Karamö, le prof virtuelLeçon 13 sur 25
La production de l'énergie électrique
Je sais expliquer comment un alternateur produit une tension alternative, décrire la chaîne énergétique d'une centrale, calculer un rendement et expliquer pourquoi on transporte l'électricité sous haute tension.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire un alternateur (rotor, stator) et expliquer son fonctionnement
- Relier la fréquence de la tension à la vitesse de rotation
- Établir la chaîne énergétique d'une centrale et calculer un rendement
- Expliquer le rôle des transformateurs et de la haute tension dans le transport de l'électricité
Avant de commencer : Les modes de production de l'énergie électrique, la production d'une tension alternative avec un aimant et une bobine (9e), les transformateurs (9e), la relation E = P × t.
1Je découvre
Ousmane, élève à Labé, a reçu un vélo pour son anniversaire. Sur la roue avant, une petite « dynamo » frotte contre le pneu et alimente le phare. Il remarque que plus il pédale vite, plus la lampe brille ; quand il s'arrête, elle s'éteint.
Quelques jours plus tard, sa classe visite une petite centrale hydroélectrique de la région. L'ingénieur leur montre une énorme machine qui tourne dans un bruit sourd : « Ceci est un alternateur. Il fonctionne exactement comme la dynamo de ton vélo, mais il est des milliers de fois plus puissant. » Il ajoute que l'électricité sort de la centrale sous une tension de plusieurs dizaines de milliers de volts, alors que les prises de la maison ne donnent que 220 V.
Ousmane a deux questions : comment une machine qui tourne peut-elle produire de l'électricité ? Et pourquoi transporter le courant sous une tension si élevée, si c'est pour la baisser ensuite ?
Comment l'alternateur d'une centrale produit-il l'énergie électrique, avec quel rendement, et comment cette énergie arrive-t-elle jusqu'à nos maisons ?
2Je comprends
1. Rappel : l'induction électromagnétique
En 9e, tu as vu que lorsqu'on approche ou éloigne un aimant d'une bobine reliée à un voltmètre (ou à une petite lampe), une tension apparaît aux bornes de la bobine. Si l'aimant s'approche puis s'éloigne, la tension change de signe : elle est alternative. Ce phénomène s'appelle l'induction électromagnétique.
On observe aussi que :
- plus l'aimant bouge vite, plus la tension est grande et plus elle change de sens souvent ;
- si l'aimant s'arrête, la tension disparaît.
C'est exactement ce qu'Ousmane observe avec son vélo.
2. L'alternateur
Un alternateur est une machine qui produit une tension alternative en faisant tourner un aimant devant des bobines. Il comprend deux parties :
- le rotor (la partie qui tourne) : c'est un aimant ou un électroaimant, appelé inducteur ;
- le stator (la partie fixe) : ce sont des bobines de fil de cuivre, appelées induit, aux bornes desquelles apparaît la tension.
Quand le rotor tourne, chaque pôle de l'aimant passe alternativement devant chaque bobine : la tension produite change de sens régulièrement. On obtient une tension alternative sinusoïdale.
3. Fréquence et vitesse de rotation
La fréquence f de la tension (en hertz, Hz) est le nombre de fois par seconde où la tension refait le même cycle. Pour un rotor à une paire de pôles (un nord et un sud), la tension fait un cycle complet à chaque tour.
Si le rotor porte p paires de pôles et fait n tours par seconde :
f = p × n.
Le réseau électrique de la Guinée fonctionne à 50 Hz. Un alternateur à une seule paire de pôles doit donc tourner à 50 tours par seconde, soit 50 × 60 = 3 000 tours par minute. Les turbines hydrauliques tournent plus lentement : leurs alternateurs ont beaucoup de paires de pôles.
Exemple
L'alternateur d'une centrale a 2 paires de pôles et tourne à 1 500 tours par minute. Calcule la fréquence de la tension produite. Même question pour un alternateur de barrage à 24 paires de pôles tournant à 125 tours par minute.
1 500 tr/min = 1 500 / 60 = 25 tr/s. f = p × n = 2 × 25 = 50 Hz.
125 tr/min = 125 / 60 ≈ 2,08 tr/s. f = 24 × 125 / 60 = 3 000 / 60 = 50 Hz.
Les deux alternateurs produisent bien du 50 Hz, compatible avec le réseau.
4. La chaîne énergétique d'une centrale
Une centrale ne crée pas d'énergie : elle transforme une forme d'énergie en une autre. Pour une centrale hydroélectrique :
- 1Énergie de position de l'eau retenue en hauteur derrière le barrage.
