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6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille
6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille
PLAN:
Introduction
Les sources d’énergie électrique
Le transport de l’énergie électrique
L’utilisation de l’énergie électrique
Annexes
Bibliographie
6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille
INTRODUCTIONQu’appelle – t – on électrotechnique ?
Quelle est son importance économique ?
L’électrotechnique étudie les lois de la physique en vue de la production, du transport, de la transformation et de l’utilisation de l’énergie électrique ( Jack ROBERT: « encyclopaedia UNIVERSALIS »(1992))
Elle est considérable car l’énergie électrique est l’énergie la plus consommée dans le monde
Consommation Energie Primaire (269 Mtep en France )(Source ADEME 2001 1tep = 11 630 kWh )
Electricité primaire41.0%
Energies renouvelables
thermiques4.5%
Gaz naturel14.0%
Pétrole36.0%
Charbon4.5%
6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille
LA PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUEQuels sont les mécanismes de production de l’énergie
électrique ?
La génération par entraînement mécanique
Les sources photovoltaïques
Autres : Les convertisseurs thermoélectriques
Les convertisseurs thermoioniques
La pile à combustible
Les génératrices magnétohydrodynamiques
Machines tournante
s(généra-trices)
Source d’énergie primaire
Turbine d’entraîne
-ment
Rayonne-ment
lumineux solaire
Cellules photovoltaïques Energie électrique
(continue)
Energie électrique (alternatif)
6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille
LA PRODUCTION D’ ENERGIE ELECTRIQUE
Quelle est la part de ces mécanismes dans la production d’électricité ?
Répartition Production énergie électrique (France 1997)
98.90%
0.10%1.00%
génération parentraînementmécanique
sourcesphotovoltaïques
autres sources
La quasi totalité de l’énergie électrique est fournie par entraînement
mécanique ( dans les centrales thermiques et les centrales hydrauliques)
Source MULTON
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GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE:
A) La production thermo-mécanique: Procédé le plus utilisé en France (et dans le monde)Principe
eau
Source de
chaleur
Turbine
Génératri-ce à
courant alternatif
Vapeur d’eau
entraînement
Energie électrique
Sources utilisées ?
Chauffage (chaudière)
Nucléaires ( réactions de fusion et de fission d’atomes radioactifs)
Centrale nucléaire
Principe de fonctionnement d’une centrale nucléiare
Uranium, plutonium
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GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE:
La géothermie :
Le solaire - thermique: Soleil chauffage eau turbine
Sous sol eau chaude turbine Usine géothermique à
Bouillante (Guadeloupe)
(haute et moyenne énergies)
Combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) (centrale classique)
90 °C – 350 °C
Centrale thermique de la Maxe
Principe d’une
centrale thermique
MiroirsCentrale solaire expérimentale Thémis (Pyrénées)
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GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE:
B) La production hydroélectrique: (barrages , centrales au fil de l’eau, usine marémotrice…)
Principe:
Energie électriqueForce
motrice de
l’eau
Turbine
Génératri-ce à
courant alternatif
entraînemententraînement
Barrage de Serre - Ponçon
Barrage de Roselend
Localisation:Montagnes
Cours d’eauAvantages: Stockable, rapidement mobilisable (régulateur de la production d’électricité)
Principe d’une centrale haute chute
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GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE:
C) L’énergie éolienne:
Principe:
Energie électriqueForce motrice
du vent
Turbine
Éolien-ne
Aérogéné-rateurs
entraînementEntraînement par pâles
Localisation:Sites isolés (raccordement difficile ou onéreux au réseau,…)
Sites insulaires (contraintes climatiques ou d’accessibilité)
Installation off – shore (en cours…)
Avantages: énergie d’appoint
Alternateurs, génératrices asynchrones
Ferme éoliennes à Dunkerque
Installation off – shore (Danemark)
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GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE:D) La Biomasse:
Principe:
Energie électriqueMatièr
e organi-
que
Inciné-ration
turbine
entraînement
Alternateurs, génératrices asynchronesPlantes, arbres, déchets (animaux, agricoles, urbains)
Centrale du Gol (Réunion)
(combustion de la bagasse )
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LES SOURCES PHOTOVOLTAÏQUES:
