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CENTRALES THERMIQUES A FLAMME

FONCTIONNEMENT

Les centrales thermiques flamme transforment en lectricit une nergie mcanique obtenue partir dune nergie thermique. Lnergie thermique provient de la combustion dune nergie fossile.

En fonction du combustible utilis, il y a trois types de centrales thermiques flamme :

les centrales au charbon

les centrales au fioul

les centrales au gaz

Les centrales au charbon sont les plus rpandues dans le monde dans les pays disposant de rserves importantes (Etats-Unis, Russie, Chine, Allemagne), bien que cela soit le mode de production lectrique le plus metteur de gaz effet de serre.

En France, les centrales flamme taient utilises jusquaux annes 80 comme moyen de production de base. Depuis le dveloppement du nuclaire, elles sont utilises en priode de pointe pour rpondre aux pics de consommation.

Comment a marcheLes centrales thermiques flamme fonctionnent avec lnergie thermique produite en brlant un combustible (gaz, charbon ou fioul) :

dans une chaudire, qui transfre la chaleur dgage par la combustion leau, produisant de la vapeur. La pression exerce par la vapeur fait tourner une turbine, qui entrane un alternateur. Lalternateur convertit lnergie mcanique fournie par la rotation de la turbine en nergie lectrique.

dans une turbine combustion (TAC), couple un alternateur.

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CENTRALES THERMIQUES AU CHARBON

PRODUCTION

TRANSPORT / DISTRIBUTION

ENVIRONNEMENT

ENJEUX SOCIO-ECONOMIQUES

PRODUCTION

Puissance produiteDe quelques dizaines quelques centaines de mgawatts dans les dernires dcennies, la puissance des centrales thermiques au charbon peut aujourdhui dpasser les 1000 MW.

Contraintes gographiquesDimportantes quantits deau sont ncessaires pour le refroidissement des centrales thermiques, cest pourquoi on les installe gnralement aux abords dun cours deau.

ExploitationTrs modulables et mobilisables rapidement, les centrales thermiques au charbon sont utilises en priode de pointe, pour ajuster la production laugmentation de la demande.

TRANSPORT / DISTRIBUTION

Tension produiteA partir de lnergie mcanique fournie par la turbine, lalternateur produit un courant alternatif.

RaccordementLa tension est leve par un transformateur en sortie de centrale, pour rejoindre le rseau de transport en haute et trs haute tension.

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CENTRALES THERMIQUES CHARBON

ENVIRONNEMENT

RessourcesLe charbon fait partie des ressources fossiles non renouvelables. Cependant, cest le combustible fossile dont les rserves sont les plus abondantes, savoir 230 ans sur la base de la consommation actuelle. Les rserves sont localises principalement aux Etats-Unis (28%), en Russie (23%) et en Chine (11%).En France, o les mines de charbon ne sont plus exploites, le charbon reprsente 3,3% du mix lectrique, et 38% de la production thermique combustible fossile.

PollutionLa production dlectricit partir du charbon est grande mettrice de CO2. Ainsi en France, en 2012, le charbon (3,3% de llectricit produite) est responsable lui seul de prs de 60% des missions de CO2 de lensemble de la production lectrique. La combustion du charbon met dautres polluants : oxydes de soufre (SO2, SO3), oxydes dazote (NOx), cendres et fumes charges en dioxines, mtaux lourds (mercure, arsenic) ou lments radioactifs (uranium, thorium, radium, radon). Lextraction du charbon cause des fuites de mthane, gaz effet de serre plus puissant que le CO2.

Impacts sur la biodiversit et la santLexploitation du charbon est cause daccidents de mines (effondrements, coups de grisou) et de maladies professionnelles des mineurs (silicose, cancer du poumon).

Les cendres sont les dchets produits par la combustion du charbon, stockes proximit des sites de production. La combustion du charbon concentre dans les cendres la radioactivit naturelle du minerai, en la multipliant par 7 10. Les cendres volantes se rpandent dans les milieux naturels et contaminent les sols, les eaux de surface, les nappes phratiques et latmosphre par des polluants chimiques ou radiologiques.

Les radionuclides peuvent ainsi contaminer la chane alimentaire (animaux broutant lherbe, fruits et lgumes), et exposer les populations humaines vivant proximit ou travaillant sur ces sites (par ingestion, inhalation ou contact cutan).On appelle cela la radioactivit naturelle technologiquement renforce .

