Centrale à Turbine à Gaz

Centrale à turbine à gaz

Sommaire 1. Introduction............................................ Introduction................................................................................ ........................................2 ....2 2. Description générale de la centrale à turbine à gaz......................3 2.1. Les centrales à cycle simple à turbine à gaz...........................4 2.2. Centrale à cycle combiné.........................................................4 combiné.........................................................4 2.3. 2.3. Les Les élém élémen ents ts indis indispe pens nsab able les s à la prod produc ucti tion on de cour couran antt électriue dans une centrale t!ermiue sont................................ sont.................... ............ 4 2.4. "urbine à gaz............................ gaz................................................................ ................................................4 ............4 3. #rincipe de $onctionnement de la centrale à turbine à gaz...........% 3.1. #rincipe d&une turbine à gaz....................................................% 3.2. L&alternateur............................................................................' 3.3. Centrale électriue à cycle combiné gaz.................................' 3.4. 3.4. La di(é di(ére renc ncie ie une une cent centra rale le à gaz gaz à cycl cycle e comb combin iné é d&un d&une e centrale classiue.........................................................................1) 3.*. Les centrales électriues dans +lgérie...................................12 4. Les a,antages et les incon,énients de la centrale à turbine à gaz .................................................................... ................................ .........................................................................14 .....................................14 *. Contraintes en,ironnemental......................................................1* 6.Conclusion………………………………………………………………………….17

Centrales électriques et production d’énergie

1


1. Intro Introduct duction ion La prod produc ucti tion on d-él d-élec ectr tric icit ité é est est esse essent ntie iell llem emen entt un secteur industriel des industriel destiné tiné à mettr ettre e à dis disposi positi tion on de l-en l-ense sem mble ble des consom consommat mateur eurs s la possib possibilit ilité é d-un d-un appro appro,is ,ision ionnem nement ent adapté adapté à leurs besoins en énergie électriue. électriue. La produ productio ction n d-élec d-électri tricité cité se $ait $ait depuis depuis la /n /n du 0I0 e sicle à partir partir de di(ére di(érente ntes s sourc sources es d-énergie d-énergie primaires. primaires. Les premir premires es centra cen trales les

électri éle ctriue ues s

$onctionnaient

au

bois.. bois

+uo +uour urdd-!u !ui i

la

prod produc ucti tion on peut peut se $air $aire e à part partir ir d-éner d-énergie gie $oss $ossile ile c!arbon c!arbon gaz naturel ou pétrole pétrole d-éner énergie gie nuclé nucléaire aire d-éner énergie gie !ydra !ydrauliue uliue d-énergie d-énergie solaire solaire d-énergie d-énergie éolienne et éolienne et de biomasse biomasse.. Il e5iste cin principau5 types de centrales électriues 6 les centrales à combustibles $ossiles c!arbon pétrole et gaz naturel dites centrales t!ermiues classiues 6 les centrales nucléaires ui sont également des centrales ue l&on peut uali/é de t!ermiues 6 les centrales !ydroélectriues 6 les centrales solaires ou p!oto,olta7ues 6 les centrales éoliennes. Dans ce mini proet représente des généralités sur la les centrales t!erm t!ermiu iues es

à turbine turbine à gaz. gaz. Il traite traite e5act e5acteme ement nt la descri descripti ption on

générale de la centrale à turbine à gaz principe de $onctionnement de cette centrale centrale les a,antages a,antages et les incon,énien incon,énients ts de la centrale centrale et en /n contraintes en,ironnemental.


2


2. Description générale de la centrale à turbine à gaz 8ne centrale au gaz est une centrale électriue consommant un gaz à $ort pou,oir calori/ue tel du gaz naturel. Ce type de centrale constitue une part importante de la production d-électricité dans les pays producteurs de gaz et dans certains pays européens. 9n distingue plusieurs catégories : •

les centrales con,entionnelles $onctionnant comme les centrales au /oul mais br;lant du gaz au lieu du /oul.
•

remplacées par les centrales à turbine à gaz. les centrales à turbines à gaz ui comprennent  les centrales à cycle simple constituées d-une turbine à combustion $onctionnant au gaz entra=nant un alternateur.

sont

surtout

utilisées

comme

centrales de pointe pour assurer un complément de production en cas de $orte demande ponctuelle 

!eures de pointes. les centrales à cycle combiné de plus en plus répandues gr>ce à leur rendement énergétiue plus éle,é.

