6 juin 2003 abdoulaye ndiaye stage ts-iris académie aix-marseille

6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille


PLAN:

Introduction

Les sources d’énergie électrique

Le transport de l’énergie électrique

L’utilisation de l’énergie électrique

Annexes

Bibliographie


INTRODUCTIONQu’appelle – t – on électrotechnique ?

Quelle est son importance économique ?

L’électrotechnique étudie les lois de la physique en vue de la production, du transport, de la transformation et de l’utilisation de l’énergie électrique ( Jack ROBERT: « encyclopaedia UNIVERSALIS »(1992))

Elle est considérable car l’énergie électrique est l’énergie la plus consommée dans le monde

Consommation Energie Primaire (269 Mtep en France )(Source ADEME 2001 1tep = 11 630 kWh )

Electricité primaire41.0%

Energies renouvelables

thermiques4.5%

Gaz naturel14.0%

Pétrole36.0%

Charbon4.5%


LA PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUEQuels sont les mécanismes de production de l’énergie

électrique ?

La génération par entraînement mécanique

Les sources photovoltaïques

Autres : Les convertisseurs thermoélectriques

Les convertisseurs thermoioniques

La pile à combustible

Les génératrices magnétohydrodynamiques

Machines tournante

s(généra-trices)

Source d’énergie primaire

Turbine d’entraîne

-ment

Rayonne-ment

lumineux solaire

Cellules photovoltaïques Energie électrique

(continue)

Energie électrique (alternatif)


LA PRODUCTION D’ ENERGIE ELECTRIQUE

Quelle est la part de ces mécanismes dans la production d’électricité ?

Répartition Production énergie électrique (France 1997)

98.90%

0.10%1.00%

génération parentraînementmécanique

sourcesphotovoltaïques

autres sources

La quasi totalité de l’énergie électrique est fournie par entraînement

mécanique ( dans les centrales thermiques et les centrales hydrauliques)

Source MULTON


GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE:

A) La production thermo-mécanique: Procédé le plus utilisé en France (et dans le monde)Principe

eau

Source de

chaleur

Turbine

Génératri-ce à

courant alternatif

Vapeur d’eau

entraînement

Energie électrique

Sources utilisées ?

Chauffage (chaudière)

Nucléaires ( réactions de fusion et de fission d’atomes radioactifs)

Centrale nucléaire

Principe de fonctionnement d’une centrale nucléiare

Uranium, plutonium



La géothermie :

Le solaire - thermique: Soleil chauffage eau turbine

Sous sol eau chaude turbine Usine géothermique à

Bouillante (Guadeloupe)

(haute et moyenne énergies)

Combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) (centrale classique)

90 °C – 350 °C

Centrale thermique de la Maxe

Principe d’une

centrale thermique

MiroirsCentrale solaire expérimentale Thémis (Pyrénées)



B) La production hydroélectrique: (barrages , centrales au fil de l’eau, usine marémotrice…)

Principe:

Energie électriqueForce

motrice de

l’eau

Turbine

Génératri-ce à

courant alternatif

entraînemententraînement

Barrage de Serre - Ponçon

Barrage de Roselend

Localisation:Montagnes

Cours d’eauAvantages: Stockable, rapidement mobilisable (régulateur de la production d’électricité)

Principe d’une centrale haute chute



C) L’énergie éolienne:

Principe:

Energie électriqueForce motrice

du vent

Turbine

Éolien-ne

Aérogéné-rateurs

entraînementEntraînement par pâles

Localisation:Sites isolés (raccordement difficile ou onéreux au réseau,…)

Sites insulaires (contraintes climatiques ou d’accessibilité)

Installation off – shore (en cours…)

Avantages: énergie d’appoint

Alternateurs, génératrices asynchrones

Ferme éoliennes à Dunkerque

Installation off – shore (Danemark)


GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE:D) La Biomasse:

Principe:

Energie électriqueMatièr

e organi-

que

Inciné-ration

turbine

entraînement

Alternateurs, génératrices asynchronesPlantes, arbres, déchets (animaux, agricoles, urbains)

Centrale du Gol (Réunion)

(combustion de la bagasse )


LES SOURCES PHOTOVOLTAÏQUES:

Principe:

