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RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE

Ministè

re de l"Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique U niversité H assiba B enbouali C hlef

Faculté de Technologie

Département d"Electro

t echnique

Polycopié de Cours

Licence 2P

ème

P Année

I ntitulé

Product

ion de l'Energie Electrique

Dr. TEBANI HOCINE

Maître

de Conférences classe B

2019 / 2020

Production de l'énergie électrique

AVANT

PROPOS

Ce polycopié est destiné à être utilisé comme un manuel par les étudiants en deuxième année Electrotechnique dans le domaine de la production de l'énergie

électrique. Il a été rédigé dans le but de permettre d'avoir un outil de travail et de

référence recouvrant les connaissances qui leur sont demandés. Le manuscrit est constitué de cours, il est conforme aux programmes agrée par le ministère. Sa présentation didactique est le fruit de plusieurs années d'expérience pédagogique par l'auteur. Son contenu résulte de la lecture de nombreux ouvrages et documents dont les plus importants sont cités dans les références bibliographiques. La production de l'énergie électrique consiste en différentes chaines énergétiques qui s'effectuent dans des sites industriels a ppelés centrales électriques, à cet effet, nous avons jugé utile d'ajouter au programme officiel un

cours introductif intitulé " généralités sur l'énergie » dans lequel sont expliquées

les sources, les formes ainsi que toutes les transformations d'énergie possibles. Bien que l'élaboration de ce manuscrit ait été faite avec le plus grand soin, le contrôle que nous avons pu faire de notre travail n'est pas absolu, et il serait

étonnant qu'il ne subsiste pas d'erreurs.

Dr. TEBANI Hocine

Production de l'énergie électrique

TABLE DES MATIERES

GENERALITES SUR L"ENERGIE ................................................................ 01

1. DEFINITION ............................................................................................... 01

2. LES SOURCES D'ENERGIE .......................................................................... 01

3. CHAINE ENERGETIQUE .............................................................................. 01

4. LES FORMES D'ENERGIE ............................................................................ 01

4.1 ENERGIES LIBRES .................................................................................. 01

4.2 ENERGIES STOCKEES

............................................................................. 02

5. TRANSFORMATIONS DE L'ENERGIE

........................................................... 03

5.1. TRANSFORMATIONS DES FORMES D'ENERGIE LIBRE ............................... 03

5.2. LIBERATION DE L'ENERGIE STOCKEE

....................................................... 05

5.3. STOCKAGE DE L'ENERGIE

....................................................................... 05 HISTORIQUE DE LA PRODUCTION D'ELECTRICITE.............................. 06

1. L'ENERGIE AU FIL DES TEMPS ................................................................... 06

2. DE LA DECOUVERTE DU FEU AҒ EOLE : LES PREMIERES SOURCES

D"ENERGIE ................................................................................................. 06

3. LA REVOLUTION INDUSTRIELLE GRACE A L'ENERGIE ............................... 06

4. LA NECESSITE D'UNE NOUVELLE POLITIQUE ENERGETIQUE ................... 07

5. BREF HISTORIQUE SUR LA PRODUCTION DE L'ELECTRICITE : ................. 07

PRODUCTION DE L'ÉNERGIE ÉLECT

RIQUE ........................................... 09

1. INTRODUCTION .......................................................................................... 09

2. DEFINITIONS ............................................................................................. 09

3. APPEL DE PUISSANCE D'UN RESEAU ......................................................... 10

4. MODES DE PRODUCTION DE L'ENERGIE ELECTRIQUE ............................. 10

CENTRALE THERMIQUE A VAPEUR ......................................................... 12

1. INTRODUCTION .......................................................................................... 12

2. ORGANISATION D'UNE CENTRALE THERMIQUE ......................................... 13

3. DIAGRAMME ENERGETIQUE D'UNE CENTRALE THERMIQUE .................... 14

4. SELECTION DU SITE POUR LA CENTRALE THERMIQUE ............................. 15

4.1 APPROVISIONNEMENT EN CARBURANT ..................................................... 15

4.2 DISPONIBILITE DE L'EAU

......................................................................... 15

4.3 FACILITE DE TRANSPORT

......................................................................... 15

4.4 TYPE DE TERRAIN

................................................................................... 16

