Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille Une Introduction à l'électrotechnique Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille PLAN: Introduction Les sources d’énergie électrique Le transport de l’énergie électrique L’utilisation de l’énergie électrique Annexes Bibliographie Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille INTRODUCTION Qu’appelle – t – on électrotechnique ? L’électrotechnique étudie les lois de la physique en vue de la production, du transport, de la transformation et de l’utilisation de l’énergie électrique ( Jack ROBERT: « encyclopaedia UNIVERSALIS »(1992)) Quelle est son importance économique ? Elle est considérable car l’énergie électrique est l’énergie la plus consommée dans le monde Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

LA PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE Quels sont les mécanismes de production de l’énergie électrique ? La génération par entraînement mécanique Machines tournantes (généra- trices) Source d’énergie primaire Turbine d’entraîne-ment Energie électrique (alternatif) Les sources photovoltaïques Rayonne-ment lumineux solaire Cellules photovoltaïques Energie électrique (continue) Autres : Les convertisseurs thermoélectriques Les convertisseurs thermoioniques La pile à combustible Les génératrices magnétohydrodynamiques Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LA PRODUCTION D’ ENERGIE ELECTRIQUE Quelle est la part de ces mécanismes dans la production d’électricité ? Source MULTON  La quasi totalité de l’énergie électrique est fournie par entraînement mécanique ( dans les centrales thermiques et les centrales hydrauliques) Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE: A) La production thermo-mécanique: Procédé le plus utilisé en France (et dans le monde) Principe eau Source de chaleur Turbine Génératri-ce à courant alternatif Vapeur d’eau entraînement Energie électrique Chauffage (chaudière) Sources utilisées ? Nucléaires ( réactions de fusion et de fission d’atomes radioactifs) Uranium, plutonium Centrale nucléaire Principe de fonctionnement d’une centrale nucléiare Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE: Combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) (centrale classique) Principe d’une centrale thermique Centrale thermique de la Maxe La géothermie : (haute et moyenne énergies) Usine géothermique à Bouillante (Guadeloupe) Sous sol eau chaude turbine 90 °C – 350 °C Le solaire - thermique: Soleil chauffage eau turbine Centrale solaire expérimentale Thémis (Pyrénées) Miroirs Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE: La production hydroélectrique: (barrages , centrales au fil de l’eau, usine marémotrice…) Principe: Force motrice de l’eau Turbine Génératri-ce à courant alternatif entraînement Barrage de Serre - Ponçon Energie électrique Montagnes Cours d’eau Localisation: Avantages: Stockable, rapidement mobilisable (régulateur de la production d’électricité) Principe d’une centrale haute chute Barrage de Roselend Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE: C) L’énergie éolienne: Principe: Force motrice du vent Turbine Éolien- ne Aérogéné-rateurs entraînement Entraînement par pâles Energie électrique Alternateurs, génératrices asynchrones Sites isolés (raccordement difficile ou onéreux au réseau,…) Sites insulaires (contraintes climatiques ou d’accessibilité) Installation off – shore (en cours…) Localisation: Avantages: énergie d’appoint Ferme éoliennes à Dunkerque Installation off – shore (Danemark) Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE: D) La Biomasse: Principe: Energie électrique Matière organi-que Inciné- ration turbine entraînement Alternateurs, génératrices asynchrones Plantes, arbres, déchets (animaux, agricoles, urbains) Centrale du Gol (Réunion) (combustion de la bagasse ) Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

LES SOURCES PHOTOVOLTAÏQUES: Principe: Energie électrique continue Module photovoltaïque (PV) Radiation lumineuse Principe de fonctionnement d’une cellule PV Chaque module photovoltaïque est composé d’un assemblage en série et en parallèle de cellules PV réalisées en matériaux semi-conducteurs (silicium, GaAs…) dopés Sites isolés (montagne, bergerie, balises maritimes…) Systèmes embarqués (contraintes climatiques ou d’accessibilité) Espace (satellites) Utilisation Cellules photovoltaïques Refuge alpin bergerie Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

LES SOURCES THERMOELECTRIQUES: Ce sont des générateurs autonomes de faible puissance ( 1 W à 1 kW). Ils permettent de convertir de la chaleur en électricité Principe: Structure: Jonction chaude Jonction froide Source chaude Tc Source froide Tf < Tc Résistance de charge Barreau semiconducteur dopé p Barreau semiconducteur dopé n Pont métallique Source de chaleur Conver-tisseur chauffage Energie électrique (continue) Conventionnelle (gaz, hydrocarbures) nucléaire La chaleur apportée au système (pour maintenir les jonctions à Tc et Tf ) est convertie en énergie électrique. Le rendement de conversion est faible stations météorologiques satellites matériels militaires Utilisation: Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