Dans

ces

centrales

une

c!audire

de

récupération permet d-e5ploiter la c!aleur sensible contenue dans les $umées à l-éc!appement de la turbine à combustion $onctionnant au gaz pour produire de la ,apeur alimentant une turbine à Centrales électriques et production d’énergie

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,apeur ui peut soit entra=ner un second alternateur sur une deu5ime ligne d-arbre on parle alors de cycle combiné à lignes d-arbres séparées soit ?tre installée sur la m?me ligne d-arbre ue la turbine à gaz on parle alors de cycle combiné à une seule ligne d-arbre. Cette dernire con/guration disponible c!ez plusieurs constructeurs mondiau5 dépasse en 2)12 un rendement de %1 @ et la régulation de puissance peut ?tre optimisée pour compenser les ,ariations

rapides

de

puissance

de

c!amps

d-éoliennes ,ariations de la $orce du ,ent ou de c!amps de panneau5 p!oto,olta7ues passages de nuages. Les progrs récents $aits dans la réalisation des turbines à gaz de moyenne puissance permettent d-utiliser a,antageusement les centrales au gaz pour réaliser de la cogénération ou le tri génération.

2 .1. Les centrales à cycle simple à turbine à gaz C-est la tec!nologie la plus utilisée en général pour les moyennes et grandes puissances. Ses systmes sont à démarrage rapide et s-adaptent rapidement à une ,ariation de la c!arge.

2.2. Centrale à cycle combiné La $aiblesse des rendements des centrales classiues a poussé le secteur à dé,elopper d-autres types de centrales plus per$ormantes comme les centrales "AB "urbine Aaz Bapeur. Les centrales à cycle combiné utilisent le gaz naturel comme combustible dans un systme de production d-électricité en deu5 étapes. Dans un premier temps le gaz naturel $ait $onctionner une turbine et un générateur.
4


son tour dirigée ,ers une deu5ime turbine et un deu5ime générateur.

2.3. Les éléments indispensables à la production de courant électrique dans une centrale thermique sont 6 une turbine en mou,ement 6 un alternateur c&estàdire un aimant entra=né par la turbine et entouré d&une bobine ui produit le courant électriue.

2.4. Turbine à gaz 8ne turbine à gaz dénomination !istoriue abrégée en "+A appelée aussi turbine à combustion "+C ou par$ois turbine à gaz de combustion dénomination la plus précise est une mac!ine tournante t!ermodynamiue appartenant à la $amille des moteurs à combustion interne dont le rle est de produire de l-énergie mécaniue sous la $orme de la rotation d-un arbre directement à partir de l-énergie cinétiue des gaz produits par la combustion d-un !ydrocarbure /oul gaz combustibleE ui subissent une détente dans une turbine. Le comburant le plus sou,ent de l-air ambiant est généralement comprimé a,ant de pénétrer dans la c!ambre de combustion en utilisant un compresseur rotati$ entra=né par le m?me arbre ue la turbine. Le mot F gaz G dans l-ancienne dénomination F turbine à gaz G longtemps la plus employée ne signi/e pas ue la mac!ine ne peut br;ler ue du combustible gazeu5 mais $ait ré$érence au caractre gazeu5 des produits de combustion par opposition au5 turbines à ,apeur dans lesuelles le Huide moteur de la ,apeur d-eau se condense en liuide. Le turboréacteur est une turbine à gaz particulire ui utilise le principe de la réaction pour propulser certains types d-a,ions rapides.


5


8ne turbine à gaz est composée de trois éléments •

un compresseur centri$uge ou plus généralement a5ial ui a pour rle de comprimer de l-air ambiant à une pression comprise auourd-!ui entre 1) et 3) bars en,iron 

•

une c!ambre de combustion dans lauelle un combustible gazeu5 ou liuide est inecté sous pression puis br;lé a,ec l-air comprimé a,ec un $ort e5cs d-air a/n de limiter la température des gaz d-éc!appement 

•

une turbine généralement a5iale dans lauelle sont détendus les gaz ui sortent de la c!ambre de combustion.

Fig 01. Structure de la turbine à gaz simple.

3. #rincipe de $onctionnement de la centrale à turbine à gaz 8ne centrale électriue $onctionne gr>ce à : •

un réser,oir d&énergie dite primaire ui sera trans$ormée

•

en énergie mécaniue une turbine ui possde de l&énergie mécaniue du $ait de

•

son mou,ement de rotation un alternateur ui con,ertit l&énergie mécaniue de la turbine en énergie électriue.


