4 types de centrales électriques : manuel détaillé avec données précises
Les centrales électriques sont au cœur de notre approvisionnement énergétique. Cet article présente 4 types de centrales - thermiques, nucléaires, hydroélectriques, solaires et éoliennes - en détaillant leur fonctionnement et leurs caractéristiques. Comprendre ces différentes sources permet de mieux appréhender les enjeux de la transition énergétique.
Centrales thermiques à flamme
Les centrales thermiques à flamme constituent l'un des principaux types de production d'électricité en France et dans le monde. Basées sur la combustion de combustibles fossiles, ces installations jouent un rôle important dans le mix énergétique, malgré leurs impacts environnementaux significatifs. Examinons en détail leur fonctionnement, leurs performances et leur place dans le contexte de la transition énergétique.
Principe de fonctionnement
Les centrales thermiques à flamme produisent de l'électricité en brûlant des combustibles fossiles comme le charbon, le gaz naturel ou le fioul. Ce processus se déroule en plusieurs étapes :
Combustion du combustible dans une chaudière
Production de vapeur d'eau à haute pression
Entraînement d'une turbine par la vapeur
Conversion de l'énergie mécanique en électricité via un alternateur
Le rendement énergétique de ces centrales varie généralement entre 35% et 45%, selon le combustible et la technologie utilisés. Les centrales à cycle combiné gaz-vapeur peuvent atteindre des rendements supérieurs à 60%.
Parc thermique français
En France, le parc thermique à flamme représentait en 2023 une puissance installée d'environ 18,9 GW, soit 14,8% de la capacité totale de production électrique. Sa composition était la suivante :
Type de centrale
Puissance installée (MW)
Part du parc thermique
Centrales à gaz
12 671
67,0%
Centrales au fioul
3 401
18,0%
Centrales au charbon
2 997
15,0%
Production et émissions
En 2023, les centrales thermiques à flamme ont produit 42,7 TWh d'électricité en France, soit 9,2% de la production totale. Cette production a généré l'émission de 22,3 millions de tonnes de CO2, représentant environ 70% des émissions du secteur électrique français.
Facteurs d'émission moyens par type de combustible :
Charbon : 986 g CO2/kWh
Fioul : 777 g CO2/kWh
Gaz naturel : 418 g CO2/kWh
Évolutions réglementaires et perspectives
La loi Énergie-Climat de 2019 a fixé l'objectif de fermeture des dernières centrales à charbon françaises en 2022. Cependant, en raison de la crise énergétique, le gouvernement a autorisé le maintien en activité de la centrale de Cordemais (1 200 MW) jusqu'en 2026. Les autres centrales à charbon ont été fermées ou converties à la biomasse.
La Programmation Pluriannuelle de l'Énergie (PPE) prévoit une réduction progressive de la part du thermique fossile dans le mix électrique français, avec un objectif de 11,9 GW de capacité installée en 2028. Cette évolution s'accompagne d'un renforcement des normes d'émissions et d'une modernisation du parc existant.
Exemple : La centrale à cycle combiné gaz de Bouchain
Mise en service en 2016, la centrale de Bouchain (Nord) illustre les avancées technologiques récentes dans le domaine du thermique à flamme. Ses caractéristiques principales sont :
Puissance installée : 605 MW
Rendement : 62,22% (record mondial pour une centrale à cycle combiné)
Émissions de CO2 : 360 g/kWh (soit 40% de moins qu'une centrale à charbon moderne)
Flexibilité : capable d'atteindre sa pleine puissance en moins de 30 minutes
Cette centrale de nouvelle génération joue un rôle crucial dans l'équilibrage du réseau électrique, en complément des énergies renouvelables intermittentes.
Centrales nucléaires
Les centrales nucléaires constituent un pilier majeur de la production d'électricité en France, représentant environ 80% de la production totale. Ce type de centrale utilise la fission des atomes d'uranium pour générer de l'énergie thermique, ensuite convertie en électricité. Le parc nucléaire français se compose principalement de réacteurs à eau pressurisée (REP), une technologie éprouvée mais qui soulève néanmoins des questions en termes de sûreté et de gestion des déchets radioactifs.
Principe de fonctionnement d'une centrale nucléaire
Le cœur du réacteur nucléaire contient des assemblages de combustible composés de pastilles d'uranium enrichi. La fission des noyaux d'uranium 235 libère une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur. Cette chaleur est utilisée pour chauffer de l'eau dans le circuit primaire, maintenue sous haute pression (155 bars) pour éviter son ébullition. L'eau du circuit primaire transfère ensuite sa chaleur à un circuit secondaire via des échangeurs de chaleur appelés générateurs de vapeur. La vapeur ainsi produite entraîne une turbine couplée à un alternateur qui génère l'électricité.
