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B Jrmy MD Thibault

TECHNOLOGIE

HISTOIRE DES SOLUTIONS :

COMMENT PRODUIRE DE LELECTRICITE ?

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SOMMAIRE

- Introduction : llectricit a t dcouverte il y a 26 sicles ! p. 2

- I - Petite histoire de llectricit p. 3

- II- De la pile aux centrales lectriques p. 4

A Dune petite une grande production p. 4

B - Les diffrents moyens de production de llectricit p. 5

Technologies utilises massivement p. 5 Technologies nouvelles p.8 Technologies en dveloppement p.10

- Conclusion : la production dlectricit est ncessaire mais pas p. 12 nimporte quel prix : le dveloppement durable est en jeu !

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Llectricit a t dcouverte il y a 26 sicles !

Thals de Milet, un savant grec, la dcouverte vers le 7me sicle avant J.C : il frottait un morceau dambre avec un tissu quand il a constat que la pierre russissait attirer des petits objets lgers comme de la paille. Sans le savoir, il a dcouvert llectricit statique. Deux mille ans plus tard, on appela ce phnomne lectricit, du mot qui signifie ambre .

Frottez une rgle en plastique contre un tissu : la passer au-dessus de la plume : on observe que la plume est attire par la rgle. Cest de llectricit statique.

Le principe de base de la production d'lectricit repose sur la conversion d'nergie mcanique en nergie lectrique. Le plus souvent, un fluide entrane une turbine. Il a fallu des sicles aux inventeurs pour comprendre comment produire de llectricit. Ils ont fait plein dexpriences et ont appris la crer partir des diffrentes sources dnergie de la nature. Ce nest quen lan 1800 que le savant italien Volta a dcouvert le moyen de produire un courant lectrique. Il a invent la 1re pile lectrique, compose de disques dargent et de cuivre spars par du carton humide. Grce llectricit, la vie quotidienne a alors beaucoup chang : clairage, chauffage, cuisson, on pouvait faire des choses si incroyables quon la appele la Fe lectricit.

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I - Petite histoire de llectricit

600 av JC : Thals dcouvre l'lectricit statique 1660 : Invention de la premire machine gnratrice d'lectricit 1709 : Invention d'une machine friction lectrique amliore 1729 : Dcouverte du flux relle de l'lectricit 1733 : Dcouverte de deux sortes d'lectricit : Positive et ngative Loi fondamentale : Les charges semblables se repoussent 1752 : Invention du premier paratonnerre 1775 : Invention de l'lectrophore 1796 : Invention de la premire vraie pile (pile voltaque) 1801 : Production d'un arc lectrique 1812 : Ralisation du premier tlgraphe actionn au moyen d'un courant lectrique 1820 : Dcouverte : un courant lectrique produit un champ magntique 1823 : Cration du premier galvanomtre : Dcouverte de la force lectromotrice thermique 1831 : Invention du premier tlgraphe lectromagntique pratique 1832 : Dcouverte du principe d'induction Construction du premier gnrateur de courant alternatif 1833 : Dcouverte des lois de dcomposition lectrochimique

1834 : construction d'un grand moteur lectrique 1837 : Construction du premier moteur lectrique commercialement rentable 1845 : Fabrication d'une lampe lectrique 1857 : Premier d'une locomotive actionne l'lectricit 1863 : Construction d'un gnrateur perfectionn 1879 : Construction d'une dynamo utilisable dans un systme d'clairage : La "California Electric Light Company" est la premire socit amricaine vendre de l'lectricit : Prsentation du premier chemin de fer lectrifi 1881 : Premires lignes de tramways lectriques inaugures 1886 : Installation du premier systme d'clairage courant alternatif 1893 : Prsentation d'une cuisine lectrique complte 1895 : Olivier Lodge fait fonctionner le premier tlgraphe sans fil 1897 : Thomson dcouvre l'lectron 1901 : Premier envoie de signaux transatlantiques de radio sans fil 1902 : Invention du gnrateur a arc 1907 : Premire utilisation d'un moteur courant alternatif unifas 1925 : Invention d'un mcanisme permettant d'enregistrer lectriquement un son 1927 : Premier service tlphonique transatlantique 1928 : Emission de la premire pice tlvise 1938 : Introduction des lampes fluorescence 1948 : Invention du transistor 1956 : Invention de la premire centrale nuclaire productrice d'lectricit

