Sujet 5- Centrales nucléaires et hydrauliques
Introduction
Copenhague, Kyoto, la Cop21… dans un contexte de réchauffement climatique global, les sommets mondiaux se multiplient et la tendance énergétique est portée sur les modes de production verts : l’éolien, le photovoltaïque…obnubilant presque le reste des énergies. Si l’Allemagne produit énormément de son énergie par le charbon en attendant d’avoir effectué une transition verte, la situation en France reste plus modérée vers cet élan écologique. En effet, malgré de nombreuses voix contre le nucléaire, on produit encore la majorité de notre électricité grâce à cette technologie, suivie de l’énergie hydroélectrique.
Dans quelle mesure les énergies nucléaire et hydroélectrique ont-elles encore leur place dans le mix énergétique français ?
Pour y répondre, nous allons comparer ces deux énergies sur trois plans : dans une première partie sur le processus de production de ces énergies puis sur le plan économique avant de terminer sur l’aspect environnemental. Partie 1- Processus de création d’électricité
1) Processus général
Différentes techniques existent pour créer de l’électricité. Le but commun est de faire tourner une turbine qui activera un générateur et produira de l’électricité. Il faut donc transformer différentes énergies en action mécanique sur une turbine.
Il y a de nombreux types de centrales pour différents types d’énergie. Les éoliennes, les panneaux photovoltaïques et thermiques, les différentes centrales hydrauliques (marées motrices ou barrages hydraulique), centrale thermiques et géothermiques etc.
La majorité de ces centrales ont des procédées semblables qui consistent à entrainer un alternateur pour créer un courant induit. Ces processus diffèrent juste de la manière de récupérer l’énergie.
Figure 1 : Schéma d'un alternateur
L’alternateur fonctionne en faisant tourner la partie intérieure (le rotor) composé d’aimants dans la partie fixe (stator) composé de bobinages. Le mouvement de l’aimant par rapport aux bobines modifie le champ magnétique et suivant la loi de Lenz, un courant induit est créé dans la bobine produisant ainsi de l’électricité. Plus il y a de spires dans la bobines et plus le rotor tourne vite, plus la tension électrique du courant créé est importante.
Nous allons nous intéresser ici à deux types de centrales en particulier : Centrale Nucléaire qui utilise l’énergie de la fission nucléaire et Centrale Hydraulique qui utilise l’énergie fournie par le passage de l’eau. 2) Processus de production des centrales nucléaires
Dans une centrale nucléaire, l’énergie provient de la fission des atomes d’uranium. On envoie un neutron à très grande vitesse sur un atome d’uranium, et le choc produit la fission de l’uranium en deux atomes plus petit et libère quelques autres neutrons qui vont eux même recréer une fission sur d’autres atomes.
Les produits de cette fission sont différents et surtout instables. Un exemple de produit est du Krypton
93 et du Baryum 140 qui ne sont pas stables. Ils vont alors se désintégrer pour amener chacun à des produits stables (Niobium et Cerium).
Cette fission produit beaucoup d’énergie sous forme de chaleur. Cette chaleur peut alors chauffer l’eau du réacteur. Cette eau passe de l’état liquide à l’état de vapeur sous haute pression et va arriver au niveau de la turbine pour activer l’alternateur. A ce stade, la pression de la vapeur est de 67.5 bar et sa température d’environ 280°C.
Ensuite, la vapeur d’eau sors du corps haute pression à 10 bar et 180°C, subit un deuxième chauffage, et entre dans un nouveau corps haute pression activant l’alternateur. En sortie de ce deuxième corps haute pression, la vapeur entre dans un condenseur sous pression puis retournera dans le réacteur pour être de nouveau chauffé.
Figure 2: Schéma d'une centrale nucléaire
La fumée que l’on voit souvent sortir des centrales nucléaire n’est que de la vapeur d’eau. Et de plus pour éviter tout risque, l’eau qui s’échappe en vapeur n’est pas celle qui a été utilisée pour faire tourner la turbine. C’est un second circuit. L’eau froide passe dans le condenseur pour condenser la vapeur qui sort des turbines, et arrive sous forme de vapeur dans les tours de refroidissement. La vapeur ensuite condensée tombe dans la tour et est récupérée pour aller refroidir le condenseur. C’est un circuit différent et autonome qui ainsi ne peut pas être « contaminé » par le réacteur nucléaire.
