⚡ Produire de l'électricité

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   Un aimant tourne

   Le rotor est un électro-aimant alimenté en courant continu. C'est lui que la turbine fait tourner, et rien d'autre.

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   Des bobines l'entourent

   Le stator porte trois enroulements de cuivre décalés d'un tiers de tour. Un champ magnétique qui bouge devant un fil y crée une tension : c'est l'induction, découverte par Faraday en 1831. On récupère donc trois tensions décalées, le courant triphasé.

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   La vitesse de rotation fixe la fréquence

   Avec une seule paire de pôles, 3 000 tours par minute font exactement 50 tours par seconde, soit 50 Hz. Une machine à deux paires de pôles tourne à 1 500 tr/min pour la même fréquence. Toutes les machines du réseau européen tournent donc verrouillées entre elles, à la même cadence.

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   Le transformateur élève la tension

   L'alternateur sort typiquement du 20 000 V. Un transformateur le monte à 90 000, 225 000 ou 400 000 V pour le transport, parce que les pertes en ligne dépendent du carré du courant : à puissance égale, plus la tension est haute, moins il y a de courant, moins la ligne chauffe.

Ma métaphore du cycliste pour comprendre les 50 Hz →

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   La pale crée de la portance

   Le profil de la pale est celui d'une aile : l'air qui contourne le dos parcourt un chemin plus long, la pression y baisse, et il naît une force perpendiculaire au vent. C'est cette force, la portance, qui entraîne le rotor. Une éolienne poussée par le vent tournerait beaucoup moins bien.

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   Le rotor tourne lentement

   Une grande éolienne tourne à 10 à 20 tours par minute seulement. Ce n'est pas un défaut : à 80 mètres de rayon, le bout de pale file déjà à plus de 250 km/h.

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   Le multiplicateur, ou pas

   Une génératrice classique a besoin de 1 000 à 1 500 tr/min : un multiplicateur, c'est-à-dire une boîte de vitesses, fait le rapport. Les modèles à attaque directe s'en passent avec une génératrice à aimants permanents de très grand diamètre, plus chère mais sans la pièce d'usure la plus fragile.

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   L'électronique de puissance remet tout d'aplomb

   Comme la vitesse du vent change en permanence, la génératrice ne peut pas produire directement du 50 Hz propre. On redresse donc le courant en continu, puis un onduleur le reconstruit à 50 Hz exactement. C'est ce qui permet à l'éolienne de tourner à vitesse variable.

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   L'orientation et le calage règlent la puissance

   La nacelle pivote pour rester face au vent. Au-delà de la puissance nominale, les pales tournent sur leur propre axe pour offrir moins de prise, et au-delà d'environ 25 m/s elles se mettent en drapeau et la machine s'arrête pour ne pas se détruire.

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   Deux couches de silicium volontairement déséquilibrées

   Une couche est dopée au phosphore, qui apporte un électron en trop (type N), l'autre au bore, qui laisse un manque (type P). À la frontière entre les deux, les charges se réorganisent et installent un champ électrique permanent : c'est la jonction.

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   Le photon arrache un électron

   Quand la lumière frappe le cristal, un photon assez énergétique fait sauter un électron de sa place. Il laisse derrière lui un « trou », qui se comporte comme une charge positive.

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   Le champ sépare les deux charges

   Sans ce champ, l'électron retomberait aussitôt dans son trou et il ne se passerait rien. La jonction envoie l'électron d'un côté et le trou de l'autre : c'est ce déséquilibre entretenu qui crée la tension, environ 0,6 volt par cellule.

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   On additionne les cellules

   Un panneau met 60 à 72 cellules en série pour atteindre 30 à 45 V, et une installation met les panneaux en série pour monter à plusieurs centaines de volts continus.

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   L'onduleur convertit en alternatif

   Il transforme le continu en 50 Hz utilisable, et cherche en permanence le point de fonctionnement qui donne le plus de puissance, ce qu'on appelle le MPPT. C'est pour cela qu'un panneau à l'ombre partielle fait chuter toute sa chaîne.

