Ce qu’il faut savoir sur les centrales électriques

publié le 01/03/2021 | mis à jour le 04/08/2023 | par Aurélie Hubert

Qu’est-ce qu’une centrale électrique ?

Le terme « centrale électrique » désigne un site industriel destiné à la production d’électricité. Son rôle est d’alimenter l’ensemble des consommateurs en électricité, au moyen du réseau électrique. Nucléaires, thermiques, hydrauliques, solaires ou encore éoliennes… Il existe une multiplicité de centrales, qui présentent toutefois des similitudes dans leur fonctionnement.

Principe de fonctionnement d’une centrale électrique

Le principe général d’une centrale de production électrique est de transformer une source d’énergie primaire en énergie électrique. On peut donc considérer qu’elle est un « convertisseur d’énergie ».

De quelle énergie primaire s’agit-il ?

L’énergie primaire à l’origine de la transformation peut être :

• chimique : issue de la combustion de matériaux fossiles (charbon, gaz naturel, pétrole) ou non-fossiles (biomasse, par exemple) ;
• mécanique : générée par la force du vent, de l’eau des rivières ou des marées, etc. ;
• nucléaire : issue de la fission d’atomes d’uranium ou de plutonium ;
• solaire.

Fonctionnement technique d’une centrale

Deux éléments sont essentiels au sein d’une centrale électrique : la turbine et l’alternateur.

La turbine a pour rôle de convertir l’énergie primaire en énergie mécanique. Il s’agit d’une roue munie de palettes ou aubes, qui tourne, selon les cas, sous l’action :

• de l’eau (sous forme liquide ou sous forme de vapeur d’eau sous pression) ;
• du vent (cas spécifique de l’éolienne).

Selon l’énergie primaire utilisée, différentes technologies de turbines sont possibles :

• turbine hydraulique ;
• turbine à vapeur ;
• turbine à combustion (communément appelée turbine à gaz) ;
• éolienne.

La turbine est couplée à un alternateur (un grand aimant cerclé d’une bobine) en rotation : celui-ci a pour rôle de convertir l’énergie mécanique produite par la turbine en mouvement, en énergie électrique.

Et après, que devient l’électricité produite ?

Après sa production, l’énergie électrique est transportée, parfois sur de très longues distances, jusqu’aux utilisateurs finaux. Pour limiter la perte d’énergie par effet Joule (dégagement de la chaleur en raison de la résistance des fils), il est préférable de faire circuler l’électricité sous forte tension et à faible intensité.

À la sortie de la centrale électrique, la tension de l’électricité est modifiée grâce à un transformateur (ou survolteur) : elle passe ainsi de 20 000 V à 400 000 V, afin de faciliter son transport. Puis, à proximité du point de livraison, elle est de nouveau transformée pour être distribuée aux consommateurs aux normes du réseau domestique, c’est-à-dire à basse tension (230 V), toujours par le biais d’un transformateur (ou sous-volteur).

Centrales électriques : quelques dates clé

En près de 150 ans, notre façon de produire de l’électricité a profondément évolué, au gré des inventions technologiques, mais également de notre rapport à l’environnement.

1880 : début de la production hydraulique

Les premières centrales font leur apparition en France vers 1880. Il s’agit de centrales hydroélectriques, dont la production sert principalement à l’éclairage urbain, à l’image de la centrale du Bazacle à Toulouse. Avant cela, les industriels exploitaient déjà la force motrice de l’eau pour faire tourner leurs machines, grâce à des turbines installées sur les rivières.

1882 : Edison invente la première centrale électrique

Dès 1882, le célèbre ingénieur Thomas Edison et l’Edison Electric Light Company inaugurent la première centrale électrique du monde, à base de 6 dynamos, permettant de produire du courant continu dans le quartier de Wall Street à Manhattan pour éclairer 85 maisons, bureaux ou magasins.

Quelques années plus tard, le travail de son ancien collaborateur Nikola Tesla sur le courant alternatif offrira des avancées spectaculaires, notamment en matière de transport de l’énergie.

