Exercices Physique Chimie

Production de l’électricité

Physique : Production de l'électricité, Alternateurs et Centrales Électriques

Production de l'électricité : alternateurs et centrales électriques

Contexte : D'où Vient l'Électricité ?

L'électricité qui arrive jusqu'à nos prises n'apparaît pas par magie. Elle est produite dans des centrales électriquesUsine de production d'électricité. Elle convertit une source d'énergie primaire (chimique, nucléaire, potentielle...) en énergie électrique. qui convertissent différentes formes d'énergie (nucléaire, thermique, potentielle de l'eau, cinétique du vent...) en énergie électrique. Le composant clé de cette conversion est l'alternateurMachine rotative qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Il est composé d'une partie fixe (stator) et d'une partie mobile (rotor).. C'est un dispositif qui, mis en rotation, transforme une énergie mécanique en énergie électrique. Cet exercice explore la chaîne énergétique d'une centrale et introduit la notion de rendement.

Remarque Pédagogique : Comprendre le principe de production de l'électricité permet de mieux saisir les enjeux énergétiques actuels. Quelle que soit la source primaire (charbon, vent, uranium...), la plupart des centrales fonctionnent sur un principe similaire : faire tourner une turbineMachine composée d'une roue à aubes mise en mouvement par la force d'un fluide (eau, vapeur, vent). Elle convertit l'énergie du fluide en énergie mécanique. qui entraîne un alternateur.

Objectifs Pédagogiques

  • Identifier les principaux éléments d'une centrale électrique (turbine, alternateur).
  • Décrire la chaîne des conversions d'énergie dans une centrale.
  • Comprendre la notion de rendement d'un convertisseur d'énergie.
  • Calculer une puissance ou une énergie à différentes étapes de la conversion.
  • Appliquer la formule de l'énergie \(E = P \times t\).

Données de l'étude

On étudie une centrale thermique à flamme simplifiée qui utilise du charbon. Dans cette centrale, la combustion du charbon produit de la vapeur d'eau qui met en mouvement une turbine. La turbine entraîne à son tour un alternateur qui produit l'électricité.

Schéma de la Centrale Thermique
Charbon Chaudière Turbine Alternateur Alternateur Énergie Mécanique Énergie Électrique

Données :

  • L'alternateur fournit une puissance électrique \(P_{\text{électrique}} = 900 \, \text{MW}\) (mégawatts).
  • Le rendementGrandeur sans unité, souvent exprimée en pourcentage, qui mesure l'efficacité d'un convertisseur d'énergie. C'est le rapport de l'énergie (ou puissance) utile sur l'énergie (ou puissance) absorbée. de l'alternateur est de 95%. Cela signifie que 95% de l'énergie mécanique qu'il reçoit est convertie en énergie électrique.
  • La centrale fonctionne en continu pendant 24 heures.

Questions à traiter

  1. Décrire la chaîne des conversions d'énergie qui ont lieu dans cette centrale, de la source primaire (charbon) à l'énergie finale (électrique).
  2. Calculer la puissance mécanique (\(P_{\text{mécanique}}\)) fournie par la turbine à l'alternateur. Donner le résultat en MW.
  3. Calculer l'énergie électrique totale (\(E_{\text{électrique}}\)) produite par la centrale en une journée. Donner le résultat en MWh (mégawattheures).

Correction : Production de l'électricité et centrales

Question 1 : Chaîne des conversions d'énergie

Principe :
Chimique (Charbon) Chaudière Thermique (Vapeur) Turbine Mécanique (Rotation) Alternateur

Identifier une chaîne de conversions consiste à lister les formes d'énergie successives et les convertisseurs qui permettent de passer de l'une à l'autre.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Le principe de conservation de l'énergie s'applique ici : l'énergie ne se crée pas, elle se transforme. Cependant, à chaque conversion, une partie de l'énergie est "perdue" sous forme de chaleur (non désirée), ce qui explique pourquoi le rendement n'est jamais de 100%.

Formule(s) utilisée(s) :

Aucune formule n'est nécessaire pour cette question, il s'agit d'une description qualitative.

Donnée(s) :

Les informations sont tirées du schéma et de la description de la centrale.

