PRODUCTION DE L'ENERGIE ELECTRIQUE (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Définir l’énergie électrique, ses grandeurs associées (tension, courant, puissance, énergie) et leurs unités. - Expliquer les différents modes de production de l’énergie électrique (thermique, hydraulique, nucléaire, renouvelables) et citer leurs avantages/inconvénients dans le contexte camerounais. - Décrire le principe de fonctionnement d’un groupe électrogène et d’une installation photovoltaïque, réaliser un schéma de puissance simple et effectuer les calculs de dimensionnement de base (puissance, courant, tension). - Appliquer les règles de sécurité électrique (NF C 15-100, normes locales) lors de la manipulation d’un groupe électrogène ou d’un panneau solaire. - Réaliser un petit exercice de dimensionnement d’un groupe électrogène pour alimenter une charge donnée et proposer une solution solaire hybride. **Prérequis** : - Notions de base en électricité (loi d’Ohm, loi des nœuds, loi des mailles). - Unités du Système International (volt, ampère, watt, joule, seconde). - Lecture de schémas électriques simples (symboles de générateur, résistance, charge). - Connaissances élémentaires en sécurité au travail (port des EPI, consignes de mise à la terre). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la demande en énergie électrique croît rapidement du fait de l’urbanisation, de l’industrialisation et du développement des zones rurales. Le mix énergétique national repose encore largement sur les centrales thermiques à combustible fossile, mais le gouvernement encourage fortement l’introduction des énergies renouvelables, notamment le solaire, afin de réduire la dépendance aux importations de carburant et de limiter les émissions de CO₂. Dans les établissements techniques, il est essentiel que les futurs techniciens maîtrisent à la fois la théorie de l’énergie électrique et les pratiques de mise en œuvre des groupes électrogènes (secours ou autonome) et des installations photovoltaïques. Ce chapitre constitue la première partie du thème « Production de l’énergie électrique » et prépare l’élève aux épreuves pratiques du Probatoire (mesures, schémas, calculs de puissance, mise en service). --- ## I. Leçon 1 : Energie électrique ### 1.1 Définitions et grandeurs fondamentales > **Énergie électrique** : travail effectué par le déplacement de charges électriques dans un conducteur sous l’action d’une différence de potentiel. Son unité est le joule (J). > **Tension (U)** : différence de potentiel entre deux points d’un circuit, mesurée en volts (V). > **Courant (I)** : débit de charge traversant une section de conducteur par unité de temps, mesuré en ampères (A). > **Puissance instantanée (P)** : produit de la tension par le courant, \(P = U \times I\), exprimée en watts (W). > **Énergie consommée sur une durée Δt** : \(W = P \times \Delta t\) (joule) ou, en pratique, \(W (kWh) = P (kW) \times t (h)\). ### 1.2 Relations de base - Loi d’Ohm : \(U = R \times I\) (R en ohms, Ω). - Puissance dissipée dans une résistance : \(P = U \times I = I^{2} \times R = \dfrac{U^{2}}{R}\). - Association de résistances : - En série : \(R_{eq} = R_{1}+R_{2}+…+R_{n}\). - En parallèle : \(\dfrac{1}{R_{eq}} = \dfrac{1}{R_{1}}+\dfrac{1}{R_{2}}+…+\dfrac{1}{R_{n}}\). ### 1.3 Exemple chiffré – Calcul de la consommation d’un éclairage d’atelier Un atelier de soudure possède 10 lampes fluorescentes de 40 W chacune, fonctionnant 8 h/jour. 1. Puissance totale : \(P_{tot}=10 \times 40\ \text{W}=400\ \text{W}=0,4\ \text{kW}\). 