réacteur nucléaire au lieu d'une chambre à combustion.

  1. De l'uranium (matière nucléaire fissile) est introduit dans la cuve du réacteur nucléaire. La fission de ces atomes est contrôlée afin de produire une chaleur constante.
  2. Un premier circuit d'eau sous pression (en jaune), actionné par une pompe, passe dans le réacteur et y absorbe de la chaleur. Grâce à la pression élevée, l'eau peut atteindre des températures de 300°C tout en restant liquide.
  3. Le circuit d'eau sous pression entre en contact avec le générateur de vapeur (en bleu) où plusieurs canalisations s'ouvrent. Sous l'effet de la chaleur, l'eau contenue dans le générateur de vapeur s'évapore dans le tuyau supérieur.
  4. La vapeur sous haute pression, en circulant dans la canalisation, entraîne la rotation d'une turbine.
  5. La turbine est liée à un alternateur qui, par un mouvement de rotation, transformera cette énergie mécanique en électricité.
  6. Après son passage dans la turbine, la vapeur se retrouve dans un second échangeur de chaleur (en vert). Cet échangeur de chaleur contient de l'eau fraîche provenant directement d'un cours d'eau ou de la mer. Ainsi, la vapeur redevient liquide au contact de cette eau fraîche et est pompée vers le réacteur.
  7. L'eau du second échangeur de chaleur, maintenant chaude, est pompée vers une tour de refroidissement avant d'être retournée dans l'environnement.


Schéma d'une centrale nucléaire Source

Il est à noter que la matière nucléaire, lorsqu'elle ne permet plus de générer une chaleur suffisante au fonctionnement de la centrale, est retirée et remplacée par de nouveaux atomes. Toutefois, les solides retirés émettent toujours des radiations. Ils doivent donc être stockés dans un bassin d'eau en attendant leur enfouissement.

Fonctionnement d'une éolienne

Une éolienne produit de l'électricité à partir de la force du vent. Ainsi, le vent (énergie éolienne) actionne les pales d'une hélice (énergie mécanique) qui met alors en mouvement un générateur (énergie électrique). Une éolienne seule produit peu d'électricité; c'est pourquoi on installe généralement plusieurs éoliennes à un même endroit pour former un parc éolien.

  1. Le vent est capté à l'aide des pales de l'éolienne. Celles-ci sont profilées de façon à transformer la force du vent en un mouvement de rotation du rotor.
  2. Le mouvement du rotor entraîne un axe, le moyeu, lié à un multiplicateur, lui-même lié au générateur. Ce générateur, en tournant, produit un courant électrique.
  3. L'armoire de couplage au réseau électrique, située à la base du mât, contient un transformateur qui transforme le courant électrique produit par l'éolienne en vue de son transport par les lignes à haute tension.


Schéma d'une éolienne Source

Un vent d'environ 15 km/h est suffisant pour actionner une éolienne et produire de l'électricité. Pour des questions de sécurité, on bloque les pales et le rotor lorsque le vent dépasse 90 km/h.

Fonctionnement d'un panneau photovoltaïque

Les panneaux photovoltaïques sont constitués de matériaux semi-conducteurs, c'est-à-dire de matériaux qui se comportent à la fois comme isolant et comme conducteur. Ces matériaux peuvent se charger, positivement ou négativement, ou encore conduire le courant. Ce sont surtout les éléments métalloïdes qui possèdent cette propriété. C'est entre autre pourquoi le silicium (Si) est le principal constituant des panneaux photovoltaïques.

  1. L'énergie lumineuse qui arrive à la surface d'un panneau photovoltaïque excite les atomes du matériau semi-conducteur.
  2. Les atomes excités perdent des électrons par un phénomène nommé effet photoélectrique.
  3. Les électrons, alors libres, circulent dans les matériaux en suivant la polarité du circuit. Ainsi, un courant électrique est créé.
  4. L'éclairement continu d'un panneau photovoltaïque permet de créer un courant continu pouvant servir à alimenter un petit appareil électrique ou à recharger une batterie par exemple.


Schéma d'un panneau photovoltaïque Source

Fonctionnement d'une centrale géothermique

Une centrale géothermique produit de l'électricité grâce à la chaleur du manteau terrestre. Selon un fonctionnement semblable aux autres types de centrales, cette chaleur est transformée en vapeur d'eau afin d'actionner une turbine et un alternateur.

  1. De l'eau de pluie, ou de mer, s'infiltre dans les anfractuosités (espaces creux) de la croûte terrestre et forme un réservoir souterrain: une nappe phréatique (aussi nommé nappe aquifère). Lorsque ce réservoir est à proximité du manteau de la Terre, ou d'une zone magmatique, la température de l'eau s'y élève de 150 à 350°C.
  2. L'eau chaude, sous pression dans le sous-sol, est pompée jusqu'en surface à l'aide d'un forage. Pendant sa remontée, sa pression diminue ce qui engendre sa transformation en vapeur.
  3. La pression de cette vapeur d'eau faire tourner une turbine située dans la centrale géothermique.
  4. La turbine actionne à son tour un alternateur qui produira un courant électrique alternatif lors de sa rotation.


Schéma d'une centrale géothermique (1-nappe phréatique; 2-eau chaude en provenance de la Terre;  3-centrale géothermique dans laquelle on retrouve la turbine et l'alternateur; 4-connection de la centrale au réseau électrique; 5-l'eau chaude restante peut être utilisée à des fins de chauffage; 6-l'énergie thermique peut être réutilisée par des centrales thermiques; 7-l'eau rendue froide est retournée dans la nappe phréatique) Source

Fonctionnement d'une centrale hydroélectrique (barrage hydroélectrique)

Une centrale hydroélectrique produit de l'énergie à partir du mouvement de l'eau, soit son énergie cinétique. Ce type de centrale implique de nombreuses transformations d'énergie. Par exemple, l'eau contenue dans le réservoir possède une importante énergie potentielle qui sera transformé en énergie cinétique dans la conduite forcée. Cette énergie cinétique engendrera la rotation d'une turbine et, conséquemment, d'un alternateur qui produira de l'énergie électrique.

  1. Le barrage s'oppose à l'écoulement naturel de l'eau. L'eau s'accumule et un réservoir (A) se constitue, ce qui a pour fonction d'accumuler un important volume d'eau possédant assez d'énergie potentielle pour faire tourner rapidement les turbines (C).
  2. Une fois le réservoir rempli à la capacité désirée, des vannes (E) sont ouvertes pour permettre à l'eau de s'engouffrer dans une canalisation nommée conduite forcée (F). Cette conduite forcée dirige l'eau vers la centrale hydroélectrique située en aval.
  3. À la sortie de la conduite, dans la centrale (B), la force de l'eau actionne la rotation de la turbine (C).
  4. La rotation de la turbine (C) entraîne à son tour le fonctionnement de l'alternateur (D), ce qui produit un courant électrique qui pourra être distribué par le réseau électrique.


Schéma d'une centrale hydroélectrique (barrage hydroélectrique) (A-réservoir d'eau; B-centrale hydroélectrique; C-turbine; D-alternateur; E-vannes; F-conduite forcée; G-lignes à haute tension; H-rivière) Source

Diverses fiches de la section Univers matériel peuvent compléter l'information retrouvée dans cette fiche:
L'énergie
Les formes d'énergie

Certaines notions expliquées dans la section Terre et Espace de la bibliothèque virtuelle peuvent te fournir des informations supplémentaires sur le thème de l'énergie:
Les manifestations naturelles de l'énergie
Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables
Les impacts de l'exploitation des ressources énergétiques

Les vidéos
Les exercices
Les références