Energie électrique continue

Module photovoltaïque (PV)

Chaque module photovoltaïque est composé d’un assemblage en série et en parallèle de cellules PV réalisées en matériaux semi-conducteurs (silicium, GaAs…) dopés

Sites isolés (montagne, bergerie, balises maritimes…)

Systèmes embarqués (contraintes climatiques ou d’accessibilité)

Espace (satellites)

Utilisation

Refuge alpinbergerie

Radiation lumineuse

Cellules photovoltaïques

Principe de fonctionnement d’une cellule PV


LES SOURCES THERMOELECTRIQUES:

Principe:

Ce sont des générateurs autonomes de faible puissance ( 1 W à 1 kW). Ils permettent de convertir de la chaleur en électricité

stations météorologiques

satellites

matériels militaires

Utilisation:

La chaleur apportée au système (pour maintenir les jonctions à Tc et Tf ) est convertie en énergie électrique. Le rendement de conversion est faible

Source de

chaleur

Conver-

tisseur

chauffage

Energie électrique (continue)

Conventionnelle (gaz, hydrocarbures)

nucléaire

Jonction chaude

Jonction froide

Jonction froide

Source chaude Tc

Source froideTf < Tc

Résistance de charge

Barreau semiconducteur dopé p

Barreau semiconducteur dopé n

Pont métallique

Structure:


LES SOURCES THERMOIONIQUES:

Effet Thermoionique: tout métal ou semiconducteur chauffé émet des électrons

Laboratoire

espaceUtilisation

Structure:

Conventionnelle (gaz, hydrocarbures)

nucléaire

Principe:

Source de

chaleur

Conver-

tisseur

Chauffage (1500 K)


Métal

semiconducteur

Les électrons arrachés à l’électrode émettrice, sont collectés et génèrent un courant électrique

I

charge

Emetteur (Tc)

Collecteur (Tf < Tc)

Vide, gaz

e-

(Tc # 1500 K)


LA PILE A COMBUSTIBLE:Son principe de fonctionnement repose sur une réaction chimique inverse de l’électrolyse de l’eau

applications portables (mobile, ordinateur…) (Chelles)

Productions collective et individuelle (habitat)

Transport: véhicules légers et poids lourds

Utilisation

Structure:Principe:

Constitu-ants

chmiques

Réaction chimique


hydrogène

oxygène, eau

Prototype de véhicule à pile à combustible

Alimentation d’un groupe de HLM à Chelles


LA GENERATRICE MAGNETOHYDRODYNAMIQUE:

rendement élevé

Onéreux (matériau pour fonctionnement à très haute température)

Caractéristiques

La déviation en sens inverse des charges positives et négatives d’un plasma (gaz ionisé) génère (dans un circuit extérieur) un courant électrique

Principe:

courant électriquegaz

plasma

Chambre de

déviation magnéti-

que

Éjection à grande vitesse (tuyère)

Déviation (et séparation) en sens inverse des ions et électrons

Électrons + ions

Chauffage à très haute température 3000 K (ionisation)

Utilisation: à titre expérimental (centrale à Moscou, CEA,…)


REPARTITION DE LA PRODUCTION D’ENERGIE

Elle s’effectue en fonction des énergies primaire (hydrocarbures, charbon, produits radioactifs) et renouvelables (hydraulique, vent, soleil, biomasse, géothermie) utilisées.

Répartition production mondiale (MULTON 1997)

pétrole9,50%

charbon36,50%

gaz naturel16,00%

nucléaire16,00%

renouvelables22,00%

Monde:

France:(Source ADEME)

Production d'électricité en France (source ADEME)

Nucléaire75,8%

Hydraulique13,9%

Solaire, éolien0,7%

Charbon6,2% Gaz

1,4%

Pétrole2,0%

(Source ADEME)


LE TRANSPORT DE L’ENERGIE ELECTRIQUE L’énergie électrique est acheminée de la centrale

électrique jusqu’à l’entrée des agglomérations: en courant alternatif par des lignes électriques triphasées Très Haute Tension (400 kV, 225 kV):

encombrants (dimension, volume et masse de cuivre…)

environnement

Moins cher

Transformateur

20 kV

Transport

225 kV / 400 kV

Distribution (20 kV, 400 V)