2. Énergie journalière : \(W_{j}=0,4\ \text{kW}\times 8\ \text{h}=3,2\ \text{kWh}\). 3. Coût mensuel (tarif moyen 120 FCFA/kWh) : \(3,2\ \text{kWh/j}\times30\ \text{j}\times120\ \text{FCFA/kWh}=11\,520\ \text{FCFA}\). > **À retenir** : La consommation énergétique se calcule toujours en multipliant la puissance (en kW) par la durée d’utilisation (en h). ### 1.4 Normes et sécurité de base - NF C 15-100 : règles d’installation des équipements électriques à basse tension. - Obligation de mise à la terre des masses métalliques exposées. - Port obligatoire de gants isolants et de lunettes de protection lors de toute intervention sous tension. --- ## II. Leçon 2 : Production : Mode de production ### 2.1 Panorama des modes de production au Cameroun | Mode de production | Source d’énergie | Part approximative dans le mix national (2023) | Avantages principaux | Inconvénients / limites | |--------------------|------------------|-----------------------------------------------|----------------------|--------------------------| | Thermique à combustible fossile | Gaz naturel, diesel, fuel | ~30 % | Disponibilité rapide, puissance réglable | Dépendance aux importations, émissions CO₂, coût du carburant | | Hydroélectrique | Barrages (Sanaga, Lom Pangar, etc.) | ~68 % | Faible coût d’exploitation, renouvelable | Impact environnemental, dépendance aux pluies | | Nucléaire | Aucun (projet en étude) | 0 % | Haute densité énergétique | Investissement très lourd, gestion des déchets | | Solaire photovoltaïque | Rayonnement solaire | ~2 % (en forte croissance) | Modulaire, faible entretien, zéro émission en exploitation | Intermittence, besoin de stockage ou de complément | | Éolien | Vent côtier et intérieur | < 1 % | Complément au solaire, faible empreinte | Variabilité, nuisances sonores, entretien des pales | > **À retenir** : Le mix énergétique camerounais évolue vers une part plus importante des renouvelables, notamment le solaire, conformément au Plan Cameroun Émergent 2035. ### 2.2 Principes de fonctionnement des principales filières #### 2.2.1 Centrale thermique à combustion 1. **Chaudière** : combustion du combustible produit de la chaleur. 2. **Vapeur** : l’eau chauffée se transforme en vapeur haute pression. 3. **Turbine** : la vapeur fait tourner une turbine reliée à un alternateur. 4. **Alternateur** : conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique alternée (triphasée, 50 Hz). 5. **Condenseur** : la vapeur est refroidie, recondensée et renvoyée à la chaudière. #### 2.2.2 Centrale hydroélectrique - L’eau retenue derrière un barrage possède de l’énergie potentielle \(E_{p}=m g h\). - Lors de la turbinage, cette énergie se transforme en énergie mécanique puis électrique via l’alternateur. - Rendement global typique : 85‑90 %. #### 2.2.3 Installation photovoltaïque - **Cellule solaire** : matériau semi‑conducteur (silicium) absorbe les photons, crée des paires électron‑trou séparées par un champ électrique interne → courant continu. - **Panneau (module)** : assemblage de cellules en série/parallèle pour obtenir une tension utile (ex. 12 V, 24 V, 48 V). - **Onduleur** : transforme le courant continu en courant alternatif compatible avec le réseau ou les charges. - **Régulateur de charge** (pour systèmes hors réseau) : protège la batterie contre les surcharges et les décharges profondes. > **À retenir** : La puissance crête d’un panneau solaire (Wc) est la puissance délivrée sous irradiation standard de 1000 W/m², température de cellule 25 °C. ### 2.3 Exemple de calcul – Dimensionnement d’un groupe électrogène de secours Un petit bureau consulte une charge critique de 5 kW (facteur de puissance 0,8) pendant 4 h en cas de coupure réseau. 