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Production, Transport et distribution de l’énergie électrique I) Principe de fonctionnement d’une centrale électrique. Une centrale électrique transforme l’énergie mécanique en énergie électrique grâce à un alternateur. Les sources d’énergie utilisées dans les centrales électriques peuvent être...

Production, Transport et distribution de l’énergie électrique I) Principe de fonctionnement d’une centrale électrique. Une centrale électrique transforme l’énergie mécanique en énergie électrique grâce à un alternateur. Les sources d’énergie utilisées dans les centrales électriques peuvent être non renouvelables (charbon, pétrole, gaz naturel), ou bien renouvelables (vent, eau, soleil) L’alternateur est la partie commune à toutes les centrales électriques. La tension fournie par un alternateur est différente de celle fournie par une pile : un alternateur produit une tension variable au cours du temps. On parle de tension alternative car elle est successivement positive et négative. Des physiciens (Oersted, Ampère et Faraday…) ont découvert en 1820 qu’un courant électrique peut-être obtenu à l’aide d’un déplacement d’un aimant au voisinage d’une bobine (fil de cuivre enroulé). II) Principe de fonctionnement d’un alternateur : Expérience On fait tourner un aimant au milieu d’une bobine de cuivre ce qui déplace les électrons présents sur les atomes de cuivre. C'est le champ magnétique de l'aimant qui les animent. On a alors un circuit fermé où les électrons tournent en rond, on a alors de l'électricité à l’aide du phénomène d'induction électromagnétique. Induction électromagnétique : est un phénomène physique conduisant à l'apparition d'une force électromotrice dans un conducteur électrique soumis à un flux de champ magnétique variable. Cette force électromotrice peut engendrer un courant électrique dans le conducteur. Un courant électrique : Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charges électriques, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. III) Les sources d’énergie électrique Les sources d'énergie se répartissent en deux grands segments : les matières premières et les phénomènes naturels. De manière générale, les premières fournissent les énergies dites fossiles alors que les secondes fournissent les énergies dites renouvelables. Energie fossile : Les énergies fossiles proviennent de la combustion de matières premières comme le charbon, le pétrole ou encore le gaz naturel. Les énergies fossiles sont donc polluantes et leurs réserves ne sont pas infinies Energie renouvelable : Les énergies renouvelables, comme leur nom l’indique, ne sont pas tarissables (inépuisables). Appelées aussi « énergies vertes » ou « énergies propres » car provenant des phénomènes naturels (vent, rayonnement solaire, force des courants marins), elles ne causent aucune pollution. IV) Sources d’électricité non renouvelables 1) Centrale thermique : Principe de fonctionnement : Une centrale thermique à flamme utilise l’énergie fournie par la combustion d’un combustible (charbon, pétrole, gaz naturel,). Cette combustion a lieu dans une chaudière. La combustion dégage une grande quantité de chaleur utilisée pour chauffer de l’eau dans la chaudière (ou générateur de vapeur). On dispose alors de vapeur d'eau sous pression. La pression de cette vapeur fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans la chaudière. Une centrale thermique à flamme fournit une puissance électrique de l'ordre de quelques centaines de mégawatts (1 MW = 1 000 000 W) 2) Centrale nucléaire Principe de fonctionnement : Une centrale nucléaire est une centrale thermique qui utilise l'énergie fournie par un réacteur nucléaire (fonctionnant avec de l'uranium 235 ou du plutonium 239). Ce réacteur produit une grande quantité de chaleur qui est captée par l'eau sous pression circulant dans le circuit primaire (circuit fermé). Par l'intermédiaire du générateur de vapeur, l'eau sous pression du circuit primaire communique sa chaleur à l'eau d'un deuxième circuit fermé, le circuit secondaire. Il est ainsi possible d'obtenir de la vapeur