Pas de panique ! On va reprendre depuis le début. D'abord, un petit rappel sur les formes d'énergie, puis on attaque le coeur du sujet : comment une centrale produit de l'électricité. Prêt ? C'est parti.
Les formes d'énergie (prérequis indispensable)
Pour comprendre les centrales, il faut savoir que l'énergie se présente sous plusieurs formes :
- Énergie chimique : contenue dans les combustibles (charbon, gaz, pétrole).
- Énergie thermique : la chaleur.
- Énergie nucléaire : contenue dans les noyaux des atomes (uranium).
- Énergie potentielle : liée à la hauteur (eau d'un barrage en altitude).
- Énergie cinétique : liée au mouvement (vent, eau en écoulement).
- Énergie lumineuse : la lumière du Soleil.
- Énergie électrique : ce qu'on utilise dans nos prises.
Sources renouvelables et non renouvelables (prérequis)
Renouvelable : la source ne s'épuise pas à l'échelle humaine (vent, Soleil, eau, biomasse).
Non renouvelable : la source existe en quantité limitée et finira par s'épuiser (charbon, gaz, pétrole, uranium).
Le principe d'une centrale électrique
Produire de l'électricité, c'est convertir une autre forme d'énergie (appelée énergie primaire) en énergie électrique. Dans presque toutes les centrales (sauf les panneaux solaires photovoltaïques), la pièce maîtresse est l'alternateur. Il transforme l'énergie mécanique (un mouvement de rotation) en énergie électrique sous forme de courant alternatif.
L'alternateur se compose d'un aimant tournant (le rotor) à l'intérieur d'une bobine fixe (le stator). La rotation de l'aimant crée une tension électrique alternative.
À toi de jouer
1. 1. Relie chaque source d'énergie à sa forme primaire en complétant avec le mot qui convient : chimique, potentielle, cinétique, nucléaire.
(a) Charbon → énergie $\underline{\hspace{1.1em}}$
(b) Vent → énergie $\underline{\hspace{1.1em}}$
(c) Eau de barrage → énergie $\underline{\hspace{1.1em}}$
(d) Uranium → énergie $\underline{\hspace{1.1em}}$
Corrigé
(a) Charbon → énergie chimique
(b) Vent → énergie cinétique
(c) Eau de barrage → énergie potentielle
(d) Uranium → énergie nucléaire
2. 2. Classe chaque source en renouvelable (R) ou non renouvelable (NR) en écrivant R ou NR dans les cases.
(a) Vent : $\underline{\hspace{1.1em}}$
(b) Uranium : $\underline{\hspace{1.1em}}$
(c) Eau (barrage) : $\underline{\hspace{1.1em}}$
(d) Gaz naturel : $\underline{\hspace{1.1em}}$
Corrigé
(a) Vent : R
(b) Uranium : NR
(c) Eau : R
(d) Gaz naturel : NR
3. 3. L'alternateur : complète le petit texte.
« Dans une centrale, l'alternateur convertit l'énergie $\underline{\hspace{1.1em}}$ en énergie $\underline{\hspace{1.1em}}$. Il est constitué d'un $\underline{\hspace{1.1em}}$ qui tourne (le rotor) à l'intérieur d'une $\underline{\hspace{1.1em}}$ fixe (le stator). »
Corrigé
« Dans une centrale, l'alternateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Il est constitué d'un aimant qui tourne (le rotor) à l'intérieur d'une bobine fixe (le stator). »
Ah oui, les chaînes énergétiques, l'alternateur, le rendement... Tout te revient ? On remet en place la méthode et on s'entraîne calmement.
Les différentes centrales et leurs chaînes énergétiques
Voici les principales centrales avec la succession des conversions d'énergie :
- Thermique à flamme (charbon, gaz, fioul) : énergie chimique → brûleur → énergie thermique → chaudière → vapeur → turbine → énergie mécanique → alternateur → énergie électrique.
- Nucléaire : énergie nucléaire → réacteur → énergie thermique → chaudière → vapeur → turbine → énergie mécanique → alternateur → énergie électrique.
