Comprendre l’électricité et sa production

1^ère partie – qu’est-ce que l’électricité ?

 

Nous utilisons tous les jours l’énergie électrique et nous ne pourrions plus nous en passer. Et pourtant pour la plupart des gens l’électricité reste un mystère, à la fois merveilleux mais aussi inquiétant…

 

Pour beaucoup l’électricité est une sorte de fluide produit dans les centrales et qui circule dans les câbles comme le gaz circule dans les canalisations. Ce qui permet à des fournisseurs peu scrupuleux de « vendre » des certificats « verts » et d’assurer ainsi leurs clients crédules qu’ils ne leur fournissent que de « l’électricité verte », issue des énergies renouvelables et non de ces horribles centrales nucléaires ! Outre le fait que ces énergies qualifiées à tort de « vertes » ne représentent que 12 à 15% maximum de la production française (en incluant les 10 à 12% d’électricité d’origine hydraulique, l’éolien ne produisant qu’à peine 2% et le solaire moins de 1% !) et donc ne sauraient satisfaire tous les besoins, il est totalement impossible de différencier les différents moyens de production, et nous verrons pourquoi par la suite.

 

L’énergie électrique n’est pas réellement une énergie comme les autres, c’est un « vecteur énergétique » c’est-à-dire un mode de transport et de conversion des énergies primaires (vent, soleil, charbon…) gratuites mais inutilisables directement en des énergies finales (mécanique, calorifique, radiative…) que nous pouvons utiliser.

Figure 1 – Schéma général des flux énergétiques.

Les services énergétiques conduisent aux énergies finales utilisables directement.

Il est impossible de la stocker directement, mais uniquement par une série de conversion soit en énergie chimique (pile, batterie…), soit en énergie mécanique, soit le plus souvent sous forme « gravitationnelle » dans des centrales hydrauliques à 2 niveaux (les STEP ou station de transfert d’énergie par pompage)(Cf. chapitre 3).

Hormis les panneaux photovoltaïques, l’énergie électrique est produite par un alternateur (complément n°1) couplé généralement à un ensemble de turbines elles-mêmes alimentées par de la vapeur produite soit par la combustion de charbon, gaz ou pétrole, soit par la fission nucléaire. Dans le cas des centrales hydrauliques les turbines sont alimentées par un débit d’eau. Enfin dans un aérogénérateur l’alternateur est couplé directement aux pales, mises en rotation par le vent.

Figure 2 – Schéma d’une centrale thermique au charbon.L’air chaud produit par la combution du charbon va chauffer des tuyauteries (« échangeurs de chaleur ») dans lesquelles circule de l’eau qui se transforme en vapeur sous pression et qui va alimenter une série de turbines (haute, moyenne et basse pression) qui feront tourner l’alternateur

 

L’alternateur ne produit pas de courant électrique, il génère une tension alternative de forme sinusoïdale V=V_msin(2pft) où f est la fréquence, c’est-à-dire l’inverse de la période. En Europe la fréquence est de 50Hz (période de 0,02 seconde), aux USA elle est de 60 Hz. Pour fournir 50Hz, l’alternateur tourne à une vitesse angulaire constante de 1500 tours par minute.

Figure 3 – variation sinusoïdale de la tension pour un courant alternatif de fréquence 50 Hz.La tension varie entre +Vm et –VmGlobalement cette tension alternative se comporte comme un courant continu de tension U=0,707.Vm (soit en Europe 240 volts pour Vm égal à 340 volts)(trait en pointillé). Nos prises électriques comportent 2 ou 3 fils : un fil pour conduire la phase (tension alternative) et un fil au potentiel 0, le neutre. Un 3ème fil peut être relié à la terre pour évacuer des charges électriques en cas de disfonctionnement ou de court-circuit.

 

En réalité pour des raisons d’efficacité l’alternateur produit une tension triphasée constituée de 3 tensions alternatives déphasées dans le temps de T/3 (ou 120°).

Cette tension alternative va créer dans les circuits électriques un courant alternatif par le déplacement oscillant des électrons présents dans le conducteur métallique (gaz d’électrons libres). Et c’est ce déplacement oscillant qui va conduire à la production d’énergie mécanique, calorifique, radiative etc.

Les électrons qui en se déplaçant créent ce courant électrique sont déjà dans les câbles ! Ils ne sont pas produits par la centrale électrique !!!

Une analogie permet de mieux comprendre.

 

Le courant continu est comparable au débit d’eau qui s’écoule d’un réservoir supérieur vers un réservoir inférieur, reliés par un tuyau, la hauteur de la chute (différence de potentiel gravitationnel) étant assimilable à la différence de potentiel électrique, le débit d’eau étant assimilable à l’intensité. La puissance fournie est proportionnelle au produit Dh.Il est clair que lorsque le réservoir supérieur est vide, il n’y aura plus de débit d’eau, de même pour la batterie ou la pile électrique lorsqu’elle a épuisé sa réserve d’énergie.

