Les énergies renouvelables
la cogénération, les centrales nucléaires
Electricité

Les énergies alternatives ce ne sont pas seulement l'éolien et les panneaux solaires, mais également la cogénération, les centrales nucléaires, les usines marémotrices et les centrales hydro-électriques.

Cette page a été réalisée suite à la question d'un visiteur.

-

-

Une question d'un visiteur:
Bonjour, Etant étudiante en classe préparatoire scientifique, je dois mener à bien un projet durant mon cycle d'apprentissage. Ayant comme sujet le processus de méthanisation, je souhaiterai approfondir la partie "cogénération" et plus particulièrement la création d'électricité. Ainsi, après quelques recherches, le système de génératrice asynchrone s'impose comme le plus couramment utilisé dans ce type d'usine. Aux vues de la documentation complète dont vous mettez à disposition sur votre site serait-il possible d'en obtenir sur ce type de générateur? Cordialement, Samantha

La génération d'électricité est indépendante de la méthanisation. La méthanisation produit plusieurs gaz combustibles à partir de différents déchets ménagers, agricoles et industriels. A partir du gaz combustible, il est possible de suivre plusieurs filières selon l'importance de la part électricité et de la part chaleur.


La cogénération (chaudière à moteur Stirling)

Cogénération avec moteur stirling

Si la part chauffage est importante, on peut utiliser des chaudières à moteur stirling. On produit de la chaleur quand elle est nécessaire, et en surplus on produit de l'électricité. C'est une solution pour les hopitaux, pour les centres sportifs, les piscines, éventuellement certaines serres... Toutes les communautés qui ont un besoin presque constant de chaleur. Le moteur stirling ne fonctionne bien qu'avec une production relativement constante de chaleur.

Le moteur stirling produit l'énergie mécanique. Pour obtenir de l'énergie électrique, on utilise un alternateur. On rechertche ici une machine avec le rendement le plus élevé pour amortir le surcoût du moteur.

La chaudière à moteur stirling est beaucoup plus chère qu'une chaudière normale et l'investissement ne peut être rentabilisé qu'avec une production de chaleur stable, mais cette solution a un très bon rendement énergétique global. De plus, l'énergie est produite de façon décentralisée, et avec des pics de production qui correspondent assez bien à la demande (plus forte en hiver, en début et en fin de journée).

Cogénération avec moteur thermique

Si on veut principalement produire de l'électricité, on va se tourner vers des turbines à gaz et des turbines à vapeur. Le gaz combustible est brulé dans une turbine à gaz. Le rendement d'une telle turbine est assez mauvais (30%), mais les gaz d'échappement qui sont encore très chauds peuvent être utilisés pour chauffer l'eau et produire de la vapeur qui va entrainer une turbine à vapeur (comme dans une centrale thermique classique). Le rendemente total est très bon, et la chaleur résiduelle (à la sortie de la turbine à vapeur) peut encore être utilisée pour chauffer des batiments.

Contrairement avec la cogénération avec moteur stirling, le but principal est de produire de l'électricité avec les gaz combustibles issus de la méthanisation.

Les moteurs fonctionnant directement au gaz (genre moteur Lenoir) ne sont plus guère utilisés à cause de la mauvaise fiabilité de ces moteurs. Ils nécessitent un apport très régulier de carburant de composition fixe, ce qu'un digesteur (installation de méthanisation) ne peut pas fournir. Ces moteurs entrainaient directement un alternateur, sans passer par une chaudière et machine à vapeur ou turbine.


Moteur/générateur asynchrone

Machine asynchrone

Pour répondre plus en détail à votre question, la génératrice asynchrone est un type de générateur électrique, il s'agit d'un moteur asynchrone en fonctionnement hypersynchrone, c.à.d. tournant plus vite que sa vitesse de synchronisme. En général, ce type de générateur a un rendement moindre qu'un générateur synchrone (alternateur classique) et on utilise actuellement d'autres types de générateurs.

On ne l'utilise que quand on ne peut pas faire autrement. C'est un générateur simple et bon marché (je dirais même: rudimentaire): pour les basses puissances le rendement moindre n'est pas un inconvénient majeur. Les générateurs do-it-yourself (quelques kW) sont souvent des moteurs asynchrones recyclés.

Pour les puissances élevées, la génératrice asynchrone est souvent utilisée dans les usines hydro-électriques où le fonctionnement asynchrone permet d'absorber les à-coups et les coups de butoir de l'eau. On a également utilisé des génératrices asynchrones dans certaines éoliennes.

Autres génératrices non-synchrones

L'avantage d'une génératrice asynchrone est que sa vitesse de rotation ne doit pas être fixe. Les vraies machines asynchrones (moteur asynchrone en fonctionnement hypersynchrone) sont utilisées pour les basses puissances jusqu'à un MW au maximum, à partir d'une puissance moyenne on utilise plutôt d'autres systèmes.