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3.1. rincipe d!une turbine à gaz

Fig 02. Principe d’une turbine à gaz.

La turbine à gaz est un moteur t!ermiue réalisant les di(érentes p!ases de son cycle t!ermodynamiue dans une succession d&organes tra,ersés par un Huide moteur gazeu5 en écoulement continu. C&est une di(érence $ondamentale par rapport au5 moteurs à pistons ui réalisent une succession temporelle des p!ases dans un m?me organe généralement un cylindre. Dans sa $orme la plus simple la turbine à gaz $onctionne selon le cycle

dit

de

Joule

comprenant

successi,ement

et

ui

de

sc!ématiuement : •

une

compression

adiabatiue

consomme

• •

l&énergie mécaniue  un c!au(age isobare comme pour un moteur Diesel  une détente adiabatiue usu&à la pression ambiante

•

ui produit de l&énergie mécaniue  un re$roidissement isobare.

Le rendement est le rapport du tra,ail utile tra,ail de détente K tra,ail de compression à la c!aleur $ournie par la source c!aude. Le rendement t!éoriue croit a,ec le tau5 de compression et la température de combustion. Il est supérieur à celui du cycle Diesel car sa détente n&est pas écourtée et si la ,eine d-éc!appement est


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bien conue elle permet de récupérer une partie non négligeable de l-énergie cinétiue des gaz c!auds sortant des aubages turbine. La turbine à gaz est le plus sou,ent à cycle ou,ert et à combustion interne. Dans ce cas la p!ase de re$roidissement est e5térieure à la mac!ine et se $ait par mélange à l&atmosp!re. La turbine à gaz peut également ?tre à cycle $ermé et à combustion e5terne. Le c!au(age et le re$roidissement sont alors assurés par des éc!angeurs de c!aleur. Cette disposition plus comple5e permet l&utilisation de gaz particuliers ou de tra,ailler a,ec une pression basse di(érente de l&ambiante. Le cycle de base décrit plus !aut peut ?tre amélioré par di(érents organes complémentaires : •

récupération de c!aleur à l&éc!appement : les gaz trs c!auds détendus en sortie de turbine tra,ersent un éc!angeur pour préc!au(er l&air comprimé a,ant son

•

admission dans la c!ambre de combustion  compression re$roidie : la compression comprend deu5 étages ou plus séparés par un éc!angeur de c!aleur airMair ou airMeau re$roidissant l&air. La puissance nécessaire à la compression s&en trou,e réduite au

•

béné/ce du rendement  combustion étagée : la détente comprend deu5 étages ou

plus

séparés

par

un

ou

des

réc!au(ages

additionnels. La puissance $ournie est accrue d&oN amélioration du rendement. Les deu5 dernires dispositions ,isent à tendre ,ers des trans$ormations isot!ermes en lieu et place des adiabatiues et se usti/ent surtout sur les mac!ines à tau5 de compression éle,é. Les trois

dispositi$s

peu,ent

?tre

réalisés

indépendamment

ou

simultanément. Dans ce cas on retrou,e le cycle dit d&
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rendement ma5imal du cycle de Carnot. Cette supériorité t!éoriue par rapport au5 cycles 9tto et Diesel est cependant contrebalancée par

l&impossibilité

pratiue

de

réaliser

les

trans$ormations

isot!ermes. Dans tous les cas ces dispositi$s sont réser,és au5 installations stationnaires du $ait de l&encombrement et du poids des éc!angeurs gazMgaz.

Fig 03. Coupe longitudinale d'une turbine à gaz : principaux

organes. Se reporter à l-image cicontre :

1.

Le compresseur F C G constitué d-un ensemble d-ailettes /5es stator et mobiles rotor comprime l-air e5térieur F " G simplement /ltré usu-à 1) à1* bars ,oire 3) bars pour certains modles.

2. Du combustible F # G gazeu5 ou liuide pul,érisé est inecté dans la les c!ambres de combustion F Ch G oN il se mélange à l-air comprimé pour entretenir une combustion continue.