4.5 PRES DU POSTE ELECTRIQUE:

................................................................. 16

4.6 DISTANCE DE LA ZONE D'HABITATION

...................................................... 16

5. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 16

CENTRALE THERMIQUE A GAZ ................................................................ 17

1. INTRODUCTION .......................................................................................... 17

2. TURBINES À COMBUSTION (TAC) ............................................................... 17

3. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 18

CENTRALE THERMIQUE A CYCLE COMBINE ......................................... 20

1. INTRODUCTION .......................................................................................... 20

Dr. TEBANI Hocine

Production de l'énergie électrique

2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ............................................................... 20

3. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 21

CENTRALE NUCLEAIRE .............................................................................. 22

1. INTRODUCTION ......................................................................................... 22

2. COMPOSITION DU NOYAU ATOMIQUE ....................................................... 22

3. ENERGIE LIBEREE PAR LA FISSION .......................................................... 23

4. REACTION EN CHAINE ................................................................................ 23

5. FILIERES DE REACTEURS NUCLEAIRES .................................................... 24

6. REACTION NUCLEAIRE PAR FUSION .......................................................... 25

7. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 26

CENTRALE HYDRAULIQUE ........................................................................ 27

1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ................................................................ 27

2. PUISSANCE DISPONIBLE ............................................................................. 27

3. DIFFERENTES CENTRALES HYDRAULIQUES .............................................. 28

3.1 LES CENTRALES DE HAUTES CHUTES : h > 300M ..................................... 28

3.2 LES CENTRALES DE MOYENNES CHUTES : 30M < h < 300M

........................ 28

3.3 LES CENTRALES DE BASSES CHUTES : h < 30M

......................................... 29

4. LES STATIONS DE POMPAGES ..................................................................... 29

5. PARTIES PRINCIPALES D'UNE CENTRALE HYDRAULIQUE .......................... 30

5.1

BARRAGE ............................................................................................... 30

5.2

CONDUITE D'AMENEE

............................................................................. 30 5.3

CONDUITE D'ECHAPPEMENT

.................................................................... 30 5.4

SALLE DE COMMANDE

............................................................................. 30

6. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 30

1. PRINCIPE .................................................................................................... 31

2. TECHNOLOGIE ............................................................................................ 31

.................................................. 33 ........................................ 34

3.2 LES INSTALLATIONS RACCORDEE AU RESEAU DE DISTRIBUTION PUBLIC .... 35

4. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 36

5. TECHNOLOGIE DE CAPTEURS .................................................................... 36

6. COMPARAISON DES 03 PRINCIPALES TECHNOLOGIES DE CAPTEURS ...... 37

ENERGIE EOLIENNE ................................................................................... 38

1. QU'EST-CE QUE L'ENERGIE EOLIENNE ..................................................... 38

2. FONCTIONNEMENT D'UNE EOLIENNE ........................................................ 38

2.1 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L'EOLIENNE A AXE VERTICAL .............. 39

2.2 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L'EOLIENNE A AXE HORIZONTAL

