Qu’est-ce que la production d’électricité?

La production d’électricité concerne divers types de technologie; certains, comme les chaudières à vapeur, ont plus de 100 ans et d’autres, comme les éoliennes, sont plus nouvelles. En fait, les chaudières et les éoliennes sont bien plus vieilles. Elles ont été inventées pour faire fonctionner des machines et écraser du grain, et elles le font encore, mais actuellement, elles servent surtout à produire de l’électricité.

La plus grande partie de l’équipement de production d’électricité fait tourner un mécanisme dans un alternateur. Comment le mécanisme se fait tourner dépend de la technologie utilisée.

Comment l’électricité est-elle produite?

Il y a beaucoup d’électricité produite par les centrales électriques et les génératrices. Nous avons mentionné que le mouvement tournant est transmis à un alternateur et que ce dernier transforme le mouvement en électricité. Comment cela se passe-t-il exactement?

Un alternateur, c’est très semblable à un moteur électrique. Le moteur utilise l’électricité pour faire tourner un rotor. Dans l’alternateur, c’est l’inverse : plutôt que d’utiliser l’électricité pour créer le mouvement, l’alternateur utilise le mouvement pour créer l’électricité. En fait, beaucoup de moteurs peuvent servir d’alternateurs de fortune.

L’alternateur se compose de deux parties : le stator et le rotor. Le rotor tourne dans l’alternateur, et il est conçu pour créer un champ magnétique. Le stator, c’est essentiellement une boite faite d’un grand nombre de bobines de cuivre autour d’un noyau vide en fer. Lorsque le rotor tourne à l’intérieur du stator, son champ maghétique tourne aussi, et cette rotation crée un courant électrique dans les bobines du stator. Le courant électrique est envoyé au réseau d’électricité.

Comment fonctionne la génératrice d’électricité?

Les génératrices sont de petites centrales électriques autonomes bâties autour d’un moteur alternatif et d’un alternateur. Le moteur et l’alternateur sont habituellement combinés dans un boitier qui peut avoir la taille d’un semi-remorque ou celle d’une valise, selon la quantité d’électricité que l’on veut. Les moteurs des génératrices peuvent utiliser divers carburant : diesel, essence, biocarburant, gaz naturel, et plus encore.

Les génératrices les plus grosses s’utilisent dans une vaste gamme d’applications et d’industries. Elles peuvent servir d’alimentation principale ou d’alimentation de secours. Les bases militaires implantées dans les régions où il n’y a pas de réseau électrique, par exemple, comptent souvent sur des génératrices pour leurs besoins en électricité. Dans les édifices où il est inacceptable de manquer de courant, on installe des génératrices de secours en cas de panne d’électricité. Les centres de données et les hôpitaux, par exemple, sont des édifices qui nécessitent des génératrices de secours.

Types de centrales électriques

Il existe de nombreux types de centrales électriques utilisant diverses technologies : moteurs à piston (appelés aussi moteurs à combustion interne), turbines à vapeur, turbines à gaz, turbines hydroélectriques, turbines éoliennes, géothermiques, nucléaires, et d’autres.

Que sont les centrales hydroélectriques et les parcs éoliens?

Les centrales hydroélectriques et les parcs éoliens sont des cousins en technologie, car ils produisent de l’électricité sans carburant – rien que du vent et des courants d’eau.

Ils utilisent aussi tous deux des aubes de turbine pour appliquer un couple à l’arbre tournant d’un alternateur. Le barrage Hoover, par exemple, contient une centrale électrique renommés qui crée une grand quantité d’électricité en canalisant l’énergie potentielle de l’eau qui coule au sein du barrage.

Quant aux turbines éoliennes, chaque tour a un ensemble d’aubes de turbine et un alternateur qui recueillent l’énergie du vent et la transforment en électricité.

Que sont les centrales solaires?

L’électricité solaire provient de panneaux photovoltaïques qui utilisent la lumière solaire pour activer les cellules au silicium qui s’y trouvent. Lorsque les photons du soleil atteignent les cellules au silicium, ils frappent des électrons d’atomes de silicium. Les cellules sont conçues de manière à ce que les électrons ne puissent se déplacer que dans un seul sens. Ainsi, lorsque l’électrode collectrice est branchée à une charge électrique, les électrons se déplacent de la cellule jusqu’à la charge électrique. En d’autres mots, un courant électrique est produit.

