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Comment ça marche : le turbo-alternateur

Un turbo-alternateur est la combinaison d'une turbine et d'un alternateur en vue de transformer en électricité la puissance mécanique d'un fluide en mouvement (eau liquide, vapeur d’eau, gaz naturel, vent).

Image d'une turbine à gaz géante de la société General Electric, dans son usine de Belfort (France)
Image de la partie mobile d'une turbine à gaz géante de la société General Electric, dans son usine de Belfort (France). Les ailettes captent les gaz chauds à la sortie de la chambre de combustion. ©FREDERICK FLORIN / AFP

Très diverses selon leur utilisation, les turbines permettent aussi bien de capter la force du vent dans une éolienne, celle de l’eau d’une rivière ou d’un lac de retenue dans une usine hydro-électrique, celle du gaz chaud d’une centrale thermique, celle de la vapeur d’eau produite par un réacteur nucléaireSitué au cœur de la centrale nucléaire, le réacteur est une sorte de chaudière géante...1.

Dotée d’un système de pales, la turbine entre en rotation et, grâce à un « arbre de couche », fait tourner l'alternateur. Celui-ci est constitué d’une partie mobile, le rotor, et d’une partie fixe, le stator. La paroi externe du rotor est formée d'électro-aimants, la paroi interne du stator comporte des enroulements de fils de cuivre. Lorsque le rotor tourne, il se produit une variation du champ magnétique qui induit un courant alternatifLe courant alternatif est un courant électrique périodique qui change de sens deux fois par période... dans le stator.

L’électricité produite est évacuée vers un transformateur qui élève sa tension afin de l’intégrer sur les réseaux de transport électrique.

Voici quatre exemples d’utilisation.

Le turbo-alternateur permet de transformer en électricité l’énergie du mouvement de l’eau, du gaz et du vent.

Les centrales hydroélectriques

L’utilisation de la force de l’eau pour faire tourner un axe est très ancienne. Les différents types de turbines ont été inventés dans leur principe par des ingénieurs du XIXsiècle et ont conservé leurs noms2.

La « turbine Pelton » est une roue qui récupère l’énergie du mouvement de l’eau grâce à des petits godets en forme de cuillère, les « augets ». Elle est adaptée aux centrales de haute chute (plus de 200 mètres), alimentées par des réservoirs de lac.

Avec la « turbine Francis », l’eau arrive tangentiellement sur son pourtour, pousse les aubes puis s’écoule par le canal de fuite situé sous la turbine. Elle convient aux centrales de moyenne chute (entre 30 et 200 mètres), installées sur le cours des fleuves dans les régions de plaine ou de faible relief. Ainsi, 26 de ces turbines équipent l’usine du barrage des Trois Gorges en Chine, chacune pour une puissanceEn physique, la puissance représente la quantité d'énergie fournie par un système par unité de temps... de 710 MW.

La « turbine Kaplan » est une turbine à hélices dont les pales sont orientables en fonction du débit de l’eau. Elle convient aux centrales au fil de l'eau ou à faible hauteur de chute (en dessous de 30 mètres). A titre d’exemple, les deux turbines Kaplan de la centrale canadienne de Brisay, située au bord d’un lac du Grand Nord, pèsent 300 tonnes chacune, avec une puissance totale de 500 MW.

Les centrales thermiques

Les centrales thermiques sont dotées d’une chaudière -certaines peuvent atteindre 90 mètres de haut- dont les brûleurs sont alimentés par du charbon réduit en poudre, du fioul vaporisé en fines gouttelettes ou du gaz injecté sans traitement. La chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... dégagée chauffe un circuit d’eau qui est transformé en vapeur et envoyée sous pression vers une série de turbines. Celles-ci mettent en rotation l’alternateur tandis que la vapeur est évacuée et retransformée en eau grâce à un condenseur dans lequel circule de l'eau froide.

Le principe est le même dans un réacteur nucléaire à eau pressurisée. Deux circuits bien séparés assurent le cycle : le circuit primaireDans une centrale nucléaire, le réacteur comprend 3 circuits (primaire, secondaire et refroidissement)..., connecté à la cuve où se produit la réaction nucléaire, transmet sa chaleur, via le générateur de vapeurUn générateur de vapeur est une unité industrielle transformant l’eau en vapeur d’eau..., au circuit secondaire relié aux turbines. La vapeur subit une détente partielle dans une turbine haute pression, puis est admise dans plusieurs turbines basse pression. L’ensemble des turbines peut mesurer jusqu’à 60 mètres de long. L’alternateur est mis en rotation à 1 500 tours/minute.

Les turbines à gaz

La turbine à gaz, ou « turbine à combustion » (TAC), est un moteur à combustion interne. Elle est souvent utilisée dans la motorisation des avions, via le « turboréacteur ». Dans la production d'électricité, les gaz chauds produits dans la chambre de combustion en présence d’air comprimé agissent sur les ailettes des roues de la turbine.

Les centrales à gaz équipés de turbines présentent l’avantage de pouvoir être construites très rapidement à partir de modules fabriqués industriellement. Certaines sont géantes et pèsent plusieurs centaines de tonnes, avec des capacités jusqu’à 600 MW.

Les turbines à combustion sont souvent accompagnées d'une installation qui récupèrent une partie de la chaleur des gaz d’échappement et assurent ainsi une « cogénération La cogénération consiste à produire en même temps et grâce à la même installation de la chaleur (énergie thermique) et de l’électricité... » (électricité + chaleur)3.

Les éoliennes

Dans une éolienne classique (appelée aussi aérogénérateur), la fonction de la turbine est assurée par une hélice de trois pales profilées, face au vent, appelée rotor. Les pales sont généralement longues de 20 à 40 mètres, mais certaines dépassent 70 mètres. Elles sont construites en fibre de verre ou de carbone pour réduire leur poids.

La vitesse de rotation de l’hélice est insuffisante pour produire de l’électricité. Elle entraîne donc un engrenage qui accroît la vitesse jusqu’à 1 500 tours minutes dans l’alternateur. Un câble souterrain relie l’éolienne à un poste transformateur qui élève la tension de l’électricité à 225 000 ou 400 000 volts4.

La puissance moyenne des éoliennes terrestres se situe autour de 3 MW, celle des éoliennes offshoreTerme anglais désignant les zones et les opérations d'exploration ou d'exploitation pétrolières en mer... entre 4 et 8 MW. La puissance est proportionnelle à la surface balayée par le rotor et au cube de la vitesse du vent. Elle dépend aussi de la densité de l’air. Certaines éoliennes plus petites peuvent être à axe vertical.