Solutions pour limiter les impactsLa reprise des cendres pour valorisation rpond aux objectifs du dveloppement durable : elles sont utilises pour la fabrication de btons, ciments, parpaings, utiliss dans le btiment et les travaux publics, pour la voierie (sous-couches routires), ou le drainage de terrains de sport. Cependant, leffet radiologique des ciments et btons utiliss dans le secteur rsidentiel est encore mal connu.

Certains sites de stockage ont t revgtaliss et utiliss pour les loisirs (chasse, pche, randonne, sport) ou mme lagriculture, sans que le potentiel toxique ait t tudi.Un plan national de gestion durable des dchets radioactifs a t mis en place en 2006, visant le respect de la protection de la sant des personnes et de lenvironnement. Depuis, des analyses et des mesures sont menes, faisant primer le principe de prcaution, mais aussi afin de faire voluer la rglementation.

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CENTRALES THERMIQUES CHARBON

ENJEUX SOCIO-CONOMIQUES

Impacts socio-conomiquesLes centrales charbon sont actuellement trs comptitives, notamment :

cause de labondance et du faible cot du combustible

cause du faible cot du CO2 (moins de 10 euros la tonne en 2012)

Selon le niveau de prix du CO2, investir dans les technologies permettant de limiter les missions de CO2 nest donc pas forcment plus conomique que de payer les pnalits dmissions. A lavenir, une taxe carbone plus leve devrait rendre les centrales au charbon moins comptitives face aux centrales moins mettrices de CO2.

Perspectives davenirLimiter les rejets polluantsDivers dispositifs existent dj actuellement pour limiter les rejets de SOx et de NOx, notamment par des technologies de traitement des fumes.

Rduire les missions de CO2Il est dores et dj possible, en amliorant le rendement des centrales, dmettre moins de CO2 par kWh produit. Les technologies de charbon pulvris en cycle supercritique permettent une amlioration notable, qui pourrait tre accrue, lhorizon 2015-2020, avec le cycle thermodynamique ultrasupercritique .Une autre solution est la capture et squestration du CO2 :

les technologies de capture actuellement en cours de dveloppement ne sont pas encore prtes tre gnralises, et ne le seront pas avant 2020.

la squestration pourrait faire du charbon un combustible propre contribuant lamlioration du bilan mondial des missions de GES, condition de rgler les problmes non rsolus (acceptation sociale dune solution de stockage de dchets risque, rentabilit, efficacit de la capture).

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CENTRALES THERMIQUES AU FIOUL

PRODUCTION

TRANSPORT / DISTRIBUTION

ENVIRONNEMENT

ENJEUX SOCIO-ECONOMIQUES

PRODUCTION

Puissance produiteCe type de centrale utilise le fioul comme combustible dans une chaudire produisant de la vapeur, afin de faire tourner une turbine couple un alternateur. La puissance installe des centrales thermiques au fioul se situe gnralement entre 250 750 MW par unit de production.

Contraintes gographiquesLorsquelles utilisent des turbines vapeur, les centrales au fioul ont besoin dimportantes quantits deau pour leur refroidissement, cest pourquoi on les installe gnralement aux abords dun cours deau. Les turbines combustion, qui prsentent lavantage dtre plus ractives, ne ncessitent pas de source froide de type rivire.

ExploitationTrs modulables et mobilisables rapidement, les centrales thermiques au fioul sont utilises en priode de pointe, pour ajuster la production laugmentation de la demande. Elles fonctionnent entre 200 et 1500 heures par an.

TRANSPORT / DISTRIBUTION

Tension produiteA partir de lnergie mcanique fournie par la turbine, lalternateur produit un courant alternatif.

RaccordementLa tension est leve par un transformateur en sortie de centrale, pour rejoindre le rseau de transport en haute et trs haute tension.

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CENTRALES THERMIQUES AU FIOUL

ENVIRONNEMENT

RessourcesLe fioul est un hydrocarbure driv du ptrole. Il fait partie des ressources fossiles non renouvelables.Les rserves prouves de ptrole reprsentent, consommation inchange, environ 40 ans de consommation. Mais cela fait dbat parmi les experts.

La majorit des experts considrent que lamlioration des taux de rcupration du ptrole des puits, de nouvelles dcouvertes et lutilisation de ptroles non conventionnels permettront une consommation croissante pendant 40 80 ans encore.