à haute pression dans ce circuit secondaire. La pression de cette vapeur fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans le générateur de vapeur. Un réacteur nucléaire fournit une puissance électrique de l’ordre du millier de mégawatts (1 MW = 1 000 000 W). V) Sources d’électricité renouvelables 1) Centrale hydraulique Principe de fonctionnement : L’ouverture des vannes du barrage entraîne l’eau dans un canal de dérivation jusqu’aux turbines électriques. Plus le débit et la hauteur de chute d’eau sont importants, plus l’eau ne transporte d’énergie. Cette eau actionne les turbines qui entraînent à leur tour des alternateurs pour produire du courant électrique. Un transformateur injecte ensuite cette électricité dans le réseau, où elle est transportée par des lignes à haute ou très haute tension. 2) Centrale solaire thermodynamique (technologie CSP) : Fluide caloporteur : fluide qui transporte la chaleur entre deux ou plusieurs sources de température Principe de fonctionnement : Les rayons du soleil se réfléchissent sur des miroirs, Ces miroirs, ou héliostats, sont mobiles ce qui leurs permet de suivre la course du soleil en permanence Ces miroirs permettent de concentrer tous les rayons lumineux sur une tour recouverte d'un matériau absorbant. Sous l'effet du rayonnement, le matériau absorbant va chauffer fortement, et la chaleur va être transmise à un fluide caloporteur à haute température de fonctionnement. Pour produire l'électricité, la chaleur est utilisée pour chauffer l’eau qui se transforme en vapeur d'eau qui circule dans des turbines, comme dans une centrale thermique "classique". 3) Energie éolienne Principe de fonctionnement : Les pales constituent l’élément moteur principal des éoliennes. L’action du vent sur les pales se traduit par une force et un couple qui entraîne leur rotation. L’énergie cinétique du vent est ainsi transformée en énergie mécanique de rotation. Cette énergie ’tournante’ est ensuite transformée en énergie électrique par un générateur. VI) Le réseau électrique 1) Problématique : La consommation de l’énergie électrique produite par les centrales est, en général, éloignée des lieux de production. L’énergie doit donc être transportée sur des grandes distances entre lieux de production et de consommation, c’est le rôle du réseau de transport de l’énergie électrique. Ce dernier est géré par l’Office National de l’Electricité (O.N.E). 2) Typologie du réseau électrique La figure ci-dessous illustre l’organisation d’un réseau électrique qui est composé de parcs de production, d’un réseau de transport, des postes de répartition et d’un réseau de distribution. Avec des étapes d’élévation et de baisse du niveau de tension dans des postes de transformation. On distingue :  Le grand transport et l’interconnexion : c’est le raccordement des centrales entre elles. Si une centrale vient à être en défaut, les autres continuent à fournir l’énergie. En l’absence d’interconnexion la défaillance d’une centrale, entrainerait la disparition d’énergie électrique pour tous ses « clients ». Le grand transport véhicule l’énergie entre les lieux de production et les grandes régions de consommation,  La répartition : elle a pour rôle « d’aiguiller » l’énergie des lieux de production vers les gros clients (grosses industries…)  La distribution : c’est la fourniture d’énergie électrique aux « petits »utilisateurs terminaux (particuliers, petites et moyennes entreprises, centres commerciaux…) a) Différentes tensions Les générateurs des centrales électriques fournissent généralement une tension comprise entre 5 et 20 kV. Cette tension est élevée à une valeur de 400 kV afin d’être transportée vers les centrales de répartition (dispatching) puis vers les lieux d’utilisation par les réseaux de transport et de distribution de l’énergie électrique. b) Transport en haute tension Le réseau électrique national s'étend sur des milliers de kilomètres de lignes électriques. Lorsque des courants électriques de forte intensité traversent ces câbles, une partie de l'énergie transportée est transformée en chaleur par effet joule et donc perdue. Afin de limiter ces pertes d'énergie, il est nécessaire de diminuer l'intensité du courant donc d'augmenter la tension aux bornes de la ligne. c) Lignes L’énergie produite par les différents sites de production doit être acheminée sur tout le territoire. Cet acheminement est réalisé par des lignes aériennes ou souterraines.  