1888 : invention de l’éolienne

En 1888, est produite la première électricité d’origine éolienne : Charles Brush, un scientifique américain, conçoit une turbine éolienne à fonctionnement automatique capable de produire de l’électricité, d’un diamètre de 17 m et composée de pas moins de 144 pales en cèdres.

Le concept d’un rotor à axe vertical avec des pales effilées et courbées sera développé dans les années 1920 par le français Georges Darrieus.

1950 : premières centrales thermiques

À partir de 1950, EDF instaure une exploitation rationnelle d’un parc de centrales thermiques à flamme (centrales électriques fonctionnant à partir de la combustion de fioul, de charbon ou de gaz).

1963 : première centrale nucléaire en France

1963 marque l’inauguration de la première centrale nucléaire en France, à Chinon en Indre-et-Loire, 10 ans après celle d’Obninsk en URSS.

1966 : première centrale marémotrice

Trois ans plus tard, en 1966, Charles de Gaulle inaugure la première centrale marémotrice au monde : l’usine marémotrice de la Rance, près de Saint-Malo, restera pendant près d’un demi-siècle l’unique installation à l’échelle mondiale exploitant un nouveau type d’énergie renouvelable pour produire de l’électricité en temps réel : la force du flux et du reflux de la marée.

2016 : premier parc d’hydroliennes

En 2016, le premier parc d’hydroliennes français est installé au large de Paimpol-Bréhat, dans les Côtes-d’Armor. Là encore, il s’agit d’une première mondiale, qui confirme la performance de cette nouvelle technologie basée sur l’exploitation de la force des courants marins.

2016 : mise en service de la centrale à cycle combiné au gaz naturel de Bouchain

Il s’agit de l’un des sites de production d’électricité au gaz les plus performants au monde, mais également d’un symbole fort : construite sur le site d’une ancienne centrale à charbon, cette centrale à cycle combiné au gaz naturel, faiblement émettrice de gaz à effet de serre, marque l’évolution du parc thermique au service de la transition énergétique.

Les différents types de centrales électriques

Ce rapide historique démontre parfaitement la diversité des centrales de production électrique existantes, comme l’atteste également le tableau récapitulatif ci-dessous :

N.B. Cet article est consacré aux centrales électriques ayant vocation à produire de l’électricité dédiée à être acheminée aux consommateurs finaux par le réseau de distribution. Il ne traite donc pas du cas particulier des centrales à cogénération, dont le principe est de produire à la fois de l’électricité et de la chaleur à partir d’une seule source d’énergie afin d’alimenter un site spécifique : une usine, un hôpital, un aéroport, etc.

Voyons désormais plus en détail les 6 types de centrales les plus courants :

1. les centrales thermiques à flamme conventionnelles ;
2. les centrales thermiques nucléaires ;
3. les centrales géothermiques ;
4. les centrales hydroélectriques ;
5. les éoliennes ;
6. les centrales solaires.

1. Les centrales thermiques à flamme conventionnelles

Les centrales thermiques classiques, également appelées centrales thermiques conventionnelles, sont des centrales à flamme, qui peuvent être alimentées par :

• une énergie primaire fossile : charbon en fines particules, fioul liquide ou gaz ;
• une énergie primaire renouvelable, issue de la biomasse : biocarburant, méthane ou bois, par exemple.

Fonctionnement

Dans une centrale thermique à flamme, du charbon, du pétrole, du gaz naturel ou une énergie biomasse sont brûlés : l’énergie chimique des combustibles est transformée en énergie thermique.

Cette énergie thermique issue de la combustion permet de chauffer de l’eau dans une chaudière, qui se transforme alors en vapeur d’eau. La vapeur d’eau sous pression et sous haute température met en mouvement la turbine qui entraîne l’alternateur, produisant de l’électricité.

Avantages et inconvénients

• Les centrales à flamme peuvent être utilisées comme centrales d’appoint, et peuvent être facilement mises en fonctionnement ou arrêtées.
• Leur production n’est pas dépendante des conditions météorologiques (contrairement aux éoliennes, par exemple).
• Il est possible de construire des centrales thermiques de grande puissance.