Dans le cas du courant alternatif, l’analogie est représentée par deux réservoirs reliés entre eux mais oscillant en permanence, le débit d’eau dans le tuyau change de sens de déplacement périodiquement…Dans les deux cas il n’y a pas de « création d’eau », mais seulement une mise en mouvement des molécules d’eau présentes dans le tuyau.

 

 

Compléments n°1 – L’alternateur

Un alternateur est constitué de 2 parties : une partie fixe, le stator, comportant 3 bobines de cuivre décalées à 120° et une partie mobile, le rotor constitué par un électroaimant alimenté par un courant d’excitation continu et qui par induction électrique va générer dans les 3 bobines un courant alternatif triphasé.

Figure Ia – Schéma de principe d’un alternateur

 

Les alternateurs des réacteurs nucléaires de 1300 MW peuvent fournir une puissance de 1650 MVA (1345 MW) sous une tension de 20 kV (soit une intensité d’environ 27.000 ampères par phase). Cette puissance est ensuite transportée sous une tension de 400 kV (ce qui permet de réduire l’intensité électrique d’un facteur 20).

Une explication plus détaillée du fonctionnement de l’alternateur sera donnée dans le chapitre 2.

Figure Ib – Changement du rotor de l’alternateur de la centrale nucléaire de Civeaux (1500 MW).On peut observer à droite l’ensemble des turbines à vapeur (turbine Arabelle d’Alsthom)

 

Compléments n°2 – pourquoi un courant alternatif ?

Il y a deux types de courants électriques, le courant continu comme celui produit par une pile ou une batterie (ou un panneau photovoltaïque) et le courant alternatif. Après d’âpres combats, ce dernier a fini par l’emporter.

A l’origine on ne connaissait que le courant continu (Alexandro Volta invente la pile électrique en 1799, Zénobe Gramme la dynamo en 1868 et Thomas Edison l’ampoule électrique en 1879). La première centrale électrique hydraulique de 7 kW est mise en service à Saint Moritz en 1869. En 1882 les premiers réseaux électriques locaux en courant continu sont installés à New York et à Bellegarde. Mais dès le début des années 80 le courant alternatif fait son apparition (1882 Lucien Gaulard et John Gibbs inventent le transformateur triphasé, 1888 Nikola Tesla développe une génératrice synchrone, 1891 1^ère ligne électrique de 75 km 25.000 volts sous 40Hz en Allemagne). Le conflit entre Tesla, ancien employé d’Edison et ce dernier a été particulièrement épique ! Il conduira à la fabrication de la 1^ere chaise électrique par Edison désireux ainsi de démontrer la dangerosité du courant alternatif par rapport au courant continu. Combat acharné entre Th. Edison associé au banquier J.P. Morgan et N. Tesla associé à l’industriel Westinghouse, lutte dont sortira vainqueur finalement J.P. Morgan dont la société General Electric imposera le courant alternatif. Malgré son danger potentiel, le courant alternatif possède un avantage incontournable. On sait en effet que le passage du courant dans les câbles provoque par effet Joule une perte d’énergie d’autant plus forte que l’intensité électrique sera élevée (W=RI²). Or le courant continu doit être produit et transporté à la tension de l’utilisateur. Il faut plusieurs réseaux selon que l’utilisateur final sera un industriel ou un particulier. La tension doit être donc faible et par conséquence les pertes importantes (de plus, la centrale électrique doit être située à quelques kilomètres seulement des consommateurs…).

Avec le courant alternatif on peut utiliser un transformateur capable de modifier la tension à différents endroits du réseau. On peut donc transporter du courant électrique à de grandes distances à très haute tension (et donc avec peu de perte) puis réduire progressivement cette tension jusqu’à celle nécessaire au consommateur.

Cependant on voit se développer de nouvelles lignes à très haute tension (800 kV) en courant continu ! (Cf. chapitre 4)

 

Complément n°3 – les unités employées

Une grande confusion existe dans le public (et pas seulement là !) entre la notion de puissance et celle d’énergie.

La puissance (exprimée en watt et ses multiples kW, MW, GW…) exprime la capacité d’une installation à produire de l’énergie (ou du travail au sens thermodynamique). En courant alternatif, on trouve aussi le V.A (volt ampère) pour la puissance apparente et le var (volt ampère réactif) pour la puissance réactive (voir chapitre 2).

Exemples :

• éolienne terrestre 2 à 5 MW
• Barrage (Génissiat) 420 MW
• Réacteur nucléaire 900 à 1500 MW (EPR 1650 MW)

 

L’énergie correspond donc à ce que produira une puissance pendant un temps donné (W=P.t). L’unité légale est le Joule, énergie que produit une puissance d’un watt pendant une seconde. L’énergie électrique s’exprime en kWh, c’est-à-dire l’énergie produite par une puissance de 1000 W (1 kW) pendant une heure, soit 3.600.000 joules. Notons que le symbole est un « k » minuscule (qui veut dire 1.000) et non un « K » majuscule qui signifie 1024. On trouve aussi fréquemment la notation erronée de « kW/h » (confusion avec km/h).