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   Un barrage bas relève le plan d'eau

   L'ouvrage ne crée pas de lac : il rehausse le niveau du fleuve de quelques mètres pour fabriquer une chute artificielle, en général de 2 à 30 mètres.

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   L'eau traverse en permanence

   Il n'y a presque rien à stocker. Ce qui arrive est turbiné, le surplus passe par les vannes de crue. La production suit donc le débit du fleuve, avec des saisons très marquées.

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   La turbine Kaplan encaisse le gros débit

   C'est une hélice de bateau à l'envers, à pales orientables. Elle est faite pour les faibles chutes et les débits énormes, et ses pales se règlent en continu pour rester au meilleur rendement quel que soit le débit.

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   La puissance sort d'une multiplication

   P = masse volumique × gravité × débit × hauteur de chute × rendement. Avec peu de hauteur, il faut donc énormément d'eau : c'est exactement l'inverse d'un barrage de montagne.

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   Écluse et passe à poissons

   Sur un fleuve navigable, l'aménagement porte presque toujours une écluse pour les bateaux et une passe à poissons pour rétablir la continuité écologique, obligatoire depuis la directive-cadre européenne sur l'eau.

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   Le lac stocke de l'énergie

   Chaque mètre cube retenu en altitude est de l'énergie mise de côté, qui attend qu'on en ait besoin. C'est la seule forme de stockage d'électricité massif et bon marché que l'humanité maîtrise depuis plus d'un siècle.

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   La conduite forcée transforme la hauteur en pression

   Un tuyau d'acier descend la pente jusqu'à la centrale, tout en bas. Cent mètres de dénivelé donnent dix bars de pression. Les plus grandes chutes françaises dépassent 900 mètres, soit près de 100 bars à la vanne.

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   La turbine reçoit le choc

   Pour les très hautes chutes, la turbine Pelton reçoit un ou plusieurs jets d'eau sur des auges en forme de double cuillère, à l'air libre. Pour les chutes moyennes, la turbine Francis est entièrement noyée et l'eau la traverse en spirale.

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   Le démarrage se compte en minutes

   C'est la qualité qui vaut de l'or sur un réseau : un groupe hydraulique passe de l'arrêt à la pleine puissance en quelques minutes, là où une centrale thermique met des heures. C'est lui qui absorbe la pointe de 19 h en hiver.

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   La STEP fait tourner la machine à l'envers

   Dans une station de transfert d'énergie par pompage, la même machine pompe l'eau du bassin bas vers le bassin haut quand l'électricité est abondante et peu chère, puis la turbine quand elle manque. Le cycle complet rend environ 75 à 80 % de ce qu'on y a mis.

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   On chauffe de l'eau sous pression

   La source de chaleur, quelle qu'elle soit, porte de l'eau à haute température dans une chaudière. Sous pression, l'eau peut dépasser 300 °C sans bouillir.

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   La vapeur se détend dans la turbine

   La vapeur arrive sur des aubes, pousse, perd de la pression et de la température, passe sur l'étage suivant, et ainsi de suite. Une turbine de centrale a des corps haute, moyenne et basse pression, de plus en plus gros à mesure que la vapeur se dilate.

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   L'alternateur produit le courant

   Il est sur le même arbre que la turbine et tourne à 1 500 ou 3 000 tr/min.

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   Le condenseur est indispensable

   La vapeur détendue doit redevenir liquide, sinon la pompe ne peut pas la renvoyer dans la chaudière. On la refroidit avec une source froide : l'eau d'un fleuve, de la mer, ou l'air ambiant dans une tour aéroréfrigérante. Sans source froide, il n'y a pas de cycle possible, et pas d'électricité.

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   La pompe boucle le circuit

   L'eau condensée est renvoyée dans la chaudière et le cycle recommence, indéfiniment, en circuit fermé.

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   Le charbon est réduit en poudre

   Des broyeurs le transforment en une farine plus fine que du talc, pour qu'il brûle vite et complètement.

