Les systèmes technologiques conçus par les humains répondent à différents besoins de la vie moderne. Ils consomment généralement de l’énergie électrique pour fonctionner.
La transformation de l’énergie est la conversion d’une forme d’énergie en une autre forme.
À l’aide de différents systèmes technologiques, l’énergie est transformée en électricité, puis transférée par un réseau électrique jusqu’à notre demeure. Pour l’utiliser, il suffit généralement de brancher un appareil dans une prise de courant.
Les images suivantes montrent le trajet de l’électricité de sa production à son utilisation domestique.
Une centrale hydroélectrique permet de transformer l’énergie hydraulique (énergie mécanique associée au mouvement de l’eau) en électricité.
Simon J. Ouellet, Shutterstock.com
Des lignes à haute tension transportent le courant électrique sur des milliers de kilomètres.
ABCDstock, Shutterstock.com
Un grille-pain utilise l’énergie électrique du réseau en se branchant dans une prise de courant.
Daxiao Productions, Shutterstock.com
Le tableau suivant présente différents systèmes technologiques servant à la production d’électricité, leur(s) ressource(s) énergétique(s) et leur provenance.
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Système technologique de production d’électricité (Clique sur les liens suivants.) |
Ressources énergétiques | Provenance |
|---|---|---|
| Centrale thermique | Biomasse (biogaz) |
Biosphère |
| Combustibles fossiles (charbon, gaz naturel) |
Lithosphère | |
| Centrale nucléaire | Éléments radioactifs (uranium, plutonium) |
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| Centrale géothermique | Géothermie | |
| Centrale hydroélectrique | Hydroélectricité (réservoirs et fil de l’eau) |
Hydrosphère |
| Éolienne ou parc éolien | Vent | Atmosphère |
| Panneau photovoltaïque ou parc solaire | Rayonnement solaire | Espace |
La majorité des systèmes qui produisent de l’électricité utilise un groupe turbine-alternateur.
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Un groupe turbine-alternateur, aussi appelé génératrice, est l’agencement d’une turbine et d’un alternateur dont le but est de transformer l’énergie mécanique d’un fluide en électricité.
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La turbine est le composant rotatif qui reçoit la force mécanique du fluide.
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L’alternateur est le composant qui reçoit l’énergie mécanique de la turbine et qui la transforme en électricité. Il comprend un rotor et un stator.
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Le rotor est la partie mobile d’un alternateur. Sa paroi externe est composée d’électroaimants (solénoïdes).
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Le stator est la partie fixe d’un alternateur. Il s’agit d’un enroulement de barres de cuivre dont la conductibilité électrique est élevée.
Le rôle du groupe turbine-alternateur est de transformer l’énergie mécanique d’un fluide en électricité. Cette transformation se déroule de la façon suivante :
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La turbine est entrainée dans un mouvement de rotation par l’énergie mécanique d’un fluide (ex. : vapeur, chute d’eau, vent);
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Le rotor, solidaire de la turbine, effectue un mouvement de rotation, alors que le stator est fixe;
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L’interaction entre le rotor (mobile) et le stator (fixe) génère un courant électrique par induction électromagnétique.
Une centrale thermique transforme l’énergie chimique contenue dans les combustibles fossiles, le plus souvent du charbon, en électricité selon la suite de transformations suivante.
Énergie fossile (énergie chimique) → Énergie thermique → Énergie mécanique → Énergie électrique
L’énergie fossile est l’énergie chimique contenue dans les combustibles fossiles de la lithosphère.
AOFTO, Shutterstock.com
Patty Chan,Shutterstock.com
Une centrale thermique utilise de nombreux procédés et sous-systèmes, dont un ou plusieurs groupes turbine-alternateur actionnés par la vapeur. Le schéma et le tableau suivants décrivent la production d’électricité dans une centrale thermique au charbon.
| Emplacements | Procédé | Changements |
|---|---|---|
| Chambre de combustion |
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Énergie chimique → Énergie thermique |
| Chaudière |
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Transfert d’énergie thermique Eau liquide → Eau gazeuse Augmentation de la pression Énergie thermique → Énergie mécanique |
| Turbine | Transfert d’énergie mécanique Vapeur d’eau → Turbine et rotor |
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| Alternateur |
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Énergie mécanique → Énergie électrique |
| Transformateur Lignes à haute tension |
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Augmentation de la tension |
| Condenseur |
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Transfert d’énergie thermique Eau gazeuse → Eau liquide |
L’utilisation du charbon et des autres combustibles fossiles pour produire de l’électricité a plusieurs impacts sur l’environnement. En effet, les combustibles fossiles sont des ressources non renouvelables, qui produisent des gaz à effet de serre lors de leur combustion.
De plus, d’autres produits de leur combustion tels que le dioxyde de soufre |(\text{SO}_2)| et les oxydes d’azote |(\text{NO}_x)| sont en partie filtrés, puis évacués par des cheminées dans l’atmosphère. Ces rejets contribuent à la formation des pluies acides.
