1L Thème : Enjeux planétaires énergétiques Activité.2 : Production

1L Thème : Enjeux planétaires énergétiques
Activité.2 : Production de l’énergie électrique
CORRECTION
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 vite.
Ce dispositif modélise un alternateur.
Un alternateur est constitué de deux bobinages : le stator qui
est fixe et le rotor qui peut tourner autour d’un axe fixe.
La rotation du rotor, qui joue le rôle de l’aimant, fait apparaître
une tension électrique aux bornes du bobinage du stator.
Un alternateur transforme l’énergie mécanique de rotation
en énergie électrique.
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
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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
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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 :
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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.
Centrale thermique à flammes, centrale hydraulique, centrale thermique nucléaire.
2. Quel(s) élément(s) commun(s) retrouve-ton dans les différentes centrales électriques présentées ?
Eléments communs aux centrales :
 Turbine
 Alternateur
3. Quel est le rôle d’une turbine ? Indiquer les deux types que l’on peut rencontrer. Les associer aux différentes
centrales.
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.
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.
La grande quantité de chaleur libérée est utilisée pour chauffer de l'eau dans la chaudière (ou générateur de
vapeur). On dispose alors de vapeur d'eau sous pression.
4. Quels sont les différents combustibles utilisés par les centrales thermiques ?
Combustible utilisé dans les centrales thermiques :
 Centrale thermique nucléaire : Combustible nucléaire (Exemple l’uranium)
 Centrale thermique à flammes : Charbon, pétrole, gaz naturel
6. Quels peuvent être les gaz dégagés par une centrale thermique classique ? Par une centrale nucléaire ? Que peu-ton
en conclure ?
Gaz dégagés par une centrale thermique classique:
 Les oxydes d'azote et de soufre : SO2,NOx (et des poussières)
 Le dioxyde de carbone.
Gaz dégagés par une centrale nucléaire (Aucun gaz polluant) :
 Vapeur d’eau
7. Quel est le principe de fonctionnement d’une centrale hydraulique ? D’une centrale éolienne ?
Voir document ci-dessus (Centrale hydraulique)
8. Quel est le rôle d’un alternateur ?
Voir document ci-dessus.

9. Compléter le tableau ci-dessous :
Voir document.
Type de
centrale
Source d’énergie
primaire
Avantages
Inconvénients
Puissance
Thermique à
flammes
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.
On applique la formule ci-dessus (Attention aux unités) : E = P x Δt.
P = 900 MW 1 MW = 106 W soit P = 900 x 106 W = 9,00 x 108 W = 9,00 x 105 kW
Δt = 1 an = 1 x 365 x 24 = 8,67 x 103 h
Energie électrique fournie en kWh :
E = 9,00 x 105 x 8,67 x 103 = 7,80 x 109 kWh
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 ?
Energie primaire utilisée :
 Usine marémotrice : Force produite par les marées.
 Cellules photovoltaïques : Energie solaire
 Centrale géothermique : Chaleur du sol terrestre.
12. Citer au moins un avantage essentiel et un inconvénient majeur des cellules photovoltaïques.
Les cellules photovoltaïques
Avantage : Pollution quasi absente
Inconvénient : Rendement faible