Les centrales thermiques à flamme constituent un élément clé de la production d'électricité à l'échelle mondiale. Ces installations exploitent la conversion de l'énergie thermique issue de la combustion de combustibles en énergie mécanique, puis en énergie électrique. Mais quelles sont les sources d'énergie qui alimentent ces centrales ? Et quelles sont les implications de ces choix énergétiques sur l'environnement et l'avenir de la production d'électricité ?
Fonctionnement des centrales thermiques à flamme
Le principe de base d'une centrale thermique à flamme repose sur un cycle thermodynamique. La combustion de combustibles libère de la chaleur qui est utilisée pour chauffer de l'eau et la transformer en vapeur. Cette vapeur, sous haute pression, entraîne une turbine qui, à son tour, fait tourner un générateur produisant de l'électricité.
Une centrale thermique à flamme se compose de plusieurs éléments clés :
- Chaudière : C'est le cœur de la centrale où la combustion du combustible a lieu, produisant la chaleur nécessaire à la formation de vapeur.
- Turbine à vapeur : La vapeur sous pression entraîne cette turbine, transformant l'énergie thermique en énergie mécanique.
- Alternateur : Le générateur d'électricité, qui convertit l'énergie mécanique de la turbine en énergie électrique.
- Condenseur : La vapeur est refroidie dans ce dispositif, permettant sa recondensation en eau et son retour à la chaudière.
Différentes technologies de combustion et de refroidissement sont employées selon le type de centrale. Parmi elles, on peut citer les chaudières à lit fluidisé, qui permettent une combustion plus propre, et les systèmes de refroidissement par air ou par eau.
Sources d'énergie utilisées dans les centrales thermiques à flamme
Combustibles fossiles
Les combustibles fossiles dominent la production d'électricité dans les centrales thermiques à flamme, car ils offrent une densité énergétique élevée et sont disponibles en grande quantité. Ils représentent aujourd'hui environ 80% de la production mondiale d'électricité.
Charbon
Le charbon a longtemps été la source d'énergie dominante dans les centrales thermiques, mais son utilisation est en baisse constante. En 2021, la production mondiale d'électricité à partir du charbon a atteint 3 767 TWh , selon les données de l'Agence internationale de l'énergie (AIE). On distingue plusieurs types de charbon, chacun ayant ses propres caractéristiques et impact environnemental. L'extraction et la combustion du charbon sont des processus complexes qui impliquent de nombreuses étapes.
- L'exploitation minière à ciel ouvert est une méthode courante pour extraire le charbon, mais elle peut avoir des impacts importants sur l'environnement, notamment la déforestation, la pollution des eaux souterraines et l'érosion des sols.
- La combustion du charbon génère des émissions de gaz à effet de serre, dont le dioxyde de carbone (CO2), ainsi que d'autres polluants atmosphériques comme le dioxyde de soufre (SO2) et les oxydes d'azote (NOx).
Des innovations technologiques visent à réduire les émissions polluantes du charbon. Parmi ces innovations, on peut citer la capture et le stockage du CO2 (CCS). La technologie CCS consiste à capturer le CO2 émis lors de la combustion, à le comprimer et à le stocker dans des formations géologiques profondes.
Gaz naturel
Le gaz naturel est un combustible fossile plus propre que le charbon, générant moins de CO2 lors de la combustion. Il offre plusieurs avantages:
- Moins d'émissions de particules fines et de SO2 que le charbon.
- Possibilité de capture du CO2 lors de la combustion.
- Grande flexibilité d'utilisation dans les centrales thermiques.
La production mondiale d'électricité à partir du gaz naturel a atteint 3 164 TWh en 2021, selon l'AIE. Cependant, le gaz naturel présente des inconvénients, comme les émissions de méthane (un puissant gaz à effet de serre) lors de l'extraction et du transport.
Pétrole
Le pétrole est principalement utilisé dans les centrales thermiques pour la production d'électricité via des centrales à cycle combiné. La production d'électricité à partir du pétrole présente des limites:
- Coût élevé du pétrole et dépendance aux importations.
- Impact environnemental important, notamment les émissions de CO2 et les risques de marées noires.
- Ressources limitées et déclin progressif des réserves.
Biomasse
La biomasse est une source d'énergie renouvelable qui peut être utilisée dans les centrales thermiques. Il existe différents types de biomasse, tels que les bois, les résidus agricoles ou les déchets urbains.
- La biomasse offre un potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre, car elle absorbe du CO2 pendant sa croissance.
- Cependant, la production de biomasse peut impacter les écosystèmes et générer des émissions de polluants atmosphériques.
- La biomasse peut jouer un rôle complémentaire dans les centrales thermiques, mais elle ne peut pas remplacer entièrement les combustibles fossiles.
En 2021, la production mondiale d'électricité à partir de la biomasse a atteint 1 025 TWh , selon l'AIE.
Déchets
Les déchets peuvent également être utilisés comme source d'énergie dans les centrales thermiques. La valorisation énergétique des déchets permet de réduire les volumes de déchets enfouis et de produire de l'électricité.
- La combustion des déchets est une source d'énergie, mais elle génère des émissions polluantes et nécessite un tri préalable des déchets.
- L'impact environnemental de la valorisation énergétique des déchets dépend du type de déchets et des technologies de combustion utilisées.
- Le développement de technologies plus propres pour la combustion des déchets est essentiel pour réduire son impact environnemental.
La production mondiale d'électricité à partir des déchets a atteint 100 TWh en 2021, selon l'AIE.
Le futur des centrales thermiques à flamme
Les centrales thermiques à flamme font face à de nombreux défis liés à la production d'électricité.
Émissions de gaz à effet de serre
Les centrales thermiques à flamme sont une source majeure d'émissions de CO2, contribuant au réchauffement climatique. Des solutions comme la capture et le stockage du CO2 (CCS) sont explorées, mais elles restent coûteuses et non déployées à grande échelle.
Pollution atmosphérique
La combustion de combustibles dans les centrales thermiques émet divers polluants atmosphériques, tels que le SO2, les NOx et les particules fines, qui ont des impacts négatifs sur la santé humaine et l'environnement. Des technologies de dépollution sont utilisées pour réduire ces émissions, mais elles ne les éliminent pas complètement.
Ressources limitées
Les combustibles fossiles sont des ressources non renouvelables dont les réserves sont limitées. La dépendance aux combustibles fossiles pose des défis pour la sécurité énergétique et l'environnement. Il est essentiel de diversifier les sources d'énergie et de développer des solutions plus durables.
La transition énergétique vers des sources d'énergie renouvelables, comme l'énergie solaire, éolienne et hydraulique, est essentielle pour réduire l'impact environnemental de la production d'électricité. Les centrales thermiques à flamme peuvent jouer un rôle complémentaire dans un mix énergétique diversifié, en s'adaptant à l'intermittence des énergies renouvelables. Elles peuvent également être utilisées pour assurer la stabilité du réseau électrique lors de pics de consommation.
Le développement de technologies innovantes pour la capture et le stockage du CO2, la combustion propre des combustibles fossiles et la valorisation énergétique des déchets permettra de réduire l'impact environnemental des centrales thermiques à flamme. La recherche et le développement sont essentiels pour garantir un avenir plus durable pour la production d'électricité.