1. Puissance apparente nécessaire : \(S = \dfrac{P}{\cos\phi}= \dfrac{5\ \text{kW}}{0,8}=6,25\ \text{kVA}\). 2. On choisit un groupe électrogène de 7,5 kVA (marge 20 %). 3. Consommation carburant approximative (diesel, consommation spécifique 0,25 L/kWh) : - Énergie produite : \(E = P \times t = 5\ \text{kW}\times4\ \text{h}=20\ \text{kWh}\). - Carburant nécessaire : \(20\ \text{kWh}\times0,25\ \text{L/kWh}=5\ \text{L}\). > **À retenir** : Toujours prévoir une marge de puissance (10‑25 %) pour tenir compte du facteur de puissance et des surcharges de démarrage. ### 2.4 Sécurité et entretien des installations de production - **Groupes électrogènes** : vérification du niveau d’huile, du filtre à air, du système d’échappement (évacuation des gaz brûlés à l’extérieur). - **Installations solaires** : contrôle de l’intégrité du verre, serrage des connexions, vérification du dispositif de protection contre les surtensions (parafoudre). - Consignes de mise hors tension avant toute intervention (verrouillage / étiquetage). - Port de protections auditives près des groupes électrogènes en fonctionnement (niveau sonore > 85 dB). --- ## III. Leçon 3 : Etude spécifique : Groupe électrogène et énergie solaire ### 3.1 Groupe électrogène – Constitution et fonctionnement | Élément | Fonction | Remarques techniques | |---------|----------|----------------------| | Moteur thermique (diesel ou essence) | Convertit l’énergie chimique du carburant en énergie mécanique | Régime de rotation typique : 1500 tr/min (50 Hz) ou 1800 tr/min (60 Hz) | | Alternateur (synchrone) | Produit une tension alternative triphasée | Sortie habituelle : 400 V ligne‑ligne, 230 V phase‑neutre | | Régulateur de tension (AVR) | Maintient la tension de sortie malgré les variations de charge | Réglage fin pour éviter surtensions/sous‑tensions | | Système de refroidissement (air ou eau) | Évacue la chaleur générée par le moteur | Vérifier le débit d’air ou le niveau du liquide de refroidissement | | Réservoir de carburant | Stocke le diesel/essence | Capacité adaptée à l’autonomie souhaitée (ex. 24 h) | | Panneau de commande | Démarrage, arrêt, surveillance (fréquence, tension, heures de fonctionnement) | Inclut souvent un disjoncteur de protection contre les surintensités | > **À retenir** : La fréquence de sortie d’un groupe électrogène doit rester dans la plage 49‑51 Hz pour être compatible avec les appareils sensibles. ### 3.2 Installation photovoltaïque – Schéma de puissance simple ``` [Panels solaires] --(DC)--> [Régulateur de charge] --(DC)--> [Batterie de stockage] | |--(DC)--> [Onduleur] --(AC)--> [Charge AC / Réseau] ``` - **Panels** : tension nominale Vmp (ex. 30 V), courant Imp (ex. 8 A). - **Régulateur** : type MPPT (Maximum Power Point Tracking) pour optimiser la puissance récoltée. - **Batterie** : généralement plomb‑acide ou lithium, capacité exprimée en Ah (ex. 200 Ah à 12 V → 2,4 kWh). - **Onduleur** : puissance nominale choisie selon la somme des puissances des charges simultanées (ex. 3 kVA). ### 3.3 Exemple de dimensionnement – Système solaire hybride pour un poste de santé rural **Données** : - Consommation journalière : éclairage 2 kWh, réfrigérateur vaccins 3 kWh, petit appareil de laboratoire 1 kWh → total 6 kWh/j. - Irradiation moyenne quotidienne