Contrôle dans deux jours et tu découvres le mot « alternateur » à l'instant ? Pas de panique : cette leçon tient en une idée simple et une seule formule. On te donne juste ce qu'il faut pour ne pas être perdu le jour J.
Les prérequis + l'essentiel en 30 secondes
Ce qu'il faut savoir avant : l'énergie existe sous plusieurs formes (thermique = la chaleur, cinétique = le mouvement, potentielle = liée à la hauteur, chimique = stockée dans un combustible, électrique). Une forme peut se convertir en une autre. La puissance $P$ se mesure en watts (W).
L'idée du cours : produire de l'électricité, c'est convertir une autre forme d'énergie en énergie électrique. Dans presque toutes les centrales, cette conversion finale est faite par un alternateur : un aimant qui tourne à l'intérieur d'une bobine et qui fabrique un courant électrique alternatif. Ce qui change d'une centrale à l'autre, c'est seulement la source qui fait tourner l'aimant : l'eau, le vent, la vapeur du charbon ou de l'uranium.
La seule exception à retenir : le panneau photovoltaïque transforme directement la lumière en électricité, sans alternateur.
La formule clé : le rendement
Une centrale ne transforme jamais toute l'énergie reçue en électricité : une partie est perdue en chaleur. Le rendement $\eta$ dit quelle part est vraiment utile :
$\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{fournie}}} \times 100 \quad (\%)$
$P_{\text{utile}}$ est la puissance électrique réellement produite, $P_{\text{fournie}}$ la puissance reçue de la source. Le résultat est en pourcentage, et il est toujours inférieur à 100 %. Les pertes se calculent par $P_{\text{perdue}} = P_{\text{fournie}} - P_{\text{utile}}$.
Un exemple entièrement traité
Énoncé : une centrale nucléaire reçoit une puissance thermique de 900 MW et produit 300 MW d'électricité. Quel est son rendement ? Quelles sont les pertes ?
On note la puissance reçue : $P_{\text{fournie}} = 900$ MW.
On note la puissance électrique utile : $P_{\text{utile}} = 300$ MW.
On applique la formule : $\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{fournie}}} \times 100 = \dfrac{300}{900} \times 100$.
On calcule : $\eta \approx 33{,}3$ %. Environ un tiers de l'énergie devient de l'électricité.
Les pertes : $P_{\text{perdue}} = 900 - 300 = 600$ MW, évacués en chaleur dans les tours de refroidissement.
Ça y est, le mot « alternateur » te dit quelque chose. On reprend tout dans l'ordre, proprement : les définitions, les cinq centrales du programme, le fonctionnement de l'alternateur et le calcul du rendement. Rien de sorcier, juste bien rangé.
Convertir l'énergie : la chaîne énergétique
Définition. Produire de l'électricité, c'est convertir une énergie d'une autre forme (chimique, thermique, cinétique, potentielle...) en énergie électrique. On décrit cette suite de transformations par une chaîne énergétique : on part de la source primaire et on suit la forme de l'énergie à chaque dispositif.
Dans la très grande majorité des centrales, la chaîne converge vers le même dernier maillon : l'alternateur, qui reçoit de l'énergie mécanique (une rotation) et la convertit en énergie électrique. Ce qui distingue les centrales, c'est le début de la chaîne, pas la fin.
Vocabulaire. On classe les sources en renouvelables (qui se reconstituent à l'échelle humaine : eau, vent, soleil) et non renouvelables (qui s'épuisent : charbon, gaz, fioul, uranium).
Les cinq centrales et l'alternateur
Les cinq façons de produire au programme :
- 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 → électricité directement, sans alternateur. Source renouvelable.
L'alternateur en détail. Il est fait d'un aimant qui tourne (le rotor) à l'intérieur d'une bobine fixe (le stator). En tournant, l'aimant fait varier le champ magnétique à travers la bobine : cela crée une tension et un courant alternatifs. La conversion est donc : énergie mécanique → énergie électrique.
Deux repères utiles : plus l'aimant tourne vite, plus la tension produite est élevée ; et en France, la fréquence du courant du réseau est de $50$ Hz.
Le rendement d'une centrale
Aucune centrale n'est parfaite : une partie de l'énergie fournie part en chaleur. On mesure l'efficacité par le rendement :
$\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{fournie}}} \times 100 \;(\%) \qquad P_{\text{utile}} = \dfrac{\eta}{100} \times P_{\text{fournie}} \qquad P_{\text{perdue}} = P_{\text{fournie}} - P_{\text{utile}}$
Exemple traité. Une centrale nucléaire reçoit $P_{\text{fournie}} = 900$ MW et produit $P_{\text{utile}} = 300$ MW.