- Hydraulique : énergie potentielle (eau en hauteur) → turbine → énergie mécanique → alternateur → énergie électrique.
- Éolienne : énergie cinétique (vent) → pales → énergie mécanique → alternateur → énergie électrique.
- Panneau photovoltaïque : énergie lumineuse → énergie électrique (direct, sans alternateur).
Méthode : construire une chaîne énergétique
- Identifie la source d'énergie primaire et sa forme (chimique, potentielle, cinétique, nucléaire, lumineuse).
- Liste les conversions successives : à chaque étape, nomme le dispositif et la forme d'énergie en entrée et en sortie.
- Place les dispositifs clés : brûleur ou réacteur pour produire de la chaleur, chaudière (vapeur), turbine (énergie mécanique), alternateur (énergie électrique).
- Indique les pertes (souvent sous forme de chaleur) à chaque étape. La relation : énergie fournie = énergie utile + pertes.
Rendement d'une centrale
Le rendement $\eta$ (éta) compare la puissance électrique utile $P_{\text{utile}}$ à la puissance fournie $P_{\text{fournie}}$ :
$$\eta = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{fournie}}} \times 100 \quad (\text{en }\%)$$
Plus le rendement est proche de $100\%$, moins il y a de pertes.
La puissance perdue se calcule : $P_{\text{perdue}} = P_{\text{fournie}} - P_{\text{utile}}$.
À toi de jouer
1. 1. Chaîne énergétique d'une centrale nucléaire : complète les cases.
Uranium (énergie $\underline{\hspace{1.1em}}$) → réacteur → énergie $\underline{\hspace{1.1em}}$ → $\underline{\hspace{1.1em}}$ (dispositif) → vapeur → turbine → énergie $\underline{\hspace{1.1em}}$ → $\underline{\hspace{1.1em}}$ (dispositif) → énergie électrique.
Corrigé
Uranium (énergie nucléaire) → réacteur → énergie thermique → chaudière → vapeur → turbine → énergie mécanique → alternateur → énergie électrique.
2. 2. Rendement : une centrale thermique au gaz reçoit $P_{\text{fournie}} = 700$ MW et produit $P_{\text{utile}} = 245$ MW.
Complète le calcul du rendement :
$$\eta = \frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}} \times 100 = \underline{\hspace{1.1em}}\ \%$$
Puis calcule la puissance perdue : $P_{\text{perdue}} = \underline{\hspace{1.1em}} - \underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}\ \text{MW}$.
Corrigé
$$\eta = \frac{245}{700} \times 100 = 35\ \%$$ $$P_{\text{perdue}} = 700 - 245 = 455\ \text{MW}$$
3. 3. À propos de l'alternateur : complète la phrase.
« En France, le courant produit par l'alternateur a une fréquence de $\underline{\hspace{1.1em}}$ Hz. »
Corrigé
« En France, le courant produit par l'alternateur a une fréquence de 50 Hz. »
On muscle le calcul de rendement. Cinq petits exercices identiques, juste les nombres qui changent. Tu vas voir, c'est du gâteau.
À toi de jouer
1. 1. Centrale A : $P_{\text{fournie}} = 500\ \text{MW}$, $P_{\text{utile}} = 185\ \text{MW}$.
Complète : $$\eta = \frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}} \times 100 = \underline{\hspace{1.1em}}\ \%$$
Corrigé
$$\eta = \frac{185}{500} \times 100 = 37\ \%$$
2. 2. Centrale B : $P_{\text{fournie}} = 800\ \text{MW}$, $P_{\text{utile}} = 296\ \text{MW}$.
Complète : $$\eta = \frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}} \times 100 = \underline{\hspace{1.1em}}\ \%$$
Corrigé
$$\eta = \frac{296}{800} \times 100 = 37\ \%$$
3. 3. Centrale C : $P_{\text{fournie}} = 250\ \text{MW}$, $P_{\text{utile}} = 102{,}5\ \text{MW}$.
