1. Génération Énergie Électrique

7/31/2019 1. Gnration nergie lectrique

1/18

6GEN607 : Transport et Exploitation dnergie lectrique

ISSOUF FOFANA PAGE 11

I.GNRATION DE LNERGIE LECTRIQUE

Introduction

Llectricit peut tre produite en dplaant un fil conducteur tel que le cuivre dans un champmagntique. Une gnratrice lectrique est une machine qui contient des fils logs l'intrieur d'unaimant. Quand le gnrateur tourne, les fils se dplacent l'intrieur du champ magntique et

produisent le courant lectrique. Pour produire les grandes quantits de l'lectricit dont nous avonsbesoin pour notre industrie, et nos maisons, nous avons besoin dusines de pouvoir tendu pourtourner le gnrateur. La plupart des sites de production dlectricit commencent par le processusde tournage de larbre du gnrateur lectrique avec la chaleur. Les usines de production brlent leptrole, le charbon ou le gaz naturel pour obtenir la chaleur. Les centrales nuclaires utilisent lafission de luranium pour obtenir la chaleur. Dans tous les cas, la chaleur est utilise pour bouillirl'eau la vapeur (Fig. I-1). La vapeur est ensuite utilise pour faire tourner larbre des turbines (unaxe avec les lames incurves) lequel est fix au gnrateur. Les lames de larbre des turbines, enrotation, tournent le gnrateur, qui produit le courant lectrique. Ce courant est alors prt pour tretransmis aux maisons, aux usines et ailleurs par lintermdiaire des lignes de transmission et postede distribution de service public dlectricit.

Fig. I-1 : Principe de base de la gnration dnergie.

Une autre machine appele condenseur utilise l'eau froide, provenant d'un lac ou d'un fleuve voisin,pour changer la vapeur de turbine en une eau, qui est envoye de nouveau la chaudire pourcommencer un autre cycle. Les grandes tours ouvertes que l'on peut observer ct des centralessont des tours de refroidissement, o l'eau utilise par le condenseur est refroidie avant qu'elle soit

retourne au fleuve ou au lac do elle est venue. Les nuages blancs gonfls provenant de ces tourssont des vapeurs d'eau.Au lieu de la chaleur, les centrales hydrolectriques utilisent l'eau en chute, circulant sur lesbarrages artificiels, pour la rotation les lames de turbine, et pour ainsi faire tourner larbre dugnrateur lectrique.

1-LES CENTRALES THERMIQUE

1.1Principe de fonctionnement des centrales thermiques flamme


2/18



Fig. I-2 : Schma simplifi de la gnration dnergie partir dune centrale thermique.

Les centrales thermiques classiques, appeles aussi centrales thermiques flamme, produisent del'lectricit par combustion de charbon, de fioul, de gaz naturel ou de gaz des hauts fourneaux.Le fonctionnement d'une centrale thermique se divise en quatre tapes: un combustible est brl (1)et fournit de la chaleur dans un gnrateur de vapeur o de l'eau est vaporise sous pression (2). Lavapeur est alors "dtendue" dans une turbine, ce qui signifie qu'elle passe d'une haute pressioninitiale (environ 165 bars) une basse pression (environ 50 millibars). La dtente de la vapeur

provoqu par cette baisse de pression permet d'entraner la turbine et l'alternateur qui produitl'lectricit (3). La vapeur est ensuite liqufie dans un condenseur (4) puis recycle.

1.2 Les combustibles

Les combustibles sont de trois types : charbon, fioul ou gaz.

CombustibleCapacit

de la trancheConsommation

( l'heure)

charbonfioul

gaz naturelgaz hauts fourneaux

250 MW250 MW125 MW125 MW

100 tonnes50 tonnes30 000 m60 000 m

Le charbon est transform en fines particules dans des broyeurs, mlang l'air rchauff et injectsous pression dans la chambre de combustion par des brleurs. Le fioul est chauff 140C pouraccrotre sa fluidit, puis il est inject dans la chaudire l'aide de brleurs appropris. Le gazutilis (gaz naturel ou gaz de hauts fourneaux dot d'un pouvoir calorifique moindre) ne ncessiteaucun traitement pralable et est directement envoy dans la chaudire.

1.3 La source chaude

Le combustible brle dans le gnrateur de vapeur (ou chaudire) qui est tapiss de tubes l'intrieur desquels circule l'eau chauffer. Celle-ci se vaporise autour de 560C et la pression

1

2 3

4


3/18



atteint 180 bars environ. Dans une centrale de 250 MW, 720 tonnes de vapeur haute pression sontproduites l'heure.

1.4 La turbine vapeur

La vapeur est progressivement dtendue dans une turbine (appele turbine haute pression, HP) etpasse travers une srie de roues mobiles quipes d'ailettes, ce qui entrane la rotation d'unalternateur ( 3 000 tours/minute pour une centrale de 250 MW) : le gnrateur d'lectricit. La

vapeur ne transmet pas toute son nergie thermique dans la turbine HP. Un circuit spar renvoie lavapeur vers la chaudire pour tre "re-surchauffe" et passer ensuite dans la turbine dans le corpsmoyenne pression (MP) puis dans le corps basse pression (BP). Au fur et mesure de la dtente, lapression de la vapeur diminue. Pour rcuprer le maximum d'nergie mcanique, les ailettes destrois corps de turbines (HP, MP, BP) ont une taille inversement proportionnelle la pression. A lafin, la vapeur s'chappe avec une pression de 50 mbars.

Fig. I-3 : Vue d'ensemble d'une centrale thermique.

1.5 La source froide

L'eau vaporise est condense dans un changeur (appel condenseur) compos de milliers de tubesde petit diamtre dans lesquels circule l'eau de refroidissement, gnralement prleve dans uncours d'eau ou de l'eau de mer (puis restitue ensuite). L'eau re-condense est rcupre par despompes d'extraction et subit un cycle de rchauffage pour tre nouveau introduite dans legnrateur de vapeur pour un nouveau cycle.

1.6 Et le rendement ?

Au dbut du sicle le rendement des centrales thermiques flamme tait de 13 %, il atteint 38 %pour les tranches mises en service aprs la deuxime guerre mondiale et atteint mme jusqu' 55 %pour les centrales dites cycle combin.