sur le site : 5 kWh/m²/j. - Rendement global du système (panels + régulateur + onduleur + batterie) : 0,7. **Étape 1 – Puissance crête des panneaux** \[ P_{c} = \frac{E_{j}}{H \times \eta} = \frac{6\ \text{kWh}}{5\ \text{kWh/m²/j}\times0,7}=1,71\ \text{kWc} \] On choisit six panneaux de 300 Wc chacun (total 1,8 kWc) et on ajoute une marge de 20 % → 2,16 kWc (ex. sept panneaux de 300 Wc chacun). **Étape 2 – Capacité de la batterie** Autonomie souhaitée : 2 jours sans soleil. Énergie à stocker : \(E_{stock}=6\ \text{kWh/j}\times2\ \text{j}=12\ \text{kWh}\). Pour une batterie 48 V, profondeur de décharge autorisée 50 % : \[ C = \frac{E_{stock}}{U \times \text{DoD}} = \frac{12\ \text{kWh}}{48\ \text{V}\times0,5}= \frac{12000\ \text{Wh}}{24\ \text{V}}=500\ \text{Ah} \] On opte pour un banc de batteries plomb‑acide 4 × 12 V 200 Ah en série‑parallèle donnant 48 V 200 Ah, puis on ajoute deux bancs similaires en parallèle pour atteindre 48 V 600 Ah (marge de 20 %) ou on utilise des batteries lithium 48 V 650 Ah. **Étape 3 – Puissance de l’onduleur** Puissance maximale simultanée : éclairage 200 W + réfrigérateur 150 W + laboratoire 100 W = 450 W. On choisit un onduleur de 1 kVA (facteur de puissance 0,9 → 900 W utilisable) pour prévoir les pointes de démarrage. > **À retenir** : Le dimensionnement d’un système solaire doit toujours tenir compte de l’irradiation locale, du rendement global et de l’autonomie souhaitée. ### 3.4 Maintenance préventive – Checklist mensuelle - **Groupe électrogène** : vérifier niveau d’huile, filtre à air, état des bougies (essence) ou injecteurs (diesel), tester le démarrage à froid, mesurer tension et fréquence à vide et sous charge. - **Panneaux solaires** : nettoyer la surface (poussière, fientes), inspecter les fixations, mesurer la tension de circuit ouvert (Voc) de chaque chaîne, vérifier l’absence de points chauds avec une caméra thermique si disponible. - **Batterie** : contrôler l’électrolyte (plomb‑acide), serrer les bornes, mesurer la tension de repos et la capacité restante (test de décharge partielle). - **Onduleur / régulateur** : vérifier les journaux d’erreurs, s’assurer que les ventilateurs ne sont pas obstrués. > **À retenir** : Toute intervention sur un groupe électrogène en fonctionnement doit être précédée d’une mise à l’arrêt et d’une isolation énergétique (verrouillage/étiquetage). --- ## Synthèse du chapitre - **Énergie électrique** : grandeur mesurée en joule; puissance \(P=U\times I\) (W); énergie \(W=P\times t\) (kWh). - **Modes de production** : thermique (combustible), hydroélectrique (eau), nucléaire (fission), solaire (photovoltaïque), éolien (vent). Le mix camerounais privilégie l’hydroélectrique et le thermique, avec une croissance rapide du solaire. - **Groupe électrogène** : moteur thermique + alternateur + AVR; fournit de l’énergie secours ou autonome; dimensionnement basé sur la puissance apparente \(S=P/\cos\phi\) et marge de 10‑25 %. - **Installation photovoltaïque** : panneaux → régulateur MPPT → batterie → onduleur; puissance crête calculée par \(P_c=E_j/(H\times\eta)\); autonomie assurée par capacité batterie \(C=E_{stock}/(U\times DoD)\). - **Sécurité** : respect NF C 15-100, mise à la terre, EPI, procédures de verrouillage/étiquetage, contrôle périodique (niveau d’huile, nettoyage panneaux, mesure tensions). - **Formules clés** : - Loi d’Ohm : \(U=RI\) - Puissance résistive : \(P=UI=I^{2}R=U^{2}/R\) - Énergie : \(W=P\times t\) - Puissance apparente : \(S=P/\cos\phi\) - Puissance