Problématique du Pôle Electrique

I - Problématique de la production d’électricité :

1) Présentation du concept électrique :

* L’électricité est un type d'énergie qui doit être utilisée au moment de sa production. Plus exactement, c'est de l'énergie cinétique a une très petite échelle : les électrons se déplacent dans le fil, leur vitesse dépend de la différence de potentiel (en Volt). Dans le cas du courant continu, ils vont du - au + dans le cas du courant alternatif, le + et le - changent tout le temps... donc les électrons vibrent.

2) Enjeux :

* La Centrale Electrique de Kelonya devra produire de l'électricité en grande quantité en transformant les sources d'énergie naturelles choisies en énergie électrique.

* Il s’agit non seulement de construire les structures adaptées mais aussi de planifier la production nécessaire ainsi que le stockage des surplus

* Toute la difficulté est d’établir avec le plus de précision possible la consommation nécessaire

3) Contraintes principales :

* Aujourd'hui on fonctionne au tout électrique, c'est bien pratique mais ça a un gros défaut : le gaspillage d’énergie !
Le pire des exemples est celui du chauffage électrique : suivons le cheminement de l'énergie :
Matière première (bois, charbon, U235 ...) => chaleur => changement de phase de l'eau => énergie mécanique => énergie électrique => passage les lignes et différents transformateur => arrivé au domicile => chaleur
Une telle chaîne d'évènement à tout juste 30% de rendement. Donc en gros pour obtenir 1kWh de chauffage électrique à notre domicile, il a fallu utiliser 3kWh en énergie contenu dans les matières premières ...

* Un moteur électrique à un rendement de l'ordre de 90%, un moteur thermique quant à lui dépasse difficilement les 30-40%.
Malgré cette grande différence de rendement ce sont les voitures thermiques qui ont la plus grande autonomie pour le même encombrement. Environs 300 km pour les meilleurs voitures électrique et plus de 1000 km pour certaines voitures thermiques. Et encore aujourd'hui on utilise des batteries, donc on fait quand même appel à de l'énergie chimique, si on utilisait des condensateurs ça serait pire encore !

II - Organisation et planification de la production électrique :

1) Approche générale :

Etudes comparatives consommation :

* Les ménages français consomment 7 772 KWh/pers/an (chauffage compris données 2007)

* Taux de répartition de la consommation moyenne totale par secteur en France (données 2002) :
- Biens et Services : 40%
- Ménages et Logements : 29 %
- Industries : 16 %
- Transports : 15%

* Calcul de la répartition la consommation moyenne totale :
- Biens et services : 10 720 KWh
- Ménages et Logements : 7 772 KWh
- Industries : 4 288 KWh
- Transports : 4 020 KWh

* La consommation totale est donc de 26 800 KWh/pers/an

2) Adaptation à la Cité :

* Moyens de production :

La production électrique s’effectuera à partir des ressources énergétiques disponibles. Pour rappel nous avons identifié dans notre étude différentes sources énergétiques potentielles :
- Géothermique
- Maréthermique
- Hydrolienne
- Osmotique
- Fossile : Problème : perte en rentabilité, l'installation électrique est configurée pour une production optimale... si on dépasse les limites il y’aura perte en qualité
- Nucléaire : idéal dans le cadre d’une estimation précise de la consommation 6 mois. Problème : consommation de Kelonya difficile à prévoir !
- Hydraulique : Autre option envisageable. Il faut savoir que sur terre, c'est la variable d'ajustement actuelle : en cas de besoin, on assiste à une ouverture des barrages afin de répondre aux besoins supplémentaires en électricité
Sous l’eau cette option ne pourra être applicable si nous positionnons des ballons d’eau en hauteur et que nous reconstruisons le principe de fonctionnement d’un barrage terrestre avec un différentiel de hauteur sous marin.

* Gestion de la production électrique :

- La consommation en électricité varie au cours de la journée.
- La production doit donc varier elle aussi... il faut des amortisseurs!
- Si Kelonya produit 100 et qu’elle consomme 100 tout va pour le mieux (ce système est juste instable car il ne tient pas compte des pertes en ligne)
- Si Kelonya produit 100 et qu’elle consomme 110 : COUPURE ! Elle se retrouve en sous production : les habitants devront allumer des bougies
- Kelonya doit s'organiser pour produire 110 si t’elle est la consommation nécessaire...
- Par contre si Kelonya produit 100 et qu’elle consomme 90, nous aurons 10 qui partiront dans les fils et qui ne serviront à rien. D’où la nécessité de la stocker sous une autre forme en attendant de retrouver un besoin de 110.
A titre de comparaison, sur terre les générateurs d'électricité utilisent des volants d'inertie pour ce stockage afin d'avoir une production quasi constante (pas passer de 100 à 90 en 10 secondes puis de 90 à 100, 10 secondes plus tard)
- Kelonya pourra également garder en réserve son option « barrages » pour quand elle aura besoin de 120.

