Les différents types de centrales thermiques

La production d’électricité d’origine thermique naît au cours des années 1880, suite à l’accouplement des machines à vapeur industrielles aux génératrices de courant. Aujourd’hui, ces centrales thermiques représentent près de 75 % de la production mondiale d’électricité.

Dans cet article, SirEnergies vous présente les différents types de centrales thermiques, qu’elles utilisent du charbon, du fioul, du gaz, du nucléaire ou des énergies renouvelables.

Qu'est-ce que l'énergie thermique ?

L’énergie thermique a été découverte en 1847 par le physicien et mathématicien anglais James Prescott Joule, qui a donné son nom à l’unité d’énergie et à la loi de Joule.

L’énergie thermique est issue du déplacement des atomes et des molécules constituant un corps solide, liquide ou gazeux. Ce déplacement s’accompagne d’une élévation de sa température et donc de la chaleur.

Cette énergie thermique peut être produite à partir de différents processus physiques, chimiques, mécaniques ou nucléaires. Elle représente la quantité d’énergie contenue dans un corps (pétrole, charbon, gaz, biomasse, uranium, etc.) selon sa masse et sa température.

Comment fonctionne une centrale thermique ?

Dans une centrale thermique, le principe est toujours le même, on utilise la chaleur dégagée par la combustion de charbon, de fuel, de gaz, etc. ou par la fission d’atomes d’uranium pour produire de l’énergie thermique.

La production d’électricité est ensuite réalisée en convertissant cette énergie thermique à l’aide de la détente d’un gaz chauffé et comprimé. Ce gaz peut être issu soit des fumées de combustion soit de vapeur d’eau produite avec la chaleur dégagée par la combustion ou la fission d’atomes.

Il met ensuite en mouvement soit une turbine à combustion soit une turbine à vapeur et transmet ainsi son énergie à un alternateur.

Concrètement, voici les différentes étapes de fonctionnement :

• Dans la chaudière l’énergie est libérée pour chauffer de l’eau et la transformer en vapeur à haute pression ;
• Cette vapeur se transforme en énergie mécanique dans une turbine qui entraîne un alternateur ;
• L’alternateur mis en rotation génère entre son rotor et son stator un champ magnétique qui engendre un courant électrique de forte intensité ;
• Un transformateur élève la tension de cette énergie électrique pour en faciliter le transport ;
• À la sortie de la turbine, la vapeur est à nouveau transformée en eau grâce à un condenseur connecté à une source froide, mer ou rivière ;
• L’eau une fois refroidie est récupérée et circule à nouveau dans la chaudière, commence alors un nouveau cycle ;
• L’eau de la source froide est renvoyée à son milieu naturel, la mer ou le fleuve, avec quelques degrés de température en plus ;
• Les gaz chauds, ou fumées, issus de la combustion, sont dépoussiérés grâce à des filtres, puis évacués par des cheminées pour être rejetés à l’air libre.
  

Le processus de combustion

Le processus de combustion consiste à brûler un combustible solide, liquide ou gazeux. Ce carburant rentre alors en réaction avec de l’oxygène, le comburant, pour produire de la chaleur. Cette réaction exothermique produit également du dioxyde de carbone (CO₂).

Pour récupérer le maximum de chaleur et donc obtenir le meilleur rendement de combustion, le combustible doit être brûlé en totalité. Le but recherché de cette combustion est de générer de la chaleur ; elle s’accompagne aussi de lumière sous forme de flamme.

La production de vapeur

La vapeur d’eau est utilisée dans les centrales électriques comme force motrice pour transformer la chaleur émise par le processus de combustion en énergie mécanique.

Pour cela, on tire profit du changement de phase de l’eau entre l’état liquide et l’état gazeux selon le cycle de Rankine dans un circuit où l’eau sera vaporisée et chauffée dans la chaudière (bouilleur) par échange thermique avec la source chaude, puis la vapeur sera détendue dans une turbine pour fournir un travail et donc une énergie mécanique. Enfin, la vapeur sera condensée dans un condenseur au contact d’une eau froide pour revenir à l’état liquide.