- 2Énergie de mouvement (cinétique) de l'eau qui descend dans la conduite forcée.
- 3Énergie mécanique de rotation de la turbine et du rotor.
- 4Énergie électrique produite dans les bobines du stator de l'alternateur.
- 5Pertes : une partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur (frottements, échauffement des fils).
La puissance hydraulique reçue par la turbine dépend de la hauteur de chute h (en m) et du débit Q (le volume d'eau qui passe chaque seconde, en m³/s) :
Phyd = ρ × Q × g × h
avec ρ = 1 000 kg/m³ (masse volumique de l'eau) et g = 10 N/kg (intensité de la pesanteur, valeur arrondie).
5. Le rendement
Aucune transformation n'est parfaite. Le rendement eta (lettre grecque « êta ») compare l'énergie utile obtenue à l'énergie reçue :
eta = EutileEreçue = PutilePreçue.
Le rendement n'a pas d'unité. Il est toujours inférieur à 1 (ou à 100 %), à cause des pertes.
Méthode
Pour étudier la production d'une centrale hydroélectrique :
- Je relève le débit Q (m³/s) et la hauteur de chute h (m).
- Je calcule la puissance hydraulique reçue : P = 1 000 × Q × 10 × h (en W).
- Je calcule la puissance électrique : Pél = η × P.
- Je convertis en kW ou en MW (1 MW = 1 000 000 W).
- Je calcule l'énergie produite : E = Pél × t (en kWh si Pél est en kW et t en h).
Exemple
Une centrale reçoit un débit de 20 m³/s avec une hauteur de chute de 50 m. Le rendement global est de 85 %. Calcule la puissance hydraulique, la puissance électrique et l'énergie produite en 24 heures.
Phyd = 1 000 × 20 × 10 × 50 = 10 000 000 W = 10 MW.
Pél = 0,85 × 10 = 8,5 MW.
E = 8,5 × 24 = 204 MWh, soit 204 000 kWh.
Pertes : 10 − 8,5 = 1,5 MW sont perdus, surtout sous forme de chaleur.
Exemple
Un groupe électrogène consomme du gasoil qui lui apporte 30 kWh d'énergie chimique. Il fournit 9 kWh d'énergie électrique. Calcule son rendement.
η = 9 / 30 = 0,3, soit 30 %.
70 % de l'énergie du carburant est perdue en chaleur (moteur et gaz d'échappement très chauds). Un groupe électrogène a un rendement bien plus faible qu'une centrale hydroélectrique.
6. Du barrage à la maison : le transport
L'électricité produite au barrage doit parcourir des dizaines, voire des centaines de kilomètres. Or les câbles ont une résistance : le courant qui les traverse les échauffe (effet Joule) et une partie de l'énergie est perdue. Ces pertes sont d'autant plus grandes que l'intensité est grande.
Pour transporter une même puissance, on admet que P = U × I : si on augmente la tension U, on diminue l'intensité I, donc les pertes. D'où l'organisation du réseau :
- à la sortie de la centrale, un transformateur élévateur augmente la tension (plusieurs dizaines ou centaines de milliers de volts) ;
- les lignes à haute tension, portées par de grands pylônes, transportent l'électricité ;
- près des villes et des quartiers, des transformateurs abaisseurs ramènent la tension à 220 V pour les maisons.
Les transformateurs ne fonctionnent qu'en tension alternative : c'est une des raisons pour lesquelles les centrales produisent du courant alternatif.
Exemple
Une ligne doit transporter une puissance de 1 000 000 W. Calcule l'intensité dans la ligne si la tension est de 20 000 V, puis de 200 000 V.
I = P / U.
Sous 20 000 V : I = 1 000 000 / 20 000 = 50 A.
Sous 200 000 V : I = 1 000 000 / 200 000 = 5 A.
En multipliant la tension par 10, on divise l'intensité par 10 : les câbles chauffent beaucoup moins et les pertes deviennent très faibles.
Sécurité. Les lignes à haute tension sont mortelles, même sans les toucher : il ne faut jamais s'en approcher, grimper sur un pylône, faire voler un cerf-volant à proximité, ni toucher un câble tombé à terre après un orage.
3Je retiens
Je retiens
Induction : un aimant qui bouge devant une bobine fait apparaître une tension alternative.
Alternateur : rotor (aimant ou électroaimant qui tourne, inducteur) + stator (bobines fixes, induit).
Fréquence : f = p × n (p paires de pôles, n en tours par seconde) ; réseau guinéen : 50 Hz, 220 V.
Centrale hydroélectrique : énergie de position → énergie cinétique → énergie mécanique → énergie électrique (+ pertes en chaleur).
