La production d'électricité
Troisième · Physique-Chimie · L'énergie et ses conversions
L'énergie et ses conversions
L'alternateur et les centrales électriques
L'électricité n'est pas une source d'énergie : c'est un moyen de transporter l'énergie. Elle n'existe pas toute prête dans la nature, il faut la produire à partir d'une autre forme d'énergie. Et dans l'immense majorité des cas, la pièce maîtresse porte un nom : l'alternateur.
Le schéma commun à presque toutes les centrales
Centrale nucléaire, centrale à charbon, barrage hydraulique, éolienne, centrale géothermique : malgré leurs différences apparentes, elles fonctionnent toutes sur le même principe. Une source d'énergie met en mouvement une turbine ; la turbine entraîne l'alternateur ; l'alternateur produit l'électricité. Seule change la manière de faire tourner la turbine.
| Type de centrale | Source d'énergie | Ce qui fait tourner la turbine | Renouvelable ? |
|---|---|---|---|
| Hydraulique (barrage) | L'eau retenue en altitude | La chute de l'eau | Oui |
| Éolienne | Le vent | Le vent sur les pales (pas de turbine à vapeur) | Oui |
| Nucléaire | La fission de noyaux d'uranium | De la vapeur d'eau sous pression | Non |
| Thermique à flamme | La combustion de charbon, gaz ou fioul | De la vapeur d'eau sous pression | Non |
| Géothermique | La chaleur du sous-sol | De la vapeur d'eau sous pression | Oui |
| Solaire photovoltaïque | La lumière du Soleil | Aucune turbine, aucun alternateur | Oui |
Renouvelable ou non renouvelable ?
L'énergie et ses conversions
Chaînes énergétiques, rendement et transport
L'énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se convertit d'une forme à une autre et se transfère d'un objet à un autre. Pour suivre son parcours de la source jusqu'à la prise de courant, on trace une chaîne énergétique. Encore faut-il savoir nommer les différentes formes d'énergie que l'on va y faire figurer.
- Énergie cinétique : celle d'un objet en mouvement (le vent, l'eau qui coule, une voiture).
- Énergie de position : celle d'un objet situé en hauteur (l'eau derrière un barrage).
- Énergie thermique : celle liée à la température (la vapeur d'eau, une flamme).
- Énergie chimique : celle stockée dans la matière (le charbon, l'essence, une pile, les aliments).
- Énergie lumineuse : celle transportée par la lumière (le rayonnement solaire).
- Énergie électrique : celle transportée par le courant dans les circuits.
Le rendement : aucune conversion n'est parfaite.
À chaque conversion, une partie de l'énergie part sous une forme dont on ne veut pas — presque toujours de la chaleur. L'énergie totale se conserve, mais l'énergie utile est toujours inférieure à l'énergie reçue. Le rendement chiffre cette efficacité.
| Convertisseur | Énergie reçue | Énergie utile | Rendement approximatif |
|---|---|---|---|
| Alternateur | Mécanique | Électrique | environ 90 à 95 % |
| Centrale thermique | Chimique ou nucléaire | Électrique | environ 35 à 40 % |
| Panneau photovoltaïque | Lumineuse | Électrique | environ 20 % |
| Ampoule à filament | Électrique | Lumineuse | environ 5 % |
| Lampe LED | Électrique | Lumineuse | environ 40 % |
Transporter l'électricité jusqu'à la prise.
Une centrale est rarement située à côté des consommateurs : il faut acheminer l'électricité sur des centaines de kilomètres. Or les câbles s'échauffent par effet Joule, et ces pertes sont d'autant plus grandes que l'intensité du courant est élevée. La solution consiste à transporter la même puissance sous une très haute tension (jusqu'à 400 000 V), ce qui permet une intensité beaucoup plus faible.
Ce sont les transformateurs qui modifient la valeur de la tension : ils l'élèvent à la sortie de la centrale, puis l'abaissent progressivement jusqu'aux 230 V de nos prises. Les pertes du réseau français représentent malgré tout quelques pour cent de l'électricité transportée.
Exercices corrigés
Parmi ces sources d'énergie, laquelle est renouvelable ?
- A.Le charbon
- B.Le pétrole
- C.L'uranium
- D.Le ventBonne réponse
Réponse : D — Le vent
Le vent se renouvelle en permanence : c'est une source renouvelable. Le charbon et le pétrole sont des combustibles fossiles, formés en millions d'années et donc en quantité limitée à notre échelle. L'uranium est également une ressource minière épuisable : le nucléaire, même s'il émet peu de dioxyde de carbone, n'est pas une énergie renouvelable.
