Enseignement scientifique — Le futur des énergies
Deux siècles d'énergie électrique
Conversion d'énergie, alternateur (Faraday), centrales thermiques/nucléaires/hydrauliques, rendement, puissance P=UI
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Résumé
L'énergie électrique est au cœur de notre civilisation depuis les découvertes de Faraday (1831) sur l'induction électromagnétique : un aimant en mouvement dans une bobine génère un courant électrique, principe de l'alternateur. Les centrales électriques convertissent une source d'énergie primaire en électricité via un alternateur : dans une centrale thermique à flamme, la combustion de charbon/gaz chauffe l'eau, la vapeur fait tourner une turbine reliée à un alternateur. Dans une centrale nucléaire, c'est la fission de l'uranium 235 qui produit la chaleur. Dans une centrale hydraulique, c'est l'énergie cinétique de l'eau. Le rendement d'une conversion est le rapport entre l'énergie utile et l'énergie consommée : $\eta = \dfrac{E_\text{utile}}{E_\text{consommée}}$. Une centrale thermique a un rendement de $30$ à $45\,\%$, une centrale nucléaire $\approx 33\,\%$, une turbine hydraulique $\approx 90\,\%$. La puissance électrique est $P = U \times I$ (en watts), avec $U$ la tension en volts et $I$ l'intensité en ampères.
La découverte de l'induction électromagnétique par Faraday en 1831 est l'une des plus importantes de l'histoire des sciences. Elle est à l'origine de l'alternateur, machine qui produit la quasi-totalité de l'électricité mondiale.
L'alternateur convertit l'énergie mécanique de rotation en énergie électrique grâce à l'induction électromagnétique.
- Michael Faraday (1831) découvre l'induction électromagnétique : un champ magnétique variable crée un courant électrique dans un conducteur
- L'alternateur convertit l'énergie mécanique (rotation) en énergie électrique grâce à l'induction
- Principe : un aimant (rotor) tourne à l'intérieur d'une bobine (stator), produisant une tension alternative sinusoïdale
- La fréquence du courant alternatif en France est de $50\ \mathrm{Hz}$
- Presque toute l'électricité mondiale est produite par des alternateurs, quelle que soit la source d'énergie primaire
- Exception : le photovoltaïque produit du courant continu (conversion directe lumière $\rightarrow$ électricité)
Exemple
Dans une centrale nucléaire française de $900\ \mathrm{MW}$ : la vapeur d'eau à $270\ \mathrm{°C}$ fait tourner une turbine à $1\,500\ \mathrm{tr/min}$, reliée à un alternateur. À $2$ paires de pôles, la fréquence produite est $\dfrac{1\,500}{60} \times 2 = 50\ \mathrm{Hz}$, la fréquence du réseau français.
Piège à éviter
L'alternateur produit du courant alternatif (tension sinusoïdale). Ne pas confondre avec une dynamo qui produit du courant continu. Le photovoltaïque est le seul moyen courant de produire de l'électricité sans alternateur (conversion directe lumière $\rightarrow$ courant continu).
Toutes les centrales électriques (sauf le photovoltaïque) utilisent un alternateur. Ce qui les distingue, c'est la source d'énergie primaire utilisée pour faire tourner la turbine : combustion, fission nucléaire, chute d'eau ou vent.
- Centrale thermique à flamme : combustion (charbon, gaz, fioul) $\rightarrow$ chaleur $\rightarrow$ vapeur $\rightarrow$ turbine $\rightarrow$ alternateur $\rightarrow$ électricité
- Centrale nucléaire : fission de l'uranium 235 $\rightarrow$ chaleur $\rightarrow$ vapeur $\rightarrow$ turbine $\rightarrow$ alternateur (même principe, seule la source de chaleur change)
- Centrale hydraulique : énergie potentielle de l'eau $\rightarrow$ énergie cinétique $\rightarrow$ turbine $\rightarrow$ alternateur (pas de vapeur, rendement élevé)
- Centrale éolienne : énergie cinétique du vent $\rightarrow$ rotation des pales $\rightarrow$ alternateur (ou génératrice)
- Chaîne énergétique : toujours identifier la source primaire, les conversions successives et les pertes (principalement thermiques)
- Dans toute centrale thermique, une partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur (tours de refroidissement, eau de rivière)
Exemple
Chaîne énergétique d'une centrale nucléaire : énergie nucléaire (fission de l'uranium 235) $\rightarrow$ énergie thermique (eau à $320\ \mathrm{°C}$) $\rightarrow$ énergie mécanique (turbine à vapeur) $\rightarrow$ énergie électrique (alternateur). À chaque étape, des pertes thermiques réduisent le rendement global à $\approx 33\,\%$.
Piège à éviter
Dans une centrale nucléaire, la source de chaleur est la fission (pas la fusion). La chaleur produit de la vapeur qui fait tourner une turbine, exactement comme dans une centrale à charbon : seule la source de chaleur diffère.
Le rendement mesure l'efficacité d'une conversion d'énergie. Il est toujours inférieur à 100 % car une partie de l'énergie est inévitablement perdue, principalement sous forme de chaleur (2nd principe de la thermodynamique).