Calcul(s) :

La chaîne de conversion est la suivante :

  1. Le charbon stocke de l'énergie chimique.
  2. La chaudière (convertisseur) brûle le charbon pour transformer l'énergie chimique en énergie thermique, qui chauffe l'eau et la transforme en vapeur.
  3. La turbine (convertisseur) est mise en rotation par la vapeur. Elle transforme l'énergie thermique en énergie mécanique de rotation.
  4. L'alternateur (convertisseur), entraîné par la turbine, transforme l'énergie mécanique en énergie électrique.
Points de vigilance :

Ne pas oublier d'étapes : Il est important de mentionner toutes les formes d'énergie intermédiaires (comme l'énergie thermique de la vapeur) et les convertisseurs associés.

Le saviez-vous ?

Dans une centrale nucléaire, la chaîne est presque identique ! La seule différence est la source d'énergie primaire : au lieu de l'énergie chimique du charbon, on utilise l'énergie nucléaire issue de la fission des atomes d'uranium pour produire de la chaleur et de la vapeur.

FAQ en rapport avec la question :
Et dans une centrale hydraulique ?

La chaîne est plus courte : l'eau en hauteur possède de l'énergie potentielle de position. En s'écoulant, elle est convertie en énergie cinétique. Cette eau fait tourner une turbine (conversion en énergie mécanique), qui entraîne un alternateur (conversion en énergie électrique).

Résultat : La chaîne est : Énergie chimique → Énergie thermique → Énergie mécanique → Énergie électrique.

Question 2 : Calcul de la puissance mécanique de la turbine

Principe :
P mécanique = ? Alternateur Rendement 95% P électrique = 900 MW

Le rendement d'un convertisseur est le rapport entre la puissance (ou l'énergie) utile en sortie et la puissance (ou l'énergie) reçue en entrée. Ici, la puissance utile est la puissance électrique, et la puissance reçue est la puissance mécanique. Connaissant la sortie et le rendement, on peut retrouver l'entrée.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Un rendement est toujours inférieur à 1 (ou 100%). La puissance reçue en entrée est donc toujours supérieure à la puissance utile en sortie. Cela doit vous servir de guide pour vérifier la logique de votre calcul.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Rendement} (\eta) = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{reçue}}} = \frac{P_{\text{électrique}}}{P_{\text{mécanique}}} \]

En manipulant la formule, on obtient :

\[ P_{\text{mécanique}} = \frac{P_{\text{électrique}}}{\text{Rendement}} \]
Donnée(s) :
  • Puissance électrique \(P_{\text{électrique}} = 900 \, \text{MW}\)
  • Rendement \(\eta = 95\% = 0,95\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} P_{\text{mécanique}} &= \frac{900 \, \text{MW}}{0,95} \\ &\approx 947,37 \, \text{MW} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Utiliser le rendement sous forme décimale : Dans les calculs, un pourcentage doit toujours être converti en sa forme décimale. 95% devient 0,95. Ne divisez jamais par 95 directement !

Le saviez-vous ?

La puissance "perdue" par l'alternateur (ici environ 47 MW) n'est pas détruite. Elle est convertie principalement en chaleur à cause des frottements et de l'effet Joule dans les bobines de cuivre. C'est pourquoi les grands alternateurs ont besoin de systèmes de refroidissement très performants.

FAQ en rapport avec la question :
Qu'est-ce que le rendement global de la centrale ?

Le rendement global de la centrale serait le rapport entre la puissance électrique finale (900 MW) et la puissance contenue dans le charbon brûlé. Ce rendement est beaucoup plus faible, de l'ordre de 30-40% pour une centrale thermique, car il y a d'énormes pertes de chaleur au niveau de la chaudière et de la turbine.

Résultat : La turbine doit fournir une puissance mécanique d'environ 947,4 MW.

Question 3 : Calcul de l'énergie électrique produite en une journée

Principe :
900 MW 24 h × E = ? MWh

L'énergie (E) est le produit de la puissance (P) par la durée de fonctionnement (t). Pour obtenir une énergie en Mégawattheures (MWh), il faut s'assurer que la puissance est en Mégawatts (MW) et le temps en heures (h).