Ce progrs est principalement d l'augmentation de la temprature et de la pression de la vapeur(rendues possible par les progrs dans la mtallurgie), et, dans les cycles combins, larcupration des gaz l'chappement de la turbine, pour la production de vapeur alimentant unsecond groupe turbo-alternateur.


4/18



1.7 Les centrales Thermiques flamme et la pollution de lair

1.7.1 missions de dioxyde de soufre

Le dioxyde de soufre (SO2) est l'un des principaux responsables de la pollution atmosphriqueurbaine. Il provoque des effets nfastes sur l'appareil respiratoire et se transforme en acidesulfurique (H2SO4) au contact de l'humidit de l'air, contribuant ainsi la formation des pluies

acides (dgradation des btiments, le dprissement des forts). Pour limiter les rejets soufrs de sescentrales thermiques flamme, on dveloppe l'utilisation de fioul trs basse teneur en soufre(moins de 1 %): les rejets sont alors diviss par trois par rapport un fioul habituel (3 % de soufre).Concernant la combustion du charbon, deux types de procds :

lavage des gaz (dsulfuration aval). Le lavage des gaz est employ pour les installationsrcentes. Son rendement de dsulfuration est important (90 %). Le cot d'investissement estlev, rentabilis si l'utilisation des centrales est soutenue.

Pour les tranches plus anciennes, on utilise l'injection de calcaire ou de chaux dans le foyerde la chaudire. Le soufre est transform en sulfate de calcium et rcupr dans lesdpoussireurs avec les cendres volantes.

1.7.2 missions d'oxydes d'azote

Les oxydes d'azote (NOx) sont forms dans la flamme par raction chimique entre l'oxygne de l'air(O2) et l'azote de l'air (N2) et les composs azots contenus dans le combustible. Parmi les diffrentsoxydes, N2O est un gaz effet de serre et NO2 se rvle toxique pour l'homme trs forteconcentration. Le secteur du transport est de loin le principal responsable des missions de NOx,alors que la part mise par les centrales thermiques est trs faible (moins de 3 %).Deux moyens sont utiliss pour rduire les missions de NOx. L'un consiste diminuer la formationdes oxydes en tageant la combustion et rduisant la temprature de la flamme. Dans ce cas, ladnitrification est appele primaire.L'autre procd consiste effectuer une dnitrification des fumes en aval de la chambre decombustion : les oxydes sont alors dcomposs en azote et oxygne.

1.8 Les nouvelles filires

En raison des importantes rserves naturelles disponibles, le charbon va jouer un rleimportant dans le futur. Il devient donc essentiel de dvelopper des technologies de combustionpropre, respectueuses de l'environnement. Ces nouvelles technologies pourraient remplacerpartiellement et progressivement la technologie actuelle (charbon pulvris en chaudire). Deuxprocds ont atteint un degr de dveloppement significatif : les chaudires lit fluidis circulant(LFC) ou le systme de gazification du charbon intgr un cycle combin (GICC).

Pour se conformer aux nouvelles contraintes de protection de l'environnement, lescentrales thermiques flamme doivent s'adapter et diminuer leurs missions polluantesprovenant des fumes de combustion. Pour cela, les centrales peuvent tre quipes soit dedispositifs de dsulfuration primaire limitant l'apparition d'oxydes de soufre (SO2) dans lachaudire, soit de dispositifs de lavage des fumes, appel encore dsulfuration aval.

L'utilisation du fioul trs basse teneur en soufre : ce combustible spcialement trait

contient moins de 1% de soufre aprs traitement contre 3 % habituellement. Cette mesure trsefficace et coteuse concerne bien sr les centrales brlant du fuel en combustible principal, maisaussi les centrales brlant du charbon en combustible principal et du fuel au dmarrage.

L'adaptation des centrales rcentes de forte puissance avec la mise en placed'installations de lavage des gaz de combustion (dsulfuration aval). Avant d'atteindre la chemine,les fumes sont refroidies, laves dans un brouillard d'eau sature en calcaire qui forme, parraction, du gypse. Les gaz lavs puis rchauffs sont renvoys la chemine dchargs de 90 %d'oxyde de soufre. Ce systme s'avre trs coteux et il est rserv aux centrales rcentes de fortepuissance. Le sous-produit de la dsulfuration est du gypse de qualit utilisable dans la fabrication duciment et du pltre.


5/18



2-LES CENTRALES HYDROLECTRIQUES

2.1 Principe de fonctionnement

Le premier impratif est d'avoir de l'eau, beaucoup d'eau. Le rle du barrage consistera la retenir.1 - Le barrage s'oppose l'coulement naturel de l'eau, sauf en cas de forts dbits, qu'il laisse alorspasser. De grandes quantits d'eau s'accumulent et forment un lac de retenue.

2 - Lorsque l'eau est stocke, il suffit d'ouvrir des vannes pour amorcer le cycle de productiond'lectricit. L'eau s'engouffre alors dans une conduite force ou dans une galerie creuse dans laroche suivant l'installation, et se dirige vers la centrale hydraulique situe en contrebas.

La puissance disponible tire de la chute de la masse deau est donne par :P=9,8 H QP = puissance disponible en kWH = hauteur de la chute en mQ = dbit moyen en m3/s.

3 - A la sortie de la conduite, la pression ou la vitesse (ou les deux en mme temps) entrane larotation de la turbine.4 - La rotation de la turbine entrane celle du rotor de l'alternateur.

5 - Un transformateur lve alors la tension du courant produit par l'alternateur pour qu'il puisse treplus facilement transport dans les lignes haute et trs haute tension.6 - L'eau turbine qui a perdu son nergie s'chappe par le canal de fuite et rejoint la rivire.

La Figure II-4 reprsente deux exemples de construction de centrales hydrolectriques au Qubectandis que le Tableau II-1 prsente leur fiches techniques.

2.2 Stocker l'eau, c'est stocker l'lectricit

En grande quantit, l'lectricit n'est pas stockable. En revanche, l'eau peut tre emmagasine dansdes rservoirs avant d'tre transforme, le moment venu, en courant lectrique.

Robert BourassaProduction annuelle : 37 milliards de kWh

La Grande 1Production annuelle : 7,5 milliards de kWh

Fig. I-4 : Schma simplifi de la gnration dnergie partir dune centrale hydrolectrique.