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Une centrale thermique peut utiliser différents hydrocarbures provenant de la lithosphère, tels le gaz naturel ou encore des biogaz qui proviennent de la biosphère.
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L’eau froide du condenseur provient généralement d’un cours d’eau à proximité de la centrale.
Une centrale nucléaire transforme l’énergie nucléaire contenue dans le noyau des atomes d’isotopes lourds extraits de la lithosphère, tels que l’uranium et le plutonium, en électricité selon la suite de transformations suivante.
Énergie nucléaire → Énergie thermique → Énergie mécanique → Énergie électrique
Dans le réacteur d’une centrale nucléaire, les pastilles d’uranium et/ou de plutonium sont contenues dans de longues tiges nommées crayons.
hrui, Shutterstock.com
MikhailSh, Shutterstock.com
Une centrale nucléaire utilise de nombreux procédés et sous-systèmes, dont un ou plusieurs groupes turbine-alternateur actionnés par la vapeur. Le schéma et le tableau suivants décrivent la production d’électricité dans une centrale nucléaire.
| Emplacements | Procédé | Changements |
|---|---|---|
| Réacteur |
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Énergie nucléaire → Énergie thermique |
| Chaudière |
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Transfert d’énergie thermique Eau liquide → Eau gazeuse Augmentation de la pression Énergie thermique → Énergie mécanique |
| Turbine | Transfert d’énergie mécanique Vapeur d’eau → Turbine et rotor |
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| Alternateur |
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Énergie mécanique → Énergie électrique |
| Transformateur Lignes à haute tension |
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Augmentation de la tension |
| Condenseur |
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Transfert d’énergie thermique Eau gazeuse → Eau liquide |
| Aéroréfrigérant |
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Transfert d’énergie thermique Eau chaude → Air ambiant |
L’utilisation de l’uranium, du plutonium et d’autres combustibles nucléaires pour produire de l’électricité a plusieurs impacts sur l’environnement.
En effet, les combustibles nucléaires sont des ressources non renouvelables. Leur exploitation pour produire de l’électricité émet globalement peu de gaz à effet de serre. De plus, les produits de la fission nucléaire sont radioactifs et représentent un danger pour les êtres vivants et l’environnement. Ces déchets doivent être manipulés avec soin et des méthodes précises doivent être suivies pour s’en départir.
L’eau froide du condenseur provient généralement d’un cours d’eau à proximité de la centrale. Elle permet à la vapeur sortant de la turbine de retrouver un état liquide grâce à un transfert d’énergie thermique.
L’eau qui retourne dans le milieu naturel est plus chaude qu’au départ, mais elle n’a pas été en contact avec de l’eau de la centrale qui contient des particules radioactives.
Une centrale géothermique transforme l’énergie thermique de la lithosphère en électricité selon la suite de transformations suivante.
Énergie géothermique (énergie thermique) → Énergie mécanique → Énergie électrique
L’énergie géothermique est l’énergie thermique associée à la chaleur interne de la Terre.
Il existe différents moyens pour produire de l’électricité à partir de la chaleur interne de la Terre. Le moyen abordé dans cette fiche utilise le pompage d’eau chaude dans une nappe phréatique.
Gudella, Shutterstock.com
Une centrale géothermique utilise de nombreux procédés et sous-systèmes, dont un ou plusieurs groupes turbine-alternateur actionnés par la vapeur. Le schéma et le tableau suivants décrivent la production d’électricité dans une centrale géothermique.
| Emplacements | Procédé | Changements |
|---|---|---|
| Nappe phréatique |
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Transfert d’énergie thermique Roches du manteau → Eau de pluie infiltrée |
| Conduite de pompage |
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Diminution de la pression sur l’eau liquide Eau liquide → Eau gazeuse Énergie thermique → Énergie mécanique |
| Turbine | Transfert d’énergie mécanique Vapeur d’eau → Turbine et rotor |
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| Alternateur |
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Énergie mécanique → Énergie électrique |
| Transformateur Lignes à haute tension |
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Augmentation de la tension |
| Condenseur |
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Transfert d’énergie thermique Eau gazeuse → Eau liquide |
L’énergie géothermique est une ressource renouvelable. Son exploitation pour produire de l’électricité émet globalement peu de gaz à effet de serre.
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Dans la nappe phréatique, la pression élevée maintient l’eau liquide à une température variant entre |150\ °\text{C}| et |300\ °\text{C}.|
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Lorsque l’eau est pompée vers la surface, la pression diminue drastiquement, ce qui entraine le changement de phase de l’eau qui passe de l’état liquide à l’état gazeux.
Une centrale hydroélectrique associée à un réservoir transforme l’énergie mécanique en électricité grâce à la position et à la vitesse d’une masse d’eau selon la suite de transformations suivante.
Énergie hydraulique → Énergie mécanique → Énergie électrique
L’énergie hydraulique est l’énergie mécanique associée aux mouvements de l’eau dans l’hydrosphère.
