Production d'énergie électrique

En clair. Centrales thermiques, hydrauliques, nucléaires, ENR.

Ce qu'on te demande au bac STI2D : maîtriser le vocabulaire de « Production d'énergie électrique », savoir refaire les calculs ou raisonnements du cours et les appliquer à un cas concret.

Conseil de révision. Relis d'abord l'encadré, puis fais le quiz : si tu bloques, reprends la partie correspondante du cours.

Introduction

La production d'énergie électrique en France repose sur un mix combinant nucléaire, hydraulique, éolien, solaire et thermique fossile. Objectif de la PPE (Programmation Pluriannuelle de l'Énergie) : 40 % d'ENR électrique en 2030, sortie du charbon en 2027, neutralité carbone en 2050 (loi Énergie-Climat 2019).

Le mix électrique français (2024)

Consommation annuelle : 460 TWh (RTE 2023).

Principes de production

1. Centrale thermique classique

Combustible (fioul, gaz, biomasse) → chaudière → vapeur → turbine → alternateur. Rendement ≈ 40 % ; cycle combiné gaz jusqu'à 60 %.

2. Nucléaire

Fission de l'uranium 235 → chaleur → vapeur → turbine. Rendement 33 %, mais énergie primaire très concentrée (1 g U235 ≈ 3 t charbon).

3. Hydroélectricité

$$P = \eta \cdot \rho \cdot g \cdot Q \cdot H$$

avec $\rho = 1000\ \text{kg/m}^3$, $g = 9{,}81$, $Q$ débit (m³/s), $H$ chute (m). $\eta \approx 0{,}85$–0,90.

4. Éolien

$$P_{cinétique} = \frac{1}{2}\rho A v^3$$

Limite de Betz : $\eta_{max} = 16/27 \approx 59\%$. Éoliennes actuelles : 40-50 % du théorique récupéré.

5. Photovoltaïque

Cellule silicium (monocristallin 22 %, polycristallin 18 %, couche mince 12 %). $P_{crête} = G \cdot A \cdot \eta$ ; en France 1 kWc ≈ 950-1400 kWh/an selon exposition.

Impacts environnementaux et sociétaux

• CO₂/kWh (ADEME) : nucléaire 6 g, éolien 14 g, hydraulique 6 g, PV 55 g, gaz 490 g, charbon 1 060 g.
• Le mix français : ~55 g CO₂/kWh (record européen).
• Déchets nucléaires : loi Bataille 1991, ANDRA, projet Cigéo (stockage géologique).
• Recyclage panneaux PV : SOREN, taux > 90 %.

Réseau et transport

Production → transformateur élévateur (400 kV) → réseau RTE → transformateur de répartition (63/20 kV) → distribution Enedis (20 kV → 400 V).

Cadres réglementaires

• Loi Énergie-Climat (2019) : neutralité carbone 2050.
• APER (loi accélération EnR, 2023) : zones d'accélération, agri-voltaïsme.
• Programme EPR2 (6 réacteurs nouvelle génération d'ici 2035).

Exemple chiffré 1 — alternateur et couplage réseau

Alternateur triphasé 400 V / 50 Hz, $S = 250$ kVA, $\cos\varphi = 0{,}8$.

$P = S\cos\varphi = 200\ \text{kW} \quad ; \quad I = \frac{S}{U\sqrt{3}} = \frac{250\,000}{400 \times 1{,}732} = 361\ \text{A}$

Nombre de paires de pôles pour 1 500 tr/min : $p = \dfrac{60 f}{N} = \dfrac{60 \times 50}{1\,500} = 2$.

Exemple chiffré 2 — bilan d'une centrale thermique

Centrale gaz cycle combiné : combustible 900 MW PCI, production nette 540 MW.

$\eta = \frac{540}{900} = 60\ \% \quad ; \quad P_{pertes} = 360\ \text{MW}$

Émissions : le gaz émet 0,202 kg CO₂/kWh PCI → $\dfrac{0{,}202}{0{,}60} = 0{,}337$ kg CO₂/kWh électrique. À comparer à 0,9-1,0 kg/kWh pour une centrale charbon (rendement 40 %).

Exemple chiffré 3 — transport et pertes en ligne

Transporter 100 MW sur 150 km avec une ligne de résistance 0,03 Ω/km :

• En 400 kV : $I = \dfrac{100\times10^6}{400\times10^3\sqrt3} = 144$ A → $P_J = 3RI^2 = 3 \times 4{,}5 \times 144^2 = 0{,}28$ MW (0,28 %).
• En 20 kV : $I = 2\,887$ A → $P_J = 3 \times 4{,}5 \times 2\,887^2 = 112$ MW — impossible.

C'est toute la justification de la très haute tension : à puissance constante, les pertes varient en $1/U^2$.

Exemple chiffré 4 — groupe électrogène de secours

Groupe 100 kVA, consommation 22 L/h à 75 % de charge, gazole 1,70 €/L et 2,68 kg CO₂/L.

Coût horaire : 37,40 € ; pour 75 kW produits → 0,50 €/kWh et 0,79 kg CO₂/kWh, soit 3 à 12 fois plus cher et carboné que le réseau français : réservé au secours.

Points-clés à retenir

• $S$, $P$ et $Q$ ne se confondent pas : le facteur de puissance conditionne le courant et donc les pertes.
• Élever la tension est le seul moyen efficace de réduire les pertes Joule sur un transport longue distance.
• Le rendement d'une centrale thermique est plafonné par le cycle de Carnot : ~60 % pour un cycle combiné moderne.