Dominique Meeùs
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Électricité, production

Table of contents

On produit l’électricité soit localement (panneaux photovoltaïques ou éolienne à usage personnel ou d’une petite entreprise, comme une ferme) soit massivement (centrales électriques classiques, hydroélectricité, champs de panneaux photovoltaïques, solaire concentré, parcs d’éoliennes… L’essentiel de la production est toujours centralisé, même en électricité « verte ».

La dangerosité des différentes modes de génération d’électricité est discutée avec la dangerosité des industries de l’énergie en général.

Centrales électriques thermiques

Les centrales classiques sont les centrales thermiques : nucléaire, charbon, pétrole, gaz, biomasse. Souvent on met à part les centrales nucléaires et on n’appelle alors thermiques que les centrales basées sur la combustion.

  • Turbines à vapeur. (On n’utilise plus de machines à vapeur (à bielle et piston) parce que les turbines à vapeur sont plus performantes.) La vapeur est obtenue
    • soit à partir d’un réacteur nucléaire (dans une centrale nucléaire) ;
    • soit à partir d’une chaudière brûlant du charbon : centrale à charbon — on peut brûler en chaudière aussi de la biomasse sous des formes diverses (pellets…), des déchets — on brûle parfois encore du pétrole ou du gaz en chaudière, mais plus souvent en turbine à gaz ;
    • soit à partir de rayons solaires concentrés par un champ de miroirs.
  • Turbine à gaz. La turbine est entraînée par les gaz de combustion de gaz (ou de pétrole).
    • Une turbine à gaz simple entraîne un alternateur. Rendement de l'ordre de 40 %.
    • La turbine à gaz entraîne un alternateur ; à partir des gaz chauds, on produit de la vapeur (dans un WHRB, waste heat recovery boiler ? dans un HRSG, heat recovery steam generator ?) 29 ; la vapeur actionne une turbine à vapeur qui entraîne un deuxième alternateur. (Parfois on monte les deux turbines sur un axe unique avec un seul alternateur.) C'est dit TGV, turbine gaz-vapeur ; CCGT, combined cycle gas turbine ; STEG, stoom- en gascentrale. Rendement de l'ordre de 60 %
    • On peut récupérer les gaz chauds d'une turbine à gaz simple ou après un éventuel étage vapeur pour en utiliser la chaleur, comme en chauffage urbain : cela s'appelle cogénération, électricité et chaleur.

Le rendement des centrales thermiques est limité par les lois de la thermodynamique. J’examine les rendements dans un article séparé.

Électricité privée ou pour le marché

L’opposition centralisation décentralisation correspond plus ou moins à une distinction essentielle en économie : produire pour ses besoins personnels ou produire pour la société, c’est-à-dire, dans le mode de production capitaliste, produire pour le marché. Des panneaux photovoltaïques peuvent être installés par un particulier dans un but d’autarcie relative. Vu l’alternance jour/nuit et la variation saisonnière, tantôt le particulier achète de l’électricité tantôt il la vend, mais cela pourrait s’équilibrer en gros sur l’année 30. D’autres installations, plus grandes, sont destinées au contraire essentiellement à fournir le marché. Cette distinction intervient dans le type d’équipement — compteur qui « tourne à l’envers » opposé au compteur séparé pour la vente — et dans le régime fiscal, etc. La distinction privé ou pour le marché, importante en théorie, n’est pas toujours facile à appliquer dans la pratique ; elle est parfois approchée par un critère plus simple comme la dimension de l’installation : en Wallonie, on fait la différence entre les installations de moins de 10 KWc et les autres.

Flexibilité et disponibilité des installations de production et de distribution d’énergie

Délai de mise en route

Les turbines à gaz et les turbines à eau sont considérées comme relativement rapides à démarrer et à arrêter. Modulables ?

Modulation de la production

Le problème se pose surtout pour l’électricité où il faut à chaque instant une complète adéquation 31 entre production et consommation sous peine de désordres graves.

Les centrales thermiques à vapeur sont peu modulables et, parmi celles-ci, les nucléaires le seraient encore moins, mais cette affirmation est fantaisiste. (Lire plus.) Ce qui est vrai, c’est qu’on ne peut pas arrêter un réacteur nucléaire pour un oui ou pour un non.

Arrêts pour maintenance et panne

Comme l’entretien régulier d’une voiture, la maintenance d’une installation industrielle a pour but d’éviter des pannes. On fait un certain compromis entre les bénéfices de la maintenance (éviter la détérioration du matériel et éviter des arrêts non programmés) et les inconvénients (coût, dont le coût des arrêts programmés). L’idéal est de chercher à n’augmenter la maintenance normale (preventive maintenance) que si on a des signes annonciateurs de panne (predictive maintenance) en surveillant l’évolution de certains paramètres (equipment condition monitoring, ECM), http://www.electricenergyonline.com/?page=show_article&mag=10&article=69) 32.

Disponibilité

La disponibilité (availability factor) est la fraction du temps où une installation est utilisable, le temps où elle n’est pas en panne ou en maintenance (down time ou downtime) ou en manque de ressources (eau, vent, lumière solaire).

Facteur de charge

Le facteur de charge (capacity factor) ou facteur d’utilisation est le rapport de la production effectivement réalisée sur une période donnée à la production théorique dans ce temps de la capacité nominale. J’ai rapproché le facteur de charge du rendement dans un article séparé où je donne des chiffres. Le facteur de charge dépend à la fois de la disponibilité (ci-dessus) — de l’équipement ou de la source — et de la demande, ce qui en fait un concept à la fois technique et économique.