Différentes optimisations du cycle de Rankine permettent d’améliorer le rendement énergétique des centrales thermiques, comme :

• En surchauffant la vapeur (dans un surchauffeur),
• En préchauffant l’eau comprimée à l’état liquide avec les gaz de combustion (économiseur).

Ce cycle est illustré par le schéma suivant :

La production d’électricité

Dans une centrale thermique, la vapeur génère un travail qui permet de faire tourner une turbine entraînant un alternateur en rotation. Grâce à l’énergie mécanique fournie par la turbine, l’alternateur génère un courant électrique alternatif.

Le recyclage

Dans le cycle de Rankine décrit précédemment, à la sortie de la turbine, la vapeur est transformée en eau grâce à un condenseur utilisant une source froide, généralement de l’eau en provenance de la mer ou d’un fleuve. La vapeur est ainsi condensée en eau et peut repartir vers la chaudière pour entamer un nouveau cycle.

Les centrales thermiques à flamme

La centrale thermique à flamme, dite centrale classique, est le type de centrale électrique le plus répandu et le plus ancien. Elle utilise des combustibles fossiles et fonctionne avec une chaudière à vapeur.

Il existe différents types de centrales thermiques à flamme selon le type de combustible employé :

Centrale thermique à charbon

Le charbon est broyé en fines particules puis mélangé à de l’air réchauffé et enfin injecté sous pression dans le brûleur de la chaudière où aura lieu la combustion.

Centrale thermique au gaz

Le gaz est injecté tel quel dans le brûleur pour y être brûlé. Il peut s’agir de gaz naturel ou de gaz récupéré de processus industriels mais ne pouvant pas être stocké ou transporté, gaz dit fatal, issus de haut-fourneau ou de processus industriels chimiques ou d’extraction.

Centrale thermique au fioul

Le fioul, trop visqueux, est liquéfié avant d’être brûlé. Pour cela, il est chauffé avant d’être injecté dans le brûleur.

Centrale thermique biomasse

Le combustible utilisé est de la biomasse végétale ou animale. L’intérêt principal de ce combustible non fossile est qu’il est inépuisable si produit de manière écologique.

Les principales sources de ces matières organiques, dites biomasse, sont :

• La matière solide telle que le bois, la paille, les végétaux, les déchets agricoles comme la canne à sucre et même les ordures ménagères organiques ;
• La matière liquide telle que les huiles végétales ;
• La matière gazeuse telle que le biogaz.

Les centrales thermiques nucléaires

Dans une centrale nucléaire, la chaleur est produite à partir de la fission des atomes d’uranium. Une centrale nucléaire est donc une machine à vapeur dans laquelle l’échauffement de l’eau se fait sans combustion mais au moyen de matières fissiles.

La fission de noyaux d’uranium ou de plutonium crée une réaction en chaîne qui dégage de grandes quantités de chaleur et permet de chauffer de l’eau.

Source : IRSN

Dans ce type de centrale, un circuit primaire, totalement fermé, permet d’extraire la chaleur produite par la réaction nucléaire. L’eau qui y circule atteint plus de 300 °C et est maintenue sous pression pour demeurer liquide.

Ensuite, comme dans une centrale thermique classique, un circuit, dit secondaire, permet de produire de la vapeur. Ce circuit secondaire utilise le circuit primaire comme source chaude et l’eau d’un fleuve ou de la mer comme source froide.

Ce type de centrale permet de produire près de 70 % de l’électricité du mix énergétique français.

Les centrales thermiques à chaleur renouvelable

Il existe d’autres types de centrales thermiques très particulières n’utilisant pas de combustible.