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II - De la pile aux centrales lectriques

A Dune petite une grande production

Pour crer un petit circuit lectrique, on force les lectrons des atomes se dplacer dun point un autre. Cest ce qua dmontr Volta qui appela pile, lempilement de rondelles de cuivre et de zinc spares par des cartons imbibs deau sale. En reliant par un fil mtallique les deux sorties ou ples de la pile, on produit un courant lectrique : un grand nombre dlectrons se dplace entre les ples. Le courant lectrique provient de la circulation d'lectrons dans un corps conducteur, tel que certains mtaux ou gaz. Le courant peut tre continu, (s'coule continuellement dans une seule direction). C'est le cas par exemple dans une lampe lectrique :

Pour crer une grosse quantit dlectricit, cest le mme fonctionnement que ce petit circuit lectrique, simplement, le courant est alternatif, (produit par la rotation d'un alternateur) et il est reproduit trs grande chelle : c'est le cas par exemple dans les centrales lectriques.

L'lectricit est produite grce une turbine et un alternateur. On utilise une source dnergie qui peut tre de leau, de la vapeur ou un gaz. Cette nergie fait tourner une norme turbine qui est relie un alternateur. Lalternateur agit comme un aimant et il attire les lectrons, ce qui les oblige se dplacer. Et le dplacement des lectrons gnre le courant lectrique.

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B - Les diffrents moyens de production de llectricit

Technologies utilises massivement

- La centrale thermique flamme utilise la force de la vapeur dgage en brlant des nergies fossiles (charbon, ptrole, gaz naturel) ou de la biomasse (dchets vgtaux ou mnagers). Une centrale thermique produit de l'lectricit partir d'une source de chaleur. Cette source peut tre un combustible brl (gaz naturel, certaines huiles, charbon, dchets industriels, dchets mnagers, etc.), la fission de noyaux d'uranium 235 ou de plutonium 239, ou encore de la chaleur prexistante (noyau de la Terre pour la gothermie, soleil etc.). La source chauffe un fluide (souvent de l'eau) qui passe de l'tat liquide l'tat gazeux (vapeur). Cette vapeur entrane une turbine accouple un alternateur qui transforme l'nergie cintique de la turbine en nergie lectrique. Pour entraner la turbine, il faut que la pression soit plus faible la sortie de celle-ci, qu' l'entre. Ceci est obtenu en condensant la vapeur, en aval de la turbine, l'aide d'une source froide. Il faut toujours une source chaude et source froide, pour changer un travail avec une machine thermique. Le fluide condens est en gnral rutilis comme source de vapeur et effectue alors un cycle thermodynamique. Les avantages : la production d'nergie est relativement indpendante des conditions mtorologiques, la source d'nergie peut tre (dans une certaine mesure) facilement stocke et la densit de puissance est trs leve.

Centrale de Porcheville

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- La centrale thermique nuclaire utilise le procd de fission des atomes duranium. Cela produit de la chaleur qui se transforme ensuite en vapeur et fait tourner la turbine.

Dans un racteur nuclaire comme dans toute centrale thermique, on transforme l'nergie libre par un combustible sous forme de chaleur en nergie mcanique, puis lectrique. Dans une centrale thermique classique, la chaleur provient de la combustion du charbon ou du fioul ; dans une centrale nuclaire, elle provient de la fission de l'uranium. Il y a fission quand un neutron libre entre en collision avec un noyau d'uranium fissile et en provoque l'clatement. Cette rupture libre plusieurs neutrons en dgageant une certaine quantit d'nergie. La plupart des centrales nuclaires franaises fonctionnent avec des racteurs eau sous pressions (REP), qui comprennent trois circuits indpendants :

- le circuit primaire qui extrait la chaleur produite par la fission des atomes d'uranium l'intrieur des lments combustibles, et la transfre, grce des changeurs de chaleur (ou gnrateur de vapeur), au circuit secondaire. L'eau du circuit primaire n'est jamais en contact avec l'eau secondaire. Le circuit primaire comprend la cuve, les gnrateurs de vapeur et le pressuriseur.