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Le MWh est une unité d'énergie très grande, utilisée pour quantifier la production des centrales ou la consommation d'une ville ou d'un pays. \(1 \, \text{MWh} = 1000 \, \text{kWh}\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E = P \times t \]
Donnée(s) :
  • Puissance électrique \(P_{\text{électrique}} = 900 \, \text{MW}\)
  • Durée de fonctionnement \(t = 24 \, \text{h}\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} E_{\text{électrique}} &= P_{\text{électrique}} \times t \\ &= 900 \, \text{MW} \times 24 \, \text{h} \\ &= 21\,600 \, \text{MWh} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Cohérence des unités : Assurez-vous que les unités de puissance et de temps sont cohérentes avec l'unité d'énergie demandée. Ici, MW et h donnent bien des MWh. Si la puissance était en W et le temps en secondes, on obtiendrait des Joules.

Le saviez-vous ?

Une énergie de 21 600 MWh correspond à 21 600 000 kWh. Sachant qu'un foyer français consomme en moyenne 4 770 kWh par an, cette centrale produit en une seule journée assez d'électricité pour alimenter plus de 4500 foyers pendant un an !

FAQ en rapport avec la question :
Pourquoi la centrale ne fonctionne-t-elle pas toujours à sa puissance maximale ?

La production d'électricité doit s'adapter en permanence à la demande (la consommation). La puissance d'une centrale est donc ajustée tout au long de la journée. Elle est augmentée lors des pics de consommation (matin et soir) et diminuée la nuit. De plus, les centrales sont arrêtées pour des opérations de maintenance.

Résultat : La centrale produit 21 600 MWh d'énergie électrique en une journée.

Simulation Interactive : Rendement et Production

Ajustez la puissance mécanique fournie par la turbine et le rendement de l'alternateur pour voir comment la puissance électrique et l'énergie produite en 24h sont affectées.

Paramètres de la Centrale
Puissance Électrique Nette
Énergie Produite / 24h
Répartition de la Puissance (MW)

Pour Aller Plus Loin : Le Réseau de Transport

L'autoroute de l'électricité : L'énergie produite par la centrale est rarement consommée sur place. Pour la transporter sur de longues distances avec un minimum de pertes (par effet Joule), on utilise des transformateurs pour augmenter très fortement la tension (jusqu'à 400 000 V). L'électricité voyage alors sur les lignes à très haute tension. Près des lieux de consommation, d'autres transformateurs abaissent la tension à 230 V pour un usage domestique.

Le Saviez-Vous ?

Le principe de l'alternateur (induction électromagnétique) a été découvert par Michael Faraday en 1831. Il a montré qu'en déplaçant un aimant à proximité d'une bobine de fil de cuivre, on pouvait créer un courant électrique. Quasiment toute l'électricité que nous utilisons aujourd'hui est encore produite grâce à ce principe fondamental.

Foire Aux Questions (FAQ)

Quelle est la différence entre une turbine et un alternateur ?

La turbine est une roue à aubes qui est mise en rotation par un fluide (vapeur, eau, vent). Son rôle est de convertir l'énergie du fluide en énergie mécanique de rotation. L'alternateur est couplé à la turbine ; il utilise cette rotation pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique.

Un panneau solaire a-t-il un alternateur ?

Non. Un panneau solaire photovoltaïque est un convertisseur différent. Il utilise l'effet photoélectrique pour convertir directement l'énergie lumineuse du soleil en énergie électrique, sans passer par une étape mécanique. Il n'y a donc ni turbine, ni alternateur.

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Dans une centrale électrique, quel appareil convertit l'énergie mécanique en énergie électrique ?

  • La turbine.

2. Un alternateur avec un rendement de 90% reçoit une puissance mécanique de 1000 MW. Quelle puissance électrique fournit-il ?

Glossaire

Centrale électrique
Usine de production d'électricité. Elle convertit une source d'énergie primaire (chimique, nucléaire, potentielle...) en énergie électrique.
Alternateur
Machine rotative qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Il est composé d'une partie fixe (stator) et d'une partie mobile (rotor).
Turbine
Machine composée d'une roue à aubes mise en mouvement par la force d'un fluide (eau, vapeur, vent). Elle convertit l'énergie du fluide en énergie mécanique.
Rendement (η)
Grandeur sans unité, souvent exprimée en pourcentage, qui mesure l'efficacité d'un convertisseur d'énergie. C'est le rapport de l'énergie (ou puissance) utile sur l'énergie (ou puissance) absorbée.
Production de l'électricité : alternateurs et centrales électriques

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