Production d’électricité
 
Test du menu La centrale que nous devions remettre en marche est Saint-Denis 2. Bien avant celle-ci avait été construite la centrale de Saint-Denis 1 dont l’exploitation commença en 1905. Saint-Denis 1 était capable de produire 130MW. ( mégaWatt soit 1 000 000 Watts ) Mais qu’est-ce qu’une centrale électrique ? Et bien c’est très compliqué !
Pour faire simple nous dirons que c’est un transformateur multiple d’énergie. En effet elle va convertir l’énergie chimique du combustible, charbon fuel, en énergie calorifique, puis en énergie mécanique et enfin en énergie électrique.
Pourquoi est-ce compliqué alors ? Par ce que les installations nécessaires pour assurer les trois transformations successives de l’énergie, sont incroyablement nombreuses et complexes. Lorsque l’on connaît le fonctionnement de telles installations, on ne peut s’émerveiller quand chez soi on commute un interrupteur ou que l’on presse un bouton de la télécommande la lumière jaillit d’une ampoule ou du téléviseur.
Il n’y a pas que nos enfants qui trouvent cela tout naturel, et la majorité des gens s’étonne quand cela ne fonctionne pas. A cela une bonne raison, E.D.F a su fournir en quantité et de manière fiable un produit manufacturé noble.
Pourquoi un produit noble ? Par ce que ces trois transformations d’énergie consomme de l’énergie. Et oui les lois de la physique sont ce qu’elles sont en théorie et les matériels mis en oeuvre pour les appliquer ne sont pas parfaits. Ceci explique cela.
La centrale de Saint-Denis 2 pour produire un kW d’énergie électrique devait en consommer un peu plus de trois en énergie fossile. Les deux autres kW étaient rejetés à l’atmosphère et dans la Seine toute proche. Le rendement ( ŋ ) était à peine de 30%.
Aujourd’hui avec les matériels modernes le rendement est un peu meilleur mais ce n’est pas très brillant. Les centrales thermiques classiques ont un rendement ( ŋ ) de l’ordre de 40%, (45% pour les plus récentes ). Les centrales thermiques nucléaires ont un ŋ d’environ 30%, car les caractéristiques de la vapeur produite sont médiocres.
Tous les moteurs thermiques ont un ŋ très faible, à titre d’exemple celui d’une voiture est d’à peine 28%.
Une exception toutefois les unités de productions d’énergie électrique dite à “cycle mixte“. Dans cette technologie plus récente la chaleur est générée par la combustion de combustibles fossiles dans la turbine à gaz et éventuellement, en plus, dans la chaudière de récupération ( combustion additionnelle ). La vapeur produite dans la chaudière est dirigée vers une turbine à vapeur qui entraîne un générateur conjointement avec la turbine à gaz ou séparément. Le ŋ est nettement plus élevé de 60 à 65%. Leur inconvénient est que leur coût combustible est très élevé car elle consomme du gaz ou du gazole. Centrale de Saint-Denis 1. ▼
Ce n’était pas encore E.D.F à cette période, mais la Société d’Electricité de Paris. La centrale Saint-Denis 2 fonctionnait à ses débuts au charbon. Le charbon arrivait par barges sur la Seine. Elles étaient vidées au quai de déchargement présenté sur la première photo. Saint-Denis 2 a été mise en service en 1933 et assurait principalement l’alimentation électrique du Métropolitain de Paris et en partie la ligne Paris Le-Mans de la S.N.C.F. les réseaux de la Cie Parisienne de Distribution  d’Electricité et de la Société Nord Lumière. Elle a été ensuite transformée pour avoir comme source d’énergie fossile le fuel. A cette époque celui-ci était abondant et peu cher de plus son stockage nécessite moins de place que celui du charbon.  1 Transformation de l’énergie chimique en énergie calorifique : 
La transformation de l’énergie chimique fossile du fuel ou du charbon en énergie calorifique s’opère dans ce que l’on nomme un générateur de vapeur ( G.V. ). Le combustible pulvérisé par des brûleurs est enflammé dans une enceinte close alimenté en air par des ventilateurs de soufflage. L’enceinte close le G.V. est constitué du tubes métalliques joints parcourus par de l’eau. Les fumées produites par la combustion sont extraites du G.V. par des ventilateurs de tirage et expulsés à l’atmosphère par la cheminée. L’eau chauffée dans les tubes écrans est recueillie dans un ballon où se produit le phénomène de vaporisation. Le ballon du G.V. est une enceinte close où un niveau d’eau est maintenu . Au dessus de ce niveau la vapeur d’eau produite est une vapeur dite saturée, c’est à dire qu’elle contient encore de nombreuses gouttelettes d’eau. Ces gouttelettes sont préjudiciables à la durée de vie de la turbine qui doit recevoir cette vapeur. La vapeur est donc séchée par des sécheurs séparateurs où les gouttelettes sont recueillies. La vapeur  retourne dans le G.V. dans les tubes surchauffeurs où elle est surchauffée et transformée en vapeur sèche. Maintenant cette vapeur peut être admise à la turbine par des conduites sous pression.   A titre indicatif la vapeur sortie du G.V. a une température T°C de 500°C, une pression de 80 bars ( 80 fois la pression atmosphérique )  et un débit de 120 t/h( tonne par heure ). Le ŋ d’un G.V. est de l’ordre de 90%. Il est amusant de constater qu’en 1930 les disjoncteurs étaient aussi gros que les transformateurs. Ce n’est évidement plus le cas de nos jours.
PROCESSUS DE TRANSFORMATION
DE L’ENERGIE