Caractéristiques des réacteurs à eau pressurisée (REP)
Les 56 réacteurs en service en France sont tous de type REP. Ils se caractérisent par :
Une puissance unitaire comprise entre 900 et 1450 MWe
Un rendement thermodynamique d'environ 33%
Une durée de fonctionnement prévue initialement de 40 ans, prolongée à 50 ans pour certains réacteurs
Un taux de disponibilité moyen de 73,3% en 2022
Production d'électricité nucléaire en France
En 2022, la production nucléaire française s'est élevée à 279 TWh, soit 62,7% de la production totale d'électricité. Ce chiffre, en baisse par rapport aux années précédentes en raison de travaux de maintenance et de contrôles de corrosion, illustre néanmoins l'importance du nucléaire dans le mix énergétique français. La capacité installée totale du parc nucléaire français atteint 61,4 GW, répartie sur 18 sites.
Enjeux liés à la sûreté nucléaire
La sûreté des installations nucléaires repose sur le principe de défense en profondeur, qui comprend plusieurs niveaux de protection. L'Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN) assure le contrôle de la sûreté nucléaire et de la radioprotection. En 2022, l'ASN a réalisé 1 743 inspections et prononcé 17 mises en demeure. Les principaux enjeux de sûreté concernent le vieillissement des installations, la maîtrise des risques liés aux agressions externes (séismes, inondations) et la prévention des accidents graves.
Gestion des déchets radioactifs
La gestion des déchets radioactifs constitue un défi majeur de la filière nucléaire. En France, environ 2 kg de déchets radioactifs sont produits par habitant et par an. Ces déchets sont classés selon leur niveau de radioactivité et leur durée de vie. Les déchets de haute activité et à vie longue, qui représentent 0,2% du volume total mais concentrent 94,9% de la radioactivité, sont actuellement entreposés dans des installations dédiées en attendant la mise en service du centre de stockage géologique Cigéo, prévu pour 2035-2040.
Catégorie de déchets
Volume (m³)
Part de la radioactivité totale
Haute activité (HA)
3 910
94,9%
Moyenne activité à vie longue (MA-VL)
45 000
5,0%
Faible activité à vie longue (FA-VL)
93 000
0,1%
La gestion à long terme des déchets radioactifs soulève des questions éthiques et techniques complexes, nécessitant une réflexion approfondie sur les solutions de stockage et leur acceptabilité sociale.
Centrales hydroélectriques
Les centrales hydroélectriques constituent une source majeure d'énergie renouvelable en France, exploitant la puissance des cours d'eau pour produire de l'électricité. Leur fonctionnement repose sur un principe simple mais efficace : la conversion de l'énergie potentielle de l'eau en énergie électrique.
Principe de fonctionnement
Le processus de production d'électricité dans une centrale hydroélectrique commence par le stockage de l'eau dans un réservoir créé par un barrage. L'eau est ensuite acheminée vers des turbines via des conduites forcées. La force de l'eau en mouvement fait tourner les turbines, qui sont couplées à des alternateurs. Ces derniers transforment l'énergie mécanique de rotation en énergie électrique.
Il existe plusieurs types de centrales hydroélectriques, notamment :
Les centrales de lac, utilisant des barrages pour créer de grands réservoirs
Les centrales au fil de l'eau, qui exploitent le débit naturel des rivières
Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), qui peuvent pomper l'eau d'un réservoir inférieur vers un réservoir supérieur pendant les périodes de faible demande électrique
Capacité installée en France
La France dispose d'un parc hydroélectrique conséquent, avec une capacité installée de 25,7 GW en 2023. Cette puissance représente environ 13% de la capacité de production électrique totale du pays. En termes de production annuelle, l'hydroélectricité génère en moyenne 60 TWh, soit environ 12% de la production électrique française.
Principaux barrages français
Parmi les barrages hydroélectriques les plus notables en France, on peut citer :
Le barrage de Grand'Maison dans l'Isère, avec une puissance de 1800 MW
Le barrage de Serre-Ponçon dans les Hautes-Alpes, d'une capacité de 380 MW
Le barrage de Tignes en Savoie, produisant 230 MW
Avantages environnementaux
L'hydroélectricité présente plusieurs avantages environnementaux significatifs :
Émissions de gaz à effet de serre quasi nulles pendant la phase d'exploitation
Ressource renouvelable ne dépendant pas de combustibles fossiles
Capacité de stockage d'énergie, notamment grâce aux STEP
Durée de vie des installations très longue (plus de 100 ans pour certains barrages)
Impacts sur les écosystèmes
Malgré ses avantages, l'hydroélectricité n'est pas exempte d'impacts sur l'environnement. La construction de barrages peut avoir des conséquences importantes sur les écosystèmes aquatiques :
Modification du régime hydrologique des cours d'eau
Entrave à la migration des poissons
Altération de la qualité de l'eau dans les réservoirs
Perturbation des habitats naturels
Pour atténuer ces impacts, des mesures sont mises en place, telles que l'installation de passes à poissons ou la gestion des débits réservés pour préserver la biodiversité en aval des barrages.
