Introduction : La Production Électrique
La production d'électricité repose sur la conversion d'une énergie primaire (fossile, nucléaire, hydraulique) en énergie électrique. Cette conversion passe généralement par une étape intermédiaire : la production de chaleur puis de mouvement mécanique (turbine + alternateur).
// Chaîne énergétique d'une centrale thermique
Énergie primaire → Chaleur → Mécanique → Électrique
Combustible/Fission → Chaudière → Turbine → Alternateur
En France, la production électrique annuelle est d'environ 500 TWh, dont 70% d'origine nucléaire.
1. Centrales Thermiques à Flamme
Les centrales thermiques à flamme utilisent la combustion de combustibles fossiles (charbon, gaz, fioul) pour produire de la vapeur d'eau à haute pression qui entraîne une turbine.
1.1 Principe de fonctionnement
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│ CHAUDIÈRE │ │ TURBINE │ │ ALTERNATEUR │ │ RÉSEAU │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ Combustion │───→│ Vapeur HP │───→│ Rotation │───→│ Électricité │
│ T = 550°C │ │ → Détente │ │ 3000 tr/min │ │ 50 Hz │
│ P = 160 bar │ │ │ │ │ │ │
└──────────────┘ └──────────────┘ └──────────────┘ └──────────────┘
│
┌──────┴───────┐
│ CONDENSEUR │
│ T = 30°C │
│ → Eau froide │
└──────────────┘1.2 Cycle de Rankine
Rendement théorique (Carnot) : η_c = 1 - T_froid / T_chaud
Exemple : T_chaud = 550°C = 823 K, T_froid = 30°C = 303 K
η_c = 1 - 303/823 = 63% (maximum théorique)
Rendement réel : 35-45% (pertes mécaniques, thermiques)
1.3 Centrales à Cycle Combiné Gaz (CCG)
Les CCG utilisent les gaz d'échappement de la turbine à gaz pour produire de la vapeur (cycle combiné), atteignant des rendements de 58-62%.
| Type de centrale | Combustible | Rendement | CO₂ (g/kWh) |
|---|---|---|---|
| Charbon classique | Houille | 35-40% | 900-1000 |
| Charbon supercritique | Houille | 42-47% | 750-850 |
| Gaz (TAC simple) | Gaz naturel | 35-40% | 500-550 |
| CCG (cycle combiné) | Gaz naturel | 58-62% | 350-400 |
2. Centrales Nucléaires
Les centrales nucléaires utilisent la fission de l'uranium 235 pour produire de la chaleur. La réaction en chaîne est contrôlée par des barres de contrôle (absorbeurs de neutrons).
2.1 Réaction de fission
// Réaction de fission de l'U-235
²³⁵U + n → ⁹⁴Sr + ¹⁴⁰Xe + 2n + Énergie
1 fission libère ≈ 200 MeV = 3,2 × 10⁻¹¹ J
1 kg d'U-235 = 82 TJ ≈ 2000 tonnes de pétrole
// Énergie massique
E = Δm × c² (Einstein)
2.2 Réacteur à Eau Pressurisée (REP)
Circuit primaire
Eau pressurisée
T = 320°C, P = 155 bar
Refroidit le coeur
Circuit secondaire
Vapeur d'eau
T = 280°C, P = 60 bar
Entraîne la turbine
Circuit tertiaire
Eau de refroidissement
Rivière ou tour aéro
Condense la vapeur
⚡ Puissance type REP : 900 MW ou 1300 MW électrique, soit 2700-3900 MW thermique. Rendement ≈ 33% (limité par la température max du combustible).
2.3 Bilan énergétique d'un REP 1300 MW
ENTRÉE : P_thermique = 3900 MW (fission) SORTIES : ├── Électricité produite : 1300 MW (33.3%) ├── Pertes condenseur : 2200 MW (56.4%) → rivière/tours ├── Pertes auxiliaires : 300 MW (7.7%) → pompes, ventilation └── Pertes diverses : 100 MW (2.6%) Rendement = 1300 / 3900 = 33.3%
3. Centrales Hydrauliques
Les centrales hydrauliques convertissent l'énergie potentielle de l'eau (hauteur de chute) en énergie mécanique puis électrique. C'est la forme de production renouvelable la plus efficace.