Principe:
Energie électrique continue
Module photovoltaïque (PV)
Chaque module photovoltaïque est composé d’un assemblage en série et en parallèle de cellules PV réalisées en matériaux semi-conducteurs (silicium, GaAs…) dopés
Sites isolés (montagne, bergerie, balises maritimes…)
Systèmes embarqués (contraintes climatiques ou d’accessibilité)
Espace (satellites)
Utilisation
Refuge alpinbergerie
Radiation lumineuse
Cellules photovoltaïques
Principe de fonctionnement d’une cellule PV
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LES SOURCES THERMOELECTRIQUES:
Principe:
Ce sont des générateurs autonomes de faible puissance ( 1 W à 1 kW). Ils permettent de convertir de la chaleur en électricité
stations météorologiques
satellites
matériels militaires
Utilisation:
La chaleur apportée au système (pour maintenir les jonctions à Tc et Tf ) est convertie en énergie électrique. Le rendement de conversion est faible
Source de
chaleur
Conver-
tisseur
chauffage
Energie électrique (continue)
Conventionnelle (gaz, hydrocarbures)
nucléaire
Jonction chaude
Jonction froide
Jonction froide
Source chaude Tc
Source froideTf < Tc
Résistance de charge
Barreau semiconducteur dopé p
Barreau semiconducteur dopé n
Pont métallique
Structure:
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LES SOURCES THERMOIONIQUES:
Effet Thermoionique: tout métal ou semiconducteur chauffé émet des électrons
Laboratoire
espaceUtilisation
Structure:
Conventionnelle (gaz, hydrocarbures)
nucléaire
Principe:
Source de
chaleur
Conver-
tisseur
Chauffage (1500 K)
Energie électrique (continue)
Métal
semiconducteur
Les électrons arrachés à l’électrode émettrice, sont collectés et génèrent un courant électrique
I
charge
Emetteur (Tc)
Collecteur (Tf < Tc)
Vide, gaz
e-
(Tc # 1500 K)
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LA PILE A COMBUSTIBLE:Son principe de fonctionnement repose sur une réaction chimique inverse de l’électrolyse de l’eau
applications portables (mobile, ordinateur…) (Chelles)
Productions collective et individuelle (habitat)
Transport: véhicules légers et poids lourds
Utilisation
Structure:Principe:
Constitu-ants
chmiques
Réaction chimique
Energie électrique (continue)
hydrogène
oxygène, eau
Prototype de véhicule à pile à combustible
Alimentation d’un groupe de HLM à Chelles
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LA GENERATRICE MAGNETOHYDRODYNAMIQUE:
rendement élevé
Onéreux (matériau pour fonctionnement à très haute température)
Caractéristiques
La déviation en sens inverse des charges positives et négatives d’un plasma (gaz ionisé) génère (dans un circuit extérieur) un courant électrique
Principe:
courant électriquegaz
plasma
Chambre de
déviation magnéti-
que
Éjection à grande vitesse (tuyère)
Déviation (et séparation) en sens inverse des ions et électrons
Électrons + ions
Chauffage à très haute température 3000 K (ionisation)
Utilisation: à titre expérimental (centrale à Moscou, CEA,…)
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REPARTITION DE LA PRODUCTION D’ENERGIE
Elle s’effectue en fonction des énergies primaire (hydrocarbures, charbon, produits radioactifs) et renouvelables (hydraulique, vent, soleil, biomasse, géothermie) utilisées.
Répartition production mondiale (MULTON 1997)
pétrole9,50%
charbon36,50%
gaz naturel16,00%
nucléaire16,00%
renouvelables22,00%
Monde:
France:(Source ADEME)
Production d'électricité en France (source ADEME)
Nucléaire75,8%
Hydraulique13,9%
Solaire, éolien0,7%
Charbon6,2% Gaz
1,4%
Pétrole2,0%
(Source ADEME)
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LE TRANSPORT DE L’ENERGIE ELECTRIQUE L’énergie électrique est acheminée de la centrale
électrique jusqu’à l’entrée des agglomérations: en courant alternatif par des lignes électriques triphasées Très Haute Tension (400 kV, 225 kV):
encombrants (dimension, volume et masse de cuivre…)
environnement
Moins cher
Transformateur
20 kV
Transport
225 kV / 400 kV
Distribution (20 kV, 400 V)
Transformateur
Production
Utilisateurs
Centrale électrique
Particularités:
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LE TRANSPORT DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
en courant continu (câbles enterrés, lignes aériennes) moins encombrants (moins de volume, de cuivre…)
Pertes en ligne minimisables (câbles supraconducteurs…)
Plus onéreux (5 à 6 fois plus cher que l’aérien pour 100 km parcourus)
~
_
_
~
Lc
Ic
Convertisseur Statique 1 Convertisseur Statique 2
(T2)(T1)
R
uc1 uc2
ligne continue
Réseau 1 Réseau 2
Principe d’une liaison à Courant Continu Haute Tension (C.C.H.T.)
