vignette|Centrale thermique de Bełchatów, la plus grande d'Europe, en Pologne. vignette|Centrale thermique EDF de Porcheville (arrêtée définitivement en 2017). vignette|Chaudières (en démolition) de la centrale thermique de Pont-sur-Sambre.
Une centrale thermique est une centrale électrique qui fonctionne à partir d'une source de chaleur selon le principe des machines thermiques. Cette transformation se fait soit directement, par détente des gaz de combustion, soit indirectement, par exemple à travers un cycle eau-vapeur. Les installations à cogénération utilisent en outre une partie de la chaleur résiduelle pour d'autres applications, telles que les réseaux de chaleur.
L'origine de cette source de chaleur détermine le type technologique de centrale thermique : centrales thermiques à flamme, utilisant l’énergie dégagée en brûlant un combustible fossile (charbon, gaz naturel, fioul, certaines huiles minérales) ou d'autres types de combustibles (déchets d'activités économiques, ménagers, bois) ; centrale nucléaire, utilisant l'énergie dégagée par la fission de noyaux d'uranium 235 ou de plutonium 239 ; centrale géothermique, utilisant l'énergie géothermique profonde ; centrale solaire thermodynamique, utilisant la chaleur reçue du soleil au moyen d'un dispositif de concentration.
Fonctionnement Les centrales thermiques sont construites autour d’une machine thermique entraînant un alternateur produisant l’énergie électrique. Ces machines thermiques peuvent être à combustion externe (turbines à vapeur, machine à vapeur) ou à combustion interne (moteur Diesel, turbine à combustion). Une turbine à vapeur et une turbine à combustion peuvent cohabiter dans une centrale à cycle combiné pour en améliorer le rendement global. Le rendement peut encore être amélioré par un procédé de cogénération ou de trigénération.
Centrales avec turbines à combustion Au cœur d'une turbine à combustion, l'inflammation du combustible provoque une augmentation de pression des gaz de combustion, qui se détendent au sein de la turbine. L'énergie cinétique créée par cette expansion est transmise à la turbine, dont la rotation entraîne à son tour un alternateur accouplé. L'alternateur transforme enfin cette énergie mécanique en énergie électrique.
Centrales avec turbines à vapeur
vignette|Rotor d’une turbine à vapeur. Le fonctionnement d'une centrale à turbine à vapeur est similaire, le fluide de travail étant de la vapeur d'eau au lieu de l'air. La source chaude (fission nucléaire, combustion du fioul ou du charbon, incinération...) chauffe (directement ou indirectement) de l'eau, qui passe de l'état liquide à l'état vapeur. La vapeur ainsi produite est admise dans la turbine, qui entraîne un alternateur.
Cogénération La cogénération consiste à produire conjointement de l'électricité et de la chaleur destinée à un procédé industriel ou au chauffage urbain, afin d'améliorer le rendement global d'une centrale thermique.. Pour ce faire, des échangeurs de chaleur récupèrent une partie de l’énergie de récupération des gaz brûlés ou de l'eau de refroidissement pour améliorer le rendement de l'ensemble.
Types Les centrales thermiques se répartissent en plusieurs catégories, selon leur principe technologique de fonctionnement, lequel dépend de la source de chaleur : centrales à combustion, dites « à flamme » : avec chaudière (charbon, fioul, gaz ou biomasse) et turbine à vapeur ; avec moteur à combustion interne (fioul, gaz) : turbine à gaz, moteur diesel ou à cycle combiné rassemblant turbine à gaz et turbine à vapeur ; centrales nucléaires, qui comprennent des turbines à vapeur ; centrales récupérant de la chaleur préexistante (solaire thermodynamique, géothermique…), qui comprennent également des turbines à vapeur.
Centrales avec chaudière Dans ce type de centrale à flamme, le combustible est brûlé dans une chaudière, la chaleur ainsi dégagée produit de la vapeur d'eau sous pression, qui entraîne la turbine à vapeur.