Centrale géothermique

Les centrales géothermiques utilisent la chaleur de la Terre comme source de chaleur en pompant dans les nappes aquifères de l’eau à plus de 150 °C sous très haute pression ; eau qui va se vaporiser en remontant à la surface. Ensuite, comme dans une centrale thermique classique, la vapeur va être transformée en énergie électrique.

Centrale solaire thermique

Dans une centrale solaire thermique, la vapeur est produite à partir du rayonnement du soleil. Ces centrales reposent sur l’utilisation de miroirs pour capter et concentrer les rayons du soleil en un point précis et générer des températures très élevées au-delà de 400 °C.

Dans ce récepteur circule de l’eau sous pression qui va monter à très haute température et constituer la source chaude d’un circuit secondaire exploitant le cycle de Rankine, comme dans les centrales thermiques classiques.

Quels sont les avantages et les inconvénients d’une centrale thermique ?

Comme nous venons de le voir, les centrales thermiques sont de différents types même si elles reposent toutes sur le principe de la machine à vapeur : un gaz propulse une turbine qui entraîne un alternateur générant un courant électrique.

Selon le combustible qu’elles emploient et la technologie de leur chaudière, elles sont plus ou moins polluantes et peuvent générer des risques environnementaux ou, au contraire, présenter une alternative intéressante aux énergies fossiles.

Les avantages des centrales thermiques

• Elles sont rapides à construire et nécessitent peu d’investissements (sauf pour les centrales nucléaires) ;
• Elles sont disponibles quasiment en temps réel pour répondre à la demande ;
• Elles sont de taille très variable, de quelques MW à des milliers de GW ;
• Elles ne dépendent que de la disponibilité du combustible (sauf pour les centrales thermiques solaires).

Notons également que :

• La centrale à cycle combiné au gaz, en associant une turbine à combustion et une turbine à vapeur, permet d’augmenter l’efficacité énergétique ;
• La centrale à cogénération permet de produire chaleur et électricité en même temps et d’accroître ainsi le rendement de l’installation ;
• Les centrales solaires thermiques et géothermiques sont écologiques.
  

Les inconvénients des centrales thermiques à flamme

• Elles sont responsables de la moitié des émissions de gaz à effet de serre ;
• Elles émettent également des polluants atmosphériques ;
• Elles utilisent des sources fossiles limitées et non renouvelables ;
• Elles entraînent des dépendances vis-à-vis de pays producteurs.
  

Transition énergétique : Quel avenir pour les centrales thermiques en France ?

En France, la politique en faveur de la transition énergétique a conduit à la décision de fermeture des centrales thermiques les plus polluantes.

Ainsi, le 31 mars 2018, la dernière unité de production française d’électricité au fioul a été fermée. Cette tranche d’une puissance unitaire de 700 MW était située à la centrale électrique de Cordemais, en Loire-Atlantique.

De même, la fermeture des 2 dernières centrales à charbon situées à Cordemais et à Saint-Avold a été planifiée pour 2022, mais la crise énergétique actuelle a eu pour conséquence la remise en service de ces centrales afin de passer les périodes de pointe de l’hiver 2022-2023.

Il est à noter que certaines de ces centrales vont être converties à la biomasse. Quant aux centrales à gaz, elles restent essentielles à la sécurité d’approvisionnement et aucune fermeture n’est programmée.

Enfin, malgré la fermeture de la centrale nucléaire de Fessenheim le 30 juin 2020, le renouveau du nucléaire a été annoncé par le Président Macron avec la construction de 6 nouveaux EPR.

Les centrales thermiques constituent l’essentiel des capacités de production d’électricité en France, surtout grâce au parc électronucléaire.

Bien qu’en France les 2 dernières centrales à charbon soient en train d’être fermées, il faut bien comprendre qu’il en existe 2 400 dans le monde et que 600 projets de construction existent, principalement en Asie.

Source : Carbonbrief

Ce qui fait du charbon la principale source d’électricité avec plus du tiers de la production mondiale. La machine à vapeur a donc encore de beaux jours devant elle malgré la crise mondiale du changement climatique.