Production d'énergie électrique

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)

Source	Part	Puissance installée
Nucléaire	~65 %	61,4 GW (56 réacteurs)
Hydraulique	~11 %	25,7 GW
Éolien terrestre	~9 %	22 GW
Solaire PV	~4 %	20 GW
Éolien offshore	~1 %	1,5 GW
Bioénergies	~2 %	2,1 GW
Gaz / fossile	~6-8 %	12 GW

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.