6/18



Tableau I-1 : fiche technique des deux centrales hydrauliques.

La Grande - 1 Robert Bourassa

Rservoir (superficie maximale du plan deau) 70 km2 2 835 km2Barrages

- Longueur en crte :- Hauteur maximale :

2,8 km162 m

Digues- Nombre :- longueur totale en crte :

22,6 km

2923,8 km

vacuateurs de crues- nombre de vannes :- capacit dvacuation :

816 280 m3/s

816 280 m3/s

Groupes turbines-alternateurs- nombre :- Puissance individuelle :- Type de turbines :- Capacit de production annuelle :

12114 MW

hlice pales fixes7,5 milliards de kWh

16333 MWFrancis

37 milliards de kWh

2.3 L'eau : une source d'nergie renouvelable et propre

Aprs avoir travers les turbines des barrages, les eaux rejoignent les rivires, puis les fleuves, pour

enfin se jeter dans l'ocan, le plus grand rservoir d'eau terrestre. Sous l'effet du soleil, l'eau desocans s'vapore, gonfle les nuages qui arroseront de pluie ou de neige les plaines et les montagnes.La boucle est alors boucle. C'est le cycle de l'eau. Chaque anne, les barrages profitent de cettenergie naturelle, gratuite et indfiniment renouvelable. Comme les ancestrales roues aubestournant sous la simple action du courant, les turbines des centrales hydrolectriques sont animespar la force d'une eau passant d'un niveau lev un niveau infrieur. Dans ce processus, aucunefume ne s'chappe et l'eau reste une source d'nergie essentiellement non-polluante. En effet, lesconsquences de l'exploitation hydraulique (accumulation de sdiments ou de dchets flottants,variation rapide du dbit des cours d'eau, diffrences de tempratures...) sont maintenant bienconnues et matrises.

2.4 Un cot d'exploitation modr

En dpit d'un lourd investissement initial ncessaire la construction des barrages, lesamnagements hydrauliques restent long terme des quipements trs rentables. Compars auxcentrales thermiques, ils produisent un kilowatt moins cher. L'exploitation d'un "combustible"gratuit et renouvelable. De plus, les centrales hydrauliques exigent une maintenance rduite et ontune dure de vie de plusieurs dizaines d'annes.Economique et rapidement mobilisable, l'nergie d'origine hydraulique est avantageusementutilise. Elle permet d'viter la mise en route coteuse de centrales thermiques supplmentaires etd'conomiser de cette manire le combustible fossile ou nuclaire.

3-LES CENTRALES NUCLEAIRES

Une centrale nuclaire est une usine de production d'lectricit. Elle transforme la chaleur libre

par la fission d'un matriau nuclaire, appel "combustible" en nergie mcanique, puis lectrique.Le processus de production est command par un objectif unique : assurer le fonctionnement d'unalternateur, machine tournante conue pour engendrer le courant lectrique grce la rotation grande vitesse d'un aimant plac l'intrieur d'un bobinage mtallique.

3.1 Le combustible nuclaire

Le "combustible" utilis dans les centrales nuclaires est l'uranium, un mtal relativement abondantdans l'corce terrestre. Parmi tous les corps lmentaires existant dans la nature, seul l'atomed'uranium 235 -un des trois types d'atomes constitutifs de l'lment uranium- possde une propritspcifique : son noyau, lorsqu'il est percut par un neutron, se brise en deux noyaux plus petits. On


7/18



dit que l'U 235 est fissile. Cette fission dgage de l'nergie, notamment sous forme de chaleur. En sebrisant, l'atome libre deux ou trois neutrons qui iront leur tour briser d'autres noyaux, et ainsi desuite... C'est ce que l'on appelle la raction en chane. Une raction engendre artificiellement l'intrieur des centrales nuclaires, qui est ensuite entretenue et contrle par des dispositifsappropris. Elle fournit la chaleur ncessaire au fonctionnement de la centrale.

Fig. I-5 : Schma simplifi de la fission nuclaire de luranium.

Le plutonium, qui se forme lors des phnomnes de fission de l'uranium, est lui aussi capable defission. Il est utilis comme combustible dans certaines centrales nuclaires.

3.2 Le processus de production d'lectricit

Dans les centrales nuclaires qui relvent de la filire dite " eau sous pression"- la productiond'lectricit s'effectue selon le processus suivant dcrit la figure I-6.

Fig. I-6 : Schma simplifi de la gnration dnergie partir dune centrale nuclaire.

3.2.1 Le circuit primaire


8/18



L'uranium, lgrement "enrichi" dans sa varit -ou "isotope"- 235 est conditionn sous forme depetites pastilles. Celles-ci sont empiles dans des gaines mtalliques tanches runies enassemblages. Placs dans une cuve en acier remplie d'eau, ces assemblages forment le cur duracteur. Ils sont le sige de la raction en chane, qui les porte haute temprature. L'eau de lacuve s'chauffe leur contact (plus de 300C). Elle est maintenue sous pression, ce qui empchel'eau de bouillir, et circule dans un circuit ferm appel circuit primaire.

3.2.2 Le circuit secondairePar l'intermdiaire d'un gnrateur de vapeur, le circuit primaire communique sa chaleur l'eaucirculant dans un autre circuit ferm, le circuit secondaire. Le gnrateur de vapeur est unassemblage de plusieurs milliers de tubes en forme de U l'intrieur desquels pntre l'eau chaudedu circuit primaire. Ces tubes baignent dans l'eau du circuit secondaire qui bout leur contact et setransforme en vapeur.La pression de cette vapeur fait tourner la turbine laquelle est coupl l'alternateur qui gnrel'lectricit. Au sortir de la turbine, la vapeur est refroidie, retransforme en eau et renvoye dans legnrateur de vapeur.L'ensemble du circuit primaire, y compris les gnrateurs de vapeur (on en compte trois ou quatrerelis la cuve) est enferm dans une enceinte tanche en bton : le btiment racteur. Ce cylindremesure environ 50 mtres de diamtre et de plus de 75 mtres de hauteur avec son dme. Le groupeturbine-alternateur, qui constitue la partie "classique" d'une centrale nuclaire est amnag dans unbtiment attenant appel salle des machines.

