Une centrale électrique est un site industriel destiné à la production d'électricité. Les centrales électriques alimentent en électricité, au moyen du réseau électrique, les consommateurs, particuliers ou industriels éloignés de la centraleLa production d'électricité individuelle, par panneaux photovoltaïques, n'est pas traitée dans cet article.. La production d'électricité y est assurée par la conversion en énergie électrique d'une énergie primaire qui peut être soit mécanique (force du vent, force de l'eau des rivières, des marées…), soit chimique (réactions d'oxydoréduction avec des combustibles, fossiles ou non, tels que la biomasse), soit nucléaire, soit solaire.
Ces énergies primaires peuvent être renouvelables (biomasse) ou constituer des ressources dont les réserves sont limitées (combustibles fossiles).
vignette|Ancienne centrale thermique de Richemont fonctionnant au gaz de haut fourneau (photo de 2009). vignette|Ancienne centrale thermique de Porcheville fonctionnant au fioul lourd (photo de 2005).
Types de production d’électricité
Selon la technologie Hormis dans les centrales photovoltaïques, la génération d'électricité est assurée par un alternateur entraîné par une turbine ou, pour certains systèmes insulaires ou isolés, par un moteur à explosion (groupe Diesel de puissance allant de quelques mégawatts à plusieurs dizaines de mégawatts)Par exemple : « Pointe Jarry : Une nouvelle centrale électrique pour La Guadeloupe » , EDF Guadeloupe, ~2012. Pour les plus faibles puissances, il s'agit surtout de groupes électrogènes de secours qui ne constituent pas une centrale électrique en tant que telle..
Le rendement de conversion mécanique-électrique des alternateurs est d'environ 98 %. L'essentiel des pertes se fait donc sur la conversion thermique-mécanique des machines thermiques. La cogénération permet d’améliorer le rendement global de l'installation en valorisant l'énergie thermique résiduelle.
Plusieurs technologies de turbines sont disponibles selon le fluide utilisé pour les actionner : turbine à vapeur ; turbine à gaz de combustion ; turbine hydraulique ; éolienne.
Selon l'énergie primaire On distingue, parmi les énergies primaires converties en énergie électrique dans les centrales électriques, celles dites « renouvelables » (biomasse, solaire, hydraulique, géothermique et éolienne) et celles d'origine fossile ou nucléaire.
Les combustibles fossiles Ce sont, encore aujourd'hui, les énergies primaires les plus utilisées dans le monde pour la génération d'électricité. C'est principalement le charbon qui est utilisé, mais on trouve également des centrales au fioul et au gaz naturel, qui sont brûlés soit dans des chaudières, soit dans des turbines à combustion (turbines à gaz), soit encore dans des moteurs Diesel entraînant un alternateur.
L'énergie nucléaire La fission nucléaire dégage énormément de chaleur, permettant de générer de la vapeur d'eau qui actionne une turbine à vapeur.
L'énergie géothermique Entre le réchauffement du soleil et sa chaleur interne, la Terre produit de la chaleur : sa température moyenne atteint au sol, à et à , et ainsi plus on descend plus la température monte. L’électricité par géothermie consiste à forer le sol pour aller récupérer cette chaleur, soit en injectant de l’eau dans les roches chaudes, soit en exploitant les sources d’eau chaude existantes. L'eau chaude se transforme en vapeur, qui va faire tourner une turbine qui entraîne un alternateur.
L'énergie solaire Elle permet de produire de l’électricité uniquement grâce à la lumière et la chaleur du soleil. Capter l’électricité solaire nécessite quelques pré-requis. Il faut disposer de panneaux photovoltaïques, d’un onduleur et d’un compteur. Ce système de transformation de la lumière du soleil en électricité tend à se développer et permet de vendre le surplus de sa production. Le solaire prend une place de plus en plus grande comme électricité renouvelable.
L'énergie hydraulique Dans les centrales hydroélectriques, la force du courant des rivières (centrales au fil de l'eau), de la chute d'eau (barrages, conduites forcées) ou des marées (usines marémotrices) est utilisée pour actionner la turbine entraînant l'alternateur.
L'énergie éolienne Les éoliennes produisent de l’électricité à partir du vent, qui fait tourner une turbine entraînant l’alternateur. La production d'électricité par les éoliennes tend à se développer de plus en plus. Les progrès réalisés en termes d’équipements permettent même de stocker l’énergie pour pallier les vents faibles. Les riverains contestent les nuisances produites par les éoliennes. Ce problème est supprimé dans le développement des éoliennes en mer, qui ont par ailleurs un rendement nettement supérieur.
Les autres combustibles La biomasse et les déchets (ordures ménagères) peuvent être brûlés dans des chaudières spécifiques, mais ces combustibles sont plutôt utilisés dans des réseaux de chaleur.
Historique En 1878, en Europe, une centrale hydraulique de est construite à Saint-Moritz en Suisse..
La première centrale électrique des États-Unis, la , est mise en service le par Thomas Edison Pearl Street Station IEEE Global History Network dans le bas de Manhattan, ce qui permet de faire fonctionner l'éclairage électrique des bureaux du et d'autres bâtiments aux alentours de . Ne délivrant que du courant continu, la centrale ne peut alimenter efficacement qu'un petit secteur géographique. Le premier générateur, baptisé « Jumbo », a un rendement de de l'énergie du charbon utilisé. Quelques années plus tard, Edison voit cependant l'intérêt de la cogénération, l’excédent de chaleur produit par le générateur électrique permettant de chauffer les bâtiments.
