CENTRALES THERMIQUES A FLAMME FONCTIONNEMENT Les centrales thermiques à flamme transforment en électricité une énergie mécanique obtenue à partir d’une énergie thermique. L’énergie thermique provient de la combustion d’une énergie fossile. En fonction du combustible utilisé, il y a trois types de centrales thermiques à flamme : • les centrales au charbon • les centrales au fioul • les centrales au gaz Les centrales au charbon sont les plus répandues dans le monde dans les pays disposant de réserves importantes (Etats-Unis, Russie, Chine, Allemagne…), bien que cela soit le mode de production électrique le plus émetteur de gaz à effet de serre. En France, les centrales à flamme étaient utilisées jusqu’aux années 80 comme moyen de production de base. Depuis le développement du nucléaire, elles sont utilisées en période de pointe pour répondre aux pics de consommation.
Comment ça marche Les centrales thermiques à flamme fonctionnent avec l’énergie thermique produite en brûlant un combustible (gaz, charbon ou fioul) : • dans une chaudière, qui transfère la chaleur dégagée par la combustion à l’eau, produisant de la vapeur. La pression exercée par la vapeur fait tourner une turbine, qui entraîne un alternateur. L’alternateur convertit l’énergie mécanique fournie par la rotation de la turbine en énergie électrique. • dans une turbine à combustion (TAC), couplée à un alternateur.
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CENTRALES THERMIQUES AU CHARBON PRODUCTION TRANSPORT / DISTRIBUTION ENVIRONNEMENT ENJEUX SOCIO-ECONOMIQUES
PRODUCTION Puissance produite De quelques dizaines à quelques centaines de mégawatts dans les dernières décennies, la puissance des centrales thermiques au charbon peut aujourd’hui dépasser les 1000 MW.
Contraintes géographiques D’importantes quantités d’eau sont nécessaires pour le refroidissement des centrales thermiques, c’est pourquoi on les installe généralement aux abords d’un cours d’eau.
Exploitation Très modulables et mobilisables rapidement, les centrales thermiques au charbon sont utilisées en période de pointe, pour ajuster la production à l’augmentation de la demande.
TRANSPORT / DISTRIBUTION Tension produite A partir de l’énergie mécanique fournie par la turbine, l’alternateur produit un courant alternatif.
Raccordement La tension est élevée par un transformateur en sortie de centrale, pour rejoindre le réseau de transport en haute et très haute tension.
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CENTRALES THERMIQUES CHARBON ENVIRONNEMENT Ressources Le charbon fait partie des ressources fossiles non renouvelables. Cependant, c’est le combustible fossile dont les réserves sont les plus abondantes, à savoir 230 ans sur la base de la consommation actuelle. Les réserves sont localisées principalement aux Etats-Unis (28%), en Russie (23%) et en Chine (11%). En France, où les mines de charbon ne sont plus exploitées, le charbon représente 3,3% du mix électrique, et 38% de la production thermique à combustible fossile.
Pollution La production d’électricité à partir du charbon est grande émettrice de CO2. Ainsi en France, en 2012, le charbon (3,3% de l’électricité produite) est responsable à lui seul de près de 60% des émissions de CO2 de l’ensemble de la production électrique. La combustion du charbon émet d’autres polluants : oxydes de soufre (SO2, SO3), oxydes d’azote (NOx), cendres et fumées chargées en dioxines, métaux lourds (mercure, arsenic) ou éléments radioactifs (uranium, thorium, radium, radon…). L’extraction du charbon cause des fuites de méthane, gaz à effet de serre plus puissant que le CO2.
Impacts sur la biodiversité et la santé L’exploitation du charbon est cause d’accidents de mines (effondrements, coups de grisou) et de maladies professionnelles des mineurs (silicose, cancer du poumon). Les cendres sont les déchets produits par la combustion du charbon, stockées à proximité des sites de production. La combustion du charbon concentre dans les cendres la radioactivité naturelle du minerai, en la multipliant par 7 à 10. Les cendres volantes se répandent dans les milieux naturels et contaminent les sols, les eaux de surface, les nappes phréatiques et l’atmosphère par des polluants chimiques ou radiologiques. Les radionucléides peuvent ainsi contaminer la chaîne alimentaire (animaux broutant l’herbe, fruits et légumes), et exposer les populations humaines vivant à proximité ou travaillant sur ces sites (par ingestion, inhalation ou contact cutané). On appelle cela la « radioactivité naturelle technologiquement renforcée ».