3. Les gaz c!auds se détendent en tra,ersant la turbine F T G oN l-énergie t!ermiue et cinétiue des gaz c!auds est trans$ormée en énergie mécaniue. La turbine est constituée d-une ou plusieurs roues également munies d-ailettes précédées d-aubages /5es directrices. Les gaz de combustion s-éc!appent par la c!eminée F "c G à tra,ers un di(useur. Centrales électriques et production d’énergie

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Le mou,ement de rotation de la turbine est communiué à

4.

l-arbre F $ G ui actionne d-une part le compresseur d-autre part une c!arge ui n-est autre u-un appareil mac!ine récepteur pompe alternateur compresseurE accouplé à son e5trémité. #our la mise en route on utilise un moteur de lancement F % G ui oue le rle de démarreur  dans certaines con/gurations c-est l-alternateur du groupe luim?me ui est utilisé en moteur pendant la p!ase de lancement. Le réglage de la puissance est possible en agissant sur le débit de l-air en entrée et sur l-inection du carburant. Le réglage de la ,itesse de rotation n-est possible ue si l-organe entra=né le permet : en e(et dans le cas d-un alternateur connecté à un réseau électriue à $réuence /5e par e5emple *) ou %) Oz cette $réuence impose une ,itesse /5e le débit de carburant sert alors à régler la puissance produite.

3.2. L!alternateur "rans$orme l&énergie mécaniue en électricité utilise dans toutes les centrales électriues uelle ue soit la source d&énergie utilisée : 

10


3.3. Centrale électrique à cycle combiné gaz

Fig 0. Principe de !onctionnement de la centrale à gaz à c"cle combiné. Le systme de production d&électricité est composé de deu5 cycles d&oN son nom de cycle combiné. Le premire cycle est constitué par la turbine à gaz 1 .La turbine est constituée par uatre étage : dans un premier étage un compresseur comprime de l&air ui ,ient alimenter un second étage contenant la c!ambre de combustion oN les gaz naturel est br;lé. Les gaz c!auds à l&issue de la combustion ,iennent ensuite $aire tourner les ailettes du troisime étage de détente de la turbine à combustion. La turbine est solidaire d&un a5e ui entra=ne un alternateur 3 ui produit l&électricité. Le trans$ormateur 4 él,e la tension pour permettre son inection dans le réseau électriue*. 8n deu5ime cycle est constitué à la sortie des gaz c!auds de la turbine à gaz 2. Ces gaz sont inectés dans une c!audire de récupération % puis ensuite é,acués dans l&atmosp!re par la c!eminée. Leur composition est de l&ordre de T%@ d&air '@ de ,apeur d&eau et 4@ de C92. La ,apeur produite dans cette c!audire est utilisée dans une turbine à ,apeur T ellem?me Centrales électriques et production d’énergie

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couplée à l&a5e de l&alternateur 3. La ,apeur aprs a,oir restitué son énergie est en,oyée dans un condenseur ' pour repartir ensuite ,ers la c!audire de récupération sous $orme d&eau 1) ui sera de nou,eau ,aporisée.

3.4. La di&érencie une centrale à gaz à cycle combiné d!une centrale classique Les centrales t!ermiues classiues dites CA" ont un rle déterminant dans la plupart des mi5 énergétiues européens notamment lors des pics de consommation !i,ernau5. Dans ces centrales une turbine à combustion classiue utilise le pou,oir calori/ue de ressources $ossiles pour trans$ormer de la c!aleur

en

électricité

au

moyen

d&un

turboalternateur.

Le

combustible mélangé à de l&air sous pression est br;lé dans la c!ambre

de

combustion

pro,ouant

ainsi

une

brusue

augmentation de la température et de la pression des gaz br;lés. Ces gaz se détendent ensuite dans les aubes d&une turbine en rotation autour du m?me arbre ue l&alternateur ui ,a générer de l&électricité.
Fig 05. Fonctionnement d'une centrale t#ermique classique C$%.

Les centrales à cycle combiné permettent de mettre à pro/t l&énergie résiduelle de ces gaz c!auds ui ,ont céder leur c!aleur dans un éc!angeur pour $aire bouillir le Huide d&un second cycle


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t!ermodynamiue. La ,apeur ainsi obtenue entrainera à son tour une deu5ime turbine génératrice d&électricité.

Fig 06. Fonctionnement d'une centrale à gaz à c"cle combiné

CC$%. L&intér?t de ces centrales dites CCA" est ainsi double : le rendement est $ortement amélioré usu&à U)@ contre 3*@ pour une turbine à gaz seule et les émissions polluantes s&en trou,ent $ortement réduites usu&à *)@ d&émissions polluantes en moins pour la m?me uantité d&électricité $ournie.