LES SOURCES THERMOIONIQUES: Effet Thermoionique: tout métal ou semiconducteur chauffé émet des électrons Principe: Source de chaleur Conver-tisseur Chauffage (1500 K) Energie électrique (continue) Métal semiconducteur Structure: Les électrons arrachés à l’électrode émettrice, sont collectés et génèrent un courant électrique I charge Emetteur (Tc) Collecteur (Tf < Tc) Vide, gaz e- (Tc # 1500 K) Conventionnelle (gaz, hydrocarbures) nucléaire Laboratoire espace Utilisation Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LA PILE A COMBUSTIBLE: Son principe de fonctionnement repose sur une réaction chimique inverse de l’électrolyse de l’eau Structure: Principe: Constitu- ants chmiques Réaction chimique Energie électrique (continue) hydrogène oxygène, eau applications portables (mobile, ordinateur…) (Chelles) Productions collective et individuelle (habitat) Transport: véhicules légers et poids lourds Utilisation Alimentation d’un groupe de HLM à Chelles Prototype de véhicule à pile à combustible Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

LA GENERATRICE MAGNETOHYDRODYNAMIQUE: La déviation en sens inverse des charges positives et négatives d’un plasma (gaz ionisé) génère (dans un circuit extérieur) un courant électrique Principe: courant électrique gaz plasma Chambre de déviation magnéti-que Éjection à grande vitesse (tuyère) Déviation (et séparation) en sens inverse des ions et électrons Électrons + ions Chauffage à très haute température 3000 K (ionisation) Caractéristiques rendement élevé Onéreux (matériau pour fonctionnement à très haute température) Utilisation: à titre expérimental (centrale à Moscou, CEA,…) Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

REPARTITION DE LA PRODUCTION D’ENERGIE Elle s’effectue en fonction des énergies primaire (hydrocarbures, charbon, produits radioactifs) et renouvelables (hydraulique, vent, soleil, biomasse, géothermie) utilisées. Monde: (Source ADEME) France: (Source ADEME) Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LE TRANSPORT DE L’ENERGIE ELECTRIQUE  L’énergie électrique est acheminée de la centrale électrique jusqu’à l’entrée des agglomérations: en courant alternatif par des lignes électriques triphasées Très Haute Tension (400 kV, 225 kV): Transformateur 20 kV Transport 225 kV / 400 kV Distribution (20 kV, 400 V) Production Utilisateurs Centrale électrique encombrants (dimension, volume et masse de cuivre…) environnement Moins cher Particularités: Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LE TRANSPORT DE L’ENERGIE ELECTRIQUE en courant continu (câbles enterrés, lignes aériennes) moins encombrants (moins de volume, de cuivre…) Pertes en ligne minimisables (câbles supraconducteurs…) Plus onéreux (5 à 6 fois plus cher que l’aérien pour 100 km parcourus) Particularités: Principe d’une liaison à Courant Continu Haute Tension (C.C.H.T.) Réseau 1 Réseau 2 Interconnexion entre réseaux (exemple : France / Angleterre) Utilisation: agglomérations (faible encombrement) Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

L’utilisation DE L’ENERGIE ELECTRIQUE Consommation par secteurs d’activité : (source MULTON)  L’industrie est le plus gros . consommateur d’électricité Répartition de la consommation industrielle par processus :  la majeure partie de l’énergie électrique consommée par l’industrie sert au travail mécanique. Cette conversion électrique  mécanique est effectuée par des moteurs électriques Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille L’utilisation DE L’ENERGIE ELECTRIQUE Répartition de la consommation industrielle des moteurs par usage : (source MULTON)  les processus de compression de ventilation et de pompage consomment près de 2 / 3 de la consommation énergétique des moteurs industriels Pour réaliser ces actions mécaniques, le moteur électrique choisi devra être adapté à la charge à entraîner (compresseurs, ventilateurs, pompes….). L’utilisation des variateurs électroniques de vitesse permet: une meilleure adaptation des caractéristiques mécaniques ( moteur + charge). (voir présentation Powerpoint : la Variation de vitesse). de minimiser la consommation des processus Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille Repartition des moteurs industriels La répartition en fonction du nombre, de la puissance installée et de la consommation électrique des 14 millions de moteurs industriels est donnée ci-dessous: (source MULTON 1997)  Les moteurs de moins de 10 kW représentent 93 % des moteurs industriels mais ne consomment que 21% de l’énergie électrique à usage mécanique  Les gros moteurs (> 130 kW ) représentent 0.3% du parc mais consomment plus de 40 % de cette énergie  Au delà de 10 kW, 90 % des moteurs sont des moteurs asynchrones Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille Annexe 1: Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille Annexe 2: Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Annexe 3: Les Chaînes énergétiques (source CEA) Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Annexe 4: Les mécanismes de conversion (source CEA) Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille BIBLIOGRAPHIE http://developpement-durable.edf.fr http://www.edf.fr http://ademe.fr Bernard MULTON: « l’énergie sur la terre: analyse des ressources et de la consommation. La place de l’énergie électrique » Serveur électrotechnique de l’académie de Toulouse http://www.cea.fr La revue 3 E.I. – Numéro du 20 Mars 2000 « Energies Renouvelables » Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003