.......... 40

3. COMPOSANTS D'UNE EOLIENNE A AXE HORIZONTAL ............................... 40

4. CRITERES DE CHOIX DE SITES EOLIENS ................................................... 41

5. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 43

Dr. TEBANI Hocine

Production de l'énergie électrique

ENERGIE DE LA BIOMASSE ....................................................................... 44

1. INTRODUCTION .......................................................................................... 44

2. DIVERSITE DES RESSOURCES & DIVERSITE DES USAGES ....................... 44

2.1 TRANSFORMATION PAR COMBUSTION ....................................................... 44

2.2 TRANSFORMATION PAR GAZEIFICATION

.................................................... 45

2.3 TRANSFORMATION PAR METHANISATION

................................................... 45

2.4 PRODUCTION DES BIOCARBURANTS

........................................................ 45

3. DIVERSITE DES OPPORTUNITES ................................................................ 46

4. CENTRALES ELECTRIQUES A COMBUSTION BIOMASSE SOLIDE ............... 46

5. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 47

ENERGIE GEOTHERMIQUE ........................................................................ 48

1. INTRODUCTION ........................................................................................... 48

2. ORIGINE DE LA GÉOTHERMIE .................................................................... 48

3. LE GRADIENT GÉOTHERMIQUE .................................................................. 48

4. LE FLUX GEOTHERMIQUE .......................................................................... 48

5. CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DE LA GÉOTHERMIE ............................. 48

6. LA GEOTHERMIE MOYENNE ET HAUTE ENERGIE ...................................... 49

7. AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS ............................................................... 50

LA PILE A COMBUSTIBLE .......................................................................... 51

1. PRESENTATION GENERALE ........................................................................ 51

2. DIFFERENTS TYPES ET FONCTIONNEMENT TECHNIQUE ......................... 52

2.1 PILE A COMBUSTIBLE A MEMBRANE D'ECHANGE DE PROTONS ................... 52

2.2 PILE A COMBUSTIBLE ALCALINE

............................................................... 53

3. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ............................................................... 55

PRODUCTION DE L'ENERGIE ELECTRIQUE EN ALGERIE .................... 56

1. INTRODUCTION .......................................................................................... 56

2. HISTORIQUE DE LA SOCIETE DE PRODUCTION D'ELECTRICITE " SPE » .... 56

3. LA PRODUCTION D'ELECTRICITE EN ALGERIE ........................................... 57

4. PRINCIPAUX PRODUCTEURS D'ELECTRICITE EN ALGERIE ...................... 58

5. CAPACITE DE PRODUCTION ET POTENTIALITES EN ENERGIE ELECTRIQUE ....... 58

5.1 CENTRALES DE PRODUCTION NATIONALE SPE

........................................... 58

5.2 PLAN DE DEVELOPPEMENT DU PARC DE PRODUCTION SPE ........................ 60

5.3 CAPACITES DES ENERGIES RENOUVELABLES .......................................... 61

5.4 PLAN DE DEVELOPPEMENT DES ENERGIES RENOUVELABLES

.................... 62 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ......................................................... 63

Dr. TEBANI Hocine

Production de l'énergie électrique

GENERALITES SUR L'ENERGIE

1. DEFINITION

L'énergie est définie en physique comme la capacité d'un système à produire un travail, entraînant un mouvement ou produisant par exemple de la lumière, de la chaleur ou de l'électricité. L'énergie ne disparaît jamais ; elle se transforme d'une forme en une ou plusieurs autres. Elle s'exprime en joules ou en kilowattheure (kWh).

2. LES SOURCES D'ENERGIE

On désigne par énergies primaires les formes d'

énergie telles quelles sont

captées dans la nature. Les principales ressources énergétiques sont résumées dans le tableau suivant : Sources d'énergie Avantages Inconvénients Fossiles : - Pétrole - Gaz - charbon

Faciles à exploiter

Production de COR

2 R

Epuisable

Nucléaire

Moins cher aujourd"hui.

Moins de CO

R 2 R

Epuisable

Déchet radioactifs

Risque d'accident

nucléaire. Renouvelables: - Eau -Soleil (thermique et photovoltaïque) - Vent - biomasse (bois, plantes...) - Géothermie

Inépuisables à notre échelle.

Peu ou non polluantes

Ne peuvent être

implantée de partout.

Coût plus élevé.

Faible puissance.

Fabrication recyclage

des cellules photovoltaïque 3. CHAINE ENERGETIQUE Une quantité d'énergie qui passe du stade d'énergie primaire à celui d'énergie utile suit une série de processus de transformations bien définies et de transports. Cette série de processus constitue une chaîne énergétique.