3.2.3 Le circuit de refroidissement

Pour que le systme fonctionne en continu, il faut assurer son refroidissement. C'est le but d'untroisime circuit indpendant des deux autres, le circuit de refroidissement. Sa fonction est decondenser la vapeur sortant de la turbine. Pour cela est amnag un condenseur, appareil form demilliers de tubes dans lesquels circule de l'eau froide prleve une source extrieure : rivire oumer. Au contact de ces tubes, la vapeur se condense pour se retransformer en eau.

Quant l'eau du condenseur, elle est rejete, lgrement chauffe, la source d'o elle provient. Sile dbit de la rivire est trop faible, ou si l'on veut limiter son chauffement, on utilise des tours derefroidissement, ou aro-rfrigrants. L'eau chauffe provenant du condenseur, rpartie la basede la tour, est refroidie par le courant d'air qui monte dans la tour. L'essentiel de cette eau retournevers le condenseur, une petite partie s'vapore dans l'atmosphre, ce qui provoque ces panachesblancs caractristiques des centrales nuclaires.

3.3 Les rejets radioactifs

En fonctionnement normal, une centrale nuclaire met des rejets radioactifs liquides ou gazeux. Ils'agit de rejets effectus volontairement. Ils proviennent des circuits d'puration et de filtration de lacentrale qui collectent une partie des lments radioactifs engendrs par le fonctionnement desinstallations. Aprs avoir t tris, selon leur niveau de radioactivit et leur composition chimique,ces lments sont stocks, traits puis rejets sous forme liquide ou gazeuse. Les quantitsd'effluents que les centrales sont autorises rejeter sont tablies par les pouvoirs publics desniveaux trs bas cartant tout risque d'une augmentation significative de la radioactivit naturelle del'environnement.

Dans la pratique, les rejets radioactifs effectus par les centrales nuclaires sont trs infrieurs cesnormes rglementaires. Depuis l'origine du programme nuclaire, ils sont en dcroissance continueet reprsentent moins de 2 % des quantits autorises.

Se confondant avec ce "bruit de fond" fluctuant, le surcrot de 1% d aux rejets radioactifs descentrales, n'entrane pas de consquence dommageable pour l'environnement ou pour la sant despopulations.


9/18



3.4 Une nergie qui prserve la qualit de l'air

L'vaporation de l'eau dans les tours de rfrigration engendre un panache d'air humide dontl'ampleur dpend des conditions atmosphriques. Ce panache n'a pas d'effet sur le climat local. Il apour seule consquence une faible rduction de l'ensoleillement aux abords du site, infrieure auxfluctuations naturelles d'une anne sur l'autre.

L'impact cologique d'une installation industrielle ne se mesure pas seulement aux nuisances qu'elle

cause l'environnement. Il se mesure aussi aux nuisances qu'elle permet d'viter par rapport auxautres types d'installation assurant une production identique. Il faut donc mentionner lacaractristique cologique majeure des centrales nuclaires qui est de ne provoquer aucunepollution de l'atmosphre.Contrairement aux centrales lectriques combustibles fossiles (charbon, ptrole, gaz), les centralesnuclaires ne rejettent dans l'atmosphre aucun produit polluant. Ainsi, le remplacement d'unecentrale charbon de 1 000 MW par une centrale nuclaire de puissance quivalente permet d'viterle rejet l'atmosphre de 7 millions de tonnes de gaz carbonique et de 30 000 tonnes de soufre paran.

3.5 Contre l'effet de serre et les pluies acides

L'effet de serre, conduisant un possible rchauffement de la plante et les pluies acides sont des

menaces pour l'environnement. Certains produits polluants rejets par les usines et les centraleslectriques utilisant des combustibles fossiles contribuent ces phnomnes (mme si desprogrammes ont t lancs, ces dernires annes, pour rduire le volume et la nocivit des effluentsrelchs). Parce qu'elle est capable de fournir des quantits massives d'lectricit sans polluerl'atmosphre, l'nergie nuclaire apparat dans ces conditions comme un atout pour la prservationde l'environnement.Comme toute activit humaine et industrielle, l'utilisation des matires nuclaires engendre desdchets. Les dchets radioactifs (ou dchets nuclaires) dsignent toute matire dont on ne prvoitpas d'utilisation ultrieure et dont le niveau d'activit ne permet pas un rejet direct dansl'environnement.D'une faon gnrale, en fonction de leur provenance, on distingue :

- les dchets de procd, qui rsultent des processus nuclaires lis au fonctionnement desinstallations (produits de fission de l'uranium, rsines d'puration, concentrats...) ;- les dchets technologiques, lis aux travaux d'entretien et d'exploitation des installations(tenues de protection, surbottes, gants, outils ...).

3.6 Principes de gestion et classification

La classification des dchets radioactifs est fonde sur deux critres dterminants : leur niveau deradioactivit et leur dure de vie (la radioactivit diminue avec le temps : la grande majorit desdchets radioactifs prsente, au bout de quelques dizaines d'annes, un niveau de radioactivit jugnon dommageable pour la sant des populations et l'environnement). On aboutit ainsi unclassement des dchets en trois catgories (A, B, C) qui font chacune l'objet d'une politique degestion particulire (voir le tableau gnral sur la gestion des dchets radioactifs).

3.6.1 Les dchets de type "A" sont de faible radioactivit, vie courte.Ils reprsentent 90 % de la totalit des dchets radioactifs (gants, surbottes, tenues de protectionetc...). Ils sont compacts et conditionns dans des fts de mtal ou de bton.Les oprations de compactage et conditionnement s'effectuent jusqu' prsent sur les lieux mmesde production. A l'avenir, elles sont appeles s'effectuer dans un centre de traitement de grandecapacit en cours de dmarrage Marcoule, o de nouveaux procds d'incinration et de fusionpermettront de rduire encore le volume final des dchets stocker.Le stockage est effectu dans des centres. Les fts sont stocks en surface dans des cases tanches.La faible radioactivit de ces dchets dcrot rapidement : en moyenne, elle diminue de moiti tous


10/18



les trente ans. Aprs une priode de surveillance de 300 ans, au terme de laquelle la radioactivitdes dchets se confondra avec la radioactivit naturelle, les sites de stockages seront considrscomme ayant achev leur "mission".