crête solaire : \(P_c=E_j/(H\times\eta)\) - Capacité batterie : \(C=E_{stock}/(U\times DoD)\) --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Tension (U)** | Différence de potentiel entre deux points, unité volt (V). | | **Courant (I)** | Débit de charge traversant une section, unité ampère (A). | | **Puissance (P)** | Produit tension‑courant, unité watt (W). | | **Énergie (W)** | Travail effectué, unité joule (J) ou kilowatt‑heure (kWh). | | **Facteur de puissance (cos φ)** | Rapport entre puissance active et puissance apparente, sans unité. | | **Onduleur** | Dispositif convertissant le courant continu en courant alternatif. | | **Régulateur de charge** | Appareil protégeant la batterie contre surcharge et décharge profonde. | | **MPPT** | Maximum Power Point Tracking, technique d’optimisation de la puissance d’un panneau solaire. | | **DoD** | Depth of Discharge, profondeur de décharge autorisée d’une batterie (ex. 50 %). | | **kVA** | Kilovolt‑ampère, unité de puissance apparente. | | **kWc** | Kilowatt crête, puissance nominale d’un panneau solaire sous irradiation standard. | | **AVR** | Automatic Voltage Regulator, régulateur de tension d’un groupe électrogène. | | **H** | Irradiation moyenne quotidienne (kWh/m²/j). | | **η** | Rendement global d’un système (sans unité). | | **DoD** | Depth of Discharge (voir ci‑dessus). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un groupe électrogène **Énoncé** : Un atelier de menuiserie possède les charges suivantes : - Scie à ruban : 2,2 kW, facteur de puissance 0,85 - Ponceuse : 1,1 kW, facteur de puissance 0,9 - Éclairage : 0,5 kW, facteur de puissance 1 L’atelier souhaite disposer d’un groupe électrogène capable de fournir l’ensemble de ces charges pendant 3 h en cas de panne réseau, avec une marge de puissance de 20 %. **Corrigé** : 1. Puissance active totale : \(P_{tot}=2,2+1,1+0,5=3,8\ \text{kW}\). 2. Puissance apparente de chaque charge : - Scie : \(S_{scie}=2,2/0,85=2,59\ \text{kVA}\) - Ponceuse : \(S_{ponceuse}=1,1/0,9=1,22\ \text{kVA}\) - Éclairage : \(S_{éclairage}=0,5/1=0,5\ \text{kVA}\) \(S_{tot}=2,59+1,22+0,5=4,31\ \text{kVA}\). 3. Application de la marge 20 % : \(S_{choisie}=1,20\times4,31=5,17\ \text{kVA}\). On choisit un groupe électrogène de **6 kVA** (standard commercial). 4. Énergie nécessaire sur 3 h : \(E=P_{tot}\times t=3,8\ \text{kW}\times3\ \text{h}=11,4\ \text{kWh}\). 5. Consommation carburant (diesel, 0,25 L/kWh) : \(11,4\ \text{kWh}\times0,25\ \text{L/kWh}=2,85\ \text{L}\). Prévoir un réservoir d’au moins **3 L** pour cette autonomie. > **À retenir** : Le dimensionnement d’un groupe électrogène se base sur la puissance apparente totale, puis on applique une marge de sécurité (10‑25 %). ### Exercice 2 – Dimensionnement d’un système solaire pour une école rurale **Énoncé** : Une école rurale consomme quotidiennement : - Éclairage des salles : 4 kWh - Ordinateurs (5 postes) : 2 kWh - Pompe à eau : 1,5 kWh Total = 7,5 kWh/j. L’irradiation moyenne quotidienne sur le site est de 4,5 kWh/m²/j. Le rendement global du système (panels, régulateur, onduleur, batterie) est estimé à 0,65. On souhaite une autonomie de deux jours sans soleil. **Corrigé** : 1. Puissance crête des panneaux : \[ P_c=\frac{E_j}{H\times\eta}= \frac{7,5\ \text{kWh}}{4,5\ \text{kWh/m²/j}\times0,65}=2,56\ \text{kWc} \] On choisit trois panneaux de 900 Wc chacun (total 2,7 kWc) pour couvrir le besoin avec une petite marge. 2. Énergie à stocker pour 2 jours : \(E_{stock}=7,5\ \text{kWh/j}\times2\ \text{j}=15\ \text{kWh}\). 