Une centrale thermique transforme de la chaleur en électricité. Le principe est simple : brûler un combustible pour chauffer de l’eau, créer de la vapeur sous pression, entraîner une turbine puis un alternateur. Pourtant, ces installations représentent encore 30% de la production électrique mondiale, même si leur rôle évolue avec la transition énergétique. En France, elles servent désormais surtout d’appoint lors des pics de consommation. Leur fonctionnement reste un pilier technique à comprendre pour saisir les enjeux du mix énergétique actuel.
Le principe de base d’une centrale thermique
Toute centrale thermique repose sur une transformation en cascade : l’énergie thermique devient énergie mécanique, puis énergie électrique. La chaleur provient de la combustion d’un combustible (charbon, gaz, fioul) ou de la fission nucléaire. Cette chaleur sert à vaporiser de l’eau dans un circuit fermé.
La vapeur sous pression fait tourner une turbine. Cette turbine entraîne un alternateur qui génère du courant électrique par induction magnétique. Trois composants sont indispensables : la source de chaleur (chaudière ou réacteur), la turbine (mécanique de rotation) et l’alternateur (conversion en électricité). Le reste du système optimise ce cycle en récupérant la chaleur, en condensant la vapeur et en recyclant l’eau.
Les étapes du fonctionnement d’une centrale thermique classique
Combustion et production de chaleur
Le combustible arrive dans la chaudière, où il est brûlé à très haute température. Le charbon est d’abord broyé en fines particules, mélangé à de l’air réchauffé et injecté sous pression dans le brûleur. Le fioul, trop visqueux, doit être liquéfié par chauffage avant injection. Le gaz naturel, lui, est injecté directement.
La combustion dégage une chaleur intense, souvent au-delà de 1000°C. Cette chaleur est le moteur de tout le processus. Sans elle, pas de vapeur, pas de mouvement, pas d’électricité. La chaudière est donc le cœur du système.
Vaporisation de l’eau
Des tuyaux remplis d’eau froide parcourent la chaudière. Au contact de la chaleur, l’eau monte en température et se transforme en vapeur d’eau sous haute pression (jusqu’à 180 bars dans certaines installations). Cette vapeur atteint des températures de 500 à 600°C.
Le circuit est fermé : l’eau circule en boucle. Cette vapeur sous pression concentre une énorme quantité d’énergie thermique, prête à être convertie en mouvement.
Mise en mouvement de la turbine
La vapeur est dirigée vers la turbine à vapeur, composée de plusieurs étages de pales montées sur un axe central. La pression pousse les pales et fait tourner l’ensemble à grande vitesse, souvent plusieurs milliers de tours par minute.
C’est ici que l’énergie thermique devient énergie mécanique. La turbine est une pièce maîtresse : sa conception et son efficacité influencent directement le rendement global de la centrale.
Production d’électricité par l’alternateur
La turbine est couplée à un alternateur. Quand la turbine tourne, elle entraîne le rotor de l’alternateur. Ce dernier crée un champ magnétique variable à l’intérieur du stator, générant ainsi du courant électrique par induction.
L’électricité produite sort à une tension relativement basse. Un transformateur élève cette tension pour permettre le transport sur de longues distances via les lignes à haute et très haute tension (225 kV à 400 kV). Sans cette élévation, les pertes en ligne seraient considérables.
Condensation et recyclage
Après avoir traversé la turbine, la vapeur a perdu une grande partie de son énergie. Elle arrive dans un condenseur, où elle est refroidie par de l’eau froide provenant d’un fleuve, de la mer ou d’une tour de refroidissement.
La vapeur redevient eau liquide. Cette eau est ensuite pompée et renvoyée vers la chaudière pour entamer un nouveau cycle. Ce circuit fermé limite les besoins en eau et optimise l’efficacité énergétique. La source froide (fleuve, mer) est donc aussi importante que la source chaude.
Les différents types de centrales thermiques
Centrale thermique à flamme (classique)
C’est le modèle historique, le plus répandu dans le monde. Elle utilise des combustibles fossiles : charbon (majoritaire en Chine, Inde, Allemagne), fioul (marginal, environ 5% de la production mondiale) ou gaz naturel.
Le rendement d’une centrale à flamme classique tourne autour de 38%. Cela signifie que 62% de l’énergie du combustible part en chaleur perdue, notamment via les fumées et le système de refroidissement. Ces centrales sont polluantes : elles émettent du CO₂, des oxydes d’azote (NOx) et du dioxyde de soufre (SO₂).
Leur déclin est programmé en Europe, mais elles restent massivement exploitées ailleurs. En 2021, la Chine a mis en service 25,2 GW de nouvelles centrales au charbon, soit plus de la moitié du total mondial.
Centrale à cycle combiné gaz (CCG)
Cette technologie combine deux turbines : une turbine à combustion (qui brûle du gaz) et une turbine à vapeur (qui récupère la chaleur des gaz d’échappement). Le gaz est d’abord brûlé dans la turbine à combustion, qui produit de l’électricité. Les gaz chauds sortants chauffent ensuite de l’eau pour alimenter une turbine à vapeur.