Néanmoins, elles utilisent (pour la plupart d’entre elles) des sources d’énergies fossiles qui :

• s’épuisent ;
• nécessitent d’être importées, et rendent donc la France dépendante des pays producteurs de gaz, de charbon ou de fioul ;
• émettent des gaz à effet de serre (GES) et des particules polluantes dans l’atmosphère.

2. Les centrales thermiques nucléaires

Les centrales nucléaires font partie de la famille des centrales thermiques. La principale différence avec les centrales à flamme réside dans la façon de produire la chaleur nécessaire pour chauffer l’eau : ici, ce n’est pas par combustion, mais par fission qu’est générée l’énergie thermique.

Fonctionnement

Après fission (éclatement) des noyaux des atomes d’uranium ou de plutonium dans le réacteur nucléaire, l’énergie nucléaire est convertie en énergie thermique. Il faut noter que la production de cette énergie thermique nécessite une isolation totale avec le milieu extérieur, pour éviter toute contamination d’éléments radioactifs.

La suite du processus est similaire à celui d’une centrale thermique à flamme conventionnelle : l’énergie thermique obtenue permet de chauffer de l’eau liquide pour la transformer en vapeur. La vapeur d’eau sous pression et sous haute température met en mouvement la turbine qui entraîne l’alternateur, produisant ainsi de l’électricité.

Avantages et inconvénients

• Le coût de revient de l’énergie produite par une centrale nucléaire est faible.
• Une centrale nucléaire en activité n’émet pas de gaz à effet de serre, contrairement à la centrale thermique utilisant une énergie fossile.

• Le problème majeur posé par la filière nucléaire est, bien évidemment, celui des déchets radioactifs : ceux-ci restent extrêmement nocifs pendant très longtemps et doivent être stockés en respectant des normes de sécurité très strictes. C’est particulièrement le cas pour les déchets de haute activité (HAVL) et les déchets de moyenne activité et à vie longue (MAVL), issus du cœur du réacteur, hautement radioactifs et dont la dangerosité peut perdurer pendant plusieurs centaines de milliers d’années.
• Au-delà de la nocivité des déchets générés par la production d’électricité, le démantèlement des centrales nucléaires en fin de vie est également problématique, tant en matière de risques radioactifs que de coûts (350 à 400 millions d’euros pour la déconstruction d’un réacteur à eau pressurisée, intégralement à la charge d’EDF, lequel intègre cette dépense prévisionnelle dans le prix du kilowattheure dès la mise en fonctionnement de la centrale).
• Enfin, l’uranium est une source d’énergie non-renouvelable : ses quantités sont donc limitées.

3. Les centrales géothermiques

Une centrale géothermique produit de l’électricité en prenant appui sur la chaleur de la Terre.

Fonctionnement

Le principe : l’eau chaude contenue dans les nappes souterraines, appelées nappes aquifères et formées par l’infiltration d’eau de pluie ou d’eau de mer dans les fractures de la croûte terrestre, est pompée jusqu’à la surface par forage. Perdant de sa pression, elle est transformée en vapeur lors de sa remontée, ce qui permet de faire tourner une turbine puis un alternateur pour produire de l’électricité.

Avantages et inconvénients

• Le fonctionnement d’une centrale géothermique repose sur un phénomène naturel : la chaleur issue de nos sols.
• L’extraction de l’eau contenue dans les nappes aquifères n’émet pas de gaz à effet de serre.

• Néanmoins, la profondeur de forage est généralement importante (bien que variable selon les sols), ce qui génère des investissements conséquents.
• Il demeure un risque de remontée de magma.

4. Les centrales hydroélectriques

Les centrales hydroélectriques, également appelées centrales hydrauliques, utilisent le mouvement de l’eau pour produire de l’électricité.

Fonctionnement

En effet, c’est la force motrice issue d’une retenue d’eau (barrage au niveau d’un fleuve ou d’une chute, par exemple) qui permet d’activer une turbine, laquelle déclenche la rotation de l’alternateur.