Puissance hydraulique : P = ρ × Q × g × h. Rendement : η = Eutile / Ereçue < 1.
Transport : transformateur élévateur → lignes haute tension → transformateur abaisseur → 220 V ; haute tension = faible intensité = moins de pertes.
4Erreurs fréquentes
- Dire qu'une centrale « crée » de l'énergie : elle transforme une énergie en une autre, avec des pertes.
- Trouver un rendement supérieur à 1 : c'est impossible, il y a une erreur (souvent, les énergies ont été inversées dans le quotient).
- Oublier de convertir les tours par minute en tours par seconde : 3 000 tr/min = 50 tr/s.
- Croire que la haute tension sert à « pousser » l'électricité plus loin : elle sert à diminuer l'intensité, donc les pertes par effet Joule dans les câbles.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète.
a) La partie tournante d'un alternateur s'appelle le … ; c'est un … ou un électroaimant.
b) La partie fixe s'appelle le … ; elle est formée de … .
c) Un alternateur transforme l'énergie … en énergie … .
d) À la sortie d'une centrale, un transformateur … augmente la tension.
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a) rotor ; aimant. b) stator ; bobines (de fil de cuivre). c) mécanique ; électrique. d) élévateur.
2Exercice 2
a) Un alternateur à 1 paire de pôles tourne à 3 000 tr/min. Calcule la fréquence de la tension.
b) Un alternateur à 4 paires de pôles doit produire du 50 Hz. À combien de tours par minute doit-il tourner ?
c) Ousmane pédale plus vite : que deviennent la tension et la fréquence produites par la dynamo de son vélo ?
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a) n = 3 00060 = 50 tr/s ; f = 1 × 50 = 50 Hz.
b) n = fp = 504 = 12,5 tr/s, soit 12,5 × 60 = 750 tr/min.
c) Le rotor de la dynamo tourne plus vite : la tension produite est plus grande (la lampe brille plus) et la fréquence augmente.
3Exercice 3
Une éolienne reçoit du vent une puissance de 50 kW et fournit une puissance électrique de 20 kW.
a) Calcule son rendement en pourcentage.
b) Quelle puissance est perdue ?
c) Calcule l'énergie électrique produite en 8 heures.
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a) eta = 2050 = 0,4, soit 40 %.
b) 50 - 20 = 30 kW sont perdus.
c) E = 20 × 8 = 160 kWh.
4Exercice 4
(Type BEPC) On étudie un projet de micro-centrale sur une chute d'eau du Fouta-Djallon. La hauteur de chute est de 20 m et le débit de 2 m³/s. On prend g = 10 N/kg et ρ = 1 000 kg/m³.
a) Écris la chaîne énergétique de cette centrale.
b) Calcule la puissance hydraulique reçue par la turbine.
c) Le rendement global est de 80 %. Calcule la puissance électrique produite.
d) Calcule l'énergie électrique produite en 24 heures.
e) Un foyer du village consomme en moyenne 4 kWh par jour. Combien de foyers cette centrale peut-elle alimenter ?
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a) Énergie de position de l'eau en haut de la chute → énergie cinétique de l'eau qui tombe → énergie mécanique de rotation de la turbine → énergie électrique (alternateur), avec des pertes en chaleur.
b) Phyd = 1 000 × 2 × 10 × 20 = 400 000 W = 400 kW.
c) Pél = 0,80 × 400 = 320 kW.
d) E = 320 × 24 = 7 680 kWh.
e) 7 6804 = 1 920 foyers.
5Exercice 5
a) Explique pourquoi on transporte l'électricité sous très haute tension.
b) Une ligne transporte 2 000 000 W sous 100 000 V. Calcule l'intensité. Que deviendrait-elle sous 10 000 V ?
c) Pourquoi a-t-on besoin d'un transformateur abaisseur avant d'arriver dans les maisons ?
d) Donne deux consignes de sécurité près des lignes à haute tension.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Pour transporter une même puissance, une tension plus élevée permet une intensité plus faible. Les câbles s'échauffent moins par effet Joule : les pertes d'énergie sur le trajet sont beaucoup plus faibles.
b) I = PU = 2 000 000100 000 = 20 A. Sous 10 000 V : I = 2 000 00010 000 = 200 A, dix fois plus, donc des pertes bien plus importantes.
c) Les appareils domestiques sont prévus pour 220 V : une tension de plusieurs milliers de volts les détruirait et serait mortelle pour les habitants.
d) Ne jamais s'approcher ni grimper sur un pylône ; ne pas faire voler de cerf-volant près des lignes ; ne jamais toucher un câble tombé au sol, et prévenir les services d'électricité.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
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