Centrales au charbon vignette|Centrale électrique à charbon. La mise à l'arrêt d'un des électrofiltres entraîne l'émission de la fumée brune. vignette|alt=Un grand hall industriel en dépérissement, encore bien conservé.|Vue intérieure de l'ancienne , alimentée en charbon par la mine de Szombierki, en Silésie (Pologne).
Les centrales thermiques au charbon sont les plus répandues dans le monde, notamment dans les pays ayant d'importantes réserves de charbon (Inde, Chine, États-Unis, Allemagne).
Selon l'édition 2021 du rapport de , le parc de centrales au charbon en fonctionnement s'est accru de nets en 2021, après en 2020. Les fermetures ont représenté une baisse de capacité de , soit presque deux fois moins qu'en 2020 (), et les ouvertures . La Chine a mis en service de nouvelles centrales, soit plus de la moitié du total mondial. Elle prévoit d'accroître sa production de charbon de en 2022, soit une hausse de 7 % par rapport à 2021, année déjà marquée par une progression de 5,7 %. À l'inverse, l'Union européenne a fermé en 2021, soit près de la moitié du total des fermetures au niveau mondial, dont en Allemagne et au Portugal. Aux États-Unis aussi, la tendance aux fermetures a ralenti en 2021 : entre de capacité y ont été supprimées, contre en 2020. La puissance totale de capacités en développement a atteint , une baisse de 13 % par rapport à 2020, tandis que le nombre de centrales au charbon ayant reçu une date de démantèlement a pratiquement doublé, pour atteindre (soit ) sur plus de de ces installations en activité. Des projets actifs sont recensés dans , contre 41 en « Électricité : poussé par la Chine, le charbon fait mieux que résister », Les Échos, 26 avril 2022, citant ..
Pour la première fois, les capacités mondiales des centrales au charbon ont légèrement décliné au premier semestre 2020 : sur un parc total de , selon le rapport publié par Global Energy Monitor. Les fermetures ont totalisé , dont en Europe et aux États-Unis ; les ouvertures ont atteint , dont en Chine et au Japon. Au cours des deux dernières décennies, les capacités mondiales augmentaient en moyenne au rythme de par semestre. La Chine concentre près de la moitié des projets de centrales (plus de ), suivie par l'Inde (), la Turquie et l'Indonésie. Au total, de centrales à charbon sont en construction dans le monde et supplémentaires sont programmés..
De quelques dizaines de mégawatts au milieu du , leur puissance unitaire a rapidement augmenté pour maintenant dépasser . Parallèlement à la croissance de leur puissance unitaire, leur rendement a été amélioré grâce à l'augmentation de la pression et de la température de la vapeur utilisée. Des valeurs usuelles de et que l'on rencontrait dans les années 1970, on atteint désormais des valeurs supercritiques de plus de et .
Elles ont ainsi pu conserver une certaine compétitivité R. Peltier, Coal plants work to stay competitive, compliant. Power, 147(1), 35-45. Klebes, J. (2007). High-efficiency coal-fired power plants based on proven technology. VGB powertech, 87(3), 2003, p. 80-84. par rapport
Plusieurs dispositifs diminuent leurs rejets polluants. Les poussières (suies) contenues dans les fumées sont captées par des électrofiltres (ou dans certains pays, par des filtres à manches), les oxydes de soufre (, ) sont piégés dans des unités de désulfuration (FGD en anglais : ) qui rendent la valorisation des cendres volantes moins difficile pour le génie civilDelsol C. (1995) Perspectives d'emploi en génie civil des cendres volantes de centrales thermiques équipées de systèmes de désulfuration primaire (thèse de doctorat).Vaquier, A., & Carles-Gibergues, A. (1970). Sur l'importance des sulfates dans le caractère pouzzolanique d'une cendre volante silicoalumineuse de centrale thermique. Revue des Matériaux de Construction, (662). et plus récemment sont apparus les équipements éliminant les oxydes d'azote (NOx) (SCR en anglais : ).