3) Processus de production des centrales hydroélectriques
Il existe plusieurs types de centrales hydroélectriques. Les centrales dites gravitaires qui utilisent la force de gravitation pour entrainer l’eau à faire tourner les turbines (comme les barrages hydrauliques), et les usines marémotrices qui sont dans la mer et utilisent les courants des marées pour entrainer les turbines.
Dans les deux cas, le passage de l’eau entraine directement la turbine et l’alternateur pour produire de l’électricité.
Figure 3: Schéma de coupe d'une centrale Hydroélectrique.
A : Réservoir
B : Centrale Electrique
C : Turbine
D : Générateur
E : Vanne
F : Conduite forcée
G : Lignes haute tension
H : rivière
L’eau stockée dans le réservoir est entrainée le long de la conduite forcée vers la turbine. Par la gravité, la pression au niveau de la turbine est importante et donc permet de faire tourner de grandes turbines permettant ainsi une production d’électricité importante. La vanne E permet de réguler le débit selon la nécessité, mais aussi l’état en aval pour éviter d’éventuelles inondations ou problèmes dû à un écoulement trop important.
Le générateur D produit l’électricité suite au mouvement de la turbine, puis envoie cette électricité produite sur le réseau G.
Ce fonctionnement est très économique et peu dangereux puisque les ruptures de barrages sont rares.
Néanmoins elles sont parfois catastrophiques et donc on est face à une probabilité faible mais un risque important.
Le deuxième moyen concerne les centrales hydroélectriques de type marémotrices. Il s’agit de mettre un barrage séparant un double bassin :
-
Un bassin de retenue
La mer.
Le fonctionnement est simple. Lors de la marée haute, on fait passer l’eau dans une conduite forcée à l’entre-bassin pour remplir le bassin de retenue et faire tourner au passage la turbine. Lors de la marée basse, on vide le bassin de retenue en « remplissant » la mer toujours en passant par la turbine.
Figure 4: Schéma du fonctionnement d'une usine marémotrice lors d'une marée haute
La turbine ensuite produit directement via l’alternateur l’électricité qui est redistribuée sur le réseau électrique de la même manière que le barrage hydraulique.
Partie 2- Aspect économique des deux énergies
1) Présentation du marché de l’électricité
a) Un marché mondial
La production mondiale d’électricité en 2013 était de 23,127 TWh, elle est en continuelle augmentation. Cette augmentation est d’environ 3% par an.
La part de production issue des énergies fossiles se portaient en 2013 à 67,5% de la production total.
Ce pourcentage reste à peu près constant ces dernières années (68,1% en 2012). Le nucléaire est lui en léger recul depuis une dizaine d’année. Il représentait 15,7% en 2004 contre 10,8% en 2013.
L’hydroélectricité augmente à peine plus vite que la production mondiale totale (3,4% d’augmentation). Le reste de la production d’énergie renouvelable augmentent elles leur production de 15,6 % par an ce qui représente une augmentation de + 898 TWh/an sur la période. Leur part de marché passe de 1,91 % en 2004 à 5,34 % en 2013.
L’hydroélectricité reste l’énergie renouvelable la plus importante avec une production de 3,782TWh en 2013 (16,4% de la production totale).
La production d’électricité mondiale est très inégale dans le monde. Par exemple en Amérique du Nord la production d’électricité par habitant est de 14167 KWh/hab contre 490 KWh/hab en Afrique
Subsaharienne. Ces fortes inégalités ont tendance à diminuer car la production d’électricité dans les zones en retard de production explose alors qu’elle stagne dans les pays développés
b) Le marché français
La France est le huitième producteur mondial d’électricité avec une production annuelle de
540,6 TWh en 2014. EDF domine la production d’électricité française 77,5% de la production en 2014.
La principale caractéristique du marché français est la proportion très importante du nucléaire dans la production (73% en 2013). Les énergies renouvelables représentent elles près de 20%. La production issue des énergies fossiles représente elle moins de 10% de la production française ce qui différencie la France du reste du monde.
2) L’économie liée au nucléaire
L’énergie nucléaire ayant exposée après la crise du pétrole de 1973, elle est devenue une source d’énergie incontournable entre les années 1970 et 1973. Son coût de production était alors le principal argument du nucléaire. Encore aujourd’hui son coût de production est plus bas que le coût du à la production de l’énergie par le thermique. En effet le prix de production d’un MWh par le nucléaire est de 49,5€ contre
70-100€ pour le thermique. Seul l’hydraulique a un coût de production plus faible que le nucléaire.