3.6.2 Les dchets de type "B" sont de faible ou moyenne radioactivit, vie longue

Ils reprsentent un peu plus de 9 % de la totalit des dchets radioactifs. Il s'agit de rsinesd'puration, concentrats, filtres, coques mtalliques ayant contenu l'uranium... Ces dchets sont

traits en vue d'une rduction de leur volume, conditionns dans des fts de mtal ou de bton etentreposs La Hague. Une des options envisages pour leur stockage final est de les enterrer enprofondeur.

3.6.3 Les dchets de type "C" sont de forte radioactivit, vie longue

Ils reprsentent environ 0,5 % de la totalit des dchets radioactifs. Il s'agit principalement descendres de la combustion de l'uranium - ou produits de fission - engendrs par les ractionsnuclaires dans le cur des racteurs et rcuprs dans les combustibles uss grce aux oprationsde retraitement. La radioactivit de ces dchets reste leve pendant une longue priode, certainsdes lments qu'ils contiennent ayant des dures de vie s'tendant sur des milliers d'annes. C'estpourquoi des prcautions particulires sont mises en oeuvre pour grer ces dchets. Plusieurs tapessont prvues : actuellement, les produits de fission sont stocks sous forme liquide pendant environ

cinq ans dans des cuves en acier inoxydables o ils perdent une partie de leur chaleur et de leurradioactivit. Ils sont ensuite vitrifis par incorporation du verre en fusion, ce qui aboutit l'obtention d'un matriau inerte capable de confiner la radioactivit. Le mlange vitrifi est couldans des conteneurs en acier. Ceux-ci sont placs dans des puits mtalliques verticaux, eux-mmesdisposs dans des fosses btonnes. La forte radioactivit des dchets vitrifis dgage une chaleurimportante. Les conteneurs doivent donc tre refroidis pendant plusieurs annes, par circulationd'air puis par convection naturelle. Au bout d'environ trente ans, ils pourront tre rcuprs en vued'un stockage dfinitif.Un tel stockage dfinitif ne prsente pas de caractre d'urgence compte tenu du faible volume desdchets vitrifis : environ 3000 m3 en l'an 2000, en volume total cumul (soit l'quivalent d'unepiscine olympique) pour l'ensemble des dchets de type "C" produits en France depuis le dbut duprogramme lectronuclaire. Les tudes peuvent donc tre poursuivies pour prparer le mieuxpossible les conditions de ce stockage. La France, comme la plupart des pays disposant d'uneindustrie nuclaire, envisage, pour les dchets radioactifs vie longue, un stockage en sous-sol, une profondeur comprise entre 400 et 1 000 mtres, dans une formation gologique favorable. Maisrien ne sera dcid dans l'immdiat. Une loi vote le 30 dcembre 1991 par le Parlement franaisouvre une priode de 15 ans durant laquelle sera men un important programme de rechercheportant sur :

- la rduction de la radioactivit et de la dure de vie des dchets ;- les procds de conditionnement favorisant la rduction des volumes et l'amlioration duconfinement ;- l'tude d'un stockage en profondeur grce l'implantation de deux laboratoires souterrainsexprimentaux.

Au terme de cette priode d'tude, partir de l'anne 2006, les pouvoirs publics dcideront de lasolution la mieux adapte pour le stockage des dchets radioactifs vie longue.

3.7 Les effets de la radioactivit

Lorsque les rayonnements mis par une source radioactive viennent au contact de la matire, ils se"heurtent" aux atomes prsents et peuvent dplacer ou arracher certains de leurs lectrons. Lesatomes ayant perdu des lectrons perdent du mme coup leur neutralit lectrique et se transformenten ions, c'est--dire en atomes chargs lectriquement. Ce phnomne d'ionisation est le principalmcanisme par lequel la radioactivit agit sur la matire. D'o l'expression de "rayonnementsionisants" que l'on utilise pour qualifier les rayonnements dus la radioactivit.


11/18



3.8 Les effets sur l'organisme humain

Les atomes ioniss peuvent tre l'origine de diffrents types de perturbations dans l'organisation etle fonctionnement des molcules dont ils sont les constituants. Les dommages causs aux molculespeuvent entraner des lsions cellulaires et d'autres dysfonctionnements l'intrieur de l'organisme.

L'organisme humain, qui est lui-mme le sige d'une lgre radioactivit, peut intgrer sansdommages certaines doses de radioactivit supplmentaires. Mais des doses excessives peuvent

entraner des dtriments sanitaires plus ou moins graves, en fonction de plusieurs facteurs : laquantit de dose absorbe, le dbit de dose absorbe (c'est--dire l'talement de l'irradiation dans letemps), le type de rayonnement reu, le volume des zones et la nature des organes irradis.

3.9 Effet des rayonnements sur la sant des individus

(doses reues en une seule fois et en un temps trs court sur l'ensemble du corps)600 800 mSv = fivre, nauses passagres sans suite mdicale srieuse1000 2000 mSv = troubles graves ncessitant un important traitement mdical (modification de laformule sanguine, atteinte de la moelle osseuse...)6000 mSv et au-del = risque fatal.(Utilisation mdicale : de 1000 100 000 mSv et plus sur des zones trs localises pour dtruire lestumeurs cancreuses). En outre, des cancers ou autres maladies graves sont susceptibles de se

dvelopper chez certaines personnes parmi les irradis. Ce risque dpend essentiellement de laquantit de rayonnement absorbe.