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   Il brûle en suspension

   Soufflée avec de l'air chaud dans le foyer, cette poussière s'enflamme en une flamme continue à 1 300 ou 1 500 °C.

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   Les murs de la chaudière font la vapeur

   Les parois du foyer sont entièrement tapissées de tubes dans lesquels circule l'eau. C'est le rayonnement de la flamme qui la vaporise.

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   Le cycle vapeur classique prend le relais

   Turbine, alternateur, condenseur, pompe : rien de particulier, c'est le cycle décrit plus haut.

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   Les fumées sont traitées, sauf le CO₂

   Électrofiltres pour les poussières, lavage au lait de chaux pour le soufre, injection d'ammoniac pour les oxydes d'azote. Le dioxyde de carbone, lui, sort tel quel par la cheminée : il n'existe aucun filtre à CO₂.

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   Premier cycle : l'air est comprimé

   Un compresseur, monté sur le même arbre que la turbine, avale l'air ambiant et le comprime quinze à trente fois. Il consomme à lui seul plus de la moitié de la puissance de la turbine.

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   Le gaz brûle en continu

   Injecté dans la chambre de combustion, il produit un flux de gaz à 1 300 ou 1 500 °C, qui se détend dans la turbine à combustion. Une bonne partie de la production sort déjà là.

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   Les fumées sont encore brûlantes

   Elles s'échappent à 550 ou 650 °C. Dans une simple turbine à combustion, tout cela est perdu dans l'atmosphère. C'est justement ce gâchis que le cycle combiné va récupérer.

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   Deuxième cycle : une chaudière de récupération

   Les fumées traversent un échangeur qui fabrique de la vapeur, laquelle entraîne une turbine à vapeur et un second alternateur, ou le même arbre selon les machines.

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   Le démarrage reste rapide

   Une turbine à combustion seule démarre en dix minutes environ, ce qui en fait le moyen de pointe par excellence. L'ensemble du cycle combiné demande de trente minutes à une heure à froid, ce qui reste très souple comparé au charbon ou au nucléaire.

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   La fission libère la chaleur

   Un neutron frappe un noyau d'uranium 235, qui se casse en deux morceaux et libère au passage deux ou trois nouveaux neutrons, plus environ 200 millions d'électronvolts d'énergie. Ces neutrons vont casser d'autres noyaux : c'est la réaction en chaîne.

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   L'eau ralentit les neutrons

   Les neutrons issus de la fission vont trop vite pour casser efficacement d'autres noyaux. L'eau du circuit primaire les freine par chocs successifs : c'est le rôle de modérateur. Conséquence de sécurité fondamentale : s'il n'y a plus d'eau, il n'y a plus de modérateur, et la réaction en chaîne s'arrête d'elle-même.

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   On pilote avec des absorbeurs de neutrons

   Des grappes de commande en alliage argent-indium-cadmium plongent plus ou moins dans le cœur, et du bore est dissous dans l'eau. Les deux capturent des neutrons : c'est le réglage fin de la puissance, et l'arrêt d'urgence quand toutes les grappes tombent d'un coup.

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   Circuit primaire : chaud, sous pression, radioactif

   L'eau qui traverse le cœur en ressort à environ 320 °C, maintenue à 155 bars pour ne surtout pas bouillir. Elle est radioactive et reste enfermée dans le bâtiment réacteur, en boucle fermée.

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   Le générateur de vapeur sépare les mondes

   Cette eau chaude passe dans des milliers de tubes en U, autour desquels circule l'eau d'un second circuit, totalement indépendant. La chaleur traverse la paroi des tubes, mais rien d'autre. C'est ce circuit secondaire, non radioactif, qui produit la vapeur.

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   Turbine, alternateur, condenseur

   À partir de là, tout est identique à une centrale au charbon. Un troisième circuit, prélevé en rivière ou en mer, refroidit le condenseur. Le panache blanc que l'on voit sortir des tours de refroidissement n'est que de la vapeur d'eau.

Le cycle du combustible, de la mine aux déchets →