Turbine à vapeur

La grande majorité de la production électrique (charbon, gaz, pétrole, nucléaire, mais aussi solaire thermique...) consiste à utiliser de la chaleur pour faire bouillir de l'eau et faire passer la vapeur dans une turbine. Une turbine à vapeur est donc un générateur thermique, et c'est donc la thermodynamique qui s'applique ici.

La conception entière d'un générateur à vapeur est basée sur un transfert adiabatique du travail : l'idée est de minimiser les transferts de température pour optimiser les échanges entre réservoir à pression haute et volume restreint et réservoir à pression basse et grand volume.

Au point a, on a une vapeur à haute pression. On laisse cette vapeur s'étendre vers la zone de basse pression et on récupère son travail entre a et b.

Au point b, la vapeur fini son chemin dans un condenseur. Comme la vapeur devient liquide, de l'énergie est échangée avec l'environnement - en général dans une tour de refroidissement. Le liquide est alors pompé à haute pression jusqu'à la chaudière.

Au point d, la chaleur produite par la chaudière change à nouveau la phase de l'eau et le cycle recommence.

Le rendement d'un tel processus est simplement la différence entre l'énergie ajoutée pour changer la phase de l'eau en vapeur et celle récupérée lors de la chute de pression de la vapeur.

La quantité de travail fournie par chaque cycle est représentée dans ce diagramme PT par l'air comprise entre les deux courbes. Il est intéressant de noter que ce travail dépend de la température du réservoir chaud et de celle du réservoir froid. La rapidité à laquelle un condenseur peut condenser l'eau est donc primordiale dans le fonctionnement d'un générateur de ce type.

Maintenant, si on sait comment faire ce travail, il faut élaborer une stratégie pour le récupérer. Pour ce faire, on converti ce travail en énergie mécanique au moyen d'une turbine.

Une turbine à vapeur consiste en plusieurs étages de roues tournant sous l'impulsion de la vapeur allant d'une zone chaude à une zone froide. Il existe deux types d'étages: 

• impulsion : la vapeur pousse les pales ou "couteaux"; cela a pour effet de décroître la vitesse de la vapeur
• réaction : la vapeur sort de tuyères, entraînant par la troisième loi de Newton le rotor ; cela a pour effet de décroître la pression

Les turbines modernes ont des efficacités de l'ordre de 50%.

Turbines à air ou à eau

Les éoliennes et les turbines hydrauliques fonctionnent sur le même principe : un courant d'air ou d'eau passent au travers d'une turbine, faisant tourner ses pales, et cette énergie cinétique est convertie par induction en énergie électrique. Les éoliennes convertissent donc l'énergie cinétique du vent en énergie électrique; les turbines hydrauliques convertissent l'énergie potentielle gravitique de l'eau dans un barrage en énergie électrique.

Dans le cas d'une éolienne, on a d'abord l'énergie cinétique du vent, qui est exprimée en terme de masse volumique, de surface de l'éolienne S et de distance parcourue x.

Prenant la dérivée pour le temps, on obtient la puissance.

Mais bien sûr, toute l'énergie cinétique n'est pas récupérée - le vent ne s'arrête pas à l'éolienne. La limite de Betz est un coefficient qui établit la puissance maximale théorique d'une éolienne. Ce coefficient est égal à seize vingt-septième.

On en conclut que la puissance d'une éolienne dépend de son rayon au carré et de la vitesse du vent au cube. On a donc tout intérêt à privilégier l'installation de grandes éoliennes dans des endroits venteux.

Les éoliennes sont conçues pour atteindre leur puissance maximale à des vents d'environ 100 km/h. En effet, la force centrifuge ne permet pas à une éolienne de fonctionner normalement au delà de cette vitesse sans risquer l'intégrité des pâles et du rotor. L'efficacité énergétique des éoliennes penne à atteindre les 10%, mais il faut considérer que le vent, à la différence de l'uranium ou du charbon, ne coûte rien et n'est pas polluant.

Les turbines hydrauliques elles aussi utilisent une source d'énergie inépuisable et on ne peut plus propre : la pluie. Ici, c'est la gravité agissant sur l'eau d'un lac qui est la cause de la force permettant la production d'énergie.

