Production d'électricité

activité économique

La production d'électricité est essentiellement un secteur industriel qui approvisionne en énergie électrique les fournisseurs d'électricité. Ceux-ci la livrent ensuite aux consommateurs en utilisant les réseaux de transport et de distribution.

La production d'électricité est réalisée depuis la fin du XIXe siècle dans des centrales électriques. Les centrales transforment des énergies primaires, généralement grâce à des générateurs électriques entraînés soit par une machine thermique alimentée en combustible fossile (charbon, gaz naturel ou pétrole), en combustible organique (biomasse, déchets), en énergie nucléaire ou en énergie géothermique, soit directement par l'énergie mécanique hydroélectrique ou éolienne ou par l'énergie solaire.

La part de l'électricité dans la consommation finale d'énergie mondiale s'élevait à 19,7 % en 2019. La production mondiale d'électricité était issue en 2019 des combustibles fossiles pour 62,9 %, du nucléaire pour 10,3 % et des énergies renouvelables pour 26,3 % (hydroélectricité 16,0 %, éolien 5,3 %, solaire 2,5 %, biomasse 2,0 %, géothermie 0,3 %). Les deux principaux pays producteurs d'électricité totalisent 42,9 % de la production mondiale : Chine 26,7 % et États-Unis 16,2 %.

Un Turbo-alternateur dans une centrale thermique.

HistoireModifier

En 1868, l'inventeur belge Zénobe Gramme améliore la dynamo, à courant continu, point de départ de l'industrie électrique moderne, et fonde la Société des machines magnétoélectriques Gramme avec l'industriel Hippolyte Fontaine. Quelques années plus tard, les boulevards des grandes capitales sont illuminés par la bougie Jablochkoff alimentée par des machines Gramme, avant qu'elle soit supplantée par les lampes à incandescence de Thomas Edison[1],[2],[3]. La deuxième révolution industrielle est en marche.

En 1878, une centrale hydroélectrique de 7 kW est construite par William George Armstrong à Cragside en Angleterre. Elle tire son énergie de lacs situés sur la propriété de l'ingénieur, via des dynamos, et alimente sa demeure ainsi que des machines et bâtiments de ferme[4].

En 1882, Thomas Edison construit la centrale de Pearl Street Station, première aux États-Unis. Elle abrite six dynamos « Jumbo » mues par des machines à vapeur, celle-ci étant produite grâce au charbon, et fournit du courant continu dans un rayon de 800 m[5]. D'une capacité de 1 200 lampes, elle éclaire 85 maisons, bureaux et boutiques de Manhattan[6]. Moins d'un an plus tard, d'autres centrales, toujours plus puissantes, éclairent plus de 430 immeubles new-yorkais avec plus de 10 000 ampoules. C'est également la première centrale à cogénération, dont la chaleur résiduelle est distribuée aux bâtiments voisins et la pression de vapeur vendue aux usines locales. La technologie sera par la suite adoptée dans le monde entier.

En 1890, le courant alternatif sort vainqueur de la guerre des courants l'opposant aux partisans du courant continu. La production centralisée d'électricité se généralise alors, grâce au transport à haute tension de l'énergie.

Moyens de productionModifier

Les moyens de production sont diversifiés et dépendent de nombreux facteurs, notamment :

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Enjeux environnementauxModifier

L'électricité est communément présentée comme une « énergie propre ». En effet, les équipements l'utilisant n'émettent, localement, ni gaz polluant, ni gaz à effet de serre. Toutefois, l'électricité n'est pas disponible naturellement sur Terre, elle n'est qu'un vecteur énergétique. Elle est produite par conversion d'énergie primaire en « énergie électrique », or la plupart des processus de production d'électricité, en particulier ceux les plus répandus au début du XXIe siècle, ont des effets néfastes sur l'environnement :

De plus, la construction de tout ouvrage et de toute machine requiert des matériaux et de l'énergie grise, qui impliquent eux-mêmes pollution, rejets et autres impacts environnementaux. L'analyse du cycle de vie révèle ainsi, par exemple, qu'une éolienne est responsable d'émissions indirectes de CO2 qui représentent, moyennées sur sa durée de vie, 12,7 g/kWh, les 11/13 de ces émissions ayant lieu lors de sa fabrication[11] ; par ailleurs, toute l'énergie qu'elle produit pendant sa première année de fonctionnement ne fait que compenser celle qui a été dépensée pour la mettre en service[12] (heureusement, le taux de retour énergétique sur l'ensemble de sa durée de vie est un des meilleurs parmi les énergies renouvelables). À titre de comparaison, l'énergie nucléaire est responsable d'émissions dans le même ordre de grandeur, le solaire photovoltaïque de 40 à 45 g/kWh, le thermique à gaz de 400 à 500 g/kWh et le thermique à charbon de 1 000 g/kWh[13],[14],[15].