Avantages et inconvénients

• Les centrales hydroélectriques utilisent une source d’énergie renouvelable : l’eau.
• Elles n’émettent pas de gaz à effet de serre.
• Elles présentent peu de frais de fonctionnement et de maintenance.
• La production d’hydroélectricité est très fiable : les centrales sont capables de fournir une énergie en quantités constantes (peu de fluctuations).
• La production d’hydroélectricité est également flexible : lorsque les besoins en électricité sont moindres, elle peut être modulée facilement en ajustant le débit d’eau (et inversement).

• Cependant, les centrales hydroélectriques ont un coût de construction élevé, notamment sur les sites situés en montagne.
• La construction de certaines d’entre elles a nécessité la suppression de vallées entières.
• La production d’électricité est dépendante des conditions météorologiques (par exemple, une période de sécheresse a un impact sur la quantité d’eau disponible).
• Ce type d’énergie nécessite de disposer de grands réservoirs d’eau, qui sont limités sur le territoire.
• Il n’y a pas de risque zéro concernant la rupture des barrages, notamment lors de catastrophes climatiques.

5. Les éoliennes

L’éolienne utilise l’énergie cinétique du vent pour produire de l’électricité.

Fonctionnement

Situées sur des plaines, des collines ventées ou en mer, les éoliennes sont constituées d’un mât, en haut duquel est placé un rotor muni de trois pales et tournant à environ 22 tours par minute en cas de vent.

Le mouvement du rotor est transmis à l’arbre principal, qui est couplé à un alternateur par un multiplicateur permettant d’augmenter considérablement la vitesse de rotation (jusqu’à 1 500 tours par minute).

Cet alternateur convertit ensuite l’énergie mécanique de rotation en énergie électrique.

Avantages et inconvénients

• Les centrales éoliennes utilisent une source d’énergie renouvelable : le vent.
• Elles n’émettent pas de gaz à effet de serre.

• Pour certains, elles participent à la pollution visuelle du paysage.
• Elles peuvent être des obstacles pour la navigation aérienne à très basse altitude.
• Elles peuvent générer des nuisances sonores pour les habitations situées à proximité.
• L’installation d’un parc éolien a un coût important, pour une production d’électricité aléatoire car liée aux variations du vent.

6. Les centrales solaires

Une centrale solaire thermodynamique permet de transformer l’énergie thermique du rayonnement solaire en chaleur (le plus souvent, grâce à plusieurs rangées de miroirs disposés en arc de cercle face à la course du soleil), afin de la convertir ensuite en énergie électrique. Elle est donc particulièrement appropriée aux régions et pays à fort ensoleillement.

Fonctionnement

Les rayonnements du soleil chauffent de l’eau, qui est ainsi transformée en vapeur. Cette vapeur fait tourner une turbine : l’énergie de la turbine est transformée en énergie électrique grâce à un alternateur.

Avantages et inconvénients

• Une centrale solaire fonctionne grâce à une source d’énergie inépuisable : le soleil.
• L’électricité issue de l’énergie solaire est verte : sa production ne génère aucune émission de gaz à effet de serre.

• Cependant, la production d’électricité est dépendante de la présence du soleil : elle ne peut donc être effective la nuit et les jours de mauvais temps (bien que, pour pallier ce problème et permettre une continuité dans la production, des systèmes de stockage de l’eau chaude existent).
• Les centrales solaires sont plus rentables lorsqu’elles sont situées dans des régions et pays bénéficiant d’un fort ensoleillement.
• Enfin, la gestion des miroirs usagés composant les panneaux solaires (d’une durée de vie d’environ 30 ans) est problématique, car ils contiennent des matériaux toxiques et non-recyclables.

Comparatif des coûts de production et de l’impact environnemental des principales centrales électriques

Les différents types de centrales électriques ne sont pas équivalents en matière de coût de production de l’énergie et d’émission de gaz à effet de serre, deux critères essentiels en matière de choix de politique publique.

Focus sur les différentes sources d’énergie

Selon le type de centrale, l’énergie primaire utilisée pour produire de l’électricité est fossile, nucléaire ou renouvelable.

Les énergies fossiles

Les sources d’énergies fossiles sont produites à partir de combustibles carbonés, issus de la lente décomposition de matières organiques, aussi appelée « fossilisation ». Il s’agit donc de ressources naturelles et limitées, c’est-à-dire non-renouvelables :

• le fioul, un dérivé du pétrole ;
• le charbon ;
• le gaz naturel.

