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Comment fonctionne une centrale thermique à flamme (gaz, charbon, fioul) ?

Alors qu'il ne représente que 6,2% de la production totale d'électricité en 2015 (bilan RTE, 2015), le parc thermique à combustible fossile a vu sa capacité diminuer au cours des dernières années dans l'Hexagone. En cause ? Coût élevé de maintenance, émissions de gaz à effet de serre (CO2), impacts environnementaux et sanitaires, etc. Charbon, gaz ou fioul, comment fonctionne une centrale thermique à flamme ? Qu'est-ce l'énergie thermique et quels sont les différents types de centrales thermiques ?

Le fonctionnement d'une centrale thermique à flamme 

Découvrir l'intérieur d'une centrale thermique à flamme

Les centrales thermiques à flamme sont des moyens de production d'électricité utilisant des énergies fossiles. Concrètement, elles produisent de l'électricité à partir de la vapeur d'eau produite grâce à la chaleur dégagée par la combustion de gaz, de charbon ou de fioul, qui met en mouvement une turbine reliée à un alternateur.

Les centrales thermiques à flamme sont divisées en plusieurs parties :

  1. la chaudière où est brulé le combustible fossile (charbon, gaz ou pétrole) ;
  2. la salle des machines dans laquelle l'électricité est produite ;
  3. les lignes électriques qui permettent d'évacuer et de transporter l'électricité.
chaudière de centrale thermique en démolition Turbine à vapeur dans une centrale thermique

À gauche : des chaudières en démolition au sein de la centrale thermique de Pont-sur-Sambre.
À droite : rotor d'une turbine à vapeur.

Quelle que soit l'énergie fossile utilisée, toutes les centrales thermiques à flamme fonctionnent à partir des mêmes quatre principes : la combustion, la production de vapeur, la production d'électricité et le recyclage.

  1. La combustion : la première étape pour produire de l'électricité dans les centrales thermiques à flamme consiste à brûler un combustible fossile (gaz, charbon, fioul) dans les brûleurs d'une chaudière. Le charbon est ainsi réduit en poudre et le fioul est chauffé pour devenir liquide. Seul le gaz ne subit aucun traitement.
  2. La production de vapeur : la chaudière, où se trouve le combustible fossile, est tapisée de tubes dans lesquels circule de l'eau froide. Les combustibles fossiles, en brûlant, dégagent de la chaleur qui permet de chauffer cette eau qui se transforme en vapeur.
  3. La production d'électricité : la vapeur permet de faire tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. L'énergie de la turbine permet ensuite à l'alternateur de produire un courant électrique. La tension de ce courant électrique est ensuite élevée par un transformateur afin qu'il puisse être transporté dans les lignes à très haute et haute tension.
  4. Le recyclage : une fois sortie de la turbine, la vapeur est transformée en eau grâce à un condenseur dans lequel circule de l'eau froide. L'eau obtenue est réutilisée et circule de nouveau dans la chaudière pour entamer un nouveau cycle de production d'électricité.
Le saviez-vous ?

Les centrales thermiques fonctionnant à partir de combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) sont dites "à flamme" afin de les différencier des autres types de centrales thermiques : les centrales nucléaires, les centrales géothermiques qui utilisent l'énergie géothermique profonde ou encore les centrales solaires thermiques à concentration. En effet, le terme "centrale thermique" rassemble toutes les centrales électriques qui produisent de l'électricité à partir d'une source de chaleur. Ainsi, les centrales solaires thermiques ou géothermiques récupèrent de la chaleur préexistante. Autre exemple : les centrales nucléaires utilisent l'énergie dégagée par la fission de noyaux d'atomes lourds qui, en dégageant de la chaleur, participe in fine à la production d'électricité.

Les différents types de centrales thermiques à flamme

Les trois catégories de centrales thermiques à flamme 

Il existe plusieurs catégories de centrales thermiques à flamme :

  • la centrale classique (charbon, fioul ou gaz) qui utilise des combustibles fossiles et fonctionne avec une chaudière à vapeur ;
  • la Turbine à Combustion (TAC) à Cycle Combiné qui associe une turbine à combustion et une turbine à vapeur et fonctionne à partir du gaz ou du fioul ;
  • les centrales à Lit Fluidisé Circulant (LFC) qui fonctionnent comme une centrale à flamme traditionnelle mais émettent moins d'oxydes d'azote et de soufre, notamment grâce à une température de combustion plus faible.

