Ressources · 3ᵉ · Physique
Électricité : produire dans une centrale
L’alternateur, un aimant qui tourne devant une bobine ; la chaîne énergétique d’une centrale, son bilan et son rendement ; tension continue et tension alternative à l’oscilloscope, période, fréquence et valeur maximale ; le transport sous haute tension et les transformateurs ; l’équilibre entre production et consommation sur le réseau
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L’alternateur : un aimant qui tourne devant une bobine
Rappel : en 5e, tu as vu que, dans presque toutes les centrales, une turbine entraîne un alternateur, qui fournit l’énergie électrique (« Énergie : sources renouvelables et non renouvelables »). En 3e, on regarde ce qui se passe à l’intérieur de l’alternateur.
• La partie qui tourne s’appelle le rotor ; la partie fixe, qui porte les bobines, s’appelle le stator.
• C’est un convertisseur : il convertit l’énergie cinétique de sa rotation (une énergie mécanique) en énergie électrique, et en dissipe une petite partie sous forme thermique.
• Le pôle nord puis le pôle sud de l’aimant passent tour à tour devant la bobine : la tension change de signe. Elle est alternative.
• Plus l’aimant tourne vite, plus la tension est grande et plus elle change souvent de signe. S’il s’arrête, la tension devient nulle.
Un alternateur : l’aimant (rotor) tourne, la bobine (stator) reste fixe.
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « un aimant placé près d’une bobine reliée à un voltmètre fait apparaître une tension ». Je teste : je pose l’aimant immobile contre la bobine, puis je le fais tourner sur un axe, lentement puis vite. J’observe : aimant immobile, le voltmètre indique 0 V ; aimant qui tourne, l’indication varie sans cesse, d’autant plus fort que la rotation est rapide. Je conclus : c’est le mouvement de l’aimant devant la bobine qui produit la tension, pas l’aimant seul.
Une lampe à manivelle sans pile. En tournant la manivelle, on fait tourner un petit aimant devant une bobine : la lampe s’allume. Quand on arrête de tourner, elle s’éteint. L’énergie vient des muscles de celui qui tourne.
Une éolienne. Le vent fait tourner les pales assez lentement ; dans beaucoup d’éoliennes, un multiplicateur (des engrenages) fait tourner le rotor de l’alternateur beaucoup plus vite. Sans vent, rien ne tourne : l’éolienne ne fournit aucune énergie électrique.
Dans une centrale nucléaire, le rotor de l’alternateur, un énorme électroaimant entraîné par la turbine, tourne à 1 500 tours par minute.
Réflexe — pour savoir si un alternateur fournit une tension, je cherche ce qui fait tourner son rotor : sans rotation, aucune tension.
Attention — un aimant immobile devant une bobine ne produit aucune tension. Et l’alternateur ne crée pas d’énergie : il convertit l’énergie cinétique qu’on lui fournit. La « dynamo » d’un vélo est en fait un petit alternateur : un aimant y tourne devant une bobine.
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La chaîne énergétique d’une centrale et son rendement
Rappel : en 5e, tu as vu ce qui fait tourner la turbine dans chaque centrale (vapeur, eau d’un barrage, vent) et que le photovoltaïque n’a ni turbine ni alternateur (« Énergie : sources renouvelables et non renouvelables »), puis ce qu’est une chaîne énergétique (« Énergie : formes, conversions et chaînes énergétiques »). En 3e, on fait le bilan chiffré d’une centrale.
• À chaque convertisseur, une partie de l’énergie est dissipée sous forme thermique. Bilan : énergie reçue = énergie électrique fournie + énergie dissipée.
• Rendement d’une centrale = énergie électrique fournie ÷ énergie reçue (ou puissance électrique ÷ puissance reçue), × 100 pour l’écrire en %.
• Ordres de grandeur : centrale nucléaire environ 33 % ; centrale au charbon environ 40 % ; centrale au gaz à cycle combiné environ 55 % ; centrale hydraulique jusqu’à 90 % environ, le meilleur rendement. Une centrale thermique doit rejeter la chaleur de son condenseur : c’est sa plus grosse perte.
• La puissance des centrales se compte en mégawatts (1 MW = 1 000 000 W) et en gigawatts (1 GW = 1 000 MW). L’énergie produite vaut E = P × t (« Énergie électrique : E = P × t et kilowattheure ») : avec P en MW et t en heures, E est en MWh ; 1 GWh = 1 000 MWh.