3.1 Énergie potentielle et puissance
// Énergie potentielle de l'eau
E_p = m × g × h = ρ × V × g × h
// Puissance hydraulique
P = ρ × Q × g × h
ρ = 1000 kg/m³ (masse volumique eau)
Q = débit en m³/s
g = 9.81 m/s²
h = hauteur de chute en m
// Exemple : barrage de 100 m, débit 50 m³/s
P = 1000 × 50 × 9.81 × 100 = 49 MW (théorique)
P_réelle = 49 × 0.90 = 44 MW (η = 90%)
3.2 Types de centrales hydrauliques
| Type | Hauteur | Débit | Turbine | Rendement |
|---|---|---|---|---|
| Haute chute | > 200 m | Faible | Pelton | 90-92% |
| Moyenne chute | 30-200 m | Moyen | Francis | 90-94% |
| Basse chute | < 30 m | Fort | Kaplan | 88-92% |
| STEP (pompage) | Variable | Variable | Réversible | 75-80% |
💡 STEP : Les Stations de Transfert d'Énergie par Pompage permettent de stocker l'électricité en pompant l'eau vers le bassin supérieur (la nuit) et en la turbinant aux heures de pointe. Capacité France : 5 GW (Grand'Maison : 1,8 GW).
4. Comparaison des Moyens de Production
4.1 Facteur de charge
Le facteur de charge est le rapport entre l'énergie effectivement produite et l'énergie théorique si la centrale fonctionnait à pleine puissance 24h/24.
// Facteur de charge
FC = E_produite / (P_nominale × t)
// Exemple : centrale nucléaire 1300 MW
Production annuelle : 9 TWh
Théorique : 1300 MW × 8760 h = 11.4 TWh
FC = 9 / 11.4 = 79% (arrêts maintenance)
4.2 Tableau comparatif
| Source | Rendement | FC | CO₂ | Pilotable |
|---|---|---|---|---|
| Nucléaire | 33% | 75-80% | 6 g/kWh | Semi |
| Hydraulique | 85-95% | 25-35% | 4 g/kWh | Oui |
| CCG (gaz) | 58-62% | 30-50% | 350 g/kWh | Oui |
| Charbon | 38-45% | 40-60% | 900 g/kWh | Semi |
| Éolien | 35-45% | 20-35% | 11 g/kWh | Non |
| Solaire PV | 15-22% | 10-15% | 45 g/kWh | Non |
💡 Mix français 2024 : Nucléaire 65%, Hydraulique 12%, Éolien 10%, Solaire 5%, Gaz 6%, Biomasse 2%. Intensité carbone moyenne : 50 g CO₂/kWh (parmi les plus bas d'Europe).
Résumé
- 1Centrale thermique : Combustion → Vapeur → Turbine → Alternateur. Rendement 35-62% (CCG).
- 2Nucléaire : Fission U-235 → Chaleur → Vapeur. Rendement 33%, CO₂ très faible (6 g/kWh).
- 3Hydraulique : P = ρ × Q × g × h. Rendement 85-95%, stockage possible (STEP).
- 4Facteur de charge : FC = E_produite / E_théorique. Variable selon la source (10-80%).
Mini-Quiz
1. Une centrale hydraulique a une chute de 150 m et un débit de 20 m³/s. Quelle est sa puissance théorique ?
→ P = ρ × Q × g × h = 1000 × 20 × 9.81 × 150 = 29.4 MW
2. Un réacteur nucléaire de 900 MW produit 6.5 TWh/an. Quel est son facteur de charge ?
→ E_théo = 900 × 8760 = 7884 GWh = 7.88 TWh. FC = 6.5/7.88 = 82.5%
3. Quel est le rendement de Carnot d'un cycle entre 500°C et 25°C ?
→ η = 1 - (25+273)/(500+273) = 1 - 298/773 = 61.4%