La technologie de l’énergie solaire s’est étendue aux centrales solaires concentrées avec turbines à vapeur. Dans certaines configurations, des miroirs sont placés à proximité d’une tour et la réflexion est dirigée vers un récepteur en haut de la tour. C’est un peu comme lorsqu’on utilise une loupe pour concentrer les rayons du soleil pour allumer un feu. Il y a une chaudière en haut de la tour d’où la vapeur est acheminée jusqu’à une tubine à vapeur au niveau du sol.

Que sont les centrales géothermiques?

Les centrales géothermiques ont des conduites qui vont profondément dans la terre, où la chaleur du magma avoisinant est transféré à l’eau. L’eau se transforme en vapeur, et cette vapeur est utilisée par une turbine et un alternateur pour produire de l’électricité. Les nombreux geysers du Yellowstone National Park, au Wyoming, sont des exemples d’eau transformée en vapeur.

Que sont les centrales électriques au gaz?

Dans les centrales électriques au gaz où l’on compte sur une turbine au gaz, le procédé est comme-ci :

1. L’air est admis dans un compresseur où il est compressé.
2. L’air compressé est dirigé vers une chambre de combustion où il est mélangé à du carburant et le mélange air-carburant est enflammé.
3. Le gaz sous pression résultant de la combustion fait tourner les aubes de la turbine.
4. Comme dans le cas des moteurs à piston, le mouvement de rotation est transmis à un alternateur qui le transforme en électricité.

Les moteurs à réaction fonctionnent de façon semblable, la différence étant que le couple fait tourner des hélices pour propulser l’avion.

Que sont les centrales électriques au diesel?

Les centrales électriques au diesel sont relativement petites en ce qui concerne la capacité de production des autres centrales électriques. Ces centrales électriques utilisent souvent des moteurs à piston pour produire l’électricité. Ces moteurs à piston sont comme ceux des voitures :

• L’air est admis dans un compresseur et du carburant y est injecté.
• Un piston monte et descend à mesure que le mélange d’air et de carburant brule.
• Le piston est fixé à un vilebrequin qui produit un mouvement rotatif.
• Le mouvement rotatif est transféré à un alternateur qui transforme le mouvement en courant électrique.

Les centrales électriques basées sur des moteurs alternatifs brulent divers carburants, dont le gaz naturel, l’huile visqueuse et d’autres.

Que sont les centrales électriques à charbon?

Dans les centrales électriques à charbon, le procédé va comme suit :
 

• Une source de carburant est brulée pour chauffer de l’eau dans une chaudière.
• L’eau chauffée dans la chaudière se transforme en vapeur.
• La vapeur fait tourner les aubes d’une turbine à vapeur
• Ce mouvement rotatif est transféré à l’alternateur, lequel produit de l’électricité.

Le procédé est le même dans les centrales nucléaires, mais l’eau y est bouillie par la chaleur provenant de la fission d’atomes d’uranium plutôt que par la combustion d’un carburant.

Les centrales nucléaires, comment fonctionnent-elles?

Dans les centrales nucléaires, le procédé est le même que celui des turbines à vapeur, mais l’eau y est bouillie au moyen de la chaleur provenant de la fission d’atomes d’uranium plutôt que de la combustion d’un carburant.

Les centrales nucléaires abritent un ou plusieurs réacteurs où a lieu la fission nucléaire. Les gros atomes d’uranium sont cassés pour former des atomes plus petits, dégageant ainsi une immense quantité d’énergie. L’uranium est apporté au réacteur sous la forme de pastilles d’oxyde d’uranium empilées dans des tubes métalliques appelés crayons combustibles. Les crayons combustibles sont introduits dans une grosse cuve pleine d’eau sous pression : le caisson de réacteur. Une fois que la fission nucléaire est démarrée, les crayons combustibles chauffent l’eau qu’il y a dans le caisson de réacteur, ce qui donne de la vapeur. Cette vapeur fait alors tourner un ensemble turbine-alternateur, ce qui produit de l’électricité.