Cependant, dautres experts, plus pessimistes, considrent que les donnes de rserves issues des agences officielles sont errones. Ils estiment que la production de ptrole (conventionnel et non conventionnel) atteindra un maximum physique de production dans 20 ans avec laccroissement prvu de la consommation.Quoiquil en soit, lpuisement du stock avant la fin du sicle, laugmentation des cots lis sa rarfaction, et les missions de CO2 produites par sa combustion conduisent trouver des alternatives son utilisation.

PollutionLimpact environnemental le plus inquitant de la combustion du fioul est lmission de quantits importantes de CO2, gaz effet de serre responsable du drglement climatique. Utilis pour la production lectrique, le fioul est plus polluant que le gaz naturel, et moins que le charbon.

La combustion du fioul met galement des dioxydes de soufre (SO2), responsables de pluies acides, et des oxydes dazote (NOx).

Le raffinage est ncessaire pour transformer le ptrole brut en fonction de son utilisation finale. Ce procd entrane le rejet de plusieurs polluants atmosphriques : oxydes de soufre, oxydes dazote, composs organiques volatils, particules, monoxyde de carbone, benzne, et de nombreux gaz effet de serre.

Impacts sur la sant et la biodiversitLextraction du ptrole a des impacts sur les cosystmes et la biodiversit, la sant des travailleurs ou des populations locales.Lextraction des sables bitumeux est la plus polluante (mission de CO2, pollution dnormes quantits deau crant des lacs toxiques, contaminant les sols, les rivires, les plantes).Le transport maritime et lextraction du ptrole offshore exposent aux risques de mares noires, dont les effets sont dsastreux sur les fonds marins et les zones ctires.Les dgazages illgaux dversent dans la mer dimportantes quantits dhydrocarbures.

Solutions pour limiter les impacts Technologies dpolluantes pour rduire les missions de SO2 et de NOx (centrales de production lectrique,

raffineries)

Conventions internationales pour rduire les pollutions (Protocole de Kyoto, pour la rduction des missions de gaz effet de serre / Convention MARPOL contre la pollution marine)

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CENTRALES THERMIQUES AU FIOUL

ENJEUX SOCIO-CONOMIQUES

Impacts socio-conomiquesCompte tenu :

de laugmentation des cots du ptrole,

des difficults gopolitiques que peut poser son approvisionnement (dpendance vis--vis du Moyen Orient),

de sa rarfaction future,

de ses effets ngatifs sur lenvironnement et le drglement climatique

le recours aux centrales thermiques au fioul est actuellement en perte de vitesse.En tant que source dnergie primaire pour la production lectrique, il existe de nombreuses nergies de substitution, renouvelables ou non.

Perspectives davenirSi le remplacement du ptrole ne pose pas de problme pour la production lectrique, il nen va pas de mme pour les autres utilisations, notamment les transports ou la fabrication de produits drivs (plastiques, textiles synthtiques, engrais). Les nergies fossiles abondantes et peu coteuses par le pass ont structur notre conomie, notre dveloppement, nos modes de vie.La ncessit de se passer terme des nergies fossiles nous obligera repenser la ville, lhabitat, la mobilit, lagriculture bref, changer quelque peu le monde !

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LES CENTRALES THERMIQUES AU GAZ

PRODUCTION

TRANSPORT / DISTRIBUTION

ENVIRONNEMENT

ENJEUX SOCIO-ECONOMIQUES

PRODUCTION

Puissance produiteUne centrale thermique au gaz utilise un gaz fort pouvoir calorifique, tel le gaz naturel, pour produire de llectricit.On distingue plusieurs catgories :

les centrales turbine vapeur : elles fonctionnent comme les centrales au fioul, mais brlent du gaz au lieu du fioul. Elles sont peu rpandues et progressivement remplaces par les centrales turbine gaz.

les centrales turbine gaz

Elles comprennent :

les centrales cycle simple, constitues dune turbine combustion fonctionnant au gaz entranant un alternateur.

les centrales cycle combin, de plus en plus rpandues grce leur rendement nergtique plus lev (jusqu 60%). La chaleur contenue dans les fumes la sortie de la turbine combustion est rcupre pour produire de la vapeur alimentant une turbine vapeur.

La puissance installe des centrales les plus rcentes se situe entre 400 et 800 MW.Les centrales turbine gaz permettent de faire de la cognration, ce qui augmente encore plus significativement leur rendement (80 90%).

Contraintes gographiquesDimportantes quantits deau sont ncessaires pour le refroidissement des centrales thermiques, cest pourquoi on les installe gnralement aux abords dun cours deau.