Le rendement grimpe entre 58% et 65%, presque le double d’une centrale classique. La centrale de Bouchain, dans le Nord, détient un record mondial à 62,22%. Ces centrales sont aussi plus flexibles : elles peuvent atteindre leur pleine puissance en moins d’une heure, idéal pour répondre aux pics de consommation.
Elles émettent moins de CO₂ que les centrales au charbon, mais restent fossiles. Elles jouent un rôle de transition énergétique, en attendant la montée en puissance des renouvelables.
Centrale thermique nucléaire
Techniquement, une centrale nucléaire est une centrale thermique. La différence : la source de chaleur n’est pas la combustion, mais la fission de l’uranium. La réaction nucléaire chauffe de l’eau dans un circuit primaire, qui transfère sa chaleur à un circuit secondaire où circule l’eau transformée en vapeur.
Le reste du processus est identique : vapeur, turbine, alternateur, condenseur. Le rendement thermique est d’environ 33%, mais l’avantage majeur est l’absence d’émissions de CO₂ lors de la production. Le nucléaire représente près de 70% de la production électrique française.
Les débats portent surtout sur la gestion des déchets radioactifs et les risques d’accident, pas sur le principe thermique lui-même.
Centrales thermiques renouvelables
Le cycle thermique s’applique aussi aux énergies renouvelables. Les centrales à biomasse brûlent des déchets végétaux, agricoles ou ménagers au lieu de combustibles fossiles. Les centrales géothermiques pompent de l’eau chaude piégée dans des réservoirs souterrains pour produire de la vapeur directement. Les centrales solaires thermodynamiques concentrent les rayons du soleil avec des miroirs pour chauffer un fluide.
Ces installations fonctionnent selon le même principe : chaleur, vapeur, turbine, alternateur. Elles émettent peu ou pas de CO₂ et s’inscrivent dans la transition énergétique. Leur développement reste limité par les coûts d’investissement et les contraintes géographiques (ensoleillement, ressources géothermiques).
Avantages et limites des centrales thermiques
Les atouts techniques et stratégiques
Les centrales thermiques offrent une flexibilité précieuse. Elles peuvent ajuster rapidement leur production pour compenser les variations de consommation ou l’intermittence des énergies renouvelables. Les centrales à cycle combiné gaz sont particulièrement réactives.
Les combustibles peuvent être stockés, garantissant une sécurité d’approvisionnement. Contrairement aux éoliennes ou au solaire, une centrale thermique produit de l’électricité à la demande, sans dépendre de la météo. Cette prévisibilité est essentielle pour équilibrer le réseau électrique.
Enfin, certaines technologies, comme les cycles combinés, peuvent être implantées près des zones de consommation (villes, sites industriels), réduisant les pertes en ligne.
Les inconvénients environnementaux et économiques
La combustion des énergies fossiles émet des gaz à effet de serre : CO₂ principalement, mais aussi méthane et oxydes d’azote. Une centrale au charbon rejette environ 900 g de CO₂ par kWh produit, contre 400 g pour une centrale au gaz. Ces émissions accélèrent le réchauffement climatique.
Les ressources fossiles s’épuisent. Au rythme actuel, les réserves de pétrole devraient être épuisées dans 54 ans, le gaz naturel dans 63 ans, le charbon dans 112 ans. Cette finitude impose une transition vers d’autres sources.
Les prix des combustibles sont volatils et dépendent de la géopolitique mondiale. Les centrales thermiques sont aussi sources de pollution locale : particules fines, dioxyde de soufre, oxydes d’azote, avec des impacts sur la santé respiratoire.
Le rôle des centrales thermiques dans le mix énergétique actuel
En France, les centrales thermiques à flamme ne représentent plus qu’une faible part de la production (moins de 10%). Elles interviennent principalement lors des pics de consommation hivernaux ou des vagues de froid, quand la demande explose et que les autres moyens de production ne suffisent pas.
L’Europe accélère la fermeture des centrales au charbon. En 2021, l’Union européenne a fermé 12,9 GW de capacités. À l’inverse, l’Asie continue d’en construire massivement. La Chine prévoit d’augmenter sa production de charbon de 300 millions de tonnes en 2022, soit une hausse de 7%.
Les technologies de transition, comme les cycles combinés gaz et la cogénération (production simultanée d’électricité et de chaleur pour le chauffage urbain ou industriel), permettent d’améliorer le rendement tout en réduisant les émissions. La capture et le stockage du CO₂ sont aussi explorés, mais restent coûteux.
À horizon 2030-2050, les centrales thermiques à flamme classiques devraient disparaître progressivement en Europe. Leur rôle sera repris par les renouvelables couplés à des systèmes de stockage (batteries, hydrogène) et par une gestion plus fine de la demande. Les centrales à gaz resteront probablement les dernières en service, comme filet de sécurité du réseau.
Les centrales thermiques incarnent un paradoxe : techniquement fiables et flexibles, elles sont incompatibles avec les objectifs climatiques. Leur extinction progressive est programmée, mais elle nécessite des investissements massifs dans les alternatives. En attendant, elles continuent d’assurer la stabilité du réseau électrique, en coulisses, loin des projecteurs médiatiques.
