Centrale thermique - Définition

Introduction

Centrale thermique et éoliennes. Peine, Basse-Saxe, Allemagne

Une centrale thermique est une centrale électrique qui produit de l'électricité à partir d'une source de chaleur. Cette source peut être un combustible brûlé (tels gaz naturel, certaines huiles minérales, charbon, déchets industriels, déchets ménagers), la fission de noyaux d'uranium 235 ou de plutonium 239.

Fonctionnement

La source de chaleur chauffe un fluide (souvent de l'eau) qui passe de l'état liquide à l'état gazeux (vapeur par exemple), gaz qui entraîne une turbine accouplée à un alternateur qui transforme l'énergie cinétique de la turbine en énergie électrique.

Pour entraîner la turbine, il faut que la pression soit plus faible à sa sortie qu'à l'entrée. La baisse de pression à la sortie de la turbine est obtenue en condensant le gaz, en aval de la turbine, à l'aide d'une source froide.

Le fluide condensé est en général réutilisé comme source de vapeur et effectue un cycle thermodynamique fermé.

La cogénération consiste à produire conjointement de la chaleur pour un procédé industriel ou le chauffage urbain, afin d'améliorer le rendement global.

Rotor d’une turbine à vapeur.

Types

Les centrales thermiques se répartissent en trois grandes catégories, selon la nature de leur source de chaleur

• (charbon, fioul ou gaz)
• Centrales récupérant de la chaleur pré-existante (solaire, géothermique...)

Centrale au fioul

Ce type de centrale brule du fioul dans une chaudière et en tire la chaleur destinée à produire de la vapeur. Cette vapeur fait tourner une turbine qui entraine un alternateur et produit de l'électricité.

Centrale à flamme

Centrale à gaz

Centrale à charbon

Les centrales thermiques au charbon sont les plus répandues dans le monde, notamment dans les pays ayant d'importantes réserves de charbon (Inde, Chine, États-Unis, Allemagne...).

De quelques dizaines de MW au milieu du XXème siècle, leur puissance unitaire a rapidement augmenté pour maintenant dépasser 1 000 MW. Parallèlement à la croissance de leur puissance unitaire, leur rendement a été amélioré grâce à l'augmentation de la pression et de la température de la vapeur utilisée. Des valeurs usuelles de 180 bar et 540 °C que l'on rencontrait dans les années 1970, on atteint désormais des valeurs supercritiques de plus de 250 bars et 600 °C.

Par ailleurs les centrales au charbon intègrent maintenant des dispositifs limitant leurs rejets polluants. Les poussières (suies) contenues dans les fumées sont captées dans des électrofiltres (ou dans certains pays, par des filtres à manches), les oxydes de soufre (SO2, SO3)sont piégés dans des unités de désulfuration (FGD en anglais : flue gas desulfurization) et plus récemment sont apparus les équipements éliminant les oxydes d'azote (NOx) (SCR en anglais : selective catalytic reduction).

Une nouvelle technologie de chaudière a été développée depuis 1980 : les chaudières à lit fluidisé circulant. Ces chaudières ont une température de foyer beaucoup plus basse (850 °C) permettant de diminuer la formation de NOx et peuvent contenir dans leur lit du calcaire réagissant avec les oxydes de soufre. Elles permettent donc une production de vapeur à faible pollution et on rencontre le terme de "charbon propre" pour les caractériser. Cependant leur taille actuelle (300-400 MW) ne leur permet pas de concurrencer les chaudières conventionnelles dans les plus fortes puissances.

Les développements en cours concernent la capture du CO2 dans les centrales thermiques. C'est en effet la production d'électricité à partir de charbon qui est le principal émetteur de gaz à effet de serre au monde. Plusieurs technologies sont étudiées en parallèle : la pré-combustion (essentiellement aux États-Unis, fervents défenseurs de l'IGCC, c'est à dire en utilisant la gazéification du charbon), l'oxy-combustion (combustion à l'oxygène pur, et non à l'air) et la post-combustion (captage du CO2 dans les fumées, par réaction avec des amines ou de l'ammoniaque). Ce sont ces dernières techniques qui sont les plus avancées, bien qu'encore à l'état de prototype. Toutes ces techniques ont le désavantage de consommer beaucoup d'énergie et donc de faire chuter le rendement net d'une dizaine de points.

En France, le charbon n'est plus extrait des mines, mais reste en périodes de pointe et de semi-base le combustible fossile majoritairement encore utilisé par des centrales à charbon.

Les principaux composants d'une centrale thermique au charbon sont

• élément la chaudière et ses auxiliaires (broyeurs, dépoussiéreur électrostatique, évacuation des cendres...)
• élément le groupe turbo-alternateur
• élément le condenseur
• le poste d'eau (réchauffage de l'eau alimentaire)
• le poste électrique (transformateurs...)

Le principe simplifié de fonctionnement est le suivant : L'eau déminéralisée contenue dans la bâche alimentaire y est dégazée, avant d'être envoyée par les pompes alimentaires vers la chaudière.

La chaudière transfère la chaleur dégagée par la combustion, à l'eau qui se transforme en vapeur surchauffée sous pression.

La vapeur ainsi produite est admise dans la turbine où elle est détendue avant de rejoindre le condenseur. La détente de la vapeur provoque la rotation des roues de la turbine, qui entraîne l'alternateur.

Refroidie dans le condenseur par une circulation d'eau d'un circuit secondaire (eau de mer, eau de rivière...)la vapeur retourne à l'état liquide et est renvoyée à la bâche d'où elle repart pour un nouveau cycle.

En fait, le fonctionnement est un peu plus complexe car plusieurs dispositifs sont prévus pour améliorer le rendement. Par exemple :

La turbine a généralement 2 corps (HP - haute pression- et MP - moyenne pression) et la détente de la vapeur s'effectue en 2 étages. Entre les 2, la vapeur retourne à la chaudière pour y être "resurchauffée".

Divers soutirages de vapeur sont prévus permettant le réchauffage de l'eau alimentaire avant son admission dans la chaudière.

Ce principe de fonctionnement, décrit pour les centrales à charbon (cas le plus fréquent) est le même pour toutes les centrales thermiques avec turbine à vapeur, mais utilisant d'autres combustibles (fioul, gaz, incinération...).

Diagramme d'une centrale à charbon « standard »

1. Tour de refroidissement	10. Valve de contrôle de vapeur	19. Surchauffeur
2. Pompe de la tour de refroidissement	11. Turbine vapeur à haute pression	20. Ventilateur d'air primaire
3. Ligne de transmission triphasée	12. Dégazeur	21. Ressurchauffeur
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 vapeur à 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 à pression intermédiaire	18. Trémie à mâchefers	27. Cheminée