À quoi sert un transformateur sur le réseau électrique ?
- A.À modifier la valeur de la tension, notamment à l'élever pour le transportBonne réponse
- B.À convertir l'énergie mécanique en énergie électrique
- C.À stocker l'énergie électrique produite en trop
- D.À produire la vapeur d'eau qui fait tourner la turbine
Réponse : A — À modifier la valeur de la tension, notamment à l'élever pour le transport
Le transformateur ne fait que changer la valeur de la tension : il l'élève à la sortie de la centrale pour le transport longue distance, puis d'autres transformateurs l'abaissent jusqu'aux 230 V des prises domestiques. Il ne produit pas d'énergie et n'en stocke pas non plus. La conversion mécanique vers électrique, c'est le rôle de l'alternateur, pas le sien.
Quelle conversion d'énergie réalise une pile électrique ?
- A.De l'énergie chimique en énergie électriqueBonne réponse
- B.De l'énergie électrique en énergie mécanique
- C.De l'énergie lumineuse en énergie chimique
- D.De l'énergie thermique en énergie lumineuse
Réponse : A — De l'énergie chimique en énergie électrique
Une pile contient des espèces chimiques qui réagissent entre elles : l'énergie chimique stockée est convertie en énergie électrique, jusqu'à épuisement des réactifs — c'est le moment où la pile est « vide ». La conversion électrique vers mécanique décrit un moteur, et lumineuse vers chimique correspondrait plutôt à la photosynthèse chez les végétaux.
Comment calcule-t-on le rendement d'un convertisseur d'énergie ?
- A.énergie reçue / énergie utile
- B.énergie utile / énergie reçueBonne réponse
- C.énergie utile × énergie reçue
- D.énergie utile + énergie reçue
Réponse : B — énergie utile / énergie reçue
Le rendement compare ce qu'on obtient de vraiment utile à ce qu'on a fourni au départ : rendement = énergie utile / énergie reçue. Comme l'énergie utile est toujours plus petite que l'énergie reçue, le résultat est compris entre 0 et 1, soit entre 0 % et 100 %. Le calcul inverse donnerait un nombre supérieur à 1 : c'est le signal d'alarme qui doit te faire relire ta formule.
Une centrale thermique consomme 800 MJ d'énergie contenue dans son combustible et fournit 320 MJ d'énergie électrique. Quel est son rendement ?
- A.40 %Bonne réponse
- B.2,5 %
- C.250 %
- D.0,4 %
Réponse : A — 40 %
On applique la formule : rendement = 320 / 800 = 0,4, soit 40 %. Ce résultat est très réaliste pour une centrale thermique. Les 480 MJ manquants (800 − 320) ne sont pas détruits : ils sont dispersés sous forme de chaleur dans les fumées et les circuits de refroidissement. Répondre 250 % vient de la division inversée (800 / 320) : un rendement supérieur à 100 % est physiquement impossible.
L'alternateur d'une éolienne reçoit 250 kJ d'énergie mécanique et fournit 225 kJ d'énergie électrique. Quel est son rendement ?
- A.25 %
- B.111 %
- C.90 %Bonne réponse
- D.10 %
Réponse : C — 90 %
rendement = 225 / 250 = 0,9, soit 90 %. Les alternateurs sont d'excellents convertisseurs, avec des rendements couramment supérieurs à 90 %. Ici, 25 kJ sont perdus, principalement par frottements et échauffement des bobinages. Répondre 111 % correspond à la division inversée (250 / 225), et 10 % donne le pourcentage de pertes et non le rendement.
Un panneau photovoltaïque reçoit 1000 J d'énergie lumineuse et fournit 200 J d'énergie électrique. Que devient le reste de l'énergie ?
- A.200 J sont perdus sous forme de lumière renvoyée
- B.800 J sont perdus, essentiellement sous forme d'énergie thermiqueBonne réponse
- C.Rien n'est perdu : le rendement du panneau est de 100 %
- D.800 J sont perdus sous forme d'énergie chimique
Réponse : B — 800 J sont perdus, essentiellement sous forme d'énergie thermique
L'énergie se conserve toujours : ce qui entre doit ressortir. Ici, 1000 − 200 = 800 J ne sont pas convertis en électricité et se retrouvent essentiellement en énergie thermique — c'est pour cela qu'un panneau exposé au soleil devient brûlant. Le rendement vaut donc 200 / 1000 = 20 %, ce qui correspond bien aux panneaux actuels. Un panneau ne produit aucune énergie chimique, contrairement à une pile.