Lignes aériennes : A haute et très haute tension, les lignes de transport sont aériennes dans leur grande majorité. Elles sont constituées de conducteurs nus en alliage d’aluminium et de supports (pylônes). Leur diamètre augmente avec la puissance à transporter  Lignes Souterraines : Les liaisons souterraines nécessitent des câbles de fabrication plus complexe. En MT, ces câbles sont enterrés dans de simples tranchées. En HT et THT, c’est un peu plus compliqué. Le recours aux liaisons souterraines s’impose surtout pour des raisons de sécurité ou d’esthétique... 3) Réseau de distribution d’énergie MT/BT A partir de postes sources alimentés par le réseau de transport, O.N.E.E distribue l'énergie en moyenne tension (HTA) 20 kV (22 KV). On distingue deux types de réseaux MT :  réseau aérien surtout en zone rurale : Ce sont essentiellement des lignes aériennes assez longues, assurant une distribution avec une faible puissance à des utilisateurs très dispersés.  réseau souterrain en zone urbaine : I1 s'agit surtout de câbles souterrains, qui ne sont pas influencés par les intempéries (orage par exemple). La puissance installée est beaucoup plus importante par unité de surface. 4) Poste de transformation HTA/BT (poste de livraison) Un poste de transformation reçoit l’énergie en 20 KV et la transforme en 400 V, la puissance du transformateur est fonction du nombre d’abonné et de la puissance demandée individuellement. a) Conception générale d’un poste de transformation Le poste de livraison comporte essentiellement de l'appareillage et un ou plusieurs transformateurs afin d'assurer les fonctions suivantes :  dérivation du courant sur le réseau;  protection du transformateur coté HTA;  transformation HTA/BT; (22KV /400V)   protection du transformateur coté BT;  comptage d'énergie. b) Différents types de poste de livraison Postes HTA/BT en Haut de poteau Protection : Côté haute tension : protection contre la foudre par éclateur + disjoncteur contre les surintensités. Côté basse tension : un disjoncteur protège le transformateur contre les surintensités. Postes préfabriqués monobloc Les postes préfabriqués monobloc peuvent être soit en bas de poteau, soit sur une plate-forme extérieure. Le raccordement s’effectue par câble, soit au réseau aérien, soit au réseau souterrain.  Constitution Le tableau BT comporte un interrupteur avec fusibles ou un disjoncteur avec coupure visible. Ce type de poste est transporté par camion. Il est déposé sur une dalle en ciment. Le montage consiste à raccorder les câbles d’arrivée et de départ. VII) CLASSIFICATION DES TENSIONS La classification des tensions permet de déterminer les règles d’installation et d’envisager les moyens de protection en fonction de la tension utilisée selon la valeur de la tension, les installations électriques sont classées en trois catégories. Ancienne classification 1) Première catégorie Très basse tension TBT Installation dans laquelle la tension ne dépasse pas 50v en courant alternatif et 120v en courant continu. Basse tension BT Au dessus de 50v jusqu’ à 500v en courant alternatif. Au dessus de 120v jusqu’à 750v en courant continu. 2) Deuxième catégorie Moyenne tension MT Au dessus de 500v en ct alternatif et 750v en ct continu jusqu’à 50000v 3) Troisième catégorie Haute tension HT Toutes les tensions supérieures à 50000v en courant continu et alternatif. Remarque : presque toutes les tensions d’éclairage et les installations de forces motrices sont soumises à des tensions de la 1ère catégorie. Nouvelle classification Symboles TBT BTA BTB HTA HTB Très Basse Basse Tension A Basse Tension B Haute Tension A Haute Tension B Tension Tension Courant U  50v 50 < U  500v 500 < U  1kv 1kv < U  50kv U  50kv Alternatif Courant U  120v 120 < U  750v 750 < U  1,5kv 1,5kv < U  75kv U  75kv Continu