4. LES FORMES D'ENERGIE

On peut distinguer diverses formes d'énergie qui, peuvent se transformer l'une en l'autre; " formes d'énergie libre (manifeste)» et " formes d'énergie stockée (potentielle) ». 4.1 ENERGIES LIBRES Sont celles sous lesquelles apparaît l'énergie lorsqu'elle est utilisée. Si nous nous référons à notre expérience quotidienne, nous pouvons distinguer quatre formes d'énergie libre (directement perceptible). Dr. TEBANI Hocine Page 1

Production de l'énergie électrique

Le rayonnement, visible (lumière) ou invisible (ondes de radio, rayons X, etc.). Il s'agit, fondamentalement du déplacement dans l'espace de particules, le plus souvent des photons se propageant à la vitesse de la lumière (environ 300 000 km/s) La chaleur: un apport de chaleur conduit à une augmentation de température (par exemple, un radiateur) et inversement (réfrigérateur). L'énergie cinétique, associée au mouvement. L'électricité. Pour des raisons pratiques, cette forme a vu un développement industriel considérable. Ce n'est pas, à proprement parler, une énergie " visible » mais comme on sait qu'il s'agit du déplacement d'un " courant électrique » (en fait des électrons) dans des conducteurs, on peut qualifier de " libre » cette forme d'énergie. Il existe des appareillages plus ou moins courants permettant de transformer l'une en l'autre ce s quatre formes d'énergie libre.

4.2 ENERGIES STOCKEES

S'il paraît difficile de stocker l'énergie sous forme de rayonnement ou de courant électrique (sauf peut-être dans un circuit supraconducteur), il est envisageable, en revanche, de stocker l'énergie sous forme de chaleur : l'énergie géothermique, constituée de la chaleur emmagasinée au sein de la Terre dégagée par la radioactivité naturelle. Cinétique : le vent, dont l'éolienne capte l'énergie cinétique Par exemple, pour réduire votre facture d'électricité, vous pouvez utiliser de l'électricité pendant la nuit, lorsque les kilowattheures sont moins chers, pour chauffer des briques et accumuler ainsi de la chaleur, puis récupérer cette chaleur pendant la journée pour votre chauffage domestique. En ce qui concerne l'énergie cinétique, le volant d'inertie d'un moteur représente un exemple de stockage d'énergie sous cette forme (en fournissant de l'énergie pendant les temps morts de la combustion, ce volant permet de pallier les

à-coups).

C'est cependant sous forme d'énergie potentielle qu'il est, en général, plus intéressant de stocker l'énergie. Le principe général est semblable à celui de l'exemple pris ci-dessus, celui de l'élastique de la fronde : on accumule de l'énergie potentielle en faisant travailler une force " à l'envers » c'est-à-dire dans le sens inverse de celui dans lequel elle s'exerce ; en laissant, ensuite, travailler cette force dans son sens, l'énergie potentielle emmagasinée sera libérée. L'énergie gravitationnelle (la force de la pesanteur) peut trouver davantage d'applications industriel les. Limitons-nous à deux exemples : L'horloge à poids, à qui l'on fournit de l'énergie en remontant le poids et qui l'utilise ensuite au fil des jours pour vaincre les frottements des mécanismes Le barrage hydroélectrique, dont le lac constitue une réserve disponible pour compléter, si nécessaire, d'autres sources de production d'électricité. Dr. TEBANI Hocine Page 2