Une centrale de puissance 900 MW fonctionne pendant 10 heures. Quelle énergie électrique produit-elle ?
- A.90 MWh
- B.9000 MWhBonne réponse
- C.900 MWh
- D.9 MWh
Réponse : B — 9000 MWh
On utilise la relation E = P × t avec des unités cohérentes : des mégawatts multipliés par des heures donnent des mégawattheures. Donc E = 900 × 10 = 9000 MWh, ce qu'on écrit aussi 9 GWh (gigawattheures). Répondre 90 MWh reviendrait à diviser au lieu de multiplier, et 900 MWh à oublier purement et simplement la durée. Pour se représenter cet ordre de grandeur : 9000 MWh, c'est 9 millions de kWh, soit la consommation annuelle de plusieurs milliers de foyers.
Pourquoi dit-on que l'énergie éolienne est renouvelable mais intermittente ?
- A.Parce qu'elle produit très peu d'électricité par rapport aux autres sources
- B.Parce que les éoliennes s'usent et doivent être remplacées régulièrement
- C.Parce que le vent est une ressource limitée qui finira par s'épuiser
- D.Parce que le vent se renouvelle en permanence, mais qu'il ne souffle pas de manière continueBonne réponse
Réponse : D — Parce que le vent se renouvelle en permanence, mais qu'il ne souffle pas de manière continue
Ce sont deux notions distinctes qu'il ne faut pas mélanger. « Renouvelable » signifie que la ressource se reconstitue sans cesse : le vent ne s'épuisera jamais. « Intermittent » signifie que la production n'est pas régulière : sans vent, une éolienne ne produit rien, et on ne peut pas décider quand il souffle. C'est justement cette intermittence qui rend nécessaires des moyens de stockage ou des centrales pilotables en complément.
Une centrale convertit 1000 MJ d'énergie de combustible en 350 MJ d'énergie électrique. Les lignes de transport en perdent ensuite 7 %. Quelle énergie parvient réellement aux consommateurs ?
- A.325,5 MJBonne réponse
- B.343 MJ
- C.930 MJ
- D.24,5 MJ
Réponse : A — 325,5 MJ
Il faut raisonner en deux étapes successives. Première étape : la centrale fournit 350 MJ au réseau (son rendement vaut 350 / 1000 = 35 %). Deuxième étape : les pertes en ligne s'appliquent à ces 350 MJ, et non aux 1000 MJ de départ. Elles valent 350 × 0,07 = 24,5 MJ, il reste donc 350 − 24,5 = 325,5 MJ. Répondre 24,5 MJ, c'est donner les pertes au lieu de l'énergie livrée ; répondre 930 MJ, c'est appliquer les 7 % aux 1000 MJ initiaux, ce qui revient à oublier complètement le rendement de la centrale.
Dans une centrale, quel appareil convertit l'énergie mécanique en énergie électrique ?
- A.La turbine
- B.L'alternateurBonne réponse
- C.Le transformateur
- D.Le réacteur
Réponse : B — L'alternateur
C'est l'alternateur qui réalise la conversion mécanique vers électrique, grâce à un aimant tournant devant une bobine. La turbine, elle, ne produit pas d'électricité : elle est mise en rotation par un fluide (eau, vapeur, vent) et entraîne l'alternateur. Le transformateur intervient plus loin, uniquement pour modifier la valeur de la tension.
Sur quoi repose le fonctionnement d'une centrale thermique à flamme ?
- A.Sur la combustion d'un combustible comme le charbon, le gaz ou le fioulBonne réponse
- B.Sur la lumière du Soleil
- C.Sur la chute de l'eau retenue par un barrage
- D.Sur la force du vent
Réponse : A — Sur la combustion d'un combustible comme le charbon, le gaz ou le fioul
Une centrale thermique à flamme brûle un combustible : la combustion libère de l'énergie thermique qui vaporise de l'eau, et cette vapeur sous pression fait tourner la turbine reliée à l'alternateur. Le Soleil, l'eau des barrages et le vent alimentent d'autres types de centrales — solaire, hydraulique et éolienne — qui ne mettent en jeu aucune combustion.
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