Utilisation:
Particularités:
Interconnexion entre réseaux (exemple : France / Angleterre) agglomérations (faible encombrement)
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L’utilisation DE L’ENERGIE ELECTRIQUE Consommation par secteurs d’activité : (source MULTON)
Répartition de la consommation industrielle par processus :
Consommation énergie électrique par secteurs d'activité (source MULTON 1995 )
industrie31%
secteur résidentiel
30%
secteur tertiaire
23%
autres 16% L’industrie est le plus gros
. consommateur d’électricité
Répartition de la consommation industrielle d'énergie électrique (source MULTON 1997 )
travail mécanique
72%
Processus de chauffage
18%
Eclairage4%
Divers6%
la majeure partie de l’énergie électrique consommée par l’industrie sert au travail mécanique. Cette conversion électrique mécanique est effectuée par des moteurs électriques
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L’utilisation DE L’ENERGIE ELECTRIQUE Répartition de la consommation industrielle des moteurs par usage : (source MULTON)
Répartition de la consommation industrielle des moteurs par usage (source Multon 1997 )
compression30%
pompage20%
ventilation13%
autres (entraînementmécanique..)
37%
les processus de compression de ventilation et de pompage consomment près de 2 / 3 de la consommation énergétique des moteurs industriels
Pour réaliser ces actions mécaniques, le moteur électrique choisi devra être adapté à la charge à entraîner (compresseurs, ventilateurs, pompes….).
L’utilisation des variateurs électroniques de vitesse permet:
une meilleure adaptation des caractéristiques mécaniques ( moteur + charge). (voir présentation Powerpoint : la Variation de vitesse).
de minimiser la consommation des processus
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Repartition des moteurs industrielsLa répartition en fonction du nombre, de la puissance installée et de la consommation électrique des 14 millions de moteurs industriels est donnée ci-dessous: (source MULTON 1997)
Les moteurs de moins de 10 kW représentent 93 % des moteurs industriels mais ne consomment que 21% de l’énergie électrique à usage mécanique
Les gros moteurs (> 130 kW ) représentent 0.3% du parc mais consomment plus de 40 % de cette énergie
Au delà de 10 kW, 90 % des moteurs sont des moteurs asynchrones
Puissance en kW <1 1 à 4 4 à 10 10 à 30 30 à 70 70 à 130 130 à 500 > 500
nombre 50.5% 30.1% 11.9% 5.6% 1.1% 0.5% 0.2% 0.1%puissance 4.8% 13.4% 16.3% 19.3% 10.6% 9.0% 11.0% 15.6%
consommation 2.7% 8.0% 10.0% 17.3% 10.7% 9.6% 13.8% 27.9%
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Répartition des moteurs électriques industriels (en 1997 )
0.0%10.0%20.0%30.0%40.0%50.0%60.0%
puissance nominale (en kW)
nombre
puissance installée
consommation
Annexe 1:
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Annexe 2:
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Annexe 3:
Les Chaînes énergétiques (source CEA)
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Annexe 4:
Les mécanismes de conversion (source CEA)
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BIBLIOGRAPHIE
http://developpement-durable.edf.fr
http://www.edf.fr
http://ademe.fr
Bernard MULTON: « l’énergie sur la terre: analyse des ressources et de la consommation. La place de l’énergie électrique » Serveur électrotechnique de l’académie de Toulouse
http://www.cea.fr
La revue 3 E.I. – Numéro du 20 Mars 2000 « Energies Renouvelables »