4-LENERGIE EOLIENNEL'nergie du vent provient de celle du soleil qui chauffe ingalement lesmasses d'air, provoquant des diffrences de pression atmosphrique et desmouvements de circulation de l'air entre zones de tempraturesdiffrentes. Tout comme l'nergie solaire, l'nergie olienne est unenergie renouvelable, disponible partout (quoiqu'en quantits diffrentes)et bien sr sans rejet polluant dans l'atmosphre.De nos jours, l'nergie olienne sert principalement produire del'lectricit. Les moulins, dsormais appels oliennes, sont toussystmatiquement composs de trois lments : les ailes (ou pales)tournent autour d'un axe, le rotor. Ce dernier transmet l'nergie mcaniquede la rotation un alternateur, qui transforme cette nergie en nergielectrique. Il existe cependant des types trs varis d'oliennes.Pour les plus classiques, les pales sont identiques aux hlices d'un avion, la diffrence qu'ellessont orientes pour recevoir et non pas pour crer un flux d'air. Le nombre de pales varie de uneseule une dizaine environ. Paradoxalement, plus leur nombre est lev, plus l'hlice tournelentement (mais avec une plus grande force). Or, pour produire de l'lectricit, c'est la vitesse derotation qui compte. La plupart des modles actuels, possdent ainsi deux ou trois pales. Il en existemme une seule pale, quilibre par un contrepoids. A la diffrence de ces modles classiques, ilexiste des oliennes dont les pales sont places l'horizontale et animent un axe de rotation vertical.

Cette technique thoriquement avantageuse -ces oliennes n'ont pas besoin d'tre orientes face auvent pour fonctionner, elles tournent quelle que soit la direction du vent- n'a gure connu dedveloppement pratique.Les alternateurs actuels ncessitent une vitesse de rotation leve pour fonctionner correctement.Les vitesses obtenues n'tant pas toujours suffisantes, on interpose un multiplicateur de vitesse entrele rotor et l'alternateur. Autre contrainte : la ncessit de maintenir une vitesse de rotation constante.Or, la vitesse du vent est par essence variable. On utilise donc des hlices dont l'orientation parrapport l'axe de rotation peut varier de manire ce qu'elles "prennent" plus ou moins le vent.


12/18



Dans le cas des petites applications spares du rseau, une autre consquence de cette versatilit duvent est qu'il faut des accumulateurs pour stocker l'nergie et pouvoir la consommer au momentsouhait. Dans le cas, plus gnral, d'une utilisation raccorde au rseau, il n'est plus ncessaired'accumuler l'nergie. En contrepartie, pour pouvoir transporter le courant dans les lignes hautetension, il faut que l'olienne fournisse une puissance leve. Or, l'nergie produite crot avec lasurface des pales... On augmente donc la taille des oliennes. Certaines vont jusqu' devenirgigantesques. Elle ne peut pourtant pas tre augmente indfiniment. En effet, plus l'hlice est

lourde, moins elle tourne vite. Heureusement, d'importants gains de poids ont t raliss cesderniers temps grce des techniques provenant du secteur spatial. Cette exigence de vitesse et depuissance pousse les ingnieurs chercher les endroits les plus favorables aux installations. Onparle mme de gisement olien. L'hlice est place en hauteur, quelques dizaines de mtres audessus du sol pour les grosses machines actuelles, parce que la vitesse du vent augmente avecl'altitude. Cela prsente l'avantage supplmentaire d'affranchir l'olienne des turbulences dues auxobstacles au niveau du sol. Mais cela pose galement quelques problmes d'esthtique en modifiantle paysage. Les grands systmes sont galement rputs bruyants, mais le bruit est en fait trsmodeste : quelques dizaines de dcibels.

Tableau I-2 : Puissance ajoute d'nergie olienne dans certains pays, 2001.

Pays Puissance ajoute (MW)Allemagne 2650USA 1700Espagne 1000Italie 270Grce 83Royaume-Uni 68Canada 68Sude 59

Tableau I-3 : Projection de Puissance d'nergie olienne dans le monde.

Part de l'nergie qui proviendra de sources d'nergie verte en Europe d'ici 2010 : 22,0%

Part qui proviendrait de l'olien au Qubec, daprs une proposition rcente d'Hydro-Qubec : ~0,5%Puissance mondiale d'nergie olienne ajoute en 2001 : > 6 000 MW

Puissance mondiale d'nergie nuclaire ajoute en 2001 : < 1 750 MW

Puissance mondiale dnergie olienne en 1996 : 6200 MW

Puissance mondiale dnergie olienne en 2001 : 24000 MW

Puissance mondiale dnergie olienne en 2006 : 74 000 MW*(*projection de BTM Consult)

La vitesse du vent augmente avec l'altitude. Cette dpendance s'exprime par une relation empirique:V1/V2 = (h1/h2)

no V1 et V2 sont les vitesses aux hauteurs respectives h1 et h2. L'exposant n dpend de laconfiguration du terrain et varie entre 0,1 et 0,4 (pour terrain accident, n prend les valeurs de lalimite suprieure).La figure I.2 donne un exemple de rpartition annuelle des vitesses moyennes sur un site pour unepriode donne. Comme la plupart des oliennes dmarrent une vitesse de vent infrieure 3 m/s,on remarque sur cette figure que l'exploitation de l'nergie olienne est favorable pour le site, car lesmoyennes mensuelles du vent restent suprieures 5 m/s.Par ailleurs, la vitesse du vent est plus importante en hiver que pendant les mois d't, ce quiconstitue un facteur favorable, les besoins nergtiques tant plus importants pendant cette saison.


13/18



Figure I-7 : Moyennes mensuelles de la vitesse du vent.

La plus simple structure de conversion de l'nergie olienne est prsente dans la figure I-8, o : Test la turbine, M, le multiplicateur de vitesse, GE, le gnrateur lectrique et EP, le circuitlectronique de puissance. On considre que le systme alimente une charge lectrique isole.

Figure I-8 : Structure de conversion de l'nergie olienne.

Puissance individuelle dune turbine : La puissance P extraite du vent est donne par la formuleapproximative suivante : P = 29,63 x 10-2D2u3 (en Watts) o D est le diamtre de la lame ou ple (enmtre) et u la vitesse du vent en mtre/seconde.

La puissance mondiale d'nergie olienne est maintenant estime plus de 24 000 MW. L'Europecompte maintenant environ 17 000 MW de puissance olienne, produisant quelque 40 TWh

d'lectricit annuellement, l'quivalent de la consommation d'lectricit de 10 millions de foyerseuropens. Produire une telle puissance par l'nergie olienne, plutt que par des centrales aucharbon, engendre une rduction de 24 millions de tonnes d'missions de CO2 par anne.