- le circuit secondaire : la vapeur cre dans les gnrateurs de vapeur est collecte par les tuyauteries du circuit secondaire, et alimente la turbine. Aprs sa pousse sur les ailettes de la turbine, la vapeur dtendue est condense. L'eau recueillie est alors renvoye aux gnrateurs de vapeur.

- le circuit de refroidissement : l'eau froide de ce circuit, en provenance d'un fleuve ou de la mer, permet la condensation de la vapeur du circuit secondaire. C'est l'indispensable source froide de toute machine thermique.

Avant les annes 1980-1990, le nuclaire tait trs comptitif par rapport aux autres moyens de production mais du fait des cots conomiques croissants, dus aux dures de construction de plus en plus longues, et le faible cot des combustibles fossiles le nuclaire a t moins comptitif. Dans certains pays une peur des dchets radioactifs et daccidents nuclaires a conduit renoncer lnergie nuclaire.

Centrale nuclaire de Golfech

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Schma simplifi dune centrale nuclaire

- La centrale hydraulique utilise la force de leau cre par un puissant dplacement. Il peut sagir dune chute deau naturelle, de leau stocke dans un barrage, des mouvements de la mare ou des courants marins. Une centrale hydraulique utilise l'nergie fournie par une masse d'eau en mouvement pour produire de l'nergie lectrique. Un barrage retient une grande quantit d'eau sous la forme d'un lac de retenue. Pour produire de l'lectricit, les vannes du barrage sont ouvertes, de l'eau s'y engouffre dans une conduite fore dans le barrage, sa vitesse augmente. A la sortie de cette conduite, l'eau fait tourner une turbine qui entrane elle-mme un alternateur qui produit une tension alternative sinusodale. L'eau est ensuite libre au pied du barrage et reprend le cours normal de la rivire. Plusieurs variantes des centrales hydrauliques existent. Certaines fonctionnent en exploitant l'nergie fournie par les mares ou par les vagues. Leur nombre reste toutefois trs limit. Les centrales hydrauliques ont une puissance qui peut aller de quelques milliers de watts pour une centrale individuelle (destine alimenter une seule habitation ) 500 MW (Mgawatts ) pour un barrage d'importance. L'hydrolectricit est considre comme une nergie propre et inpuisable, contrairement au ptrole ou au gaz naturel. Certaines recherches rcentes mettent de trs srieux doutes sur le bilan en gaz effet de serre des systmes hydrolectriques. L'activit bactriologique dans l'eau des barrages (surtout en rgions tropicales) relcherait d'normes quantits de mthane. Donc on prfre rester sur des nergies non polluantes et inpuisables.

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Technologies nouvelles

- La centrale gothermique est exploite dans des rseaux de chauffage et d'eau chaude depuis des milliers d'annes en Chine, dans la Rome antique et dans le bassin mditerranen. Actuellement, la gothermie produit de la chaleur et/ou de l'lectricit. Le principe est l'utilisation de leau qui est chauffe par la chaleur de la Terre ou la vapeur qui sen dgage. Il s'agit d'extraire lnergie gothermique contenue dans le sol pour lutiliser sous forme de chauffage ou pour la transformer en lectricit. Il existe un flux gothermique naturel la surface du globe, mais il est si faible qu'il ne peut tre directement capt. En ralit on exploite la chaleur accumule, stocke dans certaines parties du sous-sol (nappes d'eau) en faisant un ou plusieurs forages, plus ou moins profond(s) selon la temprature dsire ou le gradient thermique local. Cette forme de production est non polluante est inpuisable la Terre produit en permanence une forte quantit de chaleur.

