Le cycle de production de l’électricité le plus répandu nécessite de disposer d’une source de chaleur permettant de chauffer de l’eau afin d’obtenir de la vapeur sous pression. Cette vapeur, en se détendant dans une turbine, entraîne un alternateur qui génère de l’électricité. Après turbinage, cette vapeur est condensée au moyen d’une source froide qui est généralement une source d’eau froide (cours d’eau, mer) ou est constituée de tours de refroidissement. La figure 1 représente le cycle de production classique de l’électricité.

 

Figure 1. Cycle classique de production de l’électricité.

Lorsque la chaleur dégagée par la condensation de la vapeur est récupérée pour des besoins de chauffage, on parle de cogénération.

La source de chaleur est classiquement obtenue par la combustion de combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon) ou par une réaction de fission nucléaire dans des réacteurs conçus pour maîtriser l’ampleur de cette réaction.

Les combustibles fossiles ou l’uranium utilisés dans ces cycles classiques peuvent être remplacés par des sources à énergie renouvelable. La source de chaleur peut alors être obtenue par

• la combustion de biomasse (bois, biogaz, déchets organiques);
• la chaleur se trouvant en profondeur dans notre planète soit en pompant directement de l’eau chaude vers la surface, soit en exploitant la température élevée des roches en profondeur en y injectant de l’eau depuis la surface;
• le soleil en concentrant ses rayons au moyen de miroirs ou en exploitant l’eau chauffée en surface des mers en zone tropicale.

Avec certaines énergies renouvelables, la chaîne de production de l’électricité ne nécessite pas de source de chaleur. C’est le cas des énergies éolienne, hydraulique et solaire photovoltaïque.

Dans le cas des énergies éolienne et hydraulique, c’est la pression du vent ou de l’eau qui entraîne la rotation d’une turbine entraînant à son tour un alternateur produisant de l’électricité. La figure 2 représente cette chaîne de conversion énergétique.

Figure 2. Chaîne éolienne ou hydraulique de production d’électricité.

La pression du vent résulte de son énergie cinétique. La pression de l’eau résulte de son énergie potentielle et de son énergie cinétique.

L’électricité générée par l’alternateur peut être directement envoyée sur le réseau électrique sans passer par des convertisseur de puissance comme indiqué à la figure 2, mais dans ce cas, afin de maintenir la fréquence des tensions et courants générés constants à 50 ou 60 Hz, la vitesse de l’alternateur doit être maintenue constante en agissant sur l’orientation des pales de la turbine ou dans le cas de l’hydraulique par vannage en amont de la turbine.

L’intérêt des convertisseurs de puissance est de permettre à l’alternateur de fonctionner à vitesse variable et ainsi d’augmenter l’efficacité de la conversion énergétique tout en réduisant les besoins de contrôle mécanique de la turbine et de vannage dans le cas de l’hydraulique. Ce fonctionnement à vitesse variable se développe dans le domaine de l’hydraulique (en particulier en petite hydraulique), et tend à s’imposer dans l’éolien où ce type de fonctionnement apparaît naturel du fait des fortes variations de la vitesse du vent.

Dans le cas du solaire photovoltaïque, l’électricité est produite directement au moyen de cellules au silicium à partir de l’énergie contenue dans le rayonnement solaire. Des convertisseurs de puissance sont généralement utilisés pour assurer l’optimisation de la conversion énergétique. La figure 3 représente cette chaîne de conversion énergétique.

Figure 3. Chaîne solaire photovoltaïque de production de l’électricité.

L’électricité peut également être produite au moyen d’un moteur diesel ou d’une turbine à gaz (dérivée d’un réacteur d’avion) entraînant un alternateur. La source d’énergie primaire est généralement constituée de combustibles fossiles, mais il est envisageable de les remplacer par du biocarburant ou du biogaz.