Transformateur

Production

Utilisateurs

Centrale électrique

Particularités:


LE TRANSPORT DE L’ENERGIE ELECTRIQUE

en courant continu (câbles enterrés, lignes aériennes) moins encombrants (moins de volume, de cuivre…)

Pertes en ligne minimisables (câbles supraconducteurs…)

Plus onéreux (5 à 6 fois plus cher que l’aérien pour 100 km parcourus)

~

_

_

~

Lc

Ic

Convertisseur Statique 1 Convertisseur Statique 2

(T2)(T1)

R

uc1 uc2

ligne continue

Réseau 1 Réseau 2

Principe d’une liaison à Courant Continu Haute Tension (C.C.H.T.)

Utilisation:

Particularités:

Interconnexion entre réseaux (exemple : France / Angleterre) agglomérations (faible encombrement)


L’utilisation DE L’ENERGIE ELECTRIQUE Consommation par secteurs d’activité : (source MULTON)

Répartition de la consommation industrielle par processus :

Consommation énergie électrique par secteurs d'activité (source MULTON 1995 )

industrie31%

secteur résidentiel

30%

secteur tertiaire

23%

autres 16% L’industrie est le plus gros

. consommateur d’électricité

Répartition de la consommation industrielle d'énergie électrique (source MULTON 1997 )

travail mécanique

72%

Processus de chauffage

18%

Eclairage4%

Divers6%

la majeure partie de l’énergie électrique consommée par l’industrie sert au travail mécanique. Cette conversion électrique mécanique est effectuée par des moteurs électriques


L’utilisation DE L’ENERGIE ELECTRIQUE Répartition de la consommation industrielle des moteurs par usage : (source MULTON)

Répartition de la consommation industrielle des moteurs par usage (source Multon 1997 )

compression30%

pompage20%

ventilation13%

autres (entraînementmécanique..)

37%

les processus de compression de ventilation et de pompage consomment près de 2 / 3 de la consommation énergétique des moteurs industriels

Pour réaliser ces actions mécaniques, le moteur électrique choisi devra être adapté à la charge à entraîner (compresseurs, ventilateurs, pompes….).

L’utilisation des variateurs électroniques de vitesse permet:

une meilleure adaptation des caractéristiques mécaniques ( moteur + charge). (voir présentation Powerpoint : la Variation de vitesse).

de minimiser la consommation des processus


Repartition des moteurs industrielsLa répartition en fonction du nombre, de la puissance installée et de la consommation électrique des 14 millions de moteurs industriels est donnée ci-dessous: (source MULTON 1997)

Les moteurs de moins de 10 kW représentent 93 % des moteurs industriels mais ne consomment que 21% de l’énergie électrique à usage mécanique

Les gros moteurs (> 130 kW ) représentent 0.3% du parc mais consomment plus de 40 % de cette énergie

Au delà de 10 kW, 90 % des moteurs sont des moteurs asynchrones

Puissance en kW <1 1 à 4 4 à 10 10 à 30 30 à 70 70 à 130 130 à 500 > 500

nombre 50.5% 30.1% 11.9% 5.6% 1.1% 0.5% 0.2% 0.1%puissance 4.8% 13.4% 16.3% 19.3% 10.6% 9.0% 11.0% 15.6%

consommation 2.7% 8.0% 10.0% 17.3% 10.7% 9.6% 13.8% 27.9%


Répartition des moteurs électriques industriels (en 1997 )

0.0%10.0%20.0%30.0%40.0%50.0%60.0%

puissance nominale (en kW)

nombre

puissance installée

consommation

Annexe 1:


Annexe 2:


Annexe 3:

Les Chaînes énergétiques (source CEA)


Annexe 4:

Les mécanismes de conversion (source CEA)


BIBLIOGRAPHIE

http://developpement-durable.edf.fr

http://www.edf.fr

http://ademe.fr

Bernard MULTON: « l’énergie sur la terre: analyse des ressources et de la consommation. La place de l’énergie électrique » Serveur électrotechnique de l’académie de Toulouse

http://www.cea.fr

La revue 3 E.I. – Numéro du 20 Mars 2000 « Energies Renouvelables »

6 juin 2003 abdoulaye ndiaye stage ts-iris académie aix-marseille

Documents