La France est le deuxième plus gros utilisateur d’énergie nucléaire (58 réacteurs contre 104 aux Etats-Unis. Cela permet à la France d’être autonome en énergie électrique et même de revendre notamment à ses voisins européens. En 2013 c’était même le plus grand exportateur d’énergie électrique mondial.
Le nucléaire est un très grand actif industriel français, il est reconnu à l’échelle internationale.
Ce secteur génère directement 125 000 personnes et il soutient au total 410000 emplois, c’est à dire
2% de la force de travail française. Certaines régions se sont spécialisées dans des compétences spécifiques comme Rhône-Alpes dans l'enrichissement de l’uranium. Sans compter les exportations d’électricité, la France exporte chaque année pour 6 milliards d’euros d’équipement industriel. Le principal inconvénient économique du nucléaire pour la France est le manque de réserve d’uranium.
Elle a besoin d’environ 9900 tonnes d’uranium pour faire fonctionner ses réacteurs chaque année ce qui représente un coût annuel estimé entre 500 millions et 1 milliards d’euros.
3) L’économie lié à l’hydroélectricité
Le principal avantage est le coût unitaire lié à ce secteur de production. En cents de dollar par
KWH il est de 2 à 5 pour les grandes hydrauliques et de 3 à 10 pour les petites hydrauliques. De ce constat est excepté les marémotrices avec un coût de 8 à 20 cents par KWh.
Cependant l’inconvénient est que ce coût est majoritairement du à un investissement initial.
Ainsi il est compliqué d’investir massivement dans l’hydraulique car il nécessite de grands investissements nécessitant une forte trésorerie. Pour ordre de grandeur le prix d’un barrage de plus de 100W nécessite un budget de plus de 500 millions d’euros. Le coût est jugé d’environ 50% plus élevé qu’une centrale thermique par exemple.
La majorité de la production est assurée par les pays développés qui ont par le passé beaucoup investit dans ce secteur. Mais ce secteur garde un énorme potentiel. D’abord il ne dépend pas des variations du prix des hydrocarbures. Si l’on prend l’exemple de l’Afrique le manque à gagner est considérable.
L’Agence internationale de l’énergie (AIE) juge que le secteur hydroélectrique pourrait rapporter 300
GW
d’électricité soit l’équivalent de 300 réacteurs nucléaires à l’Afrique.
L’investissement dans l’hydroélectrique en Afrique est une idée qui commence à prendre forme.
Plusieurs projets de barrages sont devenus prioritaires.
Partie 3- Impact environnemental de ces techniques
Pour constituer un mix énergétique cohérent et durable, nous devons connaître les avantages et les inconvénients à chaque type d’énergie. Pour optimiser cette répartition des énergies, il nous faut étudier les dommages causés à l’environnement en particulier par le nucléaire et l’hydraulique.
a) L’énergie hydraulique
La production hydraulique d’énergie ne produit pas de gaz à effet de serre. Plus généralement, cette technologie ne dégage pas de déchet. La première nuisance à prendre en compte est à dimension humaine. En effet, lors de la construction d’un barrage, une partie des zones se retrouvent inondées en amont, provoquant de nombreux déplacements de population.
La construction du barrage des Trois Gorges à déplacé près de 2 millions de personnes, détruit environ 436 km² de terres agricoles ainsi que de multiples sites archéologiques (une quinzaine de sites archéologiques et une centaine de villages)
L’impact environnemental est lui aussi non négligeable, avec des modifications en profondeur des écosystèmes aux alentours des barrages.
Premièrement, l'activité bactériologique dans l'eau des barrages, relâcherait d'importantes quantités de méthane (avec un effet de serre 20 fois plus puissant que le CO2), cependant des nombreuses études se sont penchées sur le sujet sans réelles conclusions définitives : les quantités sont difficilement quantifiables et sujet à controverse.
Une autre conséquence de l’installation d’un barrage est la modification en profondeur de la sédimentation du milieu. L'érosion peut être maîtrisée, notamment en protégeant les berges du barrage au moyen de perrés (murs inclinés) ou de gabions (grillages métalliques).
Ce phénomène a une importance croissante avec la taille du barrage : depuis la mise en route du chantier du barrage des Trois Gorges (Chine) en mai 2006, les rives du fleuve se sont érodées de 4 km² par an en certains lieux.