Chaîne énergétique d’une centrale nucléaire : chaque seconde, 2 700 MJ d’énergie thermique entrent dans la turbine, 900 MJ d’énergie électrique partent sur le réseau.
La centrale nucléaire du schéma. Rendement = 900 ÷ 2 700 = 1/3 ≈ 0,33, soit environ 33 %. Puissance dissipée : 2 700 − 900 = 1 800 MW, deux fois plus que la puissance électrique fournie ! En 24 h, elle fournit E = 900 × 24 = 21 600 MWh = 21,6 GWh.
Un barrage. Chaque seconde, 25 000 kg d’eau descendent de 160 m. L’énergie de position perdue par l’eau (« Énergie mécanique : cinétique, de position et conservation ») vaut 25 000 × 9,8 × 160 = 39 200 000 J : la puissance reçue par la turbine est de 39,2 MW. Avec un rendement de 90 %, l’alternateur fournit 39,2 × 0,9 = 35,28 MW, soit environ 35,3 MW.
Réflexe — je place l’énergie électrique fournie en haut et l’énergie reçue en bas, dans la même unité ; l’énergie dissipée est la différence. Puis je vérifie que le rendement ne dépasse pas 100 %.
Attention — l’énergie dissipée n’a pas disparu : elle part sous forme de chaleur dans l’eau du fleuve ou dans l’air. Et le MW est une puissance, le MWh une énergie : une centrale « de 900 MW » ne fournit pas « 900 MW par heure ».
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Tension continue et tension alternative
Un voltmètre mesure une tension (« Tension et intensité : mesurer au voltmètre et à l’ampèremètre ») ; un oscilloscope montre en plus comment elle varie au cours du temps : c’est l’oscillogramme.
• Une tension alternative (alternateur, prise de courant) change de signe à intervalles réguliers. Quand sa courbe a la forme d’une vague régulière, elle est sinusoïdale.
• La valeur maximale Umax est la hauteur d’une crête, en volts. La période T est la durée d’un motif qui se répète, en secondes (s) ou en millisecondes (1 ms = 0,001 s).
• La fréquence f est le nombre de périodes par seconde, en hertz (Hz) : f = 1 ÷ T, avec T en secondes ; et T = 1 ÷ f.
• Lecture : je compte les divisions (carreaux), puis je multiplie par le réglage : la sensibilité verticale (en V par division) pour une tension, la durée de balayage (en ms par division) pour une durée.
• Le secteur, en France : tension alternative sinusoïdale de fréquence 50 Hz, donc de période 1 ÷ 50 = 0,02 s = 20 ms. Le voltmètre en mode alternatif (« AC » ou « ~ ») indique 230 V : c’est la valeur efficace (la tension continue qui ferait chauffer un radiateur autant) ; la valeur maximale est d’environ 325 V.
Réglages : sensibilité verticale 5 V/div ; durée de balayage 2 ms/div.
L’oscillogramme ci-dessus. La crête monte à 3 divisions : Umax = 3 × 5 = 15 V. Un motif complet occupe 5 divisions : T = 5 × 2 = 10 ms = 0,01 s, donc f = 1 ÷ 0,01 = 100 Hz.
Une dynamo à aimant simple (un pôle nord, un pôle sud) fait 40 tours par seconde : un tour donne une période, donc f = 40 Hz et T = 1 ÷ 40 = 0,025 s = 25 ms.
Réflexe — je compte les divisions, je multiplie par le réglage, puis je convertis la période en secondes avant de calculer f = 1 ÷ T.
Attention — 230 V n’est pas la valeur maximale de la tension du secteur, mais sa valeur efficace. Et « un tour = une période » ne vaut que pour un aimant simple : le rotor d’un alternateur de centrale nucléaire a quatre pôles et tourne à 25 tours par seconde, mais il donne 50 périodes par seconde. La période et la fréquence servent aussi pour les sons : voir « Son : fréquence, infrasons et ultrasons ».
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Du réseau à la prise : transporter sous haute tension
Les centrales sont souvent loin des villes : l’électricité voyage sur des centaines de kilomètres de lignes avant d’arriver à la prise.