Les combustibles fossiles, kézako ? L'énergie thermique à flamme dépend de combustibles fossiles (charbon, gaz ou pétrole). On parle également d'énergies fossiles, à savoir de roches issues de la méthanisation ou de la fossilisation d'êtres vivants contenus dans le sous-sol de la terre, parfois depuis des millions d'années. Les combustibles fossiles représentent donc tous les combustibles riches en carbone, en particulier hydrocarbures, et qui permettent de produire de l'énergie. À titre d'information, la plus grande réserve d'énergies fossiles dans le monde est le charbon.

Zoom sur les centrales thermiques à flamme dites classiques (charbon, fioul, gaz)

Les centrales thermiques à flamme classique utilisent le charbon, le fioul et le gaz pour produire de l'électricité. Chacune a toutefois sa spécificité propre. Petit tour d'horizon du parc thermique à flamme français.

Parc thermique d'EDF en France

Le parc thermique à flamme d'EDF dans l'Hexagone (charbon, fioul et gaz confondus).

Centrale thermique à flamme fonctionnant au charbon
Centrale électrique au charbon

Les centrales thermiques au charbon sont les plus répandues dans le monde, en particulier dans les pays disposant de réserves importantes de charbon, à l'instar de l'Inde, de la Chine, des États-Unis ou encore de l'Allemagne. Mais ce type de centrale présente un inconvénient majeur : la combustion du charbon est fortement émettrice de gaz à effet de serre. 

Dans l'Hexagone, le charbon utilisé par les centrales thermiques à flamme n'est plus extrait des mines mais est issu de l'importation. Il existe 14 centrales à charbon sur le territoire métropolitain : Bouchain, La Maxe, Blénod, Vitry, Cordemais, Le Havre, Provence, Emile Huchet, Hornaing, Lucy, Vaires-sur-Marne, Loire-sur-Rhône, Penchot, Ronchamp. Toutefois, seules quatre de ces centrales sont encore exploitées (Cordemais, tranche 4 du Havre, tranche 5 de Provence et tranche 6 d'Emile Huchet). Ailleurs en Europe, EDF possède une dizaine de centrales à charbon.

Centrale thermique à flamme fonctionnant au fioul
Centrale électrique au fioul

Dans ce type de centrale thermique, le fioul est brûlé dans une chaudière produisant de la vapeur. Cette vapeur fait ensuite tourner une turbine qui entraîne un alternateur, produisant de l'électricité. En soi, le fonctionnement des centrales thermiques au fioul est donc quasiment identique à celui des centrales au charbon.

Mais les centrales thermiques au fioul disparaîtront bientôt du paysage électrique français : EDF a en effet pris la décision de fermer ses dernières centrales au fioul d'ici 2018, contre 2023 annoncé initialement. Sont concernées la centrale de Porcheville dans les Yvelines et deux tranches de la centrale de Cordemais en Loire-Atlantique. Ces fermetures font suite à l'arrêt de la production de deux tranches de la centrale d'Aramon (Gard) en avril 2016. En tout, c'est une perte de 5,2 gigawatts de capacités de production pour l'énergéticien français, soit la moitié du parc thermique d'EDF.

L'anecdote L'ensemble des actifs thermiques (charbon et fioul) d'EDF en France aurait enregistré plus de 800 millions d'euros de perte en 2015 alors que, la même année, le parc au fioul n'a fourni que 0,6% de la production.

Centrale thermique à flamme fonctionnant au gaz 
Centrale électrique au gaz

Les centrales thermiques au gaz utilisent le gaz comme combustible pour produire la chaleur qui alimente la turbine à vapeur. Le fonctionnement de ce type de centrale est identique à celui des centrales thermiques au fioul, à la différence que la taille de la chaudière est dimensionnée pour accueillir le combustible gazeux. Depuis vingt ans, les centrales à gaz ont été progressivement délaissées au profit des centrales avec turbines à combustion.