3. Capacité batterie (tension 48 V, DoD 50 %) : \[ C=\frac{E_{stock}}{U\times\text{DoD}}=\frac{15\ \text{kWh}}{48\ \text{V}\times0,5}= \frac{15000\ \text{Wh}}{24\ \text{V}}=625\ \text{Ah} \] On opte pour un banc de batteries plomb‑acide 4 × 12 V 200 Ah en série‑parallèle donnant 48 V 200 Ah, puis on ajoute trois bancs similaires en parallèle pour atteindre 48 V 600 Ah (marge d’environ 4 %) ou on utilise des batteries lithium 48 V 650 Ah. 4. Puissance de l’onduleur : Puissance maximale simultanée estimée : éclairage 500 W + ordinateurs 300 W + pompe 800 W = 1,6 kW. On choisit un onduleur de **2 kVA** (facteur de puissance 0,9 → 1,8 kW utilisable) pour gérer les pointes de démarrage de la pompe. > **À retenir** : Le dimensionnement solaire nécessite de connaître l’irradiation locale, le rendement global et l’autonomie souhaitée ; la batterie est dimensionnée en fonction de l’énergie à stocker et de la profondeur de décharge autorisée. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de bonne pratique / sécurité | |----|------------------|-------------|------------------------------------| | 1 | Oublier de convertir la puissance en kVA lors du dimensionnement d’un groupe électrogène (on utilise seulement kW). | Sous‑dimensionnement → déclenchement du disjoncteur ou surcharge du moteur. | Toujours calculer la puissance apparente \(S=P/\cos\phi\) et appliquer une marge de 10‑25 %. | | 2 | Négliger l’effet de la température sur la tension à vide d’un panneau solaire (Voc diminue avec la hausse de température). | Sur‑estimation de la production, sous‑dimensionnement du régulateur ou de la batterie. | Utiliser les coefficients de température fournis par le fabricant pour corriger Voc et Vmp selon la température réelle du site. | | 3 | Effectuer une intervention sur un groupe électrogène en marche sans couper l’alimentation ni verrouiller le circuit. | Risque d’électrocution, de brûlures par les gaz d’échappement, ou de blessure par pièces en mouvement. | Appliquer la procédure de verrouillage/étiquetage (Lockout/Tagout) : couper le moteur, déconnecter la batterie de démarrage, placer un cadenas et un étiquette « Ne pas mettre sous tension ». | | 4 | Installer des panneaux solaires sans assurer une ventilation suffisante derrière les modules. | Augmentation de la température → baisse de rendement et risque de délamination. | Laisser un espace d’au moins 10 cm entre le panneau et le support pour permettre la circulation d’air ; privilégier des supports inclinés permettant l’évacuation de la chaleur. | | 5 | Utiliser un câble de section insuffisante pour relier la batterie à l’onduleur (chute de tension importante). | Sous‑tension à l’entrée de l’onduleur → déclenchement de protection, mauvaise efficacité. | Calculer la chute de tension : \(\Delta U = 2 \times I \times L \times \rho / A\) ; choisir une section telle que \(\Delta U < 3\%\) de la tension de batterie. | | 6 | Ne pas vérifier le niveau d’huile du moteur d’un groupe électrogène avant chaque démarrage. | Usure prématurée du moteur, risque de casse catastrophique. | Effectuer une vérimentation du niveau d’huile à froid chaque jour ; compléter selon les préconisations du constructeur (visuel ou jauge). | > **À retenir** : La sécurité en électrotechnique repose sur trois piliers : **couper l’alimentation**, **isoler le travail**, et **vérifier l’état des équipements** avant toute intervention. --- *Fin du cours de référence « Production de l’énergie électrique (partie 1/2) ».*