- Les oliennes utilisent la force du vent qui actionne leurs hlices. Cette nergie est produite par la force exerce par le vent sur les pales d'une hlice. Cette hlice est monte sur un arbre qui peut tre reli un gnrateur qui transforme l'nergie mcanique en nergie lectrique. Les oliennes raccordes au rseau lectrique sont le plus souvent regroupes dans un parc olien d'environ 5 50 machines, mais il existe aussi des machines seules. RTE (Rseau de Transport d'lectricit), une filiale de EDF, achemine le courant lectrique travers le rseau. Ce courant lectrique doit avoir une frquence de 50 Hz. Une olienne raccorde au rseau se doit donc de fournir cette frquence quelque soit la vitesse du vent. Cette frquence constante passe par une vitesse de rotation constante des ples. Cette dernire est obtenue par rgulation notamment avec l'orientation des ples. Cette technologie aprs 1957 a t quelque peu dlaisse et il faudra attendre les annes 1970 pour que le Danemark reprenne les dveloppements d'oliennes bien que se soit une nergie inpuisable et productrice dlectricit.

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- Les panneaux solaires, appels panneaux photovoltaques, produisent de llectricit grce au soleil. Cest un moyen pratique pour alimenter des lieux isols non raccords au rseau lectrique. Un panneau solaire ou capteur solaire est un dispositif destin rcuprer une partie du rayonnement solaire pour le convertir en nergie solaire. On distingue essentiellement deux types de panneaux solaires : - les panneaux solaires thermiques, appels capteurs solaires, qui convertissent la lumire en chaleur, - les panneaux solaires photovoltaques, appels modules photovoltaques, qui convertissent la lumire en lectricit. Dans les deux cas, les panneaux sont habituellement plans, avec une longueur et une largeur de quelques mtres, ils sont dimensionns pour faciliter leur installation et leur prix est fix de sorte qu'ils trouvent des applications domestique ou industrielles. Les principaux avantages vont de leur facilit de construction, leur faible cot de maintenance, jusqu' leur grande modularit. Les principaux inconvnients sont : il est impossible, par exemple, de fournir de l'lectricit un btiment tout entier et deuximement, la rendement nergtique dpend beaucoup du temps

- La biomasse est une nergie constitue de matires organiques vgtales ou animales (dchets mnagers ou agricoles). Sa combustion permet de produire de llectricit. En cologie, la biomasse est la quantit totale de matire (masse) de toutes les espces vivantes prsentes dans un milieu naturel donn. Dans le domaine de l'nergie, le terme de biomasse regroupe l'ensemble des nergies provenant de la dgradation de la matire organique (bois nergie). Pour obtenir de l'nergie partir de la biomasse, diffrents procds et certaines conditions doivent tre raliss. La filire bois nergie permet de produire de llectricit partir de la chaleur issue de la combustion du bois. Une autre filire consiste utiliser le biogaz, mthane issu de la fermentation de matires organiques contenues dans les dcharges, les stations d'puration, etc. La mthode la plus courante est de le brler dans un moteur gaz ou une petite turbine, pour produire de l'lectricit injecte sur le rseau, et souvent de la chaleur en cognration. Ex : en Guadeloupe, les usines agricoles qui produisent du sucre rservent les dchets de la canne sucre pour alimenter les centrales lectriques en combustible. Ces dchets, appels bagasse, sont brls pour chauffer de l'eau. La vapeur dgage produit de l'lectricit. La biomasse est une nergie renouvelable, 2500 tonnes de dchets organiques renferment autant dnergie que 200000 litres de diesel mais le principal inconvnient est : La combustion du bois dgage des microparticules et de loxyde dazote- sauf lorsquelle se fait dans les rgles de lart dans une chaudire moderne.

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Technologies en dveloppement

- Le four solaire ou cuiseur solaire un systme de chauffage bas sur la concentration des rayonnements lumineux mis par le Soleil. Cette technologie a t utilise dans l'tude des matriaux, par exemple au Grand Four Solaire d'Odeillo dans les Pyrnes-Orientales. Un usage individuel de ce principe a permis dans des rgions du monde dfavoriss, grce un programme de l'ONU de permettre de cesser la dforestation pour la cuisson des aliments.