Début , toutes les centrales thermiques modernes emploient des machines à surchauffe à multiple expansions, compound en général et d'une puissance de . À partir de , on emploie, dans un assez grand nombre de cas, la triple expansion, quelquefois la quadruple expansion. L'emplacement des centrales est choisi selon la proximité des voies ferrées approvisionnant en combustibles et la proximité du cours d'eau, nécessaires à l'alimentation des chaudières et aux travaux de refroidissement du condenseur. L'encombrement des machines et le poids élevé de leurs divers organes deviennent une véritable gène pour les grosses centrales, situées dans des emplacements souvent réduits et où le terrain est cher. C'est ce qui mène peu à peu à l'emploi des turbines à vapeur. Dans un premier temps, les deux systèmes coexistentAntoine Pallière, « Les grandes centrales à vapeur et la distribution de l'électricité » , La Houille Blanche, , 1906, p. 107-114..
L'invention de la turbine à vapeur moderne en 1884 par Charles Parsons rend disponible l'électricité bon marché et abondante, et révolutionne le transport maritime et la marine de guerre. Elle prend le pas sur la machine à vapeur, qui est détrônée. Le premier modèle est relié à une dynamo qui génère () d'électricité.. La démonstration complète de l'efficacité de la turbine est réalisée à Elberfeld en Allemagne, avec une unité de . Sa licence est brevetée et sa turbine est améliorée peu de temps après par George Westinghouse. La puissance des turbines Parsons s'avère également extensible à grande échelle. Parsons a la satisfaction de voir son invention adoptée par toutes les grandes centrales de ce monde, et la taille des générateurs a augmenté depuis la première, de jusqu'à des unités de de capacité. Du vivant de Parson, la capacité de production d'une unité est multipliée par environ .. La base théorique et scientifique déjà très élaborée explique l'évolution de la turbine, contrairement à ce qui s'était passé pour la machine à vapeurFrançois Caron, Le Résistible déclin des sociétés industrielles FeniXX, 1985 (lire en ligne)..
vignette|Dix générateurs de Westinghouse à l'Edward Dean Adams Power Plant à Niagara Falls. Première grande centrale électrique à courant alternatif à grande échelle au monde, construite en 1895. Rendements d'échelle, processus de type reverse salient (mis en évidence par Thomas Parke Hughes), sont le moteur de l'innovation à partir des années 1890. La production et le transport de l'électricité exigent la mobilisation de quantités importantes et croissantes de capital pour fournir par ailleurs un bien non stockable. Il y a des avantages évidents à concentrer la puissance électrique. Le pari commercial de la Niagara Falls Power Company sur la rivière Niagara, financée par des hommes d'affaires notables tels J. P. Morgan, John Jacob Astor IV, Lord Rothschild et W. K. Vanderbilt, consiste à prévoir que le courant produit ne servira pas seulement à l'éclairage de la ville de Buffalo, mais aussi à fournir de l’énergie électro-motrice à des industries qui s'implanteront à proximité de la centrale. L'International Niagara Commission de 1891, commandée par Edward Dean Adams et présidée par Lord Kelvin, acquis au courant alternatif, impose Westinghouse Electric Company comme seul interlocuteur. Buffalo est alimentée en courant alternatif en 1896 et des établissements électro-métallurgiques et électrochimiques s'implantent effectivement à Niagara Falls, tels Alcoa. Le nombre de moteurs électriques est de en 1899, de en 1909, la moitié d'entre eux fonctionnant à l'aide de courant alternatif.
Six années après la première centrale d'Edison, les travaux sur le courant alternatif de Nikola Tesla permettent de transporter le courant électrique à bien plus grande distance que le courant continu grâce à l'alternateur et au transformateurLes transformateurs de courant continu sont très complexes et bien moins performants que les transformateurs de courant alternatif. et aux lignes hautes tension, et donc de limiter le nombre de centrales nécessaires, mais aussi de réduire les pertes en ligne ohmiques tout en utilisant moins de cuivre qu'avec une ligne basse tension.
En France, les unités de production d'EDF entre 1950 et de 1970 ne cessent de croître en puissance : pour les unités mises en service en 1955 ; pour les unités mises en service en 1961 ; pour les unités mises en service en 1968 ; (thermique classique) et (thermique nucléaire) pour les unités en construction en 1972. Le condenseur pour une tranche thermique de étant conçu pour un débit de , celui d'une centrale nucléaire de , pour un débit de (circuit ouvert), seuls les grands fleuves (le Rhin, le Rhône, la Seine et la Loire) ou les côtes maritimes peuvent accueillir les centrales de forte puissanceM. Bureau, R. Boyer, « Influence de la salissure marine sur la corrosion des métaux et moyens de prévention », La Houille Blanche, 2-3, 1972, p. 189-198. DOI: 10.1051/lhb/1972014 (lire en ligne ). en circuit ouvert (c'est-à-dire sans réfrigérant atmosphérique).
Avantages et inconvénients Obstacles, défauts, inconvénients Production centralisée Le caractère très centralisé de la production et la dépendance au réseau électrique THT les rendent vulnérables à tout incident.
Les énergies primaires fossiles Les sources d'énergie fossile ont comme principaux défauts d'être épuisables, de produire du dioxyde de carbone, un des principaux gaz à effet de serre"Quels sont les gaz à effet de serre et d'être à l'origine d'une pollution de l'air (pollutions acides en particulier).
Un rapport de 2008 de l'Agence européenne pour l'environnement, à partir d'une comparaison entre des centrales de l'UE-25 ayant mis en œuvre de « bonnes pratiques » et d'autres, montre qu'il reste un important potentiel de réduction des émissions de et de , si toutes les centrales utilisaient les meilleures techniques disponibles (MTD)..