Pour les élèves qui suivent la séquence Science et technologie de l’environnement (STE), on pourrait préciser la suite de transformation de la manière suivante.
Énergie mécanique de type potentielle gravitationnelle → Énergie mécanique de type cinétique → Énergie électrique
Simon J. Ouellet, Shutterstock.com
C’est à la Baie-James qu’on retrouve le plus grand aménagement de production d’électricité en Amérique du Nord. Avec son réservoir de |2\ 835\ \text{km}^2,| son immense barrage et sa centrale, l'aménagement Robert-Bourassa produit une grande partie de l’électricité du Québec.
Pour une visite en réalité virtuelle, c’est par ici!
Une centrale hydroélectrique utilise de nombreux procédés et sous-systèmes, dont un ou plusieurs groupes turbine-alternateur actionnés par l’eau. Le schéma et le tableau suivants décrivent la production d’électricité dans une centrale hydroélectrique de type réservoir.
| Emplacements | Procédé | Changements |
|---|---|---|
| Conduite forcée |
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Énergie hydraulique → Énergie mécanique |
| Turbine | Transfert d’énergie mécanique Chute d’eau → Turbine et rotor |
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| Alternateur |
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Énergie mécanique → Énergie électrique |
| Transformateur Lignes à haute tension |
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Augmentation de la tension |
| Rivière |
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Aucun |
L’énergie hydraulique est une ressource renouvelable. Son exploitation pour produire de l’électricité émet globalement peu de gaz à effet de serre.
Par contre, l’utilisation du mouvement de l’eau pour produire de l’électricité a plusieurs impacts sur l’environnement. Entre autres, l’aménagement d’un réservoir et d’un barrage entraine la déviation de cours d’eau et l’inondation de territoires en amont de la centrale.
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Les grandes installations hydroélectriques ont plusieurs conduites forcées et plusieurs turbines.
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Les centrales hydroélectriques de type au fil de l’eau utilisent généralement le débit d’une rivière.
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L’hydroélectricité est le principal moyen de production d’électricité au Québec.
Une éolienne, qu’elle soit seule ou au sein d’un parc éolien, transforme l'énergie mécanique du vent en électricité selon la suite de transformations suivante.
Énergie éolienne → Énergie mécanique → Énergie électrique
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Le vent est un déplacement de masses d’air dans l’atmosphère en fonction de leurs conditions de pression, de leur température et de leur taux d’humidité.
- L’énergie éolienne est l’énergie mécanique associée au vent.
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Plusieurs procédés ont lieu dans une telle installation, notamment l’utilisation d’un groupe turbine-alternateur actionné par le vent. Le schéma et le tableau suivants décrivent la production d’électricité par une éolienne.
| Emplacements | Procédé | Changements |
|---|---|---|
| Pales |
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Énergie éolienne → Énergie mécanique |
| Multiplicateur de vitesse |
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Transmission du mouvement avec changement de vitesse Pales → Rotor |
| Alternateur |
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Énergie mécanique → Énergie électrique |
| Transformateur Lignes à haute tension |
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Augmentation de la tension |
L’énergie éolienne est une ressource renouvelable. Son exploitation pour produire de l’électricité émet globalement une quantité négligeable de gaz à effet de serre.
Par contre, l’utilisation des vents pour produire de l’électricité a des impacts sur l’environnement. Entre autres, en raison de leur grand format, les éoliennes modifient l’allure du paysage. De plus, les éoliennes peuvent être bruyantes, ce qui en fait une source de pollution sonore.
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Les grandes installations comprenant plusieurs éoliennes sont appelées parcs éoliens.
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Puisque la vitesse des vents varie selon les conditions météorologiques, les éoliennes sont utilisées de façon intermittente pour répondre aux besoins énergétiques.
Un panneau photovoltaïque transforme l’énergie rayonnante du soleil en électricité selon la suite de transformations suivante.
Énergie rayonnante → Énergie électrique
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Un panneau photovoltaïque utilise des cellules photovoltaïques à base de silicium |(\text{Si})|, un métalloïde. Cet élément semi-conducteur a la propriété de libérer des électrons lorsqu’il est exposé à la lumière du Soleil. Le schéma et le tableau suivants décrivent la production d’électricité par un panneau photovoltaïque.
| Emplacements | Procédés | Changements |
|---|---|---|
| Panneau photovoltaïque |
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Énergie rayonnante → Énergie électrique |
| Transformateur Lignes à haute tension |
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Courant continu → Courant alternatif Augmentation de la tension |
L’énergie rayonnante est une ressource renouvelable. Son exploitation pour produire de l’électricité émet globalement peu de gaz à effet de serre.
Par contre, l’utilisation de la lumière du soleil pour produire de l’électricité a des impacts sur l’environnement. Ces impacts concernent principalement l’extraction du minerai de silicium nécessaire à la fabrication des panneaux photovoltaïques ainsi que l’enfouissement de substances toxiques lorsqu’un panneau est en fin de vie.
Les grandes installations comprenant plusieurs panneaux photovoltaïques sont appelées parcs solaires.