Les tubes écrans du G.V. ▼  2 Transformation de l’énergie calorifique en énergie mécanique : 
La transformation de l’énergie calorifique en énergie mécanique s’opère dans ce que l’on nomme une turbine à vapeur. La vapeur est injectée par l’intermédiaire de soupapes en premier dans le corps haute-pression ( H.P. ) de la turbine. La vapeur sous pression traverse les aubages fixes, qui canalisent la vapeur vers les ailettes mobiles du rotor imprime un mouvement de rotation du rotor en se détendant. La vapeur chemine comme cela tout le long du corps H.P. de la turbine, ressort de celle-ci par une tuyauterie et est réinjectée dans le corps moyenne-pression ( M.P. ). La vapeur se détend à nouveau mais comme elle a déjà travaillé et s’est donc dégradée, elle occupe un volume plus important. C’est pourquoi le corps M.P. est plus gros que le corps H.P. La vapeur sortira ensuite du corps M.P. de la turbine et par une autre canalisation de plus gros diamètre encore sera injectée dans le ou les corps basse-pression ( B.P. ). La vapeur est alors pratiquement complètement détendue et occupe un volume très important et commence à se charger de gouttelettes d’eau. Celle-ci est alors dirigée vers le condenseur où la vapeur d’eau se transformera  en eau. L’eau sera réinjectée au G.V. par une pompe alimentaire haute pression et par l’intermédiaire d’une série de réchauffeurs d’eau. Ces réchauffeurs sont alimentés en énergie calorifique par des prélèvements de vapeur au niveau de la turbine par des soutirages. La boucle est bouclée et il n’y a plus qu’a fournir de l’énergie calorifique au  G.V. pour revaporiser cette eau et ainsi de suite. La vapeur admise à la turbine  a une température T°C de 450°C, une pression de 70 bars ( 70 fois la pression atmosphérique )  et un débit de 100 t/h( tonne par heure ). La température de l’eau a la sortie du condenseur est de 30°C et une pression 30 à 40 mbar. Cette pression est inférieure à la pression atmosphérique, c’est pour cela qu’on utilise l’expression de vide au condenseur. La vitesse de rotation de la turbine est de 50 tours par seconde ou 3000 tours par minute.Le ŋ d’une turbine est de l’ordre de 70%.  3 Transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique: 
La transformation de l’énergie mécanique s’opère dans ce que l’on nomme un alternateur. La turbine est reliée mécaniquement par l’intermédiaire d’un arbre à l’alternateur. Très peu de distance sépare la turbine de l’alternateur. Les deux sont assemblé au moyen d’un manchon d’accouplement. En réalité la turbine, l’alternateur, la génératrice ou excitatrice, sont sur le même axe de transmission. Ces différentes pièces alignées les unes derrière les autres font partie d’un ensemble nommé groupe turbo-alternateur G.T.A. La longueur de l’ensemble peut être de 20 à 30 m. Une telle ligne d’arbre doit être parfaitement alignée. Rappelons que l’ensemble tourne à 3000 tours par minute et que la masse tournante est très importante. L’alternateur, chargé de transformer l’énergie mécanique en énergie électrique est la pièce la plus petite de toute l’installation. L’alternateur est constitué d’une partie statique appelé le stator et d’une partie rotative le rotor. Grossièrement le stator est constitué de trois bobinages de cuivre décalés chacun de 120°. Ils seront le siège de courant et tension générés par  un effet électromagnétique du à un champ tournant magnétique important ( un gros aimant de type Nord-Sud ). Le rotor joue le rôle de ce gros aimant. Il est constitué de grosses barres de cuivre traversées par un courant électrique important. Les barres de cuivre sont noyées dans un assemblage de tôles magnétiques. C’est l’excitatrice située en bout d’arbre du G.T.A. qui fournira le courant électrique au rotor. Le flux magnétique du rotor est concentré sur les deux pôles N et S. Pour bien magnétiser les trois bobinages du stator, les têtes des pôles N et S passe très près de ceux-ci. C’est l’entrefer ce petit espace de un à deux millimètres qui permet de concentrer au maximum les lignes de forces du champ magnétique et qui permet aussi d’assurer la rotation du rotor. Plus cet entrefer est petit, meilleur sera le champ magnétique reçu par le stator. La puissance  générée par l’alternateur est de 50 MW sous une tension ( U ) de 10,5 kV. Le G.T.A. tournant à 50 tours par seconde et l’alternateur ayant un pôle N et S donc un P pôle la fréquence  du courant alternatif sera de 50 Hz. 
f = P x n
 f en Hertz, P = nombre de pôle et n = vitesse de rotation en tours par seconde.
Pour ces machines de faible puissance le refroidissement de l’alternateur est assuré par l’air ambiant. Le ŋ d’un alternateur est de l’ordre de 98%. La turbine ▼ A gauche de l’homme le corps H.P. ▲
Au milieu le corps M.P.et part et d’autre les corps B.P. L’alternateur et l’excitatrice en bout d’arbre. ▼  3bis Préparation de l’énergie électrique au transport : 
L’énergie électrique ne peut être transportée telle qu’elle dans les lieux de consommation. Pour assurer son transport dans les meilleures conditions il faut élever la tension U.  
Pourquoi est-il nécessaire d’élever la tension de transport ?         
A cause d’un dénommé monsieur James Prescott JOULE physicien anglais ( 12-1818 - 10-1889 ). Enfin ce n’est pas vraiment de sa faute mais c’est lui qui a démontré le phénomène avec sa loi :