5-LES CENTRALES SOLAIRES

La principale source dnergie dont dpend toute la terre est le Soleil. Sa puissance thermique misesous forme de rayonnement est estime 390 1015 GW. La terre reoit environ 180 106 GW dont untiers est rflchi directement par les couche suprieures de latmosphre et deux tiers parviennent la surface du globe. Une partie infime, environ 1%o,,est absorbe par photo-synthse. Le reste estrenvoy dans lunivers, par rflexion et par rayonnement en produisant au passage les phnomnesmtorologiques (vents, vaporation, prcipitations). Les premires centrales ont t appeles

thermo-hliolectriques.Le rayonnement solaire, quelles concentrent pour chauffer trs haute temprature un liquideparticulier non vaporisable, chauffe son tour de leau qui alimente une chaudire vapeur, elle-mme relie une turbine et un gnrateur pour produire de llectricit. Pour obtenir une chaleursuffisante, il faut concentrer le rayonnement.

MT GE EP

Arognrateur

V

V


14/18



Cest pourquoi on utilise des batteries de miroirs focalisant (appelshliostats), orientables pour suivre la course du soleil. Ilsconcentrent les rayons solaires sur une chaudire, place au sommetdune tour. Cependant, il existe un grand nombre de difficultstechniques. La principale est celle des pertes de chaleur, au niveaudu liquide de la chaudire et de toutes les tapes ultrieures jusqula turbine. Plus le liquide de la chaudire est chaud, plus les pertes

sont leves, mais en de dune certaine temprature, la chaudirenest plus assez efficace. Le deuxime problme est quil nest paspossible daugmenter indfiniment le nombre de miroirs, et donclnergie disponible pour la chaudire.

Figure I-9

En effet, si les hliostats sont trop loigns, le rayonnement est plus difficilement focalisable et lemoindre mouvement du miroir le dvie de sa cible. Ils napportent alors quasiment plus dnergie la chaudire et deviennent donc inutiles.LaNuon et la Siemens ont dvelopp et rcemment branch le plus grand toit solaire du monde unrseau lectrique des Pays-Bas. Le systme, d'une surface de 26 000 m2, ou environ trois terrains desoccer, comprend 19 000 panneaux solaires qui offrent 2,3 MW de puissance et quelque 1,23 GWhd'lectricit par anne. Le projet a cot plus de 17 millions d'euros (23,8M$) en capital et abnfici d'une subvention du gouvernement nerlandais de 5,2 millions d'euros (7,3M$).

5-1 La cellule photovoltaque

Figure I-10 : la cellule photovoltaque, lment de base des panneaux solaires qui produisent de l'lectricit.

Un cristal semi-conducteur dop P est recouvert d'une zone trs mince dope N et d'paisseur egale quelques millimes de mm. Entre les deux zones se trouve une jonction J.La zone N est couverte par une grille mtallique qui sert de cathode k tandis qu'une plaquemtallique a recouvre l'autre face du cristal et joue le rle d'anode. L'paisseur totale du cristal estde l'ordre du mm.Un rayon lumineux qui frappe le dispositif peut pntrer dans le cristal au travers de la grille etprovoquer l'apparition d'une tension entre la cathode et l'anode. En gnral le semi-conducteur debase est du silicium monocristallin comme celui qui est utilis pour la fabrication des transistors

mais on rencontre maintenant plus frquemment du silicium polycristallin moins coteux produire.

6-LA GEOTHERMIE

La temprature des roches de l'corce terrestre augmente avec la profondeur de la Terre, trsprobablement cause de la diffusion de chaleur issue des dsintgrations radioactives ayant lieu aucentre de la Terre. La chaleur crot avec la profondeur : en moyenne, 3C tout les 100 mtres. Danscertaines rgions du globe, la chaleur terrestre vient jusqu' la surface sous forme de sourceschaudes, eau ou vapeur d'eau.


15/18



L'eau chaude est exploite directement sous forme de chaleur : chauffage central dans leshabitations ou chauffage de serres comme en Islande o sont cultivs des fruits tropicaux. La vapeurd'eau extraite du sous-sol est utilise dans la production d'lectricit : comme dans une centralethermique classique, elle actionne une turbine.

Fig. I-11 : Schma simplifi de production dlectricit partir dune nergie gothermique.

Il est galement possible d'utiliser les roches chaudes et sches comme source d'nergie. Une

circulation d'eau est entretenue entre deux puits fors dans le sol : l'eau verse dans l'un des puits serchauffe au passage dans les roches sches et ressort sous forme de vapeur.Avec une vingtaine de sites exploits, les Etats-Unis se placent au premier rang mondial en termede puissance lectrique gothermique install. D'une production de 2 817 MW, ils comptentaugmenter passer 3 400 MW d'ici l'an 2000. De nouvelles centrales sont en cours de construction, Hawa, dans le Nevada, ou encore en Alaska. Trois quatre milles personnes travaillent dj dansce secteur. En deuxime position, arrivent les Philippines dont la puissance totale installe est de 1227 MW (rpartis sur cinq sites) pour un potentiel estim de 3 4 000 MW. Neuf autres sitesdevraient rentrer en exploitation d'ici 1998. Des quantits de projets naissent dans le monde. LeMexique compte atteindre 960 MW installs en l'an 2000. En Indonsie, la capacit totale pourraitatteindre 2 GW. Des tudes sont en cours au Chili (potentiel de 100 MW), au Guatemala (quatorzesites identifis avec un potentiel d'au moins 94 MW), en Ethiopie (potentiel de 700 MW rpartis en

24 sites) ,en Europe de l'Est (Slovnie, Croatie, Lituanie, Hongrie) mais aussi en Inde, au Canada,Tableau I-4 : Pays quips de centrales gothermiques dans le monde.

Pays quips de centralesgothermiques

Puissance installe en1995 (MW)

Prvision pour l'an2000 (MW)

Etats-UnisPhilippinesMexiqueItalieJaponNouvelle-Zlande

IndonsieSalvadorChineRussie

2 8171 227743666299286

1451003211

3 4002 000

960600440

1 000115210 295100

7-LA BIOMASSEA l'chelle mondiale, la majorit de la population utilise la biomasse comme source de combustibleprimaire : le bois, la paille ou d'autres vgtaux secs sont brls pour assurer les besoins dechauffage ou de cuisson des aliments.