Très peu présentes sur le territoire français, ces matières premières sont largement importées.

L’énergie nucléaire

L’énergie nucléaire est produite le plus souvent à partir d’uranium (uranium 235), mais également de plutonium (plutonium 239). En France, il n’y a désormais plus de mine d’uranium en activité, la totalité de la matière première est donc importée.

Uranium et plutonium sont non-renouvelables. Selon l’Agence pour l’énergie nucléaire (AEN), les réserves actuelles d’uranium permettront d’alimenter encore les centrales nucléaires dans le monde pendant une centaine d’années seulement.

Il faut noter néanmoins que, contrairement aux énergies fossiles, leur utilisation dans la production d’énergie ne génère pas d’émissions de gaz à effet de serre.

Les énergies renouvelables

Une énergie est dite « renouvelable », si son utilisation n’entraîne pas de diminution significative de sa réserve. Elle est donc considérée comme inépuisable. Elle présente également l’avantage d’être disponible partout dans le monde.

Contrairement aux énergies fossiles, les énergies renouvelables ne génèrent aucune émission de gaz carbonique directe. Cependant, la construction des structures permettant de les transformer en énergie électrique peut générer une pollution indirecte (extraction des minerais nécessaires à la fabrication d’éoliennes ou de panneaux solaires, par exemple).

Les énergies renouvelables utilisées comme sources d’énergies primaires pour la production d’électricité en centrale sont :

• l’énergie hydraulique (eau des fleuves et des mers) ;
• l’énergie marémotrice (force des marées) ;
• l’énergie solaire (rayonnements ou chaleur du soleil) ;
• l’énergie éolienne (vent) ;
• l’énergie géothermique (chaleur des sols) ;
• l’énergie biomasse (matières organiques d’origine végétale ou animale).

État des lieux de la production d’électricité en France : le mix énergétique

Pour son mix énergétique, la France a fait le choix à partir des années 1960 de se doter d’un parc nucléaire conséquent, dans l’objectif d’atteindre l’indépendance énergétique et de produire de manière compétitive.

Depuis un demi-siècle, la filière nucléaire détient donc une place stratégique, puisqu’elle produit l’essentiel de notre énergie électrique, les autres filières ayant longtemps été considérées comme des moyens d’ajustement.

La production d’électricité en France, par filière

Selon le RTE (Réseau de transport d’électricité), la production totale d’électricité en France s’est élevée à 500,1 TWh en 2020.

Celle-ci est majoritairement d’origine nucléaire (67,1 %). La filière hydraulique se place en 2^e position, avec 13 % de la production, suivie par la filière éolienne (7,9 %), qui devance, pour la première année, la filière thermique fossile (7,5 %).

La production française est donc largement décarbonée : + de 93 % de la production électrique n’émet pas de gaz à effet de serre.

Le parc de production

Le parc de production d’électricité français affiche une puissance installée de 136,2 GW (gigawatts). Celle-ci représente la capacité totale de production électrique de l’ensemble des infrastructures en activité sur le territoire national.

Le parc nucléaire

Le parc nucléaire est actuellement composé de 3 types de centrales :

• 2 centrales d’une puissance de 1 450 MW ;
• 8 centrales d’une puissance de 1 300 MW ;
• 8 centrales d’une puissance de 900 MW ;

soit un total de 18 centrales nucléaires (et 56 réacteurs nucléaires) encore en activité, réparties dans toute la France. Un réacteur « 3^e génération », offrant une puissance de 1 650 MW, est en cours de construction à Flamanville dans la Manche : l’EPR (pour Evolutionary Power Reactor).

Le parc hydraulique

On dénombre environ 2 300 installations hydroélectriques sur l’ensemble du territoire, de tailles et de puissances très variées :

• centrales éclusées, situées principalement dans les lacs, en aval des montagnes ;
• centrales « fil de l’eau », situées principalement dans les plaines ;
• centrales « lacs », situées dans les lacs en aval des moyennes et hautes montagnes.

