Centrale thermique - Définition et Explications

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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 :...). Cette source peut être un combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) brûlé (tels gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent...), certaines huiles minérales, charbon, déchets industriels, déchets ménagers), la fission de noyaux d'uranium 235 (L'uranium 235, noté 235U, est l'isotope de l'uranium dont le nombre de masse est égal...) ou de plutonium 239 (Le plutonium 239, noté 239Pu, est l'isotope du plutonium dont le nombre de masse est égal...).

Fonctionnement

La source de chaleur chauffe un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) (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...) à l'état gazeux (vapeur par exemple), gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) qui entraîne une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...) accouplée à un alternateur qui transforme l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) de la turbine en énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il...).

Pour entraîner la turbine, il faut que la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) 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...) fermé.

La cogénération (La cogénération (ou « co-génération ») est un principe de...) 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...) 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...) 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),...) 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...).

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...) 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...), 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...) 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...) (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...) (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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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 (La gazéification est un procédé qui permet de convertir des matières...) du charbon), l'oxy-combustion (combustion à l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) 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...) 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...) 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...) 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...), 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...) (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...), 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...) 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...) 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...)...)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...) 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...)...).

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...) 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...) primaire
3. Ligne de transmission (Une ligne de transmission est un ensemble d'un (en réalité deux si l'on considère la masse),...) 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,...)
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