Solutions pour limiter les impacts La reprise des cendres pour valorisation répond aux objectifs du développement durable : elles sont utilisées pour la fabrication de bétons, ciments, parpaings, utilisés dans le bâtiment et les travaux publics, pour la voierie (sous-couches routières), ou le drainage de terrains de sport. Cependant, l’effet radiologique des ciments et bétons utilisés dans le secteur résidentiel est encore mal connu. Certains sites de stockage ont été revégétalisés et utilisés pour les loisirs (chasse, pêche, randonnée, sport) ou même l’agriculture, sans que le potentiel toxique ait été étudié. Un plan national de gestion durable des déchets radioactifs a été mis en place en 2006, visant le respect de la protection de la santé des personnes et de l’environnement. Depuis, des analyses et des mesures sont menées, faisant primer le principe de précaution, mais aussi afin de faire évoluer la réglementation.
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CENTRALES THERMIQUES CHARBON ENJEUX SOCIO-ÉCONOMIQUES Impacts socio-économiques
Les centrales à charbon sont actuellement très compétitives, notamment : • à cause de l’abondance et du faible coût du combustible • à cause du faible coût du CO2 (moins de 10 euros la tonne en 2012) Selon le niveau de prix du CO2, investir dans les technologies permettant de limiter les émissions de CO2 n’est donc pas forcément plus économique que de payer les pénalités d’émissions. A l’avenir, une taxe carbone plus élevée devrait rendre les centrales au charbon moins compétitives face aux centrales moins émettrices de CO2.
Perspectives d’avenir Limiter les rejets polluants Divers dispositifs existent déjà actuellement pour limiter les rejets de SOx et de NOx, notamment par des technologies de traitement des fumées. Réduire les émissions de CO2 Il est d’ores et déjà possible, en améliorant le rendement des centrales, d’émettre moins de CO2 par kWh produit. Les technologies de charbon pulvérisé en cycle supercritique permettent une amélioration notable, qui pourrait être accrue, à l’horizon 2015-2020, avec le cycle thermodynamique « ultrasupercritique ». Une autre solution est la capture et séquestration du CO2 : • les technologies de capture actuellement en cours de développement ne sont pas encore prêtes à être généralisées, et ne le seront pas avant 2020. • la séquestration pourrait faire du charbon un combustible propre contribuant à l’amélioration du bilan mondial des émissions de GES, à condition de régler les problèmes non résolus (acceptation sociale d’une solution de stockage de déchets à risque, rentabilité, efficacité de la capture).
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CENTRALES THERMIQUES AU FIOUL PRODUCTION TRANSPORT / DISTRIBUTION ENVIRONNEMENT ENJEUX SOCIO-ECONOMIQUES
PRODUCTION Puissance produite Ce type de centrale utilise le fioul comme combustible dans une chaudière produisant de la vapeur, afin de faire tourner une turbine couplée à un alternateur. La puissance installée des centrales thermiques au fioul se situe généralement entre 250 à 750 MW par unité de production.
Contraintes géographiques Lorsqu’elles utilisent des turbines à vapeur, les centrales au fioul ont besoin d’importantes quantités d’eau pour leur refroidissement, c’est pourquoi on les installe généralement aux abords d’un cours d’eau. Les turbines à combustion, qui présentent l’avantage d’être plus réactives, ne nécessitent pas de source froide de type rivière.
Exploitation Très modulables et mobilisables rapidement, les centrales thermiques au fioul sont utilisées en période de pointe, pour ajuster la production à l’augmentation de la demande. Elles fonctionnent entre 200 et 1500 heures par an.
TRANSPORT / DISTRIBUTION Tension produite
A partir de l’énergie mécanique fournie par la turbine, l’alternateur produit un courant alternatif.
Raccordement La tension est élevée par un transformateur en sortie de centrale, pour rejoindre le réseau de transport en haute et très haute tension.
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CENTRALES THERMIQUES AU FIOUL ENVIRONNEMENT Ressources Le fioul est un hydrocarbure dérivé du pétrole. Il fait partie des ressources fossiles non renouvelables. Les réserves prouvées de pétrole représentent, à consommation inchangée, environ 40 ans de consommation. Mais cela fait débat parmi les experts. La majorité des experts considèrent que l’amélioration des taux de récupération du pétrole des puits, de nouvelles découvertes et l’utilisation de pétroles non conventionnels permettront une consommation croissante pendant 40 à 80 ans encore. Cependant, d’autres experts, plus pessimistes, considèrent que les données de réserves issues des agences officielles sont erronées. Ils estiment que la production de pétrole (conventionnel et non conventionnel) atteindra un maximum physique de production dans 20 ans avec l’accroissement prévu de la consommation. Quoiqu’il en soit, l’épuisement du stock avant la fin du siècle, l’augmentation des coûts liés à sa raréfaction, et les émissions de CO2 produites par sa combustion conduisent à trouver des alternatives à son utilisation.