• En France, la tension sort de l’alternateur à environ 20 000 V ; un transformateur élévateur la porte à 400 000 V ou 225 000 V pour le grand transport (lignes à très haute tension, gérées par RTE). Des postes l’abaissent ensuite à 90 000 V ou 63 000 V (répartition dans les régions), puis à 20 000 V (distribution, gérée par Enedis), et enfin un transformateur de quartier la ramène à 230 V.
• Pourquoi la haute tension ? La puissance transportée vaut P = U × I (« Puissance électrique : P = U × I »), donc I = P ÷ U : pour une même puissance, plus la tension est élevée, plus l’intensité du courant est faible.
• Or les câbles s’échauffent par effet Joule, d’autant plus que l’intensité est grande : une faible intensité réduit beaucoup les pertes. Sur le réseau de transport français, les pertes représentent en moyenne environ 2,5 % de la consommation.
• Sécurité : l’électricité d’une ligne peut sauter dans l’air jusqu’à un objet trop proche (un arc électrique) : on reste à plus de 3 m d’une ligne de moins de 50 000 V et à plus de 5 m d’une ligne plus haute (le plus sûr : toujours 5 m), sans canne à pêche levée ni cerf-volant, et on ne touche jamais un câble tombé ou un objet qui touche une ligne.
De la centrale aux logements : une tension élevée pour transporter, abaissée par étapes pour l’utiliser.
Transporter 200 MW. Sous 20 000 V : I = 200 000 000 ÷ 20 000 = 10 000 A. Sous 400 000 V : I = 200 000 000 ÷ 400 000 = 500 A, vingt fois moins : les câbles chauffent beaucoup moins.
Un poste source reçoit 63 000 V et fournit 20 000 V : la tension diminue, c’est un transformateur abaisseur.
Des panneaux photovoltaïques sur un toit fournissent une tension continue : un onduleur la convertit en tension alternative à 50 Hz avant de l’envoyer sur le réseau.
Réflexe — pour comparer deux transports, je calcule I = P ÷ U avec P en watts et U en volts : la plus haute tension donne la plus petite intensité.
Attention — la haute tension ne fait pas passer « plus de puissance » : à puissance égale, elle diminue l’intensité. Et un transformateur branché sur une pile ne fournit rien : il lui faut une tension alternative. Les dangers du secteur pour le corps : voir « Électricité : conducteurs, isolants et sécurité ».
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Un réseau à l’équilibre
On ne stocke pas l’électricité dans les câbles : elle est consommée à l’instant même où elle est produite.
• La consommation varie : elle est basse la nuit et forte le soir en hiver (chauffage, éclairage, cuisson). Le moment où elle est la plus forte s’appelle la pointe : 88 GW en 2025 ; le record français est de 102,1 GW, le 8 février 2012 à 19 h, pendant une vague de froid.
• La fréquence du réseau trahit un déséquilibre : si la consommation dépasse la production, les alternateurs ralentissent et la fréquence descend sous 50 Hz ; si la production dépasse la consommation, elle monte au-dessus de 50 Hz.
• S’il manque de l’électricité, on démarre des centrales pilotables (au gaz, barrages), on importe des pays voisins ou on demande à de grands industriels de réduire leur consommation. En cas d’excédent, on exporte ou on baisse la production.
• Une STEP (station de transfert d’énergie par pompage) a deux lacs : quand l’électricité est en excédent, elle pompe l’eau vers le lac du haut (elle consomme) ; quand elle manque, elle fait redescendre l’eau dans ses turbines (elle turbine : elle fournit). Elle restitue environ 70 à 85 % de l’énergie qu’elle a consommée.
Consommation d’une région un jour d’hiver (points toutes les 2 h) ; en pointillés : production des centrales en marche, 8 GW.
Le graphique. À 18 h, la région consomme 9,6 GW pour 8 GW produits : il manque 9,6 − 8 = 1,6 GW ; sans réaction, la fréquence baisserait. À 4 h, elle consomme 6,2 GW : excédent de 8 − 6,2 = 1,8 GW, de quoi faire pomper une STEP.
Une STEP de 1 000 MW turbine pendant 3 h : elle fournit 1 000 × 3 = 3 000 MWh. Avec un rendement de 75 %, elle avait dû consommer 3 000 ÷ 0,75 = 4 000 MWh pour pomper l’eau la nuit précédente.
Le 10 janvier 2019 vers 21 h, la fréquence du réseau européen est descendue nettement sous 50 Hz : RTE a demandé à de grands industriels de réduire leur consommation de plus de 1 500 MW, et la fréquence est remontée.