Des développements en cours concernent le captage du dans les centrales thermiques. C'est en effet la production d'électricité à partir de charbon qui est le principal émetteur de gaz à effet de serre au monde. Plusieurs techniques sont étudiées en parallèle : la pré-combustion, essentiellement aux États-Unis, fervents défenseurs de l'IGCC (), c'est-à-dire le recours à la gazéification du charbon D. Vamvuka, « Gasification of coal », Energy exploration & exploitation, 17(6), , 1999.) ; l'oxycombustion, combustion à l'oxygène pur, et non à l'air, ce qui, en outre, diminue la formation d'oxydes d'azote ; la capture en post-combustion, c'est-à-dire le captage du dans les fumées, par réaction avec des amines ou de l'ammoniaque. Ces dernières techniques sont les plus avancées, bien qu'encore à l'état de prototypes. Toutes ces techniques ont le désavantage de consommer beaucoup d'énergie et donc de faire chuter le rendement net d'une dizaine de points.
En France, depuis 2004, le charbon n'est plus extrait des mines« Le 24 avril 2004, la dernière mine de charbon française fermait en Lorraine », sur nordeclair.fr, 21 décembre 2010 (consulté le 15 juillet 2016).. Du charbon d'importation, principalement de Russie et d'Australie en 2020., reste utilisé pour la production d'électricité d'origine thermique en période de pointe. En 2021, il a représenté 0,74 % de l'électricité produite et environ 10 % de l'électricité d'origine fossile..
Impacts environnementaux et sanitaires
Les centrales thermiques au charbon restent les premières sources d'émission de gaz à effet de serre, de gaz précurseurs de l'ozone troposphérique et de production de suies., notamment en Chine et aux États-Unis. Selon une étude, les centrales à charbon des pays de l’Union européenne auraient entraîné prématurées en Europe en 2013, dont en France ; les centrales à charbon françaises auraient provoqué prématurées en Europe, dont 50 en FranceRémi Barroux, « Le charbon entraîne prématurées en Europe chaque année », Le Monde, ....
À titre d'exemple, selon l', elles sont responsables de 28 % du nickel, 62 % de l'arsenic, 13 % des NOx, 77 % des acides, 60 % des aérosols acidifiant à base de , 50 % du mercure et 22 % du chrome retrouvés dans les masses d'air des États-Unis (qui dérivent ensuite vers l'Europe au-dessus de l'océan Atlantique). Dans ces pays industriellement avancés, par rapport aux incinérateurs médicaux et incinérateurs de déchets ménagers, ce sont les centrales thermiques au charbon qui ont le moins amélioré leurs performances globales en termes d'émission de mercure dans l'air ; leurs émissions par tonne de charbon brûlé n'ont diminué que de 10 % aux États-Unis en (de 1990 à 2005), alors que les émissions de mercure des incinérateurs de déchets médicaux ont dans le même temps diminué de 98 % et celles des incinérateurs de déchets de 96 %..
Leurs eaux de refroidissement ou de rejets peuvent contenir des biocides à base de chlore ou de brome. et sont également souvent une source de réchauffement des eaux de surface (pollution thermique, qui peut affecter la vie et certains équilibres aquatiques...). Les cendres volantes du charbon polluent, dégradent les monumentsAusset, P., Lefèvre, R., Philippon, J., & Venet, C. (1994) Présence constante de cendres volantes industrielles dans les croûtes noires d'altération superficielle de monuments français en calcaire compact. Comptes rendus de l'Académie des sciences. Série 2. Sciences de la terre et des planètes, 318(4), 493-499 (résumé). et peuvent contenir des radionucléides diffusés dans l'air ou via les résidus Jojo, P. J., Rawat, A., & Prasad, R. (1994). Enhancement of trace uranium in fly ash. The International journal of radiation applications and instrumentation. Part E. Nuclear geophysics, 8(1), 55-59. Tadmor, J. (1986). Atmospheric release of volatilized species of radioelements from coal-fired plants. Health physics, 50(2), 270-273..