Quantités d’électricité selon les sources

Voici un tableau de la contribution des différentes sources à l’électricité de la Belgique en 2014 33, en TWh et en pourcentage (et, en pourcentage, la contribution à l’énergie finale consommée en Belgique).

électricité
Belgique		 énergie
Belgique
TWh TWh
71,5 464,36
TWh TWh % %
Importation 17,6 19,76 3,79
Nucléaire 33,7 37,82 7,26
Produits pétroliers 0,2 0,22 0,04
Gaz naturel 19,3 21,66 4,16
Combustibles solides et gaz sidérurgiques 4,4 4,94 0,95
Vapeur de récupération 0,4 0,45 0,09
Déchets non renouvelables 1,3 1,46 0,28
Autres sources 0,0 0,00 0,00
Énergies renouvelables (dont, ci-dessous) 12,2 13,69 2,63
Combustibles renouvelables 4,4 4,94 0,95
Éolien 4,6 5,16 0,99
Solaire 2,9 3,25 0,62
Hydraulique hors pompage 0,3 0,34 0,06
Électricité totale 89,1 100,00 19,19
Pompage 1,2 1,35 0,26

Source : SPF Éco 2010, tableau 5, p. 23.

Note : Sont décalées vers la droite des sous-catégories dont les montants sont totalisés dans la catégorie qui précède. Le pompage a été détaché parce qu’il produit de l’électricité à partir d’électricité. J’ai inclus l’importation pour que le total soit plus proche de celui du tableau de consommation finale. (Ça ne correspond pas, mais je ne sais pas pourquoi.)

On remarquera que la principale source renouvelable est la biomasse. L’éolien et le solaire apportent une contribution assez marginale à la production d’électricité en 2010, et même, par rapport à l’énergie finale totale, presque négligeable.

Notes
29
Je crois comprendre que ça s'appelle HRSG pour des gaz d'échappement propres comme ceux d'une turbine à gaz. On appellerait WHRB l'échangeur sur des gaz pouvant contenir des poussières, etc.
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30
Une habitation isolée du réseau pourrait être éclairée le soir et la nuit sur batteries.
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31
J’ai été opérateur du château d’eau de l’usine sidérurgique de Montignies-sur-Sambre (Cockerill-Sambre). C’est un extraordinaire exercice d’équilibre. (C’est à tort qu’on voit le château d’eau comme un réservoir qui assure la consommation et qu’il ne faut pas oublier de remplir de temps à autre. Dans la situation où j’étais, c’est un petit régulateur de pression du réseau d’eau. L’équilibre repose presque entièrement sur le suivi en continu du débit de consommation par le préposé aux pompes.) Un réseau électrique, c’est pire : c’est comme le travail du préposé au château d’eau… sans le tampon du château d’eau.
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32
On fait ça aussi pour les disques durs d’ordinateur : on essaie de détecter, avant d’avoir perdu toutes ses données, la détérioration graduelle du disque pas toujours visible à l’utilisation.
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33

Pour mémoire : les chiffres de 2010.

électricité
Belgique		 énergie
Belgique
GWh GWh
93 765 494 105
  GWh GWh GWh GWh % %
Charbons bitumeux 4 187 4,47 0,85
Gaz de cokerie 65 0,07 0,01
Gaz de haut fourneau 1 695 1,81 0,34
Charbon 5 948 5 948 6,34 1,20
Gaz 31 420   33,51 6,36
Pétrole 406   0,43 0,08
Combustibles fossiles 37 774 37 774   40,29 7,64
Bois et déchets de bois 2 904 3,10 0,59
Biocarburants 269 0,29 0,05
Biomasse solide 3 173 3 173 3,38 0,64
Déchets urbains (renouvelables) 591   0,63 0,12
Déchets urbains (non renouvelables) 850   0,91 0,17
Déchets industriels (non renouvelables) 447   0,48 0,09
Biogaz 566   0,60 0,11
Combustibles non fossiles 5 627 5 627   6,00 1,14
Combustion 43 401 43 401   46,29 8,78
Éolien marin 190   0,20 0,04
Éolien terrestre 1 103   1,18 0,22
Éolien 1 293 1 293   1,38 0,26
Solaire 560   0,60 0,11
Hydraulique (nouveau) 312   0,33 0,06
Vapeur de récupération 255   0,27 0,05
Nucléaire 47 944   51,13 9,70
Total 93 765   18,98
 
Pompage 1 356   1,45 0,27

Source : SPF Éco 2010, tableau 5, p. 23.

Note : Les sous-catégories sont décalées vers la droite et les nombres en italiques sont les sous-totaux des nombres correspondants au-dessus. Il sont ensuite reportés immédiatement à gauche dans la catégorie où ils seront eux-mêmes totalisés. Le pompage a été détaché parce qu’il produit de l’électricité à partir d’électricité. Certains détails ne sont pas dans le tableau d’origine mais sont repris du texte de SPF Éco 2010. Les différentes contributions sont alors données en pourcentage du total. Dans la colonne suivante, les différentes contributions sont données en pourcentage de l’énergie finale totale consommée en Belgique.

On remarquera que la principale source renouvelable est la biomasse. L’éolien et le solaire apportent une contribution assez marginale à la production d’électricité en 2010, et même, par rapport à l’énergie finale totale, presque négligeable.

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Balisage en TEI