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Centrale thermique

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 (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). Cette source peut être un combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la...) brûlé (tels gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.), certaines huiles minérales, charbon, déchets industriels, déchets ménagers), la fission de noyaux d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le...) 235 ou de plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le plomb — radioactif et...) 239.

Fonctionnement

La source de chaleur chauffe un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et...) (souvent de l'eau) qui passe de l'état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) à l'état gazeux (vapeur par exemple), gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz...) qui entraîne une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) accouplée à un alternateur qui transforme l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail nécessaire pour...) de la turbine en énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer....).

Pour entraîner la turbine, il faut que la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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 (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la première dans...) fermé.

La cogénération consiste à produire conjointement de la chaleur pour un procédé industriel ou le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) 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 (Le fioul (terme recommandé en France par la DGLFLF) ou mazout (terme recommandé par l'Office québécois de la langue française) est un combustible dérivé du pétrole,...) ou gaz)
  • Centrales récupérant de la chaleur pré-existante (solaire, géothermique...)

Centrale au fioul

Ce type de centrale brule du fioul dans une chaudière (Une chaudière est un appareil (voire une installation industrielle, selon sa puissance), permettant de transférer en continu de l'énergie thermique à un fluide caloporteur (le plus généralement de l'eau)....) 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 (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la...).

Centrale à flamme

Centrale à gaz

Centrale à charbon

Les centrales thermiques au charbon sont les plus répandues dans le monde (Le mot monde peut désigner :), notamment dans les pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas...) ayant d'importantes réserves de charbon (Inde, Chine, États-Unis, Allemagne...).

De quelques dizaines de MW au milieu du XXème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être...), leur puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) 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 (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) (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 (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant...) (NOx) (SCR en anglais : selective catalytic reduction).

Une nouvelle technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de chaudière a été développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de...) 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 (NOx, de N symbole de l'azote, O celui de l'oxygène et x représentant une stœchiométrie inconnue est une abréviation utilisée dans le domaine de la chimie, de la pollution et de la qualité de l'air, qui regroupe...) et peuvent contenir dans leur lit du calcaire réagissant avec les oxydes de soufre. Elles permettent donc une production de vapeur à faible pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par malsain [1].) 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 (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce...) 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 (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres étoiles (dans le cas...) 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 (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le reste...) majoritairement encore utilisé par des centrales à charbon.

Les principaux composants d'une centrale thermique (Une centrale thermique est une centrale électrique qui produit de l'électricité à partir d'une source de chaleur. Cette source peut être un...) au charbon sont

  • élément la chaudière et ses auxiliaires (broyeurs, dépoussiéreur électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.), évacuation des cendres...)
  • élément le groupe turbo-alternateur
  • élément le condenseur
  • le poste d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) (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 (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.), 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 (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) de la turbine, qui entraîne l'alternateur.

Refroidie dans le condenseur par une circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) d'eau d'un circuit secondaire (eau de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), eau de rivière (En hydrographie, une rivière est un cours d'eau qui s'écoule sous l'effet de la gravité et qui se jette dans une autre rivière ou dans un fleuve, contrairement au fleuve qui se jette, lui, selon cette...)...)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 (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des...) 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 (L'incinération est une technique de transformation par l'action du feu. Incinérer signifie « réduire en cendres » ou, dit autrement, qu'on brûle complètement les matières à incinérer.)...).

Diagramme d'une centrale à charbon « standard »

1. Tour de refroidissement 10. Valve de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de vapeur 19. Surchauffeur
2. Pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) de la tour de refroidissement 11. Turbine vapeur à haute pression 20. Ventilateur d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) primaire
3. Ligne de transmission (Une ligne de transmission est un ensemble d'un (en réalité deux si l'on considère la masse), deux ou plusieurs conducteurs acheminant de concert un signal électrique (souvent haute-fréquence).) triphasée 12. Dégazeur 21. Ressurchauffeur
4. Transformateur élévateur de tension (La tension est une force d'extension.) 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 (Une cheminée (lat. caminus) est un conduit vertical aménagé dans un bâtiment, (un véhicule), pour évacuer les gaz et fumées toxiques d'un feu brûlant dans son intérieur. Ce...)
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