1L Thème : Enjeux planétaires énergétiques Activité.2 : Production
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1L Thème : Enjeux planétaires énergétiques Activité.2 : Production de l’énergie électrique I. Principe de l’alternateur : Lorsqu’un aimant tourne devant l’une des faces d’une bobine, une tension variable et périodique est créée aux bornes de la bobine. La période des variations de la tension induite est d’autant plus grande que l’aimant tourne plus ……….. Ce dispositif modélise un alternateur. Un alternateur est constitué de deux bobinages : le stator qui est …….. et le rotor qui peut …….. autour d’un axe fixe. La rotation du rotor, qui joue le rôle de l’aimant, fait apparaître une tension ………….… aux bornes du bobinage du stator. Un alternateur transforme l’énergie mécanique de rotation en énergie ………………... La génératrice de bicyclette est en fait un petit alternateur très simple. • 1. Galet d'entraînement. 2. Carcasse métallique de la génératrice. 3. Rotor (aimant permanent), élément tournant. 4. Stator (bobine et lames métalliques) d'entraînement, élément fixe. Les alternateurs industriels fonctionnent selon un principe très proche. Seules leurs masses et leurs dimensions les distinguent de cette génératrice. Un alternateur n'est pas une dynamo, une dynamo produit une tension continue alors qu'un alternateur produit une tension alternative. Une génératrice de bicyclette est donc un alternateur bien qu'on lui donne à tort le nom de dynamo. Les alternateurs sont couplés à la turbine dans les centrales thermiques (à flamme ou nucléaire) et dans les centrales hydrauliques. Dans le cas d'une éolienne, l'hélice entraîne l'alternateur par l'intermédiaire d'un système d'engrenages (système de transmission). Une turbine est essentiellement une roue destinée à transformer le mouvement d'un corps fluide (eau ou gaz) en un mouvement de rotation. Les centrales électriques utilisent principalement deux types de turbines couplées à un alternateur : les turbines à eau et à vapeur. Les turbines à eau Dans le cas le plus simple (turbine type Pelton, schéma ci-contre), une turbine à eau est une roue à aubes enfermée dans un carter métallique. L'eau arrivant sur ses aubes provoque un mouvement de rotation rapide. La turbine entraîne alors l'alternateur auquel elle est couplée. Les turbines à vapeur Une turbine à vapeur est constituée d'un grand nombre de roues (une centaine pour un modèle de puissance) portant des ailettes. La vapeur sous pression traverse d'abord les roues de petit diamètre avant d'atteindre les roues de plus grand diamètre. La turbine tourne alors en entraînant l'alternateur qui lui est couplé Activité.2 1/4 II. Les centrales électriques : A. Centrale thermique nucléaire Une centrale nucléaire est une centrale thermique qui utilise l'énergie fournie par un réacteur nucléaire (fonctionnant avec de l'uranium 235 ou du plutonium 239). Ce réacteur produit une grande quantité de chaleur qui est captée par de l'eau sous pression circulant dans le circuit primaire (circuit fermé). Par l'intermédiaire du générateur de vapeur, l'eau sous pression du circuit primaire communique sa chaleur à l'eau d'un deuxième circuit fermé, le circuit secondaire. Il est ainsi possible d'obtenir de la vapeur à haute pression dans ce circuit secondaire. La pression de cette vapeur fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans le générateur de vapeur. Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confié à une tour de refroidissement et/ou un cours d'eau important. Les deux systèmes de refroidissement peuvent être utilisés simultanément. Les tours de refroidissement sont souvent surmontées d'un nuage résultant de la condensation de la vapeur d'eau. Ce nuage ne doit pas être confondu avec de la fumée. Un réacteur nucléaire fournit une puissance électrique de l'ordre du millier de mégawatts (1 MW = 1 000 000 W). Les réacteurs en service en France ont des puissances de 900 MW, 1300 MW et 1450 MW. B. Centrale thermique à flammes Activité.2 2/4 Une centrale thermique à flammes utilise l'énergie fournie par la combustion d'un combustible (charbon, pétrole, gaz naturel, gaz issus de hauts fourneaux). Cette combustion a lieu dans une chaudière. La combustion dégage une grande quantité de chaleur utilisée pour chauffer de l'eau dans la chaudière (ou générateur de vapeur). On dispose alors de vapeur d'eau sous pression. Cette vapeur sous pression fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans la chaudière. Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confié à une réserve d'eau (cours d'eau) ou plus rarement à une tour de refroidissement analogue à celle d'une centrale nucléaire. Une centrale thermique à flamme fournit une puissance électrique de l'ordre de quelques centaines de mégawatts (1 MW = 1 000 000 W). Les centrales thermiques en service en France ont des puissances variant de 100 MW à 700 MW. C. Centrale hydraulique : Une centrale hydraulique utilise l'énergie fournie par une masse d'eau en mouvement pour produire de l'énergie électrique. Un barrage retient une grande quantité d'eau sous la forme d'un lac de retenue. Pour produire de l'électricité, les vannes du barrage sont ouvertes, de l'eau s'y engouffre dans une conduite forée dans le barrage, sa vitesse augmente. A la sortie de cette conduite, l'eau fait tourner une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. L'eau est ensuite libérée au pied du barrage et reprend le cours normal de la rivière. Plusieurs variantes des centrales hydrauliques existent. Certaines fonctionnent en exploitant l'énergie fournie par les marées ou par les vagues. Leur nombre reste toutefois très limité. Les centrales hydrauliques ont une puissance qui peut aller de quelques milliers de watts pour une centrale individuelle (destinée à alimenter une seule habitation) à 500 MW (Mégawatts) pour un barrage d'importance. D. Centrale éolienne : Activité.2 3/4 Reprenant le principe de fonctionnement des moulins à vent, les éoliennes constituent actuellement un mode de production d'énergie électrique en plein développement. L'avantage le plus évident de ce type de centrale électrique est évidemment le caractère inépuisable de l'énergie qu'elle utilise. On parle alors de ressource renouvelable. Plusieurs types d'éoliennes existent, cependant, la tendance actuelle est à la construction d'éoliennes de taille moyenne regroupées en un même lieu. Une éolienne de taille moyenne comporte en général une hélice à trois pales reliée à un rotor. L'ensemble atteint généralement 30 mètres de diamètre. Les pales peuvent être orientées en direction du vent. Le rotor est relié à un multiplicateur (un système d'engrenages) destiné à augmenter la vitesse de rotation. L'alternateur demande en effet une vitesse de rotation élevée pour fonctionner. Le multiplicateur entraîne un alternateur qui génère une tension alternative sinusoïdale. Une éolienne standard fournit une puissance électrique de l'ordre de la dizaine de kilowatts (1 kilowatt = 1 000 watts). Pour obtenir une puissance satisfaisante et réellement utilisable, un très grand nombre d'éoliennes sont regroupées sur le même site. Si les éoliennes constituent évidemment un moyen de production d'électricité très "écologique" puisque non polluant et renouvelable, il reste que ces installations sont très imposantes, bruyantes et très coûteuses à la construction. III. Questions : 1. Citer les différentes centrales électriques présentées. 2. Quel(s) élément(s) commun(s) retrouve-ton dans les différentes centrales électriques présentées ? 3. Quel est le rôle d’une turbine ? Indiquer les deux types que l’on peut rencontrer. Les associer aux différentes centrales. 4. Comment est produite la vapeur d’eau ? Indiquer le principe utilisé dans les deux centrales électriques concernées. Indiquer les principales différences entre ces centrales. 5. Quels sont les différents combustibles utilisés par les centrales thermiques ? 6. Quels peuvent être les gaz dégagés par une centrale thermique classique ? Par une centrale nucléaire ? Que peu-ton en conclure ? 7. Quel est le principe de fonctionnement d’une centrale hydraulique ? D’une centrale éolienne ? 8. Quel est le rôle d’un alternateur ? 9. Compléter le tableau ci-dessous : Type de centrale Thermique à flammes Source d’énergie primaire Avantages Inconvénients Puissance Thermique nucléaires Hydraulique Eolienne 10. Calculer l’énergie électrique fournie par une centrale nucléaire de 900 MW, en un an. L’exprimer en kilowattheures (kWh). On rappelle que l’énergie électrique E fournie par une centrale (en kWh) est le produit de sa puissance P (en kW) par la durée Δt (en h) pendant laquelle l’énergie est fournie : E = P x Δt. 11. L’usine marémotrice de La Rance (Ile et Vilaine), les cellules photovoltaïques, les centrales géothermiques produisent également de l’énergie électrique. Quelle énergie primaire est convertie en électricité dans chacun de ces exemples ? 12. Citer au moins un avantage essentiel et un inconvénient majeur des cellules photovoltaïques. Activité.2 4/4