16/18



Au-del de cette utilisation traditionnelle, la technique permet aujourd'hui de valoriser la biomasse"moderne" -dchets des industries du bois, de l'agro-industrie, dchets mnagers...- pour produire dela chaleur ou de l'lectricit.

Exemples de biomasse applique la production d'nergie

biomasse "traditionnelle" :BoisDchets vgtauxDchets animaux

biomasse "moderne" :Bois ronds de chauffe commercialiss et auto-consomms.Sciures, corces, chutes, lagagesDchets de l'agriculture et de l'agro-industrieValorisation nergtiques de dchets mnagers, des dchets industriels dedeuxime transformation et des dchets agroalimentaires

Environ 60 % des dchets domestiques peuvent tre rutiliss comme source d'nergie pourproduire de l'lectricit -via une centrale thermique- ou directement de la chaleur destine auchauffage urbain, voire simultanment les deux dans le cas d'installations de co-gnration. La

valorisation des dchets urbains est un des axes de dveloppement, qu'il s'agisse de produire del'lectricit, de la chaleur ou du mthane.Outre la production de chaleur ou d'lectricit, les dchets mnagers peuvent aussi alimenter desbio-racteurs qui recyclent les ordures et produisent des gaz (comme le mthane) et autres matiresnergtiques utilises par les industries. Par ailleurs, il est possible d'extraire le mthane des dchetsanimaux et humains l'aide de cuves biogaz utilisant des bactries qui dcomposent les matiresorganiques.

8-COMPARAISON DES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX

Comme lillustre la Figure I-12, llectrification des socits sest ralise, historiquement, sur deuxvoies parallles : celle de lnergie thermique classique et celle de lhydrolectricit.

Figure I-12 : Lcologisation de la production dlectricit.

* Notes explicatives :

La superficie des bulles indique la taille relative des technologies dominantes. Afin dassurer leur visibilit, nousavons gonfl les bulles solaire-PV , microturbines et piles hydrogne.


17/18



La bulle biogaz rfre la rutilisation de lnergie (e.g. mthane) provenant notamment de rejets agricoles etmunicipaux. La bulle Autres renouv. rfre la production dnergie partir de sources naturelles telles que lachaleur terrestre, les vagues et les mares.La bulle Surprise rfre aux nouvelles technologies et innovations qui pourront tre dveloppes lavenir (parexemple, la fusion nuclaire, le thermo-photovoltaque, etc..). Lchelle cologique est une approximation. Les centrales thermiques (classiques et avances) sont classesprincipalement selon leur efficacit de combustion (nette), ajuste pour dautres facteurs de performance cologique. Leclassement des centrales nuclaires, dont les impacts environnementaux sont incomparables ceux des centrales

thermiques, est un jugement subjectif de lauteur. Il en va de mme pour les centrales hydrolectriques, dont les impactssont en plus largement dpendants du site.

Dans les deux cas, le premier sicle de dveloppement a permis des gains environnementauxprogressifs mais modrs, accompagns du mme coup de la croissance plus ou moins progressivede la taille des centrales.

En ce qui concerne les centrales thermiques classiques, elles sont devenues la fois moinspolluantes grce des technologies de contrle la chemine et, surtout, plus performantes entermes defficacit de la combustion.En ce qui concerne les projets hydrolectriques, il est sensiblement plus difficile de gnraliser,compte tenu de la spcificit de chaque projet. Nanmoins, les efforts de protection des poissons etdes habitats, notamment, ont certainement connu des progrs au cours des dernires dcennies.

Dans les deux cas thermique classique et hydraulique les rsultats demeurent toutefoisdcevants dans une perspective cologique (quoiqu des degrs diffrents), comme en tmoignelopposition systmatique des cologistes aux nouveaux projets de mme mouture.Or, depuis le dbut des annes 1990, une deuxime phase de progrs sensiblement plus rapide quela prcdente se pointe lhorizon, et semble lier deux phnomnes : la chute des conomiesdchelle et lavnement de technologies vritablement vertes .Cette voie verte de llectrification est le rsultat en plus des phnomnes technologiques etconomiques discuts prcdemment dune conscientisation environnementale grandissantesurvenue depuis les annes 1960 et qui se concrtise aujourdhui par lentre en force prochaine duProtocole de Kyoto proccup par lquilibre climatique mondial consacrera son ascension, enlespace de quarante ans, comme une force internationale de taille.Ce graphique illustre le degr de changement en cours dans les pays de lOccident. Pendant prs

dun sicle, deux chemins parallles thermique et hydraulique ont graduellement amlior leurperformance environnementale (axe vertical), en mme temps que les centrales gagnaientprogressivement puis soudainement en taille (superficie des bulles). Il aura fallu la fin de lacourse aux conomies dchelle et lavnement de la concurrence pour quune explosion detechnologies diverses prsente lespoir dun verdissement rel.

Sur le plan environnemental, les acteurs qui dominent les marchs nergtiques actuels (enparticulier ceux dont le produit est intensif en carbone) pourraient parvenir diminuer ou reporterle renforcement des exigences environnementales et notamment celles visant les missions de gaz effet de serre (GES). brve chance, la plus grande proccupation concerne la ratification, lamise en vigueur et le respect des cibles de la premire priode de rductions (2008-2012) prvuesau Protocole de Kyoto. moyen terme, on pense aux ngociations venir qui dtermineront lescibles de la deuxime priode de rductions (post-2012) du protocole.

Depuis une dcennie, les taux de croissance des technologies nergtiques vertes dominentlargement ceux des nergies conventionnelles (Figure I-13). En 2001, trois fois plus de puissanceolienne furent installes travers le monde que de puissance nuclaire.


18/18


I F PAGE 28

Figure I-13 : Croissance des ventes mondiales 1990-2000. Source : Shell (2001)

9-BIBLIOGRAPHIES

Centre Hlios,Enjeux nergies, Vol. 1, N 1 - 2 avril 2002.Philippe U. Dunsky Quel avenir nergtique? Cahiers de lnergie srie danalyses publies parle Centre Hlios, Vol. 1, no 1 17 dcembre 2002.Westinghouse Electric Company, Questions Kids ask about energy.Westinghouse Electric Company,Electricty from nuclear energy.http://www.edf.fr

1. Génération Énergie Électrique

Documents

Transcript of 1. Génération Énergie Électrique