ExploitationLes centrales cycle simple sont surtout utilises comme centrales de pointe, pour assurer un complment de production en cas de forte demande ponctuelle (heures de pointe).

Les centrales cycle combin sont utilises en semi-base et pour les priodes de pointe. Rapidement mobilisables, elles peuvent tre utilises pour compenser les variations rapides de puissance des parcs oliens (variations de la force du vent) ou des centrales photovoltaques (passages de nuages).

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CENTRALES THERMIQUES AU GAZ

TRANSPORT / DISTRIBUTION

Tension produiteA partir de lnergie mcanique fournie par la turbine, lalternateur produit un courant alternatif.

RaccordementLa tension est leve par un transformateur en sortie de centrale, pour rejoindre le rseau de transport en haute et trs haute tension.

ENVIRONNEMENT

RessourcesLe gaz est une nergie fossile non renouvelable. Les rserves de gaz naturel sont plus importantes que les rserves de ptrole, mais elles aussi sont mal rparties gographiquement (concentres pour les 2/3 en Russie et au Moyen-Orient). La France est trs dpendante des importations.Les rserves sont estimes plus de 60 ans consommation inchange. Mais si lon remplaait le ptrole et le charbon par le gaz pour rduire les missions effet de serre, les rserves ne seraient plus que de 17 ans. Aussi, labandon du nuclaire au profit du gaz par certains pays pourrait acclrer la consommation des ressources.

PollutionLe gaz naturel offre un bilan environnemental trs favorable dans la production dlectricit. Les missions de CO2 lies son utilisation sont deux fois moins leves que celles des centrales charbon les plus performantes. De plus, contrairement au charbon, il ne contient quasiment pas de soufre et sa combustion ne produit ni particules de poussire ni odeurs. Les missions de Nox et de Sox sont aussi trs limites.

Impacts sur la sant et la biodiversitLextraction des gaz non conventionnels semblerait encore prsenter des risques environnementaux.La technologie de fracturation hydraulique pour lextraction des gaz de schiste fait lobjet dtudes approfondies pour viter tout risque de pollution des nappes phratiques, afin de pouvoir bnficier de ces nouvelles ressources dnergie.Les perspectives dexploitation des hydrates de mthane, dont les rserves sont particulirement importantes (zones polaires et en eaux trs profondes), sont encore incertaines compte tenu des dfis technologiques et des risques lis leur exploitation.

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CENTRALES THERMIQUES AU GAZ

Solutions pour limiter les impacts La technologie du cycle combin gaz, grce des rendements suprieurs 50%, diminue

considrablement la consommation nergtique, et donc les missions globales dans latmosphre (CO2 et NOx).

La technologie du refroidissement du circuit par air de la partie turbine vapeur, si elle est choisie, permet de limiter les consommations deau de manire significative par rapport aux centrales utilisant le refroidissement par eau, et permet galement dviter le rchauffement des cours deau ou tendues deau concerns.

Le gaz naturel liqufi (GNL) permet le transport du gaz par mthaniers. Cela limite les problmes de scurit, notamment gostratgique, lis au transport par gazoduc. Le GNL tant un combustible trs inflammable en cas de fuite, les systmes de contrle et de scurit mis en place rendent les accidents peu susceptibles de se produire. Contrairement aux ptroliers, aucune perte de cargaison, naufrage ou accident aux consquences majeures na t enregistr pour les mthaniers.

ENJEUX SOCIO-CONOMIQUES

Impacts socio-conomiquesLa technologie du cycle combin contribue fortement laugmentation de lutilisation du gaz dans le domaine de la production dlectricit.Cependant, le gaz est concurrenc par le charbon, qui malgr son mauvais bilan environnemental connat un regain dintrt du fait de son faible cot.

La pnalisation des missions de gaz effet de serre, via un cot du carbone plus important, pourrait inverser la tendance en faveur du gaz.Pour certains partisans de la sortie du nuclaire, les cycles combins gaz, au ct de lefficacit nergtique et des nergies renouvelables, constituent un recours indispensable.

Perspectives davenirConsidr comme un combustible souple, efficace, facile stocker, transporter, utiliser, gnrant moins de gaz effet de serre que les autres combustibles fossiles, et face une demande qui ne cesse daugmenter, le gaz est amen jouer un rle important dans le mix nergtique de demain.

La scurisation des approvisionnements, du transport et du stockage devient ainsi un enjeu gostratgique majeur pour les pays qui, comme la France, dpendent de son importation.