Sources Documentaires Complémentaires :

http://donnees.banquemondiale.org/indicateur/EG.USE.ELEC.KH.PC
http://www.economie-denergie.wikibis.com/ressources_et_consommation_energetiques_mondiales.php
http://www.rte-france.com/fr/developpement-durable/maitriser-sa-consommation-electrique/eco2mix-consommation-production-et-contenu-co2-de-l-electricite-francaise#courbeDeCharge

III – Processus technique de production :

1) Options techniques :

* En partant du principe qu’un moteur est un dispositif transformant une énergie non mécanique (par exemple : thermique, hydrolienne, éolienne, chimique, électrique…) en une énergie mécanique ou travail…
* En partant aussi du principe que l’énergie mécanique peut être transformée en énergie électrique par un alternateur…
* ……nous avons la possibilité de créer de l’énergie électrique en utilisant :

- Un moteur Stirling : il s’agit d’un moteur à combustion externe où l'énergie thermique fournie par deux sources de température externes (une chaude et une froide) est convertie en énergie mécanique par l'intermédiaire d'un fluide caloriporteur subissant un cycle thermodynamique fermé. Aucune combustion n'a lieu à l'intérieur du moteur et le fluide demeure confiné dans le moteur.
La source chaude du moteur est alimentée par une source externe quelconque : combustion externe de dérivés du pétrole, gaz naturel, charbon, bois, mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie géothermique.
- Une turbine : il s’agit d’un moteur composé d'une roue mobile sur laquelle est appliquée l'énergie d'un fluide moteur. Ce moteur transforme une force linéaire en force rotative et récupère l'énergie de l'eau ou de la vapeur pour faire tourner le rotor d'un alternateur.
- Un alternateur : il s’agit d’une machine tournante destinée à produire une tension alternative sinusoïdale. Les alternateurs sont couplés à la turbine dans les centrales thermiques et dans les centrales hydrauliques.

N.B. : Dans le cas d'une hydrolienne, l'hélice entraîne l'alternateur par l'intermédiaire d'un système d'engrenages (système de transmission). Il permet alors la transformation de l'énergie hydraulique en énergie mécanique qui est ensuite transformée en énergie électrique.

2) Principe général :

* Une énergie primaire (eau, vapeur…) sous pression ou en mouvement fait tourner la turbine. Cette mise ainsi en mouvement fait ensuite tourner l’axe sur lequel, elle est fixée.
* Cet axe fait parti d’un alternateur qui est l’appareil qui produit le courant électrique.
* L’alternateur est non seulement constitué de cet axe mais aussi d’un aimant mobile et d’une bobine fixe.
* L’aimant mobile (rotor) est composé d’une série d’aimants collés sur la roue entraînée par l’axe
* La bobine fixe (stator) est composée d’une bobine de fils de cuivre qui ne bouge pas.
* La proximité avec les éléments tournants du rotor crée le courant électrique.

N.B. : Le fonctionnement d’un alternateur est proche de celui d'une génératrice de bicyclette à cette différence près qu'il peut peser plusieurs dizaines de tonnes. Le mouvement de la roue du vélo entraîne une petite dynamo. Cela crée un courant électrique qui allume l’ampoule. L’alternateur de la centrale électrique fonctionne exactement de la même manière : la turbine anime le rotor aimanté, qui au contact de la bobine de cuivre, produit un courant électrique.

3) Point d’approfondissement et problématique sur les turbines :

* La réalisation des turbines nécessite le recours à des aciers fortement alliés (Cr-Ni-Va) pour résister aux contraintes thermiques, mécaniques (force centrifuge) et chimique (corrosion par la vapeur)
* En pratique la température est limitée à 550 ou 580 °C et le maximum mis en œuvre est de 650 °C. La pression est de l’ordre de 180 bars et atteint 250 bars pour les installations supercritiques.
* Si on prend le cas des turbo-compresseurs, qui sont des petites turbines, on peut atteindre les 800°C et les 200 000 tr/mn.
* Une turbine qui tourne avec de la vapeur d'eau à 300°C, ce n'est pas un problème. Le problème va plutôt être le dimensionnement de la turbine, en dessous d'une certaine puissance thermique la turbine ne tournera pas ou alors elle aura un rendement misérable. Il est indispensable de savoir combien de puissance on peut espérer soutirer d'un fumeur noir ou tout autre installation géothermique. Puis en fonction de la réponse et de la consommation prévisionnelle de la cité on déterminera le nombre de forages à faire et/ou le nombre de turbines à avoir ainsi que leur puissance.

Sources Documentaires Complémentaires :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Turbine

4) Applications possibles :

* La production électrique de la Cité pourrait donc être assurée par une centrale fonctionnant grâce à des moteurs Stirling et des turbines à partir de sources énergétiques géothermique, maréthermique et hydrolienne.
* A partir du moment ou notre volant d’inertie aura atteint son régime de croisière et que notre ballon tampon est chaud il nous restera à planifier la production d'électricité.
* Pour optimiser la production électrique il faudra l’adapter aux besoins et à la demande de chacun des « blocs » de la Cité.
* Le volant d'inertie actionnera un alternateur qui ne sera pas composé d'un rotor magnétique mais d'un bobinage. Cela nous permettra de moduler le courant injecté dans l'alternateur de manière à puiser plus ou moins d'énergie en ralentissant le volant.
* Nous aurons donc une production d'électricité faite à la demande, le surplus restant stocké dans le volant d’inertie.