La pression à la turbine est fonction de la hauteur du fluide :

En multipliant la masse volumique par un volume, on obtient une masse, et l'expression donne une énergie. En prenant la dérivée pour le temps, on obtient un débit volumique D_V et une puissance maximale théorique.

La puissance maximale dépend donc du dénivelé et du débit d'un barrage hydroélectrique. Une turbine hydroélectrique converti donc le débit de l'eau en énergie cinétique. On mentionnera les turbines Pelton, les plus communément utilisées,

Il faut noter à ce stade que toutes ces technologies dont nous avons parlé ne font que convertir une énergie (débit de l'eau, vent, vapeur) en énergie mécanique. Au bout du rotor se trouve une génératrice qui converti cette énergie mécanique en énergie électrique en utilisant le phénomène d'induction électrique : des aimants ou des électroaimants passent devant des bobines (en général trois), induisant un courant triphasé dont une partie peut être mise sur le réseau, mais une autre gagnerait à être stockée.

Photovoltaïque

Physiquement parlant, le plus court chemin entre la source principale d'énergie sur Terre (le Soleil) et l'énergie électrique passe par le phénomène photovoltaïque. Le vent et l'eau d'un barrage passent par des différentiels de pression et par l'évaporation de l'eau ; les énergies fossiles passent par les plantes et leur décomposition sur des centaines de millions d'années ; et l'uranium nous vient de l'explosion d'une supernova il y a des milliards d'années. Donc, théoriquement parlant, l'énergie photovoltaïque est la plus efficace puisqu'elle passe par moins d'intermédiaires. En fait, l'énergie photovoltaïque a, ces dernières années, supplanté le charbon comme source d'électricité au niveau économique. Mais nous n'en sommes qu'au début...

Le phénomène photovoltaïque est simplement l'observation qu'un courant électrique est produit dans certains matériaux lorsqu'ils sont exposés à une lumière d'une fréquence spécifique au matériau. Cette fréquence correspond à l'énergie nécessaire pour amener un électron de sa bande de valence à sa bande de conduction - là où l'électron est libre de se déplacer d'atome en atome.

La constante h est la constante de Planck, égale à 6,626.10^-34 m².kg.s^-1.

Pour utiliser ce phénomène pour produire de l'électricité, on a besoin d'utiliser des matériaux semi-conducteurs, qui ne conduisent l'électricité que lorsque soumis à un champ électrique. On utilise en général le silicium, mais de nouvelles technologies émergent utilisant d'autres matériaux.

En "dopant" le silicium avec un élément riche en électrons comme le phosphore, on crée une anode n - un matériau avec un surplus d'électrons. En le dopant avec un élément pauvre en électrons comme le bore, on crée une cathode p. Accolant la cathode et l'anode on crée le champ électrique qui permet aux électrons dans la bande de conduction de se déplacer de l'une à l'autre des électrodes.

Si on dispose un isolant entre la cathode et l'anode, l'électron ne peut plus passer. Lorsqu'une particule de lumière - un photon - lui donne l'énergie nécessaire pour atteindre la bande de conduction, on le dirige de la première électrode à la seconde au moyen d'un conducteur. On récupère donc un courant continu.

Il est usuel de parler d'électrons et de trous pour décrire le fonctionnement d'une cellule photovoltaïque : le passage de l'électron de l'anode à la cathode provoque le passage d'un trou de la cathode à l'anode, et le cycle peut continuer indéfiniment.

Un installation photovoltaïque comprend plusieurs panneaux montés en série, eux mêmes composées de plusieurs cellules photovoltaïques. Le courant continu est acheminé vers un onduleur qui le converti en signal alternatif avant de le mettre sur le réseau.

On notera que l'énergie primaire pour l'électricité est abondante et gratuite : il s'agit du rayonnement solaire. On appelle irradiance la quantité d'énergie lumineuse par mètre carré reçue par une surface. Sur Terre, une surface perpendiculaire au soleil reçoit environ un kilowatt par mètre carré. Cependant, cette valeur ne prend pas en compte l'ensoleillement moyen d'un région. On utilise alors l'irradiation solaire moyenne annuelle, en kW.h.m^-2.an^-1. En associant cette valeur à l'efficacité énergétique moyenne d'un panneau solaire (de 10 à 20 %), on peut estimer la quantité d'énergie produite par an par une installation photovoltaïque.