Complète : $$\eta = \frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}} \times 100 = \underline{\hspace{1.1em}}\ \%$$
Corrigé
$$\eta = \frac{102{,}5}{250} \times 100 = 41\ \%$$
4. 4. Centrale D : $P_{\text{fournie}} = 1000\ \text{MW}$, $P_{\text{utile}} = 420\ \text{MW}$.
Complète : $$\eta = \frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}} \times 100 = \underline{\hspace{1.1em}}\ \%$$
Corrigé
$$\eta = \frac{420}{1000} \times 100 = 42\ \%$$
5. 5. Centrale E : $P_{\text{fournie}} = 600\ \text{MW}$, $P_{\text{utile}} = 228\ \text{MW}$.
Complète : $$\eta = \frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}} \times 100 = \underline{\hspace{1.1em}}\ \%$$
Corrigé
$$\eta = \frac{228}{600} \times 100 = 38\ \%$$
Voici des exercices types contrôle. Reprends la méthode posément, les unités et la rédaction comptent autant que le résultat.
À toi de jouer
1. 1. Identifier les centrales
Pour chaque centrale, indique la source d'énergie primaire utilisée et précise si elle est renouvelable (R) ou non renouvelable (NR).
(a) Centrale hydraulique
(b) Centrale nucléaire
(c) Éolienne
(d) Centrale thermique au fioul
Corrigé
(a) Hydraulique : source = énergie potentielle de l'eau ; R
(b) Nucléaire : source = énergie nucléaire (fission de l'uranium) ; NR
(c) Éolienne : source = énergie cinétique du vent ; R
(d) Thermique au fioul : source = énergie chimique (combustion) ; NR
2. 2. Chaîne énergétique d'une centrale au fioul
Complète la chaîne suivante avec les formes d'énergie et les dispositifs qui manquent.
Fioul (énergie $\underline{\hspace{1.1em}}$) → $\underline{\hspace{1.1em}}$ → énergie thermique → chaudière → vapeur → $\underline{\hspace{1.1em}}$ → énergie mécanique → $\underline{\hspace{1.1em}}$ → énergie électrique.
Corrigé
Fioul (énergie chimique) → brûleur → énergie thermique → chaudière → vapeur → turbine → énergie mécanique → alternateur → énergie électrique.
3. 3. Rendement d'une centrale au charbon
Une centrale thermique au charbon reçoit une puissance thermique $P_{\text{fournie}} = 650\ \text{MW}$ et produit une puissance électrique $P_{\text{utile}} = 208\ \text{MW}$.
(a) Calcule son rendement $\eta$ en %. Arrondir à l'unité.
(b) Calcule la puissance perdue $P_{\text{perdue}}$.
Corrigé
(a) $$\eta = \frac{208}{650} \times 100 \approx 32\ \%$$ (b) $$P_{\text{perdue}} = 650 - 208 = 442\ \text{MW}$$
4. 4. Centrale hydraulique
Une centrale hydraulique a un rendement $\eta = 88\ \%$. La turbine reçoit une puissance mécanique de $P_{\text{méca}} = 75\ \text{MW}$.
(a) Calcule la puissance électrique $P_{\text{élec}}$ produite par l'alternateur.
(b) Calcule l'énergie électrique produite en $t = 1\ \text{h}\,30\ \text{min}$, en MWh puis en joules.
Rappel : $1\ \text{MWh} = 3{,}6 \times 10^9\ \text{J}$.
Corrigé
(a) $$P_{\text{élec}} = \frac{88}{100} \times 75 = 66\ \text{MW}$$ (b) $t = 1{,}5\ \text{h}$. $$E = P \times t = 66 \times 1{,}5 = 99\ \text{MWh}$$ En joules : $$E = 99 \times 3{,}6 \times 10^9 = 3{,}564 \times 10^{11}\ \text{J}$$
5. 5. Éolienne et alimentation de foyers
Une éolienne transforme $38\ \%$ de l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. La puissance disponible dans le vent est $P_{\text{vent}} = 500\ \text{kW}$.
(a) Calcule la puissance électrique $P_{\text{élec}}$ fournie par l'éolienne.
(b) Pendant $t = 7\ \text{h}$, quelle énergie électrique (en kWh) produit-elle ?
(c) Chaque foyer consomme en moyenne une puissance de $4\ \text{kW}$. Combien de foyers l'éolienne peut-elle alimenter simultanément ?
Corrigé
(a) $$P_{\text{élec}} = \frac{38}{100} \times 500 = 190\ \text{kW}$$ (b) $$E = P \times t = 190 \times 7 = 1330\ \text{kWh}$$ (c) Nombre de foyers = $$\frac{190}{4} = 47{,}5 \rightarrow 47\ \text{foyers}$$ (car on ne peut pas alimenter un demi-foyer en continu, on arrondit à l'inférieur).
Tu maîtrises la base. L'an prochain, tu verras les bilans d'énergie plus fins et le transport de l'électricité. Voici un aperçu avec deux exercices pour te projeter.
À toi de jouer
1. 1. Comparaison de centrales et diagramme de Sankey
On considère trois centrales :
A (charbon) : $P_{\text{thermique}} = 1000\ \text{MW}$, $P_{\text{élec}} = 340\ \text{MW}$.
B (nucléaire) : $P_{\text{thermique}} = 900\ \text{MW}$, $P_{\text{élec}} = 300\ \text{MW}$.
C (hydraulique) : $P_{\text{mécanique}} = 200\ \text{MW}$, $P_{\text{élec}} = 190\ \text{MW}$.
(a) Calcule le rendement de chaque centrale.
(b) Que remarques-tu ? Propose une explication en lien avec les conversions d'énergie.
(c) Pour la centrale A, représente les flux de puissance (fournie, utile, perdue) sous la forme d'un rectangle divisé en deux parties (diagramme de Sankey simplifié). Décris-le en mots ou fais un schéma légendé.
Corrigé
(a) A : $\eta = \frac{340}{1000} \times 100 = 34\%$. B : $\frac{300}{900} \times 100 \approx 33{,}3\%$. C : $\frac{190}{200} \times 100 = 95\%$.
(b) Le rendement de l'hydraulique est bien supérieur car il n'y a pas d'étape de conversion en chaleur : l'énergie mécanique de l'eau est directement transformée en électricité. Les centrales thermiques (charbon, nucléaire) perdent beaucoup d'énergie sous forme de chaleur dans la vapeur et les fumées.
(c) Diagramme de Sankey pour A : un rectangle de largeur proportionnelle à 1000 MW (puissance fournie), divisé en une partie utile de 340 MW et une partie perdue de 660 MW (chaleur rejetée). Flèche entrante de 1000, flèche sortante utile 340, flèche perdue 660.
2. 2. Fréquence et vitesse de rotation (pour comprendre l'alternateur)
En seconde, tu verras que la fréquence $f$ du courant alternatif produit par un alternateur est donnée par $f = p \times n$, où $p$ est le nombre de paires de pôles (aimants) et $n$ la vitesse de rotation en tours par seconde (tr/s).
(a) Un alternateur de centrale nucléaire possède 1 paire de pôles ($p=1$). Calcule sa vitesse de rotation $n$ (en tr/s puis en tr/min) pour obtenir $f = 50\ \text{Hz}$.
(b) Les alternateurs des centrales hydrauliques ont souvent 20 paires de pôles ($p=20$) car les turbines tournent moins vite. Calcule la vitesse de rotation (en tr/min) nécessaire pour produire $50\ \text{Hz}$.
(c) Compare les deux résultats : quel avantage vois-tu à utiliser plusieurs paires de pôles ?
Corrigé
(a) $f = p \times n$ donc $n = f / p = 50 / 1 = 50\ \text{tr/s}$. En tr/min : $50 \times 60 = 3000\ \text{tr/min}$.
(b) $n = 50 / 20 = 2{,}5\ \text{tr/s}$. En tr/min : $2{,}5 \times 60 = 150\ \text{tr/min}$.
(c) Un grand nombre de paires de pôles permet de produire du 50 Hz avec une vitesse de rotation beaucoup plus faible, ce qui est adapté aux turbines hydrauliques qui tournent lentement. Ainsi on évite un multiplicateur de vitesse mécanique souvent source de pertes.