On utilise également les multiples :

MWh (méga) =1000 kWh – GWh (giga 10⁹) =10⁶ kWh – TWh (tera 10¹² ou mille milliards) =10⁹ kWh

A titre d’exemple

• une ampoule de 100 W consomme 2,4 kWh par jour
• un fer à repasser de 1.000W consomme 1 kWh pendant une heure
• la consommation annuelle d’un ménage : 5 à 25 MWh
• la production annuelle d’une éolienne terrestre : 5,8 GWh
• l’ensemble des futurs parcs éoliens en mer (3000 MW) : 8 TWh (8.000 GWh) par an
• la production de la centrale de Paluel (4 réacteurs de 1300 MW) : 36 TWh (36.000 GWh) par an
• la production annuelle électrique française (2014) : 540 TWh

La production annuelle de la centrale nucléaire de Paluel est équivalente à celle produite par plus de 6.000 éoliennes ou par 4,5 fois l’ensemble des futurs parcs offshores.

Coût de l’électricité :

Tarif d’achat des EnREolien terrestre : 92€/MWhEolien en mer : > 200 €/MWhSolaire PV : 220 €/MWh

Coût production EDF :     35 €/MWhTarif de rachat nucléaire : 54 €/MWhPrix moyen du marché :    56 €/MWh

Prix de vente public(*)France :       125,6 €/MWhBelgique :    203 €/MWhAllemagne : 237,5 €/MWh

(*) Tarifs non actualisé… Avec le développement des énergies renouvelables, les tarifs aussi bien en France qu’en Allemagne ont fortement augmenté… En France la CSPE destinée à financer en partie les EnR représente désormais une part importante de la facture.

Une autre confusion existe entre la puissance théorique installée, la puissance disponible et la puissance réellement produite.

La puissance disponible d’une installation représente la puissance potentiellement utilisable (inférieure à la puissance théorique) caractérisée par le facteur de charge (ou coefficient de disponibilité k_d) et qui tient compte de la période où l’installation sera incapable de produire ; quant à la puissance produite elle représente la puissance réellement productrice (coefficient d’utilisation k_u). Le coefficient de production k_p est égal au produit des deux : k_p= k_d.k_u.

Un réacteur nucléaire de dernière génération (palier N4 de Civeaux et Chooz) à une puissance théorique de 1500 MW, mais en raison des arrêts de tranche pour révision, changement de combustible… son facteur de charge est d’environ 85%. Pour tenir compte des fluctuations de consommation, on régule sa production et sa puissance réelle pourra n’être que 75% de sa puissance théorique.

Une centrale thermique classique pourra avoir un facteur de charge de 80 à 90% mais n’être utilisée que 10 à 50% du temps, selon les besoins.

 

Variation des coefficients de disponibilité (ou facteur de charge), d’utilisation et de production du parc nucléaire français entre 1998 et 2010, ainsi que la production totale en TWh.Le facteur de charge oscille entre 80 et 85%, le coefficient d’utilisation entre 90 et 95%, et par conséquence le coefficient de production entre 70 et 78% (375 et 430 TWh)

Pour une éolienne, son facteur de charge dépend essentiellement de la vitesse du vent. Il va fluctuer en permanence entre 0 et 100% (et pour l’ensemble du parc entre 5 et 70%). En moyenne sur une année, on a un facteur de charge en France de 22% (18% en Allemagne) pour les éoliennes terrestres et 30 à 35% pour les éoliennes en mer. A ceci il faut ajouter les temps d’arrêt pour l’entretien.

Production éolienne en juin 2015 pour l’ensemble du parc français (9598 MW) :Le facteur de charge a varié de 0 à 60% avec une moyenne légèrement inférieure à 20%.

Pour les panneaux photovoltaïques la puissance est exprimée en « W_crête », puissance hypothétique atteinte quelques heures par an et dans des conditions optimales ! En fait le facteur de charge est voisin de 13%.

Pour ces énergies le facteur de charge et le coefficient de disponibilité sont équivalents, tout au moins tant qu’il n’y a pas de délestage !

Exemples des coefficients de productivité Kp relatifs à la production électrique française de 2014 :  Puissance électrique : 128,9 GW Production totale : 540,7 TWh

Cette confusion est entretenue par les promoteurs (et les politiques) pour exagérer l’importance des installations d’énergies renouvelables.

Ainsi la centrale solaire de Toul-Rozière (54) a une puissance crête de 143 MW pour une surface occupée de 367 ha (et un coût d’investissement de 450 M€). Sa production annuelle est de 188 GWh ce qui donne une puissance réelle de 21,5 MW (facteur de charge de 15%).

L’ensemble des parcs d’éoliennes en mer, du Tréport à Saint Nazaire, soit 600 éoliennes de 5 MW représentera une puissance théorique de 3000 MW, soit selon la presse l’équivalent de 2 réacteurs EPR !

En réalité la puissance moyenne qui sera disponible ne sera que de 900 MW environ soit à peine celle d’un réacteur de 1^ère génération !