3.'. Les centrales électriques dans $lgérie
La part de la puissance installée de

l&ensemble des centrales utilisant cette énergie primaire dépasse les '%@ le reste des énergies employées se répartit entre le gasoil dans

les

centrales

Diesel

et

l&eau

dans

les

centrales

!ydroélectriues. Centrales électriques et production d’énergie

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Le gaz est utilisé dans des centrales t!ermiues à ,apeur à gaz ainsi ue dans les centrales à gaz et à ,apeur appelées centrales à cycle combiné.

Fig 07. &es diérentes centrales électriques dans (lgérie.

$lger :

14


$nnabaport : Centrale "!ermiue "urbine à gaz 203% VW )atna : Centrale "!ermiue "urbine à gaz 2013) VW )e*a(a : Xeni Ysila : centrale t!ermiue 12))VW proet Darguina : centrale !ydroélectriue U) VW

)lida Larbaa : Centrale "!ermiue "urbine à gaz 4013)VW +*el,a +7n 9uessara : Centrale Zucléaire 1*VW "l Tar, Youdiet
-i*el :
Laghouat Oassi \-mel : Centrale Oybride AazSolaire 1*)VW %sila : Centrale "!ermiue 252*)VW %édéa Xerrouag!ia: Centrale "!ermiue *))VW /aama région de "oui$za : Centrale t!ermiue 22)VW 0ran : Xir

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0um "l )ouaghi P-]irina : Centrale t!ermiue "urbine à gaz 2'24 VW 2))4

0uargla : Oassi Xer]ine : Centrale à cycle combiné turbines à gaz et à ,apeur 33)VW Oassi Vessaoud : Centrale t!ermiue La capacité de production de la centrale électriue "A turbines à gaz mobile de OassiVessaoud 9uargla a été ren$orcée récemment par uatre turbines à gaz.

L&obecti$ est d&améliorer

la production d&électricité en $aisant passer la capacité de production de 451U VW à 4523 VW.

elizane : Centrale t!ermiue "urbine à gaz 4%2VW ida : Centrale à cycle combiné turbines à gaz et à ,apeur 20412*VW^ Centrale t!ermiue 20131VW 1'U3

Tiaret : Centrale "!ermiue de 42)VW Tipaza Oadrat
4. Les a,antages et les incon,énients de la centrale à turbine à gaz Les aantages •

La puissance unitaire des centrales peut ?tre trs éle,ée par les centrales à cycle combiné

•

#roduction d-électricité en continu

•

9n démarrer trs rapidement contrairement autre centrales


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•

#roduction d-énergie de réglage installation acti,able et dés acti,able rapidement

•

Croissance du marc!é de l-énergie de réglage

•

Paible sur$ace reuise  préser,ation de l-en,ironnement

•

8tilisation de la c!aleur résiduelle.

5nconénients •

\endement $aible 3* @ au mieu5 par

Centrale à turbine à

gaz classiues en cycle simple •

•

Situation de dépendance disponibilité Huctuations de pri5 importations

•

Bolatilité du pri5 du gaz

•

Les sources d-énergie $ossiles ont le dé$aut de ne pas ?tre inépuisables

•

De plus elles sont polluantes.

*. Contraintes en,ironnemental Voins polluant ue le c!arbon et trs abondant le gaz naturel est le carburant de l-a,enir pour la production d-électricité à partir de combustibles $ossiles. Valgré ses a,antages il demeure une source de

pollution

atmosp!ériue

et

un

concurrent

pour

les

énergies ,ertes. Le gaz naturel lui n-émet pas de cendre pratiuement pas de sou$re et aucun métal to5iue. Sa combustion génre *) @ moins


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de gaz à e(et de serre ue celle du c!arbon et du mazout. Il présente

donc

un

c!oi5

a,antageu5

pour

l-industrie

électriue mondiale. Dans un esprit de crédit en,ironnemental la premire transition logiue à $aire pour une société ui e5ploite du c!arbon est de passer au gaz naturel. C-est ce u-on appelle un trans$ert de /lire Zon seulement les centrales t!ermiues au gaz naturel sontelles moins

polluantes

mais

elles

ont

une

meilleure

e_cacité

énergétiue c-estàdire u-elles produisent plus d-électricité pour la m?me uantité de carburant. 8ne centrale à gaz à cycle combiné donne tout prs de %) @ d-e_cacité énergétiue contre en,iron 2* @ pour le c!arbon ce ui représente d-importantes économies. Le $onctionnement des centrales à gaz à cycle combiné modernes occasionne moins d&émissions directes de polluants atmosp!ériues et de C92 ue les autres centrales t!ermiues