Rendement : $\eta = \dfrac{300}{900} \times 100 \approx 33{,}3$ %.
Pertes : $P_{\text{perdue}} = 900 - 300 = 600$ MW dissipés en chaleur.
Le rendement est bien inférieur à 100 % : c'est normal, une centrale thermique ou nucléaire perd beaucoup dans le refroidissement.
Maintenant on met les mains dans le cambouis, ensemble. Trois exemples entièrement rédigés : on lit chaque ligne, on comprend chaque étape. Tu n'as rien à faire seul ici, juste à suivre le raisonnement comme si on était côte à côte.
On construit une chaîne énergétique ensemble
Situation : décrire la chaîne énergétique d'une centrale thermique à flamme qui brûle du gaz.
Étape 1 – la source. On part du gaz, un combustible : son énergie est chimique, stockée dans les molécules.
Étape 2 – la combustion. En brûlant, le gaz libère de la chaleur : l'énergie chimique devient thermique.
Étape 3 – la chaudière. Cette chaleur transforme de l'eau en vapeur sous pression : l'énergie reste thermique, mais transportée par la vapeur.
Étape 4 – la turbine. La vapeur pousse les aubes de la turbine et la fait tourner : l'énergie thermique devient mécanique (une rotation).
Étape 5 – l'alternateur. La rotation entraîne l'aimant de l'alternateur : l'énergie mécanique devient électrique.
Chaîne complète : chimique → thermique → thermique (vapeur) → mécanique → électrique. À chaque étape, un peu d'énergie s'échappe en chaleur : ce sont les pertes.
On calcule un rendement ensemble
Énoncé : une centrale à gaz reçoit une puissance thermique $P_{\text{fournie}} = 1500$ MW et fournit au réseau $P_{\text{utile}} = 600$ MW. Calcule le rendement puis les pertes.
On repère les données : $P_{\text{fournie}} = 1500$ MW (reçue) et $P_{\text{utile}} = 600$ MW (utile, électrique).
On écrit la formule : $\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{fournie}}} \times 100$.
On remplace : $\eta = \dfrac{600}{1500} \times 100$.
On calcule le quotient : $\dfrac{600}{1500} = 0{,}4$, donc $\eta = 0{,}4 \times 100 = 40$ %.
On calcule les pertes : $P_{\text{perdue}} = 1500 - 600 = 900$ MW dissipés en chaleur.
Vérification de bon sens : $40$ % est bien entre 0 et 100 %, et utile + pertes $= 600 + 900 = 1500$ MW, exactement ce qui était fourni. Cohérent.
On trie renouvelable / non, et on repère l'intrus
Consigne : classer thermique à flamme, nucléaire, hydraulique, éolienne et photovoltaïque, puis dire lesquelles utilisent un alternateur.
Renouvelables (la source se reconstitue) : hydraulique (l'eau), éolienne (le vent), photovoltaïque (le soleil).
Non renouvelables (la source s'épuise) : thermique à flamme (charbon, gaz, fioul), nucléaire (uranium).
Avec alternateur (il y a une rotation) : thermique à flamme, nucléaire, hydraulique, éolienne — les quatre font tourner un alternateur.
L'intrus : le photovoltaïque. C'est le seul qui n'a pas d'alternateur : il transforme directement la lumière en électricité. C'est le piège classique du contrôle.
Là, on vise les points du contrôle. On enchaîne un problème type complet, comme au brevet, puis on regarde exactement ce que le correcteur coche, et enfin les pièges qui font perdre des points bêtement. Rien de plus que le cours, mais rangé pour rapporter des points.
Un problème type entièrement résolu
Énoncé : une centrale thermique à flamme reçoit une puissance thermique $P_{\text{fournie}} = 800$ MW et fournit au réseau une puissance électrique $P_{\text{utile}} = 320$ MW pendant $5$ heures.
1) Chaîne énergétique. combustion (chimique → thermique) → chaudière (vapeur) → turbine (thermique → mécanique) → alternateur (mécanique → électrique).
2) Rendement. $\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{fournie}}} \times 100 = \dfrac{320}{800} \times 100 = 40$ %.
3) Pertes. $P_{\text{perdue}} = 800 - 320 = 480$ MW, dissipés en chaleur.
4) Énergie électrique produite en 5 h. On utilise $E = P \times t$. Attention aux unités : $P_{\text{utile}} = 320$ MW $= 320\,000$ kW et $t = 5$ h.
Donc $E = 320\,000 \times 5 = 1\,600\,000$ kWh, soit $1600$ MWh.
Conclusion : la centrale a un rendement de 40 %, perd 480 MW en chaleur, et fournit $1{,}6$ million de kWh en 5 heures.