- Lusine marmotrice est issue du mouvement de l'eau cr par les mares. Elle est utilise soit sous forme d'nergie potentielle - l'lvation du niveau de la mer, soit sous forme d'nergie cintique - les courants de mare. L'nergie marmotrice n'est pas neuve : les premiers moulins mare ont t construit au Moyen-ge en Bretagne. L'usine marmotrice est la principale source d'lectricit de la Bretagne et contribue ainsi rduire le dficit nergtique de cette rgion Transformant l'cosystme de la Rance, le barrage est responsable de son envasement progressif. Le lanon et la plie ont disparu, mais le bar et la morgate (seiche) remontent de nouveau le fleuve

usine marmotrice de la Rance.

- La centrale fusion nuclaire est destine produire industriellement de l'lectricit partir de l'nergie de fusion par des techniques de confinement inertiel. Ce type de centrale en est encore au stade de la recherche. Les avantages sont quaucuns gaz effets de serres est dgag, il ny a aucun risque de pnurie des produits utiliss, la quantit de dchets radioactifs est beaucoup plus faibles que celle produite par les racteurs nuclaires.

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- Lhydrolienne est une turbine sous-marine qui utilise l'nergie cintique des courants marins, comme une olienne utilise l'nergie cintique de l'air. Ils utilisent une nergie inpuisable ily a par contre des inconvnients pour lentretien et pour lenvironnement.

Lnergie des vagues, utilisant la puissance du mouvement des vagues, est une possibilit qui pourrait rapporter beaucoup plus d'nergie que celle des mares. La faisabilit a t tudie, en particulier en Angleterre : le systme coupl des dispositifs flottants ou des ballons dplacs par des vagues dans une structure en bton en forme d'entonnoir, produirait de l'lectricit. Les nombreux problmes pratiques ont contrari les diffrents projets. L avantage est comme toutes les nergies nouvelles, cest que cela ne pollue pas mais par contre cela a un effet ngatif sur le paysage et cela peur simplanter trs peu dendroits.

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CONCLUSION La production dlectricit est ncessaire mais pas nimporte quel prix : le dveloppement durable est en jeu !

Un moyen de production de llectricit peut en remplacer un autre mais parfois, on constate que cette production de lnergie lectrique peut se faire au dtriment de la plante ; en effet, la consommation d'nergie, en croissance rgulire, est une source de pollution considrable. L'enjeu est donc de concilier les besoins en nergie et le respect de l'environnement, en impliquant l'ensemble des acteurs concerns par l'utilisation de cette nergie : les gouvernants, les producteurs et les consommateurs. Une production rationnelle et une meilleure utilisation de l'lectricit font partie des actions pour mettre en uvre cette dmarche. En dehors de nouvelles techniques plus performantes qui permettront de gnrer moins de pollutions atmosphriques et de rejets de gaz effet de serre, nous, les consommateurs, pouvons agir au quotidien en adoptant des gestes simples pour contribuer au dveloppement durable.

Les appareils lectriques : les appareils en veille consomment beaucoup d'nergie ; il faut les teindre compltement ou les dbrancher.

L'clairage : toujours teindre la lumire en sortant d'une pice et s'installer prs de la fentre pour lire ou travailler.

Le chauffage : bien isoler la maison, fermer les volets et les rideaux la nuit ou chauffer les pices au bon moment permet d'viter de chauffer plus, de conserver la chaleur et de l'utiliser le plus efficacement possible.

Le rfrigrateur : pour viter de lui faire consommer trop d'nergie, il faut le placer loin des sources de chaleur comme la cuisinire ou un radiateur, ne pas y introduire de plats chauds et limiter son ouverture.

Le four : pour ne pas perdre trop de chaleur, le mieux est de l'ouvrir le moins souvent possible pendant la cuisson. Un four micro-ondes consomme aussi moins d'nergie qu'un four traditionnel.

Les machines laver : les cycles 30 ou 40C consomment 3 fois moins d'nergie qu'un cycle 90C et il vaut mieux profiter du soleil et du vent pour faire scher le linge.

Le trajet pour aller au collge, au lyce ou son lieu de travail : a pied ou vlo sont les moyens les plus respectueux de l'environnement. Si ce n'est pas possible, alors il vaut mieux privilgier les transports en commun ou organiser un covoiturage.