Alternateur fonctionnant en mode asynchrone
(machine asynchrone à double alimentation)
Quand un fonctionnement asynchrone est nécessaire (éoliennes), on utilise maintenant d'autres types de générateurs:
  • Les alternateurs à aimant permanent dont la tension est rectifiée et envoyée à un onduleur (comme un panneau solaire). Le générateur dans une chaudière stirling est souvent un alternateur à aimants permanents avec redressement et onduleur.

  • Les machines asynchrones à double alimentation (MADA) sont utilisées dans les grandes installations (grosses éoliennes) qui permettent de rentabiliser le surcout.
Les générateurs asynchrones sont décrits ici.

En conclusion, réponse à la question

La génération d'électricité à partir de gaz combustibles issus de la méthanisation ne nécessite pas nécessairement un générateur asynchrone, il vaut mieux utiliser un alternateur (=synchronisé au réseau) qui de tous les générateurs a le rendement le plus élevé. La production est faible et décentralisée, ce qui n'est pas le cas avec certains sites industriels qui produisent de grandes quantités de gaz combustible.

Il faut pouvoir stocker l'exédent de la production (qui est très variable). La production courante n'est pas suffisante pour alimenter continuellement le générateur et il n'est pas question de libérer les gaz (qui ont un effet de serre très important) quand la production est maximale et ne peut pas être absorbée par le générateur.

Sur les sites industriels on compense le débit variable de la production locale par un ajout de gaz naturel (on a évidemment intérêt à limiter la part de gaz naturel plus onéreux).

Un autre exemple c'est la sidérurgie qui utilise les différents gaz combustibles pour produire de l'électricité (gaz de haut fourneau, de l'aciérie et de la cokerie). Souvent les sidérurgistes ne produisent plus l'électricité mais envoient leurs gaz à une centrale électrique qui peut utiliser également d'autres combustibles. Les centrales thermiques ont été mises à l'arrêt quand la production sidérurgique a cessé car leur fonctionnement avec des carburants classiques (charbon ou gaz) n'était pas rentable (Monceau sur Sambre, Esch-sur Alzette,...)


La centrale hydro-électrique de l'Ile Monsin
sur la Meuse à Liège

La houille blanche

La houille blanche, c'est l'utilisation de la force de l'eau pour produire de l'électricité.

La plupart des centrales hydro-électriques utilisent la force gravitaire, c'est à dire la différence de niveau entre le réservoir et la centrale. On va utiliser un type de turbine déterminé selon la chute d'eau. La puissance disponible dépend du débit et de la chute d'eau. Les centrales hydro-électriques en Belgique sont situées en Wallonie, principalement sur la Meuse. En Flandre, la dénivélation est trop faible pour pouvoir installer une centrale électrique.

Les centrales de pompage-turbinage pompent l'eau d'un bassin inférieur vers un bassin supérieur en période de faible consommation (phase de pompage) et effectuent l'opération inverse (turbinage) en période de forte consommation. Ces centrales permettent d'absorber les pics de consommation, l'énergie étant accumulée pendant les heures creuses. La fourniture d'énergie est généralement limitée à quelques heures par jour. Le centrale de Coo est une centrale de ce type. Elle permet d'absorber la consommation d'une tranche de centrale nucléaire aux heures creuses. Ce type de centrale forme le complément idéal d'une centrale nucléaire, dont il est difficile de moduler la production électrique.

Les usines marémotrices utilisent le flux alterné des marées (usines marémotrices strictes), mais on utilise ce terme également pour les usines qui utilisent la force des vagues. Les usines marémotrices ont souvent une fonction de pompage-turbinage pour augmenter le rendement. A marée haute, on pompe un supplément d'eau dans le réservoir de retenue. La dénivelation étant faible, ce pompage consomme moins que ce que ne rapporte le turbinage, qui est effectué à marée basse, quand la différence de niveau est importante. La fonction pompage n'est possible que s'il n'y a pas un pic de consommation en cours.

Il y a plusieurs centrales hydro-électriques en Belgique, elles utilisent le débit de la Meuse et de la Sambre pour produire du courant. Les turbines de l'Ile Monsin sont les plus anciennes.

Nombre de
turbines
Diamètre
de la roue
Vitesse de
rotation
Chute maximumDébit maximumPuissance nominale
par turbine
Ile Monsin35.6m65.25.7m350m36MW
Turbine Kaplan à axe vertical, elle utilise le débit de la Meuse et de l'Ourthe

Ivoz Ramet34.65m754.6m285m33.3MW
Turbine Kaplan à axe vertical utilisant le débit de la Meuse

Ampsin-Neuville43.6m97.54.65m270m32.5MW
Turbine à bulbe à axe horizontal, Meuse

Grand Malades42.6m1323.8m170m31.25MW
Straflo à axe horizontal, Meuse en aval de Namur

Floriffoux2 192.64.1m12m3400kW
Kaplan à siphon inversé

Andenne et Lixhe22.6176.475.35 - 7.5181 - 2741.98 - 3MW
Bulbe

La production d'une centrale hydro-électrique correspond à environ 0.1% de la production d'une centrale nucléaire.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-