Ce que le correcteur attend
Sur ce genre de question, les points se gagnent sur la rédaction autant que sur le résultat. Le correcteur veut voir :
- La formule littérale écrite AVANT les nombres : $\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{fournie}}} \times 100$. Poser la formule rapporte souvent un point à part.
- Les unités à chaque étape, et surtout leur cohérence (ne pas mélanger MW et kW sans convertir).
- Le symbole % pour un rendement, et un résultat entre 0 et 100 %.
- Une phrase de conclusion qui répond à la question (« le rendement vaut 40 % »), pas seulement un nombre isolé.
- Pour une chaîne énergétique : la forme d'énergie nommée en entrée et en sortie de chaque dispositif, et la mention des pertes thermiques.
Les pièges classiques
- Le photovoltaïque n'a pas d'alternateur. Il convertit directement la lumière en électricité. L'écrire « lumière → turbine → alternateur » est faux.
- Un rendement ne dépasse jamais 100 %. Si tu trouves $\eta > 100$ %, tu as sûrement inversé numérateur et dénominateur : c'est utile sur fournie, pas l'inverse.
- Ne pas confondre puissance et énergie. La puissance $P$ est en watts (W) ; l'énergie $E$ est en joules (J) ou en kilowattheures (kWh), avec $E = P \times t$.
- L'alternateur produit du courant alternatif, pas continu. C'est même son nom qui le dit.
- Renouvelable n'est pas synonyme de « sans alternateur ». Hydraulique et éolienne sont renouvelables ET utilisent un alternateur.
Tu maîtrises le contrôle ? On regarde un cran plus loin, juste pour le plaisir de comprendre le « pourquoi ». Pourquoi un aimant qui tourne fabrique-t-il du courant ? Et quel est le lien avec l'énergie que tu paieras un jour sur ta facture ? Petit aperçu de l'an prochain, sans pression.
Pourquoi l'aimant qui tourne crée du courant
Le cours dit que l'aimant en rotation « fait varier le champ magnétique » et que cela « génère une tension ». Ce phénomène porte un nom : l'induction électromagnétique, mise en évidence par Michael Faraday au XIXe siècle.
L'idée, en une phrase : quand le champ magnétique qui traverse une bobine varie, une tension apparaît à ses bornes. Un aimant immobile ne produit rien ; c'est le changement qui compte.
Dans l'alternateur, l'aimant tourne : le champ à travers la bobine augmente, diminue, puis change de sens, encore et encore. La tension suit ces variations : elle monte, redescend, s'inverse. Voilà pourquoi le courant est alternatif, et pourquoi il oscille $50$ fois par seconde ($50$ Hz) en France.
Tu verras ce mécanisme en détail au lycée, avec les lois de Faraday et de Lenz. Pour l'instant, retiens juste le lien : rotation → variation du champ → tension → courant alternatif.
Énergie, puissance et kilowattheure
Une centrale se caractérise par sa puissance $P$ (en W), mais ce que l'on consomme et facture, c'est de l'énergie $E$. Les deux sont reliées par :
$E = P \times t$
Si $P$ est en watts et $t$ en secondes, $E$ est en joules (J). Mais dans la vie courante on préfère le kilowattheure (kWh) : c'est l'énergie d'un appareil de $1$ kW pendant $1$ h.
Mini-exemple. Une éolienne fournit $P_{\text{utile}} = 2$ MW pendant une journée ($24$ h).
$E = P \times t = 2000 \text{ kW} \times 24 \text{ h} = 48\,000$ kWh, soit $48$ MWh.
De quoi alimenter des milliers de foyers pour une journée : c'est cette énergie-là, en kWh, qui apparaît sur une facture d'électricité.
Vers le lycée : l'énergie ne se perd jamais vraiment
Cette leçon ouvre plusieurs portes que tu franchiras bientôt :
- Conservation et dégradation de l'énergie. Les 600 MW « perdus » d'une centrale ne disparaissent pas : ils partent en chaleur. L'énergie se conserve toujours, mais se dégrade en une forme moins utile. Le rendement mesure justement cette dégradation.
- L'effet Joule. Une partie de l'électricité est perdue en chaleur dans les fils, simplement parce qu'ils s'échauffent. C'est pour limiter ces pertes qu'on transporte le courant à très haute tension sur les grandes lignes.
- Le mix énergétique. Renouvelable ou non, chaque centrale a ses avantages et ses inconvénients (émissions, coût, disponibilité). Le débat sur le nucléaire, l'éolien ou le solaire, c'est cette leçon appliquée à la société.
- La physique de l'aimant et de la bobine. L'induction que tu viens d'entrevoir sert aussi dans les micros de guitare, les plaques à induction et la recharge sans fil du téléphone. Même idée, partout.