Production de l'énergie électrique

L'énergie chimique utilise les forces, de nature électromagnétique, reliant les atomes au sein des molécules : en réarrangeant les atomes pour former de nouvelles molécules à partir des molécules initiales, on fait travailler, dans un sens ou dans l'autre, les forces de liaison entre les atomes, et on libère ou on stocke de l'énergie . Exples: les stocks naturels que sont les réserves de charbon, pétrole et gaz qui se sont constitués à partir du rayonnement solaire; et, parmi les applications industrielles: l'essence utilisée par une voiture, la pile électrique ou la batterie, etc. L'énergie nucléaire utilise les forces agissant entre les nucléons (protons et neutrons) des noyaux atomiques. Là aussi, en réarrangeant différemment ces nucléons, on peut espérer faire travailler ces forces, changer ainsi l'énergie interne et stocker ou libérer de l'énergie. En pratique, seule une libération d'énergie nucléaire est réalisable industriellement, soit en cassant de gros noyaux (fission ), soit en assemblant de petits noyaux (fusion). Dans les deux cas, l'énergie libérée est obtenue sous forme de chaleur. Seule l'énergie de fission a aujourd'h ui une application industrielle; la matière à la base de cette source d'énergie est l'uranium (le thorium pourrait aussi être utilisé ). L'énergie de fusion pourrait s'avérer prometteuse à long terme si les difficultés techniques de sa mise en oeuvre sont surmontées; les matières à la base de cette source sont le deutérium (l'isotope rare de l'hydrogène) et le lithium.

5. TRANSFORMATIONS DE L'ENERGIE

5.1. TRANSFORMATIONS DES FORMES D'ENERGIE LIBRE

Comme nous l'avons vu, les quatre formes d'énergie libre sont l'

énergie

rayonnante, l'énergie thermique (ou chaleur), l'énergie mécanique (ou cinétique) et l' énergie électrique. Cela fait douze transformations susceptibles d'être réalisées : toutes sauf deux ont des applications dans la vie courante ou dans l'industrie.

Figure

1: Les principales transformations des formes d'énergie libre

Transformation de l'énergie rayonnante en énergie thermique : elle est réalisée, par exemple, par les capteurs de rayonnement solaire fournissant l'eau sanitaire pour une habitation ou pour échauffer un fluide en vue d'une production d'électricité. Transformation de l'énergie rayonnante en énergie mécanique: cette transformation est à l'origine de la poussée de radiation qui fait que la queue des Dr. TEBANI Hocine Page 3

Production de l'énergie électrique

comètes est toujours à l'opposé du Soleil. La force de cette poussée est faible et elle n'a pas trouvé d'application industrielle (peut-être sera-t-elle un jour utilisée e n astronautique). Transformation de l'énergie rayonnante en énergie électrique: cela est réalisé dans les convertisseurs photovoltaïques, par exemple les panneaux solaires d'un satellite artificiel ou à usage domestique. Transformation de l'énergie thermique en énergie rayonnante: c'est l'incandescence, c'est-à-dire l'émission spontanée de rayonnement par les corps à une température non nulle et cela d'autant plus que la température est élevée ; exemple: le rayonnement du Soleil, dont la surface est à environ 6 000 ºC. Transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique: c'est que ce réalisent la machine à vapeur et, plus généralement, les turbines et moteurs thermiques, tels ceux des voitures automobiles. Transformation de l'énergie thermique en énergie électrique: cette conversion directe est réalisée dans les convertisseurs thermoélectriques (par exemple, les thermocouples utilisés pour des mesures de température) et thermoïoniques. (Industriellement, on passe plus souvent par l'intermédiaire de l'énergie méca nique, par exemple dans les centrales électriques classiques ou nucléaires). Transformation de l'énergie mécanique en énergie rayonnante : elle est observée dans le bremsstrahlung (rayonnement de freinage ou rayonnement synchrotron) utilisé dans des accélérateurs de particules pour créer un rayonnement intense de photons, tel

Soleil à Saint-Aubin (Essonne) ; mais cette

transformation n'a pas d'autre application industrielle. Transformation de l'énergie mécanique en énergie thermique: cette transformation est inévitable dans des frottements et des chocs ; elle est, par exemple, observée dans les freins qui chauffent. Transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique : ce sont lesquotesdbs_dbs46.pdfusesText_46

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