Pollution L’impact environnemental le plus inquiétant de la combustion du fioul est l’émission de quantités importantes de CO2, gaz à effet de serre responsable du dérèglement climatique. Utilisé pour la production électrique, le fioul est plus polluant que le gaz naturel, et moins que le charbon. La combustion du fioul émet également des dioxydes de soufre (SO2), responsables de pluies acides, et des oxydes d’azote (NOx). Le raffinage est nécessaire pour transformer le pétrole brut en fonction de son utilisation finale. Ce procédé entraîne le rejet de plusieurs polluants atmosphériques : oxydes de soufre, oxydes d’azote, composés organiques volatils, particules, monoxyde de carbone, benzène, et de nombreux gaz à effet de serre.
Impacts sur la santé et la biodiversité L’extraction du pétrole a des impacts sur les écosystèmes et la biodiversité, la santé des travailleurs ou des populations locales. L’extraction des sables bitumeux est la plus polluante (émission de CO2, pollution d’énormes quantités d’eau créant des lacs toxiques, contaminant les sols, les rivières, les plantes). Le transport maritime et l’extraction du pétrole offshore exposent aux risques de marées noires, dont les effets sont désastreux sur les fonds marins et les zones côtières. Les dégazages illégaux déversent dans la mer d’importantes quantités d’hydrocarbures.
Solutions pour limiter les impacts • Technologies dépolluantes pour réduire les émissions de SO2 et de NOx (centrales de production électrique, raffineries) • Conventions internationales pour réduire les pollutions (Protocole de Kyoto, pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre / Convention MARPOL contre la pollution marine)
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CENTRALES THERMIQUES AU FIOUL ENJEUX SOCIO-ÉCONOMIQUES Impacts socio-économiques Compte tenu : • de l’augmentation des coûts du pétrole, • des difficultés géopolitiques que peut poser son approvisionnement (dépendance vis-à-vis du Moyen Orient), • de sa raréfaction future, • de ses effets négatifs sur l’environnement et le dérèglement climatique le recours aux centrales thermiques au fioul est actuellement en perte de vitesse. En tant que source d’énergie primaire pour la production électrique, il existe de nombreuses énergies de substitution, renouvelables ou non.
Perspectives d’avenir Si le remplacement du pétrole ne pose pas de problème pour la production électrique, il n’en va pas de même pour les autres utilisations, notamment les transports ou la fabrication de produits dérivés (plastiques, textiles synthétiques, engrais…). Les énergies fossiles abondantes et peu coûteuses par le passé ont structuré notre économie, notre développement, nos modes de vie. La nécessité de se passer à terme des énergies fossiles nous obligera à repenser la ville, l’habitat, la mobilité, l’agriculture… bref, à changer quelque peu le monde !
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LES CENTRALES THERMIQUES AU GAZ PRODUCTION TRANSPORT / DISTRIBUTION ENVIRONNEMENT ENJEUX SOCIO-ECONOMIQUES
PRODUCTION Puissance produite
Une centrale thermique au gaz utilise un gaz à fort pouvoir calorifique, tel le gaz naturel, pour produire de l’électricité. On distingue plusieurs catégories : • les centrales à turbine à vapeur : elles fonctionnent comme les centrales au fioul, mais brûlent du gaz au lieu du fioul. Elles sont peu répandues et progressivement remplacées par les centrales à turbine à gaz. • les centrales à turbine à gaz Elles comprennent : • les centrales à cycle simple, constituées d’une turbine à combustion fonctionnant au gaz entraînant un alternateur. • les centrales à cycle combiné, de plus en plus répandues grâce à leur rendement énergétique plus élevé (jusqu’à 60%). La chaleur contenue dans les fumées à la sortie de la turbine à combustion est récupérée pour produire de la vapeur alimentant une turbine à vapeur. La puissance installée des centrales les plus récentes se situe entre 400 et 800 MW. Les centrales à turbine à gaz permettent de faire de la cogénération, ce qui augmente encore plus significativement leur rendement (80 à 90%).
Contraintes géographiques D’importantes quantités d’eau sont nécessaires pour le refroidissement des centrales thermiques, c’est pourquoi on les installe généralement aux abords d’un cours d’eau.