La région Auvergne Rhône-Alpes produit à elle seule 44 % de l’électricité d’origine hydraulique.

Le parc thermique à flamme

Il y a actuellement 24 centrales thermiques à combustible fossile en activité :

• 16 fonctionnant au gaz (principalement dans le nord et l’est du pays), dont 11 à cycle combiné gaz ;
• 4 fonctionnant au charbon ;
• 4 fonctionnant au fioul.

Le parc éolien

Quatrième parc le plus important d’Europe, le parc éolien français compte 1 960 installations en France métropolitaine, toutes sur terre. Néanmoins, de nombreux projets éoliens en mer sont en cours de développement, au large des côtes françaises (dans la Manche, la Mer du Nord et l’Atlantique).

À l’heure actuelle, les régions disposant des plus grands parcs éoliens sont :

• les Hauts-de-France (480 sites, puissance installée de 4 738 MW) ;
• le Grand-Est (381 sites, puissance installée de 3 665 MW) ;
• l’Occitanie (193 sites, puissance installée de 1 646 MW).

Le parc solaire

Le parc solaire français est composé de 25 centrales solaires, produisant de l’électricité à grande envergure.

Parmi elles, la centrale photovoltaïque de Cestas près de Bordeaux (la plus grande d’Europe à ce jour) est composée de près d’un million de panneaux solaires répartis sur 260 hectares. Sa production permet de couvrir entièrement la consommation domestique de la métropole.

Le parc bioénergies

Les installations fonctionnant avec la biomasse sont présentes partout en France. La région Nouvelle-Aquitaine possède le plus grand parc bioénergies (puissance installée de 326 MV), suivie de près par l’Île-de-France (317 MV).

Il s’agit, pour la plupart, de petites structures destinées à un usage local. Citons, par exemple, la centrale biomasse de Rennes, d’une puissance installée de 10,4 MW, dont la production permet d’alimenter le réseau de chaleur de la ville et de fournir ainsi 60 % de ses besoins annuels en chauffage.

Certaines installations sont directement intégrées au sein de sites industriels. Parmi les infrastructures de grande envergure, la centrale biomasse de Facture-Biganos en Gironde, d’une puissance installée de 69,5 MW, a été mise en place au cœur d’une usine papetière et fonctionne grâce aux écorces et résidus de bois nécessaires à la fabrication de papier kraft.

Vers une part croissante des énergies renouvelables ?

Depuis une dizaine d’années, le mix énergétique français évolue, à mesure que :

• les infrastructures vieillissantes sont peu à peu démantelées ;
• les normes de sécurité se renforcent ;
• les politiques publiques s’orientent vers des solutions plus respectueuses de l’environnement (développement des filières de production d’énergies renouvelables).

Dernière grande orientation en date : la loi Énergie-Climat (loi n° 2019-1147 du 8 novembre 2019 relative à l’énergie et au climat) fixe des objectifs nationaux ambitieux en matière de politique énergétique. Elle acte notamment :

• la part des énergies renouvelables à hauteur de 33 % du mix énergétique d’ici 2030 ;
• la part du nucléaire à hauteur de 50 % du mix énergétique d’ici 2035 (soit une baisse de 20 points par rapport à aujourd’hui) ;
• une diminution de 40 % de l’utilisation des énergies fossiles d’ici 2030 (par rapport à 2012) ;
• la fin de la production d’électricité à base de charbon en 2022.

Le tableau ci-dessous présente le mix énergétique 2019 et son évolution par rapport à celui de 2012, en France :

Choisir son électricité en fonction de sa provenance

Si, dans ses usages quotidiens, le consommateur ne peut techniquement faire la différence entre une électricité d’origine nucléaire, fossile et une électricité verte, il peut toutefois faire le choix du renouvelable dans son abonnement. En effet, de nombreuses offres existent, à prix très compétitif (retrouvez notre tableau comparatif dans l’article dédié à l’électricité verte).

Envie d’en savoir plus sur les offres d’énergie alternatives à celles de l’opérateur historique EDF ? Comparez les fournisseurs d’électricité gratuitement et en quelques clics seulement, grâce à notre outil en ligne. C’est très simple et sans engagement !