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Le mystère des centrales thermiques : comment convertir la vapeur à haute température en électricité ?
En tant que source importante d’approvisionnement mondial en électricité, les centrales thermiques sont responsables de la production d’environ 70 % de l’électricité mondiale. Ces centrales électriques utilisent l’énergie thermique générée par divers combustibles (tels que le charbon, le gaz naturel et le combustible nucléaire) et la transfèrent à des équipements de production d’électricité pour réaliser une conversion d’énergie électrique. Cependant, les principes scientifiques et les techniques d’ingénierie impliqués dans ce processus sont peu connus.
Dans une centrale thermique, l’énergie thermique est convertie en énergie mécanique puis en énergie électrique, un processus qui suit une série de cycles thermodynamiques.
Le principe de fonctionnement d’une centrale thermique peut être simplifié en quelques étapes principales. Tout d’abord, le combustible brûle dans la chaudière pour produire des gaz à haute température, qui à leur tour chauffent l’eau de la chaudière pour former de la vapeur à haute pression. Cette vapeur à haute pression est ensuite dirigée vers la turbine, où elle fait tourner les pales de la turbine. Le mouvement de rotation de la turbine est connecté à un générateur et ensuite converti en électricité. L’efficacité de ce processus dépend de la précision de la conversion de l’énergie thermique, ainsi que de la qualité et des caractéristiques du combustible utilisé.
Différents cycles thermodynamiques ont des efficacités différentes et, dans le classement, le cycle de Rankine est généralement plus efficace que les autres cycles.
Par exemple, le cycle de Rankine consiste à évacuer le gaz à basse pression vers un condenseur, où il est refroidi puis réinjecté dans le processus de chauffage pour produire davantage de vapeur à haute pression. La conception des centrales thermiques dépend fortement de la source d'énergie utilisée. Outre les combustibles fossiles et l'énergie nucléaire, de plus en plus de centrales commencent à explorer l'utilisation de l'énergie géothermique, de l'énergie solaire et des biocarburants.
Les centrales à charbon ne produisent pas seulement de l'électricité, mais certaines utilisent également la chaleur perdue pour le chauffage industriel ou le dessalement de l'eau de mer, une technologie dite de cogénération (CHP), qui améliore l'efficacité globale. À mesure que la technologie progresse, des centrales thermiques supercritiques et ultra-supercritiques sont apparues, permettant aux centrales électriques de fonctionner à des températures et des pressions plus élevées pour améliorer l’efficacité et réduire les émissions.
Cependant, l’exploitation des centrales thermiques traditionnelles pose également des défis environnementaux : les gaz à effet de serre et les substances nocives libérés par la combustion des combustibles fossiles continuent d’affecter le climat mondial.
Face aux enjeux environnementaux, la technologie de captage et de stockage du carbone (CSC) a progressivement gagné en popularité malgré ses coûts de mise en œuvre élevés. Les gouvernements et les organisations internationales encouragent également des politiques visant à réduire les émissions nocives et à promouvoir la production d’énergie propre pour relever les défis du changement climatique.
Histoire et situation actuelle de la production d'énergie thermique
Si l'on regarde l'histoire, les moteurs à vapeur à pistons sont utilisés pour générer de l'énergie mécanique depuis le 18e siècle, et le développement des turbines à vapeur a considérablement amélioré l'efficacité de la production d'électricité. Dans les années 1880, avec le brevetage de la turbine à vapeur, l'efficacité des centrales électriques s'est considérablement améliorée et les machines à piston traditionnelles sont devenues obsolètes.
Actuellement, les sources d’énergie renouvelables reposant sur l’énergie hydraulique et éolienne deviennent également progressivement une part importante du réseau électrique moderne.
Alors que les centrales thermiques dominent toujours la production mondiale d’électricité, la demande de la société en énergie renouvelable augmente. Cela favorise également la transformation des anciennes centrales électriques et leur adaptation à un système énergétique plus propre.
Sur le plan technique, les chaudières traditionnelles et les cycles à vapeur ont évolué vers diverses formes pour répondre à divers besoins. Par exemple, dans une centrale nucléaire, le générateur de vapeur est conçu spécifiquement pour l’échange de chaleur afin de relier deux systèmes : le réacteur et la production d’électricité.
Ces innovations de conception améliorent non seulement l’efficacité opérationnelle mais renforcent également la sécurité.
Dans une centrale thermique, la chaudière est l’un des composants principaux. Son fonctionnement consiste en une série de tubes en acier haute pression qui convertissent le carburant grâce à une technologie de combustion efficace, transformant l'eau en vapeur à haute température, qui à son tour entraîne la turbine.
De plus, la conception du condenseur affecte également l’efficacité de la centrale électrique. Sa fonction est de refroidir la vapeur évacuée de la turbine et de la transformer en eau, lui permettant ainsi de rentrer dans la chaudière. La température de l’eau de refroidissement affecte directement l’efficacité de la condensation de la vapeur, affectant ainsi l’utilisation énergétique de l’ensemble de la centrale électrique.
De nombreuses centrales thermiques choisissent désormais également d’utiliser des systèmes de refroidissement à recirculation, qui puisent l’eau froide dans des réservoirs ou dans l’océan pour réduire la température de fonctionnement du condenseur, améliorant ainsi encore l’efficacité.
ConclusionAvec l'importance croissante des énergies renouvelables et des politiques environnementales, les centrales thermiques sont contraintes de se transformer. La façon dont la future structure énergétique équilibrera la demande énergétique et les objectifs de protection de l'environnement constituera un test pour l'approvisionnement mondial en électricité. Dans cette transformation, quel rôle joueront l’innovation technologique et la promotion des politiques ?