Lors de la construction d'un barrage, un aspect à prendre également en compte est la rupture du continuum fluvial. Cela traduit une notion de continuité biologique tout au long du cours d'eau, c'est à dire que la distribution des espèces (animales et végétales) sera gouvernée par les stratégies
(alimentaire, de survie, de développement) mises en place par chacune. Ainsi, une perturbation naturelle ou anthropique (modification du débit, pollution, crue) en amont du cours d'eau, aura des répercussions au niveau biologique en aval.
Cette perturbation affecte principalement la faune : tout d'abord, les ouvrages hydroélectriques sont des obstacles pour les poissons en migration.
Différentes solution ont déjà été mises en place (échelles, passes à poisson) mais elles restent encore insuffisantes et partiellement inefficace.
Ensuite, le lessivage du bassin par les courants provoque un apport important d'alluvions (matière organique et minérale) se traduisant par des modifications physico-chimiques de l'eau. L'eau se charge en divers éléments (nutritifs, polluants...) dont une partie sédimente et forme une couche dans laquelle peuvent se développer des bactéries qui bousculent encore une fois l’écosystème existant. Ces modifications et l'immobilisation prolongée de l'eau dans les retenues favorisent une stratification des eaux et le développement des algues : l'eau prélevée en profondeur peut alors être plus chargée en azote ammoniacal, en hydrogène sulfureux et moins riches en oxygène.
Cette pollution de l'eau entraîne une modification du milieu, en particulier pour les poissons qui manquent d'oxygène.
Pour limiter l’impact environnemental des barrages, différentes mesures ont été prises, à échelle nationale et européenne :
-Ils ne doivent pas être des obstacles sur les cours d’eau et le débit global ne peut être utilisé uniquement pour la production d’électricité
-Respecter la notion de continuum fluvial (transit sédimentaire, libre passage des espèces aquatiques) Enfin, les barrages ont une durée de vie limitée et il se pose la question du démantèlement de ces constructions une fois leur durée de vie finie, estimée à 150 ans maximum, ce chiffre dépend beaucoup du contexte géographique de l’implantation du barrage (en particulier des risques sismiques) Sans attendre la fin de vie des barrages, ils peuvent s’endommager par accident suite à une catastrophe naturelle : le 5 Novembre dernier, la rupture d’un barrage au Brésil a englouti plusieurs villages, faisant 15 morts, sans compter les multiples dommages pour l’environnement. La coulée, contenant des dizaines de milliers de mètres cubes de boue, s’est déversée pendant deux semaines.
Certains spécialistes qualifient cela de « plus grande catastrophe naturelle de l‘histoire du Brésil » et estiment à
10 ans la période nécessaire aux écosystèmes pour se remettre de la coulée contenant des éléments toxiques
(fer, l’aluminium ou encore le manganèse) qui a tué des millions de poissons.
b) Le nucléaire
Bien que l’utilisation d’énergie hydraulique a des influence sur l’environnement, cela n’est rien par rapport aux centrales nucléaires.
Pour ces installations, le rendement est en moyenne de 34%. Ce rendement plutôt faible fait qu’une centrale de 1000 MW rejette environ 2000 MW de chaleur. C’est plus qu’il n’en faut pour chauffer une ville moyenne de 100 000 habitants ! Une valorisation possible de cette énergie gaspillée à l’étude est la cogénération mais, cela n’est pas possible car les centrales ont été construites loin des villes pour minimiser les nuisances.
La France produit environ 200 tonnes de déchets de haute activité par an. Ces déchets ultimes représentent une très faible proportion par rapport aux volumes initiaux (3.5%) mais contiennent 99
% de la radioactivité du combustible usé.
L’eau nécessaire au refroidissement des centrales nucléaires est directement prélevée dans la mer ou les cours d’eau. Le volume de ces prélèvements est réglementé et contrôlé, en particulier il est primordial car il sert à refroidir les circuits, principale préoccupation lors de la gestion de centrale nucléaire. Cette dépendance au cours d’eau est cependant critique dans un contexte de réchauffement climatique puisque si l’eau n’est pas assez froide, la centrale ne peut fonctionner normalement car en surchauffe. En 2003 en France lors d’une première vague de température, 17 réacteurs ont été ralenti ou arrêté : 4 GW d'électricité en moins soit 3.5% de la capacité totale de production française. Été 2009, nouveau coup de chaud et cette fois-ci c’est 8 GW de puissance en moins, à chaque fois EDF a été obligé d’acheter son électricité à l’étranger. Cette dépendance en eau a été caractéristique dans une certaine mesure lors de la catastrophe Fukushima car environ 350 mètres cubes d’eau ont été versé par jour pour refroidir les réacteurs nucléaires pendant des mois.