Aucun carburant fossile n’est utilisé dans le procédé, de sorte que les centrales nucléaires n’ont pas d’émission de carbone. Ce qu’ils émettent, cependant, c’est un grand nombre de crayons de combustible usés, et personne ne sait vraiment quoi en faire.

Il y a environ 94 réacteurs nucléaires dans 57 centrales électriques aux États-Unis, et à peu près 450 réacteurs dans le monde en 2021.

Centrales électriques à cycle combiné

Des turbines à vapeur peuvent s’ajouter aux turbines à gaz pour faire des centrales à « cycle combiné » qui utilisent la chaleur perdue de la turbine à gaz pour faire de la vapeur. La chaleur de l’échappement de la turbine à gaz produit de l’électricité supplémentaire. C’est pour cela que les centrales électriques à cycle combiné ont une efficacité et une production supérieures à celles des centrales électriques à cyle simple.

Avantages des diverses technologie de production d’électricité

Chaque type de centrale électrique et technologie de production d’électricité a ses propres avantages et désavantages.

Les centrales nucléaires produisent beaucoup d’électricité à partir de très peu de carburant et presque pas d’émissions, mais les déchets nucléaires sont un gros problème qui n’a pas encore été réglé.

Les turbines à gaz produisent moins d’émissions et sont plus efficaces que la plupart des centrales électriques basées sur des turbines à vapeur, mais leur entretien est dispendieux. Elles fonctionnent aussi le mieux au gaz naturel, qui n’est pas accessible partout.

Les moteurs à piston sont très souples : ils ont une capacité de démarrage et d’arrêt rapides, ils peuvent fonctionner avec divers carburants, ils sont très efficaces et ont un cout de construction et d’entretien relativement faible.

Les turbines éoliennes et les panneaux solaires ne produisent pas d’émission directement parce qu’elles n’ont pas besoin de carburant, mais leur production est variable et à l’occasion imprévisible – les jours sans vent, les parcs éoliens ne produisent pas beaucoup d’électricité.

À mesure que la demande mondiale de production d’électricité plus propre et de réduction des émissions pour les générations à venir augmente, la transition à l’énergie propre renouvelable continue de s’accroitre. Vu le si grand nombre de parcs éoliens et solaires des réseaux électriques, il est important d’avoir suffisamment de centrales électriques qui peuvent démarrer et arrêter rapidement pour contrebalancer la variabilité de la production d’électricité provenant du vent et du soleil. Les turbines à gaz et les moteurs à piston conviennent bien à cela et sont des options populaires parmi les compagnies électriques.

Sources d’énergie pour la production d’électricité

Les systèmes de production d’électricité et les centrales électiques fonctionnent tous en convertissant l’énergie disponible sous une forme ou une autre en électricité.

Les parcs solaires et éoliens convertissent l’énergie de leur environnement, le soleil et le vent, en électricité. De même, les centrales hydroélectriques tirent l’énergie potentielle de l’eau des barrages, ou l’énergie cinéttique des rivières, pour produire de l’électricité. L’énergie du vent, du soleil et de l’eau est considérée renouvelable parce que sa source est constamment renouvelée, même si sa disponibilité dépend des conditions climatiques.

D’autres technologies de production d’électricité nécessitent du carburant comme source d’énergie. À peu près tout ce qui peut se bruler a été utilisé comme carburant pour produire de l’électricité. Il y a des centrales électriques qui fonctionnent aux déchets municipaux, vieux pneus, gaz d’égout, enveloppes de maïs, déchets industriels, etc. Cela dit, la plus grande partie de l’électricité non renouvelable provient des carburants fossiles, une catégorie qui comprend le charbon, le gaz naturel et le distillat de pétrole comme le diesel.

Les biocarburants sont une catégorie de plus en plus importante de carburants parce qu’ils sont carboneutre. Cela signifie que lorsqu’ils brulent, le carbone qu’ils émettent ne provient pas d’une source fossile. Les biocarburants sont en matériaux organiques, comme les cultures énergétiques, les sous-produits de l’agriculture, ou même l’huile de friture usée. Les biocarburants sont offerts sous forme solide, liquide ou gazeuse, ce qui mène à diverses utilisations dans les applications de productions d’électricité. Le biodiesel, par exemple, est un type de biocarburant liquide grandement utilisé.