Selon Richard York et Jean-Marc Jancovici, au niveau mondial, les énergies renouvelables ont plus tendance à s'ajouter aux énergies classiques qu'à les remplacer, en particulier dans le domaine de l'électricité[16],[17].

Le charbon compte pour 36,4 % de la production mondiale d'électricité en 2019 ; au total, 62,8 % de la production mondiale d’électricité est carbonée en 2019[18]. En Asie, les multiples projets de centrales à charbon risquent ainsi de mettre à mal les objectifs climatiques[19],[20],[21]. Ainsi, entre le premier semestre 2019 et le premier semestre 2021, l'augmentation de la production électrique des centrales à charbon en Chine a été supérieure à la production de l'ensemble des centrales à charbon de l’Union européenne au 1er semestre 2021. « La transition du secteur électrique chinois devient pourtant cruciale »[22].

Selon une étude parue dans Nature en 2020, même à supposer que le contenu en carbone de l'électricité ne présente pas d'amélioration, il y a quand même intérêt à passer aux voitures électriques pour les transports, et aux pompes à chaleur pour les bâtiments[23]. L'IEA aboutit à la même conclusion. Elle envisage également, pour décarboner l'électricité, la séquestration du CO2[24].

En France, où la production d'électricité est principalement d'origine nucléaire, les émissions de CO2 liées ont été, en 2015, de 23,1 Mt pour 546 TWh, soit 0,06 kg(CO2)/kWh[25],[26].

Techniques de production d'électricitéModifier

Techniques largement utiliséesModifier

Techniques en développementModifier

La productionModifier

La production d'énergie électrique est obtenue par conversion d'une autre forme d'énergie.

Énergie mécaniqueModifier

Toutes les centrales ci-dessus fonctionnent par conversion finale de l'énergie mécanique en énergie électrique par l'intermédiaire d'une génératrice comme une machine synchrone (alternateur) qui produit du courant alternatif ou une dynamo qui produit du courant continu.

Énergie photovoltaïqueModifier

Une centrale solaire photovoltaïque convertit une partie de l'énergie du rayonnement solaire en courant continu via un capteur solaire photovoltaïque. Cette énergie peut être stockée dans des batteries ou convertie en courant alternatif par un onduleur.

Énergie thermoélectriqueModifier

Les centrales thermoélectriques utilisent l'énergie thermique, qui est convertie via des modules thermoélectriques qui produisent du courant continu.

Énergie gravitationnelleModifier

L'énergie potentielle gravitationnelle est exploitée dans les usines marémotrices, les barrages hydroélectriques et les centrales au fil de l'eau.

GénéralisationModifier

La plupart du temps, l'électricité est produite à partir d'une source de chaleur, en utilisant la vapeur d'eau comme colporteur d'énergie. La vapeur fait alors tourner des turbines qui sont couplées à des générateurs électriques. Les énergies hydroélectrique et éolienne sont des exceptions, puisque c'est l'énergie de l'eau, et du vent, en déplacement qui produit un travail directement dans une turbine couplée à un générateur.

Les centrales nucléaires utilisent souvent un circuit primaire et un circuit secondaire de vapeur, afin d'isoler physiquement le réacteur nucléaire de la salle des générateurs et du reste des installations.

Certaines installations, dites à cogénération, combinent la génération d'électricité et de chaleur. Cette dernière peut être utilisée pour des processus industriels , en microcogénération pour le chauffage domestique, ou dans des réseaux de chaleur. Ces centrales électriques combinées, brûlant habituellement du gaz naturel, atteignent les meilleurs rendements, après les centrales hydroélectriques.

Il existe aussi des centrales à cycle combiné (CCC) qui, pour être plus efficientes et donc moins polluantes par kilowatt-heure produit, utilisent l'énergie calorifique résiduelle des gaz d'échappement de la turbine à gaz pour produire de la vapeur utilisée dans une turbine à vapeur entraînant un second alternateur.

Des expériences sont en cours pour utiliser la géothermie pour produire de l'électricité en creusant à très grande profondeur dans des roches dures, ce qui permet de réchauffer un fluide caloporteur alimentant en vapeur une turbine (via une pompe à chaleur quand la température est trop faible).

Tous les véhicules automobiles non électriques utilisent un petit alternateur couplé mécaniquement au moteur principal pour une génération locale d'électricité basse tension, une batterie d'accumulateurs le remplaçant pendant l'arrêt du moteur principal.

Des unités d'appoint ou de secours, appelées groupes électrogènes, permettent une fabrication d'électricité ponctuelle, ils utilisent tous un moteur à explosion pour entraîner la génératrice. et peuvent être :

  • des groupes transportables pour une utilisation d'équipements électriques hors des lieux électrifiés ;
  • de gros générateurs, utilisés pour pallier les coupures dues au fournisseur d'électricité. Les hôpitaux, certains services publics, ou les grandes entreprises ne pouvant supporter un arrêt brutal de leurs processus industriels possèdent ainsi des groupes électrogènes à démarrage automatique.

Les États-Unis en particulier comptent beaucoup sur les combustibles fossiles pour l'électricité (pétrole, gaz naturel, charbon). Les complexités de sécurité liées à l'énergie nucléaire font qu'aucune centrale nucléaire n'a été construite aux États-Unis depuis les années 1970 (à la suite de l'accident nucléaire de Three Mile Island, dans l'État de Pennsylvanie).

Planification et régulation de la productionModifier

L'énergie électrique ne se prêtant pratiquement pas au stockage, l'équilibre entre la production et la consommation d'électricité doit être assuré à tout instant par un gestionnaire de réseau. Or, la demande électrique fluctue de façon journalière[27] (selon les besoins des ménages notamment), hebdomadaire (selon les aléas climatiques) et annuelle (variations saisonnières).

En conséquence, un plan journalier de production d'énergie est établi par les fournisseurs d'électricité et les différents moyens de production sont activés au gré des variations de consommation prévues ou imprévues. Par exemple, en France, les centrales nucléaires fournissent la « base », c'est-à-dire de très grandes quantités d'électricité (de 900 à 1 450 MW par centrale) ; les centrales thermiques peuvent démarrer en quelques heures et fournissent la « semi-base », en service permanent ou saisonnier ; enfin, les barrages hydro-électriques répondent en quelques minutes à la « pointe » de consommation électrique.

Statistiques de production mondialeModifier

La part de l'électricité dans la consommation finale d'énergie s'élevait à 19,7 % en 2019 au niveau mondial, contre 9,5 % en 1973[28].

En 2019, pour la première fois, les énergies renouvelables de nouvelle génération (solaire, éolien, biomasse, etc.) ont pesé davantage dans le mix électrique mondial (10,39 % en cumulé) que le nucléaire (10,35 %)[29]. En juillet 2021, le think tank Carbon Tracker a estimé que la production mondiale d'électricité à partir de combustibles fossiles avait franchi un pic, puisque les marchés émergents répondent également désormais à leur demande par un recours croissant aux énergies renouvelables[30].

En 2019, la répartition des sources de production était la suivante :

Production mondiale d'électricité par source
Source 2019 (TWh) Variation
2000-2019
Part en
2000
Part en
2019
Charbon 9 914 +65 % 38,6 % 36,7 %
Pétrole 747 -37 % 7,6 % 2,8 %
Gaz naturel 6 346 +129 % 17,9 % 23,5 %
Total fossiles 17 008 +71 % 64,2 % 62,9 %
Nucléaire 2 790 +8 % 16,7 % 10,3 %
Hydraulique 4 329 +61 % 17,4 % 16,0 %
Géothermie 91 +75 % 0,3 % 0,3 %
Biomasse 543 +377 % 1,3 % 2,0 %
Déchets 37 +115 % 0,2 % 0,1 %
Éolien 1 427 +4453 % 0,2 % 5,3 %
Solaire PV 681 +85019 % 0,005 % 2,5 %
Solaire th. 13 +2441 % 0,003 % 0,05 %
Marées 1 +83 % 0,004 % 0,004 %
Total EnR 7 123 +145 % 18,8 % 26,3 %
Déchets non renouv. 75 +134 % 0,2 % 0,3 %
Autres 49 +121 % 0,1 % 0,2 %
Total 27 044 +74 % 100 % 100 %
Source des données : Agence internationale de l'énergie[31]
PV = photovoltaïque ; EnR = énergies renouvelables ; solaire th. = solaire thermodynamique.
Production d’électricité des principaux pays en 2019[31]
Pays Production
(TWh)
% mondial % fossiles % nucléaire % EnR
1 Chine 7 218 26,7 % 69,9 % 4,1 % 26,0 %
2 États-Unis 4 392 16,2 % 62,5 % 19,2 % 17,9 %
3 Inde 1 624 6,0 % 77,1 % 2,9 % 20,0 %
4 Russie 1 121 4,1 % 63,4 % 18,6 % 18,0 %
5 Japon 1 045 3,9 % 71,9 % 6,1 % 18,6 %
6 Canada 645 2,4 % 18,1 % 15,7 % 66,2 %
7 Brésil 626 2,3 % 14,7 % 2,6 % 82,7 %
8 Allemagne 609 2,3 % 45,5 % 12,3 % 40,8 %
9 Corée du Sud 581 2,1 % 69,0 % 25,1 % 5,3 %
10 France 571 2,1 % 9,0 % 69,9 % 20,6 %
11 Arabie saoudite 386 1,4 % 99,9 % 0 % 0,1 %
12 Mexique 344 1,3 % 76,9 % 3,3 % 19,8 %
13 Royaume-Uni 323 1,2 % 43,3 % 17,4 % 37,9 %
14 Iran 323 1,2 % 92,6 % 2,2 % 5,2 %
15 Turquie 304 1,1 % 56,1 % 0 % 43,5 %
16 Indonésie 295 1,1 % 83,3 % 0 % 16,7 %
17 Italie 294 1,1 % 58,9 % 0 % 40,0 %
18 Taïwan 274 1,0 % 81,5 % 11,8 % 6,1 %
19 Espagne 273 1,0 % 40,5 % 21,4 % 37,8 %
20 Australie 264 1,0 % 80,3 % 0 % 19,7 %
21 Afrique du Sud 253 0,9 % 87,8 % 5,2 % 7,0 %
Total monde 27 044 100 % 62,9 % 10,3 % 26,3 %

Régulation dans le mondeModifier

Depuis plusieurs années, une table ronde réunit annuellement les régulateurs des États-Unis et l'association des régulateurs de l'Union européenne (CEER[32]). En 2006, une plate-forme de partage en ligne a été créée[33] par les régulateurs de l'énergie.

En , 200 régulateurs de l'énergie et 11 associations régionales ont créé une « Confédération internationale des régulateurs de l'énergie » (ICER)[34] pour échanger des informations sur les « bonnes pratiques » concernant les questions liées à la régulation de l'énergie.

Quatre thèmes et groupes de travail ont été retenus par l'ICER :

  • sécurité de l'approvisionnement ;
  • changement climatique (le G8 des ministres de l'énergie, réuni à Rome en mai 2009, avait demandé aux régulateurs de se coordonner pour une meilleure adaptation aux dérèglements climatiques) ;
  • compétitivité et accessibilité ;
  • meilleures pratiques et formation.

Notes et référencesModifier

NotesModifier

RéférencesModifier

  1. (en) « History of the Public Lighting of Paris », Nature, vol. 132,‎ , p. 888–889 (DOI 10.1038/132888c0, lire en ligne, consulté le ).
  2. « Les bougies Jablochkoff à Londres », L’électricité, no 8,‎ (lire en ligne, consulté le ), sur Gloubik Sciences.
  3. « Notice nécrologique », La Nature, no 1089,‎ (lire en ligne), sur Gloubik Sciences.
  4. (en) « Hydro-electricity restored to historic Northumberland home », sur BBC News, (consulté le ).
  5. (en) Electrical world, vol. 80, McGraw-Hill, (lire en ligne).
  6. « Centrale électrique », sur L'Internaute (consulté le ).
  7. (en) « Why the World’s Rivers Are Losing Sediment and Why It Matters » [« Pourquoi les rivières du monde perdent des sédiments et en quoi c'est important »], sur Yale Environment 360, .
  8. « La guerre des minerais, revers de la transition énergétique ? », sur Reporterre, .
  9. « Sus à l’hydrogène! », sur Jean-Marc Jancovici, .
  10. « Conditions et prérequis en matière de faisabilité technique pour un système électrique avec une forte proportion d’énergies renouvelables à l’horizon 2050 » [PDF], sur RTE, .
  11. Cycleco, « Analyse du Cycle de Vie de la production d’électricité d’origine éolienne en France » [PDF], sur ADEME, (consulté le ), p. 78.
  12. Thierry de Larochelambert, « Énergie éolienne : une analyse du cycle de vie performante », sur Énergie Société Écologie, (consulté le ).
  13. « L'analyse de cycle de vie de l’éolien », sur Journal de l'éolien (consulté le ).
  14. « 1/8 - Nucléaire et énergies renouvelables : des technologies complémentaires pour la transition énergétique », sur Société française d'énergie nucléaire, (consulté le ).
  15. Kevan Saab, « Éoliennes : quel est leur vrai bilan carbone ? », sur Contrepoints, (consulté le ).
  16. (en) Richard York, « Do alternative energy sources displace fossil fuels? » [« Les sources d'énergie alternatives remplacent-elles les combustibles fossiles ? »], Nature Climate Change,‎ (lire en ligne).
  17. « En route pour les renouvelables! », sur Jean-Marc Jancovici, .
    Sur le premier graphique, on voit que la part des énergies fossiles reste approximativement constante malgré la croissance récente des énergies renouvelables.
  18. « BP Statistical Review of World Energy 2020: les chiffres clés de l’énergie dans le monde », sur connaissancedesenergies.org, .
  19. « Charbon: 600 projets de centrales en Asie menacent les objectifs climatiques », sur Le Figaro, .
  20. (en) « Despite Pledges to Cut Emissions, China Goes on a Coal Spree » [« Malgré ses promesses de réduction des émissions, la Chine se lance dans l'exploitation du charbon »], sur Yale Environment 360, .
  21. (en) « A Worrying Resurgence of Coal Becomes a Key Focus at Glasgow » [« Un inquiétant renouveau du charbon est au centre des préoccupations à Glasgow »], sur Yale Environment 360, .
  22. « La pandémie n’a pas bouleversé la composition du mix électrique mondial », sur connaissancedesenergies.org, .
  23. (en) Florian Kobloch et al., « Net emission reductions from electric cars and heat pumps in 59 world regions over time » [« Réductions nettes des émissions des voitures électriques et des pompes à chaleur dans 59 régions du monde en fonction du temps »], Nature,‎ (lire en ligne).
  24. « Perspectives technologiques : l’innovation dans les énergies « propres » », sur connaissancedesenergies.org, .
    connaissancedesenergies.org cite le rapport suivant : Special Report on Clean Energy Innovation [PDF], page 71.
  25. Bilan électrique 2015 [PDF], RTE, 3 février 2016.
  26. (en) Benjamin K. Sovacool, « Valuing the greenhouse gas emissions from nuclear power: A critical survey », Energy Policy, no 36,‎ , p. 2940–2953 (DOI 10.1016/j.enpol.2008.04.017, lire en ligne [PDF]).
  27. « Courbes journalières », sur RTE (entreprise) (consulté le ).
  28. (en) Agence internationale de l'énergie (AIE - en anglais : International Energy Agency - IEA), Key World Energy Statistics 2021 [PDF], septembre 2021, p. 34.
  29. Sharon Wajsbrot, « Le nucléaire doublé par les éoliennes et les panneaux solaires », sur Les Échos, (consulté le ).
  30. « Électricité : la production d'énergie fossile mondiale a atteint un pic », sur Les Échos, (consulté le )
  31. a et b (en) Data and statistics : World - Electricity 2019, Agence internationale de l'énergie, octobre 2021.
  32. « Conseil des régulateurs européens de l’énergie », CRE (consulté le 21 septembre 2017).
  33. (en)International Energy Regulation Network - IERN, sur iern.net
  34. L'annonce a été faite à Athènes le , lors du 4e forum mondial de la régulation de l'énergie.

Voir aussiModifier

Articles connexesModifier

Lien externeModifier

  • (en) Tomorrow, « Electricity map » (consulté le )
    Carte interactive montrant les production, consommation et flux d'électricité ainsi que les ressources éolienne et solaire.