Les centrales à gaz sont utilisées en France afin d’assurer la production d’électricité en période de pointe. Par rapport aux autres centrales thermiques à flamme, elles présentent l’avantage d’émettre moins de gaz à effet de serre. Elles sont donc plus écologiques.

Les grands enjeux actuels des centrales thermiques à flamme

Utilisées massivement dans l'Hexagone entre 1950 et 1980, les centrales thermiques à flamme ne représentent plus que 6,2% de la production totale d'électricité en France en 2015 (données RTE), contre 76,3% pour l'énergie nucléaire. Pourtant, la même année, les centrales thermiques à flamme représentaient 17,4% du parc électrique français, contre 48,8% pour le nucléaire. Aujourd'hui, le parc thermique à flamme géré par le fournisseur historique et producteur d'électricité EDF comprend 28 unités de puissances différentes sur 14 sites. Dans l'Hexagone, les centrales thermiques à flamme sont généralement utilisées pour répondre aux pics de consommation aux heures de pointe ou lors de périodes de froid. Leur mise en route très rapide permet en effet de répondre rapidement à une hausse soudaine de la demande.

La production totale d'électricité en France en 2015
Centrale thermique de Porcheville

La centrale thermique à flamme de Porcheville (Yvelines) fonctionnant au fioul dont la fermeture est prévue en 2018.

Les centrales thermiques à flamme sont aujourd'hui particulièrement décriées en raison de leurs impacts environnementaux et sanitaires. Les centrales thermiques au charbon sont ainsi parmi les premières sources d'émission de gaz à effet de serre, en particulier en Chine et aux États-Unis. Selon l'Environmental Protection Agency (EPA), elles représentent 28% du nickel, 62% de l'arsenic, 77% des acides, 50% du mercure et 22% du chrome présents dans les masses d'air américaines.

Avec les différentes crises du pétrole, la part de la production électrique assurée par des centrales thermiques brûlant du fioul a progressivement diminué en Europe. Pour autant, si de nombreux pays comme la France ont choisi de se reposer sur une production nucléaire importante, d'autres ont fait le choix du charbon ou, dans une moindre mesure, de l'hydroélectricité.

Dans certains pays, l'usage de l'énergie thermique à flamme pose même un véritable cas de conscience environnemental. Tel est le cas de l'Allemagne où, après la catastrophe de Fukushima, le gouvernement fédéral décide la fermeture de 8 centrales nucléaires et la sortie progressive du nucléaire. Une décision soutenue par une majorité d'Allemands mais qui a impliqué un recours massif aux énergies fossiles afin de compenser la baisse de la part de l'énergie nucléaire dans le mix énergétique. En raison d'un parc renouvelable encore insuffisant pour couvrir l'ensemble des besoins en électricité, le recours au charbon a en effet explosé outre-Rhin depuis 2011, augmentant par la même les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) : les 130 centrales à charbon allemandes représentaient 42% de la production totale d'électricité en 2014. Un paradoxe aujourd'hui décrié par de nombreuses associations de protection de l'environnement.

Le saviez-vous ?

Alors que l'usage des centrales thermiques à flamme pour la production électrique se raréfie dans l'Hexagone, les sites du parc de production thermique français continuent à s'inscrire dans le paysage métropolitain. Le producteur et fournisseur historique EDF a fait le choix de s'engager pour mettre en valeur ce patrimoine industriel et foncier et lui redonner une seconde vie. EDF consacre ainsi chaque année 50 millions d'euros dans la réhabilitation des sites industriels de son parc thermique. Déconstruction, gestion du patrimoine foncier à long terme, préservation de l'environnement, archivage, recyclage des matériaux... Les activités du centre de post-exploitation d'EDF concernent 30 sites en France métropolitaine, dans 6 zones géographiques (Nord, Île-de-France, Val-de-Seine, Est, Sud-Ouest, Sud-Est).

Selectra est le 1er comparateur des offres des fournisseurs d’électricité et de gaz en France, avec 172 000 contrats signés par son intermédiaire en 2016.

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