Perspectives d'avenir
Bien que le potentiel de développement de grandes centrales hydroélectriques soit limité en France, des opportunités existent pour optimiser les installations existantes et développer la petite hydroélectricité. La modernisation des équipements et l'amélioration de leur efficacité permettront d'augmenter la production sans nécessairement construire de nouveaux ouvrages. De plus, l'hydroélectricité jouera un rôle crucial dans la transition énergétique, notamment grâce à sa capacité de stockage et sa flexibilité pour équilibrer le réseau électrique face à l'intermittence des énergies solaire et éolienne.
Centrales solaires et éoliennes
Les centrales solaires photovoltaïques et les éoliennes représentent deux sources majeures d'énergie renouvelable en France, avec une capacité installée croissante ces dernières années. Ces technologies permettent de produire de l'électricité en exploitant respectivement le rayonnement solaire et la force du vent, sans émission directe de gaz à effet de serre lors de leur fonctionnement.
Centrales solaires photovoltaïques
Les centrales solaires photovoltaïques convertissent directement l'énergie lumineuse du soleil en électricité grâce à l'effet photoélectrique. Des panneaux composés de cellules en silicium absorbent les photons et libèrent des électrons, générant ainsi un courant continu. Ce courant est ensuite converti en courant alternatif par des onduleurs avant d'être injecté sur le réseau électrique.
En France, la capacité installée de solaire photovoltaïque atteignait 13,2 GW fin 2022, avec une production annuelle de 14,3 TWh. Le parc photovoltaïque français a connu une croissance significative, passant de 5,3 GW en 2015 à 13,2 GW en 2022. Les régions Nouvelle-Aquitaine, Occitanie et Provence-Alpes-Côte d'Azur concentrent près de 60% de la puissance installée nationale.
Défis et progrès technologiques
L'intermittence de la production solaire constitue un défi majeur pour l'intégration massive de cette énergie dans le mix électrique. Des avancées technologiques récentes visent à améliorer l'efficacité des panneaux et à développer des solutions de stockage. Par exemple, les cellules à hétérojonction atteignent désormais des rendements supérieurs à 26% en laboratoire, contre 15-20% pour les panneaux standards. Le développement de batteries stationnaires et de l'hydrogène vert offre également des perspectives pour le stockage de l'énergie solaire excédentaire.
Éoliennes
Les éoliennes exploitent l'énergie cinétique du vent pour produire de l'électricité. Les pales, entraînées par le vent, font tourner un rotor connecté à un générateur via un multiplicateur. Ce générateur convertit l'énergie mécanique en électricité, qui est ensuite transformée pour être compatible avec le réseau électrique.
Le parc éolien français comptait une puissance installée de 20,7 GW fin 2022, dont 18,8 GW d'éolien terrestre et 1,9 GW d'éolien en mer. La production éolienne a atteint 44,2 TWh en 2022, soit environ 9% de la consommation électrique nationale. Les régions Hauts-de-France et Grand Est concentrent près de 40% de la capacité éolienne terrestre française.
Innovations technologiques
Pour répondre aux enjeux d'intermittence et d'acceptabilité, l'industrie éolienne développe des solutions innovantes. Les éoliennes offshore flottantes permettent d'exploiter des zones maritimes plus profondes, avec des vents plus forts et réguliers. Les pales à géométrie variable et les systèmes de contrôle avancés améliorent l'efficacité des turbines. Des recherches sont également menées sur des matériaux composites plus légers et résistants pour augmenter la taille des rotors sans compromettre la stabilité des structures.
Technologie
Capacité installée (2022)
Production annuelle (2022)
Solaire photovoltaïque
13,2 GW
14,3 TWh
Éolien (terrestre + offshore)
20,7 GW
44,2 TWh
L'intégration croissante de ces énergies variables dans le mix électrique français nécessite une adaptation du réseau et le développement de solutions de flexibilité. Les progrès en matière de prévision météorologique et de gestion intelligente des réseaux contribuent à optimiser l'utilisation de ces ressources renouvelables, participant ainsi à la transition énergétique du pays.