CONSOMMATION DE CENTRALE EN
L/JOURS
200000
150000
100000
50000
0
Nucléaire
Prise directe
Gaz
Circuit fermé
Charbon
Le graphique montre l’importance du volume d’eau dans le refroidissement des centrales nucléaires, qui est plus important que pour celles à charbon et bien plus important encore que pour les centrales à gaz.
Les centrales en « circuit fermé » sont celles possédant une tour de refroidissement et consomment beaucoup moins que les centrales
« a prise directe ».
Les centrales nucléaires rejettent donc énormément d’eau « polluée » : polluée thermiquement et chimiquement. La pollution thermique affecte les poissons d’eau douce en majorité en altérant les mécanismes de reproduction et entrainant même la mort pour les cas les plus extrêmes. La pollution chimique c’està-dire les constituants radioactifs que l’on retrouve dans l’eau y sont présents en quantité raisonnable (en dessous des seuils fixés). Il y a parfois des problèmes en période de forte chaleur puisque si le débit de la rivière diminue, pour une même activité de la centrale, les taux d’éléments radioactifs dans les rejets sont plus importants : s’ils deviennent trop grands, la centrale doit alors freiner son activité.
Il reste le traitement du cœur du problème environnemental avec le nucléaire : les déchets radioactifs. Les déchets radioactifs sont majoritairement produits dans les centrales nucléaires pour la production d’électricité (90% de ces déchets) .
Si certains ont des durées courtes de radioactivité (demi-vie d’une cinquantaine d’années) certains comme le plutonium ont des demi-vies de 24 000 ans environ (pour rappel, l’activité en Bq du déchet est divisé par 2^10=1024 au bout de 10 demi-vies), ce qui le rend impossible à traiter dans la durée.
Pour les traiter, plusieurs solutions ont été développées :
-Stockage/Enfouissement (en surface ou en profondeur, cela a même été fait dans la mer dans les années 70 notamment par le Royaume-Uni qui pensaient que la radioactivité se « diluerait » dans l’immensité marine)
-Revalorisation des déchets (à l’étude en ce moment, encore peu de solutions viables)
Les études sur le traitement de ces déchets sont nombreuses puisqu’ils impactent l’environnement.
Une concentration certes minime en éléments radioactifs est souvent observée à proximité des centrales et des lieus de stockage des déchets. En cas de problème au niveau des sites d’enfouissement, les nappes phréatiques peuvent aussi être contaminées.
Comme avec les barrages, les conséquences environnementales en cas d’accidents sont importantes.
En particulier pour les centrales nucléaires : tout le monde connait désormais Fukushima et
Tchernobyl.
Les deux cas sont différents, dans le cas de Tchernobyl le combustible s’est dispersé alors qu’il est resté confiné avec quelques fuites dans le cas de Fukushima.
Les effets constatés sur l’Homme ainsi que sur la nature ont été considérables. Pour les animaux, des malformations ont été observées les mois suivant l’explosion de Tchernobyl. Dans les deux accidents, une partie de la biodiversité autour des centrales est morte irradiée mais s’est reconstituée en quelques mois. Les plus gros dommages sont finalement l’irradiation des sols, qui les rend impraticable. Les premières exportations agricoles de a région de Fukushima ont par exemple repris
3 ans après le sinistre.
Finalement l’utilisation du nucléaire pose de nombreux problèmes environnementaux mais cela est à nuancer par rapport aux 55 tonnes de poussières, 890 000 tonnes d’oxydes d’azote et 1.7 Million de tonne de dioxyde de souffre que nous permet d’économiser son utilisation par rapport à des sources d’énergies fossiles.
Conclusion
Finalement, les méthodes de production d’énergie électriques sont diverses et variées. Les méthodes nucléaires et hydrauliques sont très développées et omniprésentes en France par exemple.
Cependant leurs impacts environnementaux et leurs coûts sont biens différents. En terme de processus, la méthode étant globalement proche, ces deux méthodes sont très semblables, bien qu’éventuellement moins dangereuse pour l’hydraulique - on se souvient évidemment des catastrophes de Tchernobyl et de Fukushima- bien qu’une rupture de barrage soit désastreuse.
Cependant il n’est peut-être pas possible de définir ou déterminer une solution qui serait meilleure qu’une autre, et finalement, la bonne solution est peut-être de trouver un équilibre correct entre les différentes technologies qui existent.