Réflexe — je compare consommation et production : manque → la fréquence baisse, il faut produire ou importer ; excédent → la fréquence monte, on pompe, on exporte ou on réduit.
Attention — une STEP ne crée pas d’énergie : elle en consomme plus qu’elle n’en rend. Son intérêt est de déplacer l’énergie dans le temps, de la nuit vers la pointe.
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Pour aller plus loin
Les sources d’énergie. Énergies renouvelables ou non, atouts et limites de chaque filière, mix électrique de la France : voir en 5e « Énergie : sources renouvelables et non renouvelables ».
Puissance et énergie électriques. La relation P = U × I est dans « Puissance électrique : P = U × I » ; le calcul de l’énergie consommée en kWh et de son coût dans « Énergie électrique : E = P × t et kilowattheure ».
Au lycée. On calcule les pertes en ligne : un câble de résistance R parcouru par une intensité I dissipe R × I² ; diviser l’intensité par 20 divise donc les pertes par 400. On étudie aussi le transformateur (le rapport des tensions est celui des nombres de spires des deux bobines) et la valeur efficace d’une tension sinusoïdale, Umax ÷ √2.
- Un alternateur : un aimant (rotor) tourne devant des bobines fixes (stator) ; il convertit l’énergie cinétique de rotation en énergie électrique, sous une tension alternative. Sans rotation, aucune tension.
- Centrale : énergie reçue = énergie électrique fournie + énergie dissipée (surtout de la chaleur au condenseur) ; rendement = électrique ÷ reçue, environ 33 % pour le nucléaire, jusqu’à 90 % pour l’hydraulique ; E = P × t en MWh.
- Tension continue : droite horizontale. Tension alternative : change de signe ; Umax = hauteur d’une crête, T = durée d’un motif, f = 1 ÷ T en hertz. Secteur : 50 Hz, 20 ms, 230 V efficaces.
- Transformateurs : élévateur ou abaisseur, en alternatif seulement. Transport à 400 000 V ou 225 000 V, puis 63 000 V, 20 000 V et 230 V. I = P ÷ U : haute tension, faible intensité, moins de pertes par effet Joule.
- Production = consommation à chaque instant ; un manque fait baisser la fréquence sous 50 Hz, un excédent la fait monter. Centrales pilotables, importations et STEP (pompage, turbinage) rétablissent l’équilibre.
Questions fréquentes
Comment un alternateur produit-il de l’électricité ?
Un aimant (le rotor) tourne devant des bobines de fil de cuivre fixes (le stator) : ce mouvement fait apparaître une tension aux bornes des bobines. L’alternateur convertit ainsi l’énergie cinétique de sa rotation en énergie électrique. Sans rotation, aucune tension : il faut toujours quelque chose qui le fait tourner.
Quel est le rendement d’une centrale électrique ?
C’est l’énergie électrique fournie au réseau divisée par l’énergie reçue. Une centrale nucléaire a un rendement d’environ 33 % : l’essentiel de l’énergie est dissipé sous forme de chaleur, rejetée dans un fleuve, dans la mer ou dans l’air. Un barrage hydraulique peut atteindre 90 % environ.
Quelle est la différence entre une tension continue et une tension alternative ?
Une tension continue, celle d’une pile, garde toujours le même signe : à l’oscilloscope, c’est une droite horizontale. Une tension alternative, celle d’un alternateur, change de signe à intervalles réguliers. En France, la tension du secteur a une fréquence de 50 Hz (période 20 ms) et une valeur efficace de 230 V.
Pourquoi transporte-t-on l’électricité sous haute tension ?
Pour une même puissance transportée, P = U × I : plus la tension est élevée, plus l’intensité du courant est faible. Les câbles s’échauffent alors beaucoup moins par effet Joule, et on perd moins d’énergie en route. Des transformateurs élèvent la tension à la sortie des centrales (jusqu’à 400 000 V), puis l’abaissent par étapes jusqu’à 230 V.
Pourquoi faut-il équilibrer production et consommation d’électricité ?
L’électricité ne se stocke pas dans les câbles : à chaque instant, les centrales doivent produire exactement ce qui est consommé. Si la consommation dépasse la production, la fréquence du réseau descend sous 50 Hz ; on démarre alors des centrales pilotables, on fait turbiner des stations de pompage (STEP) ou on importe de l’électricité.
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