Centrales électriques et production alternative d'électricité : les réseaux d'énergie électrique 3B

Valentin Crastan

Description

Les réseaux d'énergie électrique présente des systèmes techniques complexes dont le comportement peut être prédit de façon fiable par des processus de simulation. Ces derniers sont aujourd'hui implémentés dans de courts délais grâce aux progrès des méthodes par ordinateur.
C'est pourquoi l'ouvrage présente une modélisation rigoureuse de la dynamique de toutes les parties de l'installation. La libéralisation du marché de l'énergie électrique et la forte concurrence qui l'accompagne conduisent les entreprises à exploiter les réseaux jusqu'à leurs limites.
Le volume 3A montre les enjeux de l'économie énergétique européenne et mondiale et traite en particulier des problèmes posés par le changement climatique. Après un rappel des calculs économiques, il analyse, en particulier, l'économie électrique aujourd'hui en pleine évolution à la suite de la libéralisation du marché.
Le Volume 3B étudie les centrales classiques hydroélectriques et celles thermoélectriques à combustibles fossile et nucléaire. Il traite également des méthodes alternatives de production de courant électrique par les énergies éolienne et solaire, des perspectives de la fusion nucléaire et des piles à combustible.
Centrales électriques. Conversion de l'énergie. Chapitre 4. Centrales hydroélectriques. Chapitre 5. Centrales thermoélectriques, thermopompe. Production alternative d'électricité. Chapitre 6. Énergie éolienne. Chapitre 7. Énergie photovoltaïque. Chapitre 8. Piles à combustible. Chapitre 9. La fusion thermonucléaire. Annexes. Annexe I. Thermodynamique. Annexe II. Éléments de physique nucléaire. Annexe III. Fonction gamma. Annexe IV. Diagramme de Mollier, fluides frigorigènes. Annexe V. Solutions des exercices. Bibliographie. Index.

Sujets

• Environnement
• Pollution
• EAU
• Énergie

Informations

• Publié par: Hermès - Editions Lavoisier
• Date de parution: 08 septembre 2009
• Nombre de lectures: 182
• EAN13: 9782746240322
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 13 Mo

Extrait

Centrales électriques et production alternative d’électricité

Edition actualisée, traduite de l’allemand par l’auteur Titre original : Elektrische Energieversorgung 2 © Springer-Verlag, Heidelberg, Berlin, New York, 2009 ISBN de l’édition allemande 978-3-540-70877-3

© LAVOISIER, 2009 LAVOISIER 11, rue Lavoisier 75008 Paris www.hermes-science.com www.lavoisier.fr ISBN 978-2-7462-2340-0 Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une part, que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective" et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, "toute représentation ou reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite" (article L. 122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. Tous les noms de sociétés ou de produits cités dans cet ouvrage sont utilisés à des fins d’identification et sont des marques de leurs détenteurs respectifs. Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, September 2009.

Centrales électriques et production alternative d’électricité les réseaux d'énergie électrique 3B Valentin Crastan

C OLLECTION DIRIGÉE PAR J EAN -C LAUDE S ABONNADIÈRE

C HAIGNE Claudeet al.vectorielle sans capteur des machines, – Commande asynchronies, 2005

C RASTAN Valentin – Les réseaux d'énergie électrique 1, 2006

C RASTAN Valentin – Les réseaux d'énergie électrique 2, 2007

C RASTAN Valentin – Les réseaux d'énergie électrique 3A, 2009

P RÉVÉ Christophe – Les réseaux électriques industriels 1 et 2, 2005

Préface au tome 3B

Cette seconde partie B du troisième tome de l’ouvrageLes réseaux d’énergie électriqueest la traduction des chapitres 4 à 7 du second volume de l’œuvre originale en langue allemande paru en deuxième édition en 2009. Ce troisième tome a été, contrairement à l’intention origi nelle (voir préface au tome 1), scindé en deux parties A et B pour l’édition française. Je remercie Jean Biollay pour le lectorat et l’éditeur Hermes Science Publishing et particu lièrement Madame Hobbs pour l’agréable collaboration.  Valentin CRASTAN Bienne, avril 2009