Exploitation Les centrales à cycle simple sont surtout utilisées comme centrales de pointe, pour assurer un complément de production en cas de forte demande ponctuelle (heures de pointe). Les centrales à cycle combiné sont utilisées en semi-base et pour les périodes de pointe. Rapidement mobilisables, elles peuvent être utilisées pour compenser les variations rapides de puissance des parcs éoliens (variations de la force du vent) ou des centrales photovoltaïques (passages de nuages).
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CENTRALES THERMIQUES AU GAZ TRANSPORT / DISTRIBUTION Tension produite A partir de l’énergie mécanique fournie par la turbine, l’alternateur produit un courant alternatif.
Raccordement La tension est élevée par un transformateur en sortie de centrale, pour rejoindre le réseau de transport en haute et très haute tension.
ENVIRONNEMENT Ressources Le gaz est une énergie fossile non renouvelable. Les réserves de gaz naturel sont plus importantes que les réserves de pétrole, mais elles aussi sont mal réparties géographiquement (concentrées pour les 2/3 en Russie et au Moyen-Orient). La France est très dépendante des importations. Les réserves sont estimées à plus de 60 ans à consommation inchangée. Mais si l’on remplaçait le pétrole et le charbon par le gaz pour réduire les émissions à effet de serre, les réserves ne seraient plus que de 17 ans. Aussi, l’abandon du nucléaire au profit du gaz par certains pays pourrait accélérer la consommation des ressources.
Pollution Le gaz naturel offre un bilan environnemental très favorable dans la production d’électricité. Les émissions de CO2 liées à son utilisation sont deux fois moins élevées que celles des centrales à charbon les plus performantes. De plus, contrairement au charbon, il ne contient quasiment pas de soufre et sa combustion ne produit ni particules de poussière ni odeurs. Les émissions de Nox et de Sox sont aussi très limitées.
Impacts sur la santé et la biodiversité L’extraction des gaz non conventionnels semblerait encore présenter des risques environnementaux. La technologie de fracturation hydraulique pour l’extraction des gaz de schiste fait l’objet d’études approfondies pour éviter tout risque de pollution des nappes phréatiques, afin de pouvoir bénéficier de ces nouvelles ressources d’énergie. Les perspectives d’exploitation des hydrates de méthane, dont les réserves sont particulièrement importantes (zones polaires et en eaux très profondes), sont encore incertaines compte tenu des défis technologiques et des risques liés à leur exploitation.
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CENTRALES THERMIQUES AU GAZ Solutions pour limiter les impacts • La technologie du cycle combiné gaz, grâce à des rendements supérieurs à 50%, diminue considérablement la consommation énergétique, et donc les émissions globales dans l’atmosphère (CO2 et NOx). • La technologie du refroidissement du circuit par air de la partie turbine à vapeur, si elle est choisie, permet de limiter les consommations d’eau de manière significative par rapport aux centrales utilisant le refroidissement par eau, et permet également d’éviter le réchauffement des cours d’eau ou étendues d’eau concernés. • Le gaz naturel liquéfié (GNL) permet le transport du gaz par méthaniers. Cela limite les problèmes de sécurité, notamment géostratégique, liés au transport par gazoduc. Le GNL étant un combustible très inflammable en cas de fuite, les systèmes de contrôle et de sécurité mis en place rendent les accidents peu susceptibles de se produire. Contrairement aux pétroliers, aucune perte de cargaison, naufrage ou accident aux conséquences majeures n’a été enregistré pour les méthaniers.
ENJEUX SOCIO-ÉCONOMIQUES Impacts socio-économiques La technologie du cycle combiné contribue fortement à l’augmentation de l’utilisation du gaz dans le domaine de la production d’électricité. Cependant, le gaz est concurrencé par le charbon, qui malgré son mauvais bilan environnemental connaît un regain d’intérêt du fait de son faible coût. La pénalisation des émissions de gaz à effet de serre, via un coût du carbone plus important, pourrait inverser la tendance en faveur du gaz. Pour certains partisans de la sortie du nucléaire, les cycles combinés gaz, au côté de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables, constituent un recours indispensable.
Perspectives d’avenir Considéré comme un combustible souple, efficace, facile à stocker, à transporter, à utiliser, générant moins de gaz à effet de serre que les autres combustibles fossiles, et face à une demande qui ne cesse d’augmenter, le gaz est amené à jouer un rôle important dans le mix énergétique de demain. La sécurisation des approvisionnements, du transport et du stockage devient ainsi un enjeu géostratégique majeur pour les pays qui, comme la France, dépendent de son importation.
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