- Rendement : $\eta = \dfrac{E_\text{utile}}{E_\text{consommée}} = \dfrac{P_\text{utile}}{P_\text{consommée}}$ (sans unité, souvent en %)
- Le rendement est toujours $\leq 1$ ($100\,\%$) : on ne crée pas d'énergie (1er principe de la thermodynamique)
- Centrale thermique à charbon : $\eta \approx 30$–$45\,\%$ — plus de la moitié de l'énergie est perdue en chaleur
- Centrale nucléaire : $\eta \approx 33\,\%$ — limitée par le 2nd principe (cycle de Carnot)
- Turbine hydraulique : $\eta \approx 85$–$95\,\%$ — très bon rendement, pas de conversion thermique intermédiaire
- Moteur thermique de voiture : $\eta \approx 25$–$35\,\%$ — pertes importantes en chaleur et frottements
- Le rendement global d'une chaîne est le produit des rendements de chaque étape : $\eta_\text{total} = \eta_1 \times \eta_2 \times \eta_3 \dots$
Exemple
Une centrale à charbon a un rendement de $40\,\%$. Pour produire $1\,000\ \mathrm{MW}$ utiles, il faut fournir $\dfrac{1\,000}{0{,}40} = 2\,500\ \mathrm{MW}$ de combustion ; les $1\,500\ \mathrm{MW}$ restants sont dissipés en chaleur. En ajoutant le transport ($\eta = 0{,}96$) : rendement global $= 0{,}40 \times 0{,}96 \approx 0{,}38$.
Piège à éviter
Le rendement global d'une chaîne est le produit (et non la somme) des rendements de chaque étape. Si $\eta_1 = 0{,}40$ et $\eta_2 = 0{,}95$, le rendement global est $0{,}40 \times 0{,}95 = 0{,}38$ (38 %), pas $0{,}40 + 0{,}95$.
Puissance et énergie sont deux grandeurs distinctes mais liées. La puissance est un débit d'énergie (énergie par unité de temps), et l'énergie consommée est le produit de la puissance par la durée d'utilisation.
- Puissance électrique : $P = U \times I$ (en watts $\mathrm{W}$), avec $U$ en volts ($\mathrm{V}$) et $I$ en ampères ($\mathrm{A}$)
- Énergie électrique : $E = P \times t$ (en joules si $t$ en secondes, ou en kWh si $P$ en kW et $t$ en heures)
- $1\ \mathrm{kWh} = 3{,}6 \times 10^{6}\ \mathrm{J} = 3\,600\ \mathrm{kJ}$ — unité courante sur les factures d'électricité
- Puissances typiques : ampoule LED $\approx 10\ \mathrm{W}$ ; four électrique $\approx 2\,000\ \mathrm{W}$ ; centrale nucléaire $\approx 900\ \mathrm{MW} = 900 \times 10^{6}\ \mathrm{W}$
- La puissance installée d'un parc éolien $\neq$ puissance réellement produite (facteur de charge $\approx 25\,\%$)
- En France, la consommation électrique moyenne est d'environ $470\ \mathrm{TWh/an}$
Exemple
Un four de $2\,000\ \mathrm{W}$ fonctionne pendant $1{,}5\ \mathrm{h}$. Énergie consommée : $E = P \times t = 2\,000 \times 1{,}5 = 3\,000\ \mathrm{Wh} = 3\ \mathrm{kWh}$. À $0{,}20$ €/kWh, cela coûte $3 \times 0{,}20 = 0{,}60$ €. Une ampoule LED de $10\ \mathrm{W}$ allumée $8\ \mathrm{h}$ consomme $0{,}08\ \mathrm{kWh}$.
Piège à éviter
kW et kWh ne sont pas la même chose ! Le kW est une unité de puissance (débit d'énergie). Le kWh est une unité d'énergie (puissance $\times$ temps). Dire « j'ai consommé $3\ \mathrm{kW}$ » n'a pas de sens : on consomme des kWh.
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Les points clés à retenir sur Deux siècles d'énergie électrique, extraits du quiz de révision.
Qui a découvert l'induction électromagnétique ?
Réponse :
Faraday
Michael Faraday a découvert l'induction électromagnétique en 1831 : un champ magnétique variable crée un courant électrique dans un conducteur. C'est le principe fondamental de l'alternateur, qui produit presque toute l'électricité mondiale.
Dans un alternateur, le rotor est :
Réponse :
La partie tournante (aimant)
Dans un alternateur, le rotor est la partie tournante (aimant ou électroaimant) et le stator la partie fixe (bobine). La rotation du rotor crée un champ magnétique variable qui induit une tension alternative dans le stator.
Le rendement d'une centrale nucléaire est d'environ :
Réponse :
$33\,\%$
Le rendement d'une centrale nucléaire est d'environ 33 %, limité par le 2nd principe de la thermodynamique (cycle de Carnot). Les deux tiers de l'énergie de fission sont perdus sous forme de chaleur, évacuée par les tours de refroidissement ou l'eau de rivière.
La formule de la puissance électrique est :
Réponse :
$P = U \times I$
La puissance électrique se calcule avec $P = U \times I$, où $P$ est en watts ($\mathrm{W}$), $U$ la tension en volts ($\mathrm{V}$) et $I$ l'intensité en ampères ($\mathrm{A}$). Par exemple, sous $230\ \mathrm{V}$ avec $10\ \mathrm{A}$, $P = 2\,300\ \mathrm{W}$.