P = R I²
P = puissance en Watt ( W ) R = la résistance du conducteur en Ohm ( Ω ) I = intensité du courant électrique dans le conducteur en Ampère ( A ).

Ce qui veut dire quoi ? La puissance dissipée dans un conducteur est proportionnelle au carré de l’intensité le parcourant. Pour diminuer la puissance dissipée  au sein du conducteur qui ne sert à rien d’autre que de réchauffer les oiseaux ( formule consacrée ), on s’aperçoit que la seule possibilité est de diminuer l’intensité du courant   transporté car la résistance du conducteur est donnée par construction. L’énergéticien choisira donc un matériau le plus conducteur ou le moins résistant possible.
C’est monsieur Georg OHM physicien allemand ( 03-1787 - 07-1854 ) qui nous donne la solution avec sa très célèbre loi d’ Ohm :
U = R I
U en Volt ( V ) R en Ohm ( Ω ) I en Ampère ( A )
Si nous triturons sa formule nous obtenons :
I = U / R
Pour baisser la valeur de l’intensité I nous n’avons d’autre choix que d’élever la tension U. CQFD

Le choix s’est porté sur un tension de 60 kV à cette époque ( 60 000 Volts ). Quelques valeurs de résistivité des métaux. ▼ Il apparaît nettement que l’argent est le meilleur conducteur parmi tous les métaux ci-dessus, avec une résistivité de de 16x10-9 Ω.m. Pour des critères économiques le cuivre a été retenu dans un premier temps. 
N.B. Heureusement que les conducteurs ne sont plus en cuivre aujourd’hui et à fortiori en argent. Avec tous les vols perpétrés de nos jours nous n’aurions plus d’électricité pour faire fonctionner tous nos appareillages. Vue générale du poste d’évacuation de l’énergie électrique  . ▼ Vue d’un transformateur à trois enroulements monophasés  . ▼ Vue d’un disjoncteur à gros volume d’huile. ▼ -
Mise à jour : le 3 janvier 2008 10:43
Maintenant que vous connaissez le principe des différentes transformations de l’énergie, voyons chaque étape en détail.
Je vous invite à voir en premier le générateur de vapeur appelé communément chaudière.
Je vous invite à voir en deuxième la turbine à vapeur.
Je vous invite à voir en troisième l’alternateur.
 
 
 
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