Préface de la seconde édition du second volume de l’édition allemande

Dans cette seconde édition du deuxième volume paru en 2004 on a développé sensiblement le chapitre 1 pour tenir compte de l’évolution dans le domaine de l’économie énergétique et, en particulier, des questions posées par le changement climatique. Dans la cadre de l’ouverture du marché de l’électricité, on a donné plus de poids au pro blème de la gestion des risques. Je remercie T. Putzi des Forces Motrices Bernoises et le professeur M. Höckel, HESBTI, Bienne pour leurs contributions. Mes remerciements vont aussi à J. Kreusel, ABB, pour l’actualisation de son exposé. La structure du volume est restée essentiellement la même. On a éliminé quelques impré cions et quelques erreurs et on a actualisé le contenu là où ceci a été jugé nécessaire. Je remercie le prof. A. Shah de l’Université de Neuchâtel pour l’échange d’idées au sujet de l’énergie photovoltaïque ainsi que le prof. M. Q. Tran de l’EPF de Lausanne pour la lec ture et quelques suggestions relatives au chapitre 9 (fusion nucléaire) et, finalement, le Dr. Ulf Bossel pour quelques remarques concernant les piles à combustible. Un grand merci aussi aux coauteurs Dr. R. Apel et O. Vollmeier, Siemens SA, pour l’adaptation et la coordination de leurs chapitres concernant les systèmes techniques de ges tion du réseau. Un merci aussi à l’éditeur Springer pour l’agréable et efficace collaboration. Valentin CRASTAN  Bienne, juin 2008

Préface de la première édition du second volume de l’édition allemande

Le premier volume de l’ouvrageElektrische Energieversorgungen deux volumes, paru en 2000, traite des bases électrotechniques, de la modélisation des éléments du réseau électrique, du comportement en régime stationnaire et quasistationnaire des réseaux symétriques et dissymétriques, du dimensionnement des élements du réseau, des phénomènes de coupure et de la protection du système.

VI Les réseaux d’énergie électrique 3B

Ces fondements concernent, en premier lieu, les problèmes du transport et de la distribution d’énergie électrique. Ils sont complétés dans le second volume par les aspects qui touchent l’économie énergétique et, en particulier, les systèmes pour la production d’énergie électrique par les moyens classiques et alternatifs. On traite ensuite, de façon détaillée, les problèmes dynamiques et ceux de stabilité du réseau ainsi que ceux liés à la planification et à la conduite du système. Bien que le présent livre ait le caractère d’une monographie (environ 60 % du texte sont rédigés par le soussigné), des contributions importantes ont été données par les différents coauteurs mentionnés à la page XXV. Je les en remercie vivement. Ce second volume qui comprend cinq parties et une annexe est structuré de la manière suivante : Lapremière partietraite des fondements de l’économie énergétique en tenant compte des problèmes de l’environnement et du calcul d’investissement. Les aspects induits par l’ouvertu re du marché de l’électricité sont analysés en détail et approfondis par la contribution de J. Kreusel sur le fonctionnement des marchés libéralisés et par celle de M. Höckel sur la formation du prix de l’énergie électrique et la gestion des risques. Ladeuxième partietraite des centrales classiques hydroélectriques et thermoélectriques, à combustible fossile et nucléaire, y compris leur modélisation et leur dynamique. La section qui concerne les centrales à cycle combiné est complétée par la contribution de H. Kleinen. Dans le cadre de la conversion de l’énergie, on traite aussi la pompe à chaleur dont l’impor tance écologique est indéniable. Latroisième partieconcerne les méthodes alternatives de production de courant électrique, leur technique et leur perspectives. Mentionnons l’énergie éolienne, l’énergie photovoltaïque, la fusion nucléaire et les piles à combustible. Laquatrième partiese penche sur les questions du réglage et de la stabilité du réseau électrique. Les problèmes de modélisation, déjà abordés au premier volume, sont approfondis. Les outils numériques disponibles pour la simulation de réseaux complexes sont exposés dans la contribution de M. Pöller. On traite ensuite des problèmes de réglage du réseau , des problè mes de la stabilité de l’angle polaire et de celle de la tension. Une analyse de la stabilité de l’angle polaire dans un réseau étendu (réseau UCTE) et des causes à l’origine des oscillations de puissance se trouvent dans la contribution de H. Weber. Lacinquième partietraite d’abord le problème de la conduite optima d’une entreprise électrique à gestion verticalement intégrée pour passer ensuite aux modifications imposées par l’ouverture du marché. L’optimisation dans le cas d’accès négocié au marché ouvert à la concurrence est analysée par J. Kreusel. Les dispositifs FACTS sont une innovation essentielle dans le cadre de la commande et de l’optimisation des réseaux. Les types et les caractéristiques de ces éléments et la façon de les utiliser sont décrits en détail dans le chapitre 15, rédigé par D. Westermann. Finalement, l’ouverture du marché pose de nouveaux problèmes aux techni ques d’information et de commande. Les contributions de R. Apel (chapitre 16) et O. Voll meier (chapitre 17) illustrent les différents aspects de ces techniques. Dans l’annexe, on donne les bases physicomathématiques nécessaires à la compréhension approfondie de certains chapitres, par exemples les notions fondamentales de la thermodyna mique, de la physique nucléaire et de la dynamique, en particulier de la technique de réglage, ainsi que du calcul d’optimisation. Les solutions des exercices et quelques tableaux et graphi ques se trouvent également dans l’annexe. Je remercie Kurt Appert de l’EPFL pour les remarques utiles après lecture du chapitre concernant la fusion nucléaire. Remerciements aussi à Ulf Bossel pour l’examen du chapitre qui traite des piles à combustible. Un merci tout particulier que je réitère va aux coauteurs qui ont contribué de façon essentielle à la réussite de l’ouvrage ainsi qu’à l’éditeur Springer pour l’agréable collaboration, en particulier à Mme. G. Maas pour son dévouement.

Valentin CRASTAN  Bienne, avril 2003

Table des matières

Partie II Centrales électriques  Conversion de l’énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 1

Chapitre 4. Centrales hydroélectriques.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

4.1 Bases hydrologiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

4.2 Centrales au fil de l’eau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Aménagement des eaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Exécution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Dimensionnement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 6 6 8

4.3 Centrales à accumulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4.3.1 Accumulation journalière et hebdomadaire.. . . . . . . . . . . . . . 8 4.3.2 Accumulation annuelle (centrales saisonnières). . . . . . . . . . 10 4.3.3 Centrales de pompageturbinage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.4 Turbines hydrauliques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Turbine Pelton.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1.1 Diamètre du jet et débit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1.2 Vitesse périphérique optimale. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1.3 Diamètre, nombre de tours spécifique. . . . . . . . . . . . 4.4.2 Turbines à réaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2.1 P hénomène de cavitation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2.2 Diagramme des énergies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2.3 Chiffres de débit et de pression. . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2.4 Relations entre n ,netø. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . q i 4.4.2.5 Dimensionnement de la turbine. . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2.6 T ypes de turbines à réaction et types de pompes. . . . 4.4.3 Choix de la turbine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5 Dynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Galerie en pression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Chambre d’équilibre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Conduite forcée rigide.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4 M odèle complet du système hydraulique. . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4.1 Schéma fonctionnel non linéaire. . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4.2 Fonction de transfert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.5 Onde de pression élastique (coup de bélier). . . . . . . . . . . . . 4.5.5.1 M odèles de la conduite forcée avec élasticité. . . . . . 4.5.5.2 Fonction de transfert de la conduite forcée élastique.

15 16 18 19 19 22 24 25 25 26 27 30 31

34 34 36 37 38 38 38 40 41 44

VIII Les réseaux d’énergie électrique 3B

4.5.6 M odèle complet du système hydraulique avec élasticité . . . 4.5.6.1 Fonction de transfert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.6.2 Schéma fonctionnel non linéaire. . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.7 M odèle de la turbine et de la centrale hydroélectrique. . . . . 4.5.7.1 Equationsper unit(p.u.). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.7.2 Linéarisation des équations de la turbine. . . . . . . . . . . . . . 4.5.7.3 Fonction de transfert de la turbine. . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 5. Centrales thermoélectriques, thermopompe. . . . . . . . . . . . . . .

5.1 Cycle de travail de la vapeur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Cycles de Rankine et de ClausiusRankine . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Surchauffe intermédiaire et préchauffage de l’eau. . . . . . . .

5.2 Cycles des turbines à gaz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Turbine à gaz à cycle ouvert (cycle de Joule). . . . . . . . . . . . 5.2.1.1 Cycle idéalisé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1.2 Cycle réel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1.3 Rendement, puissance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Récupération. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Cycles à deux étages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3 Installations à cycle combiné. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4 Cogénération. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Cogénération par soutirage de vapeur. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2 Cogénération par contrepression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3 Turbines à gaz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.4 Petites centrales à énergie totale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.5 Cogénération et rejets de CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5.5 Centrales à vapeur à combustible fossile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.1 Circuit aircombustiblefumées/cendres. . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.2 Circuit eauvapeur, pertes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.3 Circuit de refroidissement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.4 Réglage de tranche (Heinrich Kleinen). . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.5 Dynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.6 Centrales nucléaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1 Energie provenant de la fission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1.1 La fission de l’uranium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1.2 Processus de conversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2 Types de réacteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2.1 Réacteurs à eau légère (PW R, BW R). . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2.2 Réacteurs à eau lourde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2.3 Réacteurs modérés au graphite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2.4 Réacteurs rapides surgénérateurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.3 Cycle à vapeur et réglage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45 45 45 45 46 48 50

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57 57 58 58 61 62 63

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67 67 69 70 71 71

72 72 72 74 76 79

82 82 82 84 85 85 87 88 88 89