Centrale électrique - Définition

Introduction

Une centrale (de production d'énergie) électrique est un site industriel destiné à la production d'électricité. Les centrales électriques transforment différentes sources d'énergie naturelle en énergie électrique afin d'alimenter en électricité les consommateurs, particuliers ou industriels relativement lointains. Le réseau électrique permet de transporter puis de distribuer l'électricité jusqu'aux consommateurs.

Hormis dans les centrales photo-voltaïques (encore peu répandues...), la génération d'électricité est assurée par un alternateur entraîné en rotation par une turbine (dans quelques cas rares par un moteur Diesel stationnaire). Le type de turbine définit alors le type de centrale.

• Une turbine à vapeur, dans une centrale thermique (à combustible fossile ou nucléaire) ;
• Une turbine à combustion (communément, mais improprement appelée turbine à gaz), dans une centrale thermique ;
• Une turbine hydraulique, dans une centrale hydroélectrique ou une centrale marémotrice ;
• Une éolienne est aussi une sorte de turbine.

Les centrales thermiques englobent :

• les centrales nucléaires ;
• les centrales géothermiques ;
• les centrales à flamme qui elles-mêmes comprennent :

1. les centrales conventionnelles dans lesquelles un combustible fossile (charbon, fioul, gaz naturel,...) est brûlé dans une chaudière pour produire la vapeur surchauffée alimentant la turbine ;
2. les centrales à turbine à combustion, à simple cycle, brûlant généralement du gaz, parfois du fioul (léger) ;
3. les centrales à cycle combiné, brûlant les mêmes combustibles, mais avec un bien meilleur rendement grâce à l'adjonction d'une chaudière de récupération et d'une turbine à vapeur.

L'énergie électrique est obtenue par conversion de l'énergie mécanique produite par une turbine, moteur à gaz, ou turbine à vapeur. Cette conversion est obtenue en couplant une dynamo (courant continu) ou un alternateur (courant alternatif) à la turbine.

Le rendement de conversion mécanique/électrique est d'environ 98%. L'essentiel des pertes se fait donc sur la conversion thermique-mécanique.

Centrales thermiques à flammes

Centrale thermique à flamme de Chicago (USA)

Centrale nucléaire de Cattenom

Centrale conventionnelle à chaudières

Les centrales les plus répandues sont constituées d'une chaudière et d'une turbine à vapeur (Cycle de Rankine). Leur carburant est le plus souvent du charbon mais on trouve aussi des chaudières utilisant de la biomasse, du gaz naturel, du pétrole, du fioul ou des déchets municipaux.

La plupart des centrales à charbon sont de type à « charbon pulvérisé », où le charbon est réduit en poudre très fine dans des broyeurs et injecté dans le foyer de la chaudière. Les centrales les plus récentes possèdent un cycle vapeur supercritique, qui permet d'avoir un rendement qui dépasse 45%.

Centrale à turbine à gaz

Les turbines à gaz en cycle simple sont peu coûteuses à construire, de plus elles ont l'avantage de démarrer très rapidement (contrairement aux centrales conventionnelles à vapeur qui ont une certaine inertie). Néanmoins, leur rendement faible (35% au mieux) empêche de les utiliser directement pour la production d'électricité sans valoriser leur chaleur résiduelle, sauf en appoint lors des pics de demande ou à toute petite échelle.

Centrale à cycle combiné

Le cycle combiné consiste à récupérer l'énergie thermique des gaz très chauds (de l'ordre de 600 °C) à l'échappement de la turbine à combustion, pour produire dans une chaudière de récupération de la vapeur utilisée pour alimenter un groupe turbo-alternateur à vapeur. Le résultat permet donc une augmentation notable du rendement énergétique de la centrale. Ce type de centrale comprend 2 alternateurs, l'un entraîné par la turbine à combustion, l'autre par la turbine à vapeur. Toutefois, certaines centrales n'ont qu'un seul alternateur, les deux turbines étant montées sur le même arbre.

Cogénération

Au contraire, la cogénération (ou trigénération) n'augmente pas le rendement électrique, mais se contente d'envoyer les gaz chauds de la centrale vers un procédé industriel consommateur de chaleur. Le rendement atteint étant un rendement global: rendement électrique plus rendement de transfert thermique. Le but principal est souvent le procédé industriel, la production d'électricité étant soumise au besoin de chaleur.

Obstacles, défauts, inconvénients

• Les sources d'énergie fossile ont comme principaux défauts d'être épuisables et d'être à l'origine d'une pollution de l'air (pollutions acides en particulier). En outre, la combustion du carbone produit du CO (principal gaz à effet de serre).

Un rapport (2008) de l'EEA, à partir d'une comparaison entre des centrales de l'UE-25 ayant mis en œuvre de « bonnes pratiques » et d'autres, montre qu'il reste un important potentiel de réduction des émissions de SO et de NOx, si toutes les centrales utilisaient les meilleures techniques disponibles (MTD).

Une étude est prévue pour l'UE sur l'effet de l'application de la directive LCP et de nouvelles valeurs limites d'émission (VLE) qui visent 70 % d'abattement sur le SO et de NOx (directive IPPC). D'autres études portent sur la possibilité de capter le CO produit et de le stocker sous terre (dans d'anciens champs d'hydrocarbures déplétés ou dans des aquifères salins), mais ces solutions sont encore au stade expérimental.

• Elles induisent une dépendance à l'égard des producteurs de ressources (gaz, pétrole, charbon...)
• Le caractère très centralisé des centrales et la dépendance au réseau électrique THT les rendent vulnérables
• Les centrales thermiques à flamme produisent du dioxyde de carbone (gaz à effet de serre), des oxydes d'azote et de soufre et d'autres polluants (poussières, métaux lourds, dont mercure, dioxyde de soufre...) contribuant aux smogs photochimiques, à la production d'ozone troposphérique, et de pluies, brumes et brouillards acides.

Avantages

La production d'énergie est indépendante des conditions météorologiques, la source d'énergie peut être (dans une certaine mesure) facilement stockée et la puissance unitaire des centrales peut être très élevée.

Elles permettent de faire de la cogénération : lorsque l'on a besoin à un endroit déterminé (agglomérations, industries chimiques, serres...) de chaleur en grande quantité, il est intéressant de créer une centrale thermique qui produit de l'électricité et dont le circuit de refroidissement sert de source de chaleur pour l'application désirée. (les centrales solaires, hydrauliques et les éoliennes le permettent aussi quand le soleil, l'eau ou le vent sont présents).

C'est une manière de rentabiliser les inévitables pertes de ce type de centrales. la Co- et la tri-génération ne sont cependant pas encore systématiques.