Production d'électricité : centrales et alternateur

Comment le vent, l'eau ou l'uranium permettent-ils d'alimenter nos prises électriques ?

1 L'idée

Produire de l'électricité, c'est convertir une autre forme d'énergie en énergie électrique. Dans la quasi-totalité des centrales, cette conversion est réalisée par un alternateur : un dispositif qui transforme l'énergie mécanique de rotation en courant électrique alternatif. La source d'énergie primaire (charbon, eau, vent, uranium…) diffère selon la centrale, mais la chaîne de conversions converge presque toujours vers l'alternateur.

2 Les principales centrales électriques

Centrale thermique à flamme (charbon, gaz, fioul) : combustion → énergie thermique → vapeur → turbine → alternateur. Source non renouvelable.
Centrale nucléaire : fission de l'uranium → énergie thermique → vapeur → turbine → alternateur. Source non renouvelable.
Centrale hydraulique : chute d'eau (énergie potentielle) → turbine → alternateur. Source renouvelable.
Éolienne : vent (énergie cinétique) → pales → alternateur. Source renouvelable.
Panneau photovoltaïque : lumière solaire → énergie électrique directement, sans alternateur. Source renouvelable.

3 L'alternateur

Un alternateur est composé d'un aimant en rotation (le rotor) à l'intérieur d'une bobine fixe (le stator). La rotation de l'aimant fait varier le champ magnétique dans la bobine, ce qui génère une tension et un courant alternatifs.

Conversion réalisée : énergie mécanique → énergie électrique.

Plus la rotation est rapide, plus la tension produite est élevée. En France, la fréquence du courant alternatif du réseau est $50$ Hz.

4 Rendement d'une centrale

Rendement

$\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{fournie}}} \times 100 \quad (\%)$

Puissance utile

$P_{\text{utile}} = \dfrac{\eta}{100} \times P_{\text{fournie}}$

Pertes

$P_{\text{perdue}} = P_{\text{fournie}} - P_{\text{utile}}$

5 Exemple — Rendement d'une centrale nucléaire

Données et calcul

Puissance thermique fournie : $P_{\text{fournie}} = 900$ MW ; puissance électrique produite : $P_{\text{utile}} = 300$ MW.

Rendement : $\eta = \dfrac{300}{900} \times 100 = 33{,}3$ %.

Pertes : $900 - 300 = 600$ MW dissipés sous forme de chaleur dans les tours de refroidissement.

Méthode — Construire une chaîne énergétique

Identifier la source d'énergie primaire et sa forme (chimique, cinétique, potentielle…).
Lister les conversions successives en nommant la forme d'énergie en entrée et en sortie de chaque dispositif.
Repérer les dispositifs clés : brûleur/réacteur (→ thermique), chaudière + turbine (thermique → mécanique), alternateur (mécanique → électrique).
Indiquer les pertes thermiques à chaque étape : énergie utile + pertes = énergie fournie.

Erreurs fréquentes

Le panneau photovoltaïque ne contient pas d'alternateur : il convertit directement la lumière en électricité.
$\eta \gt 100$ % est impossible ; si c'est le cas, vérifier l'ordre numérateur/dénominateur.
Ne pas confondre puissance $P$ (en W) et énergie $E$ (en J ou kWh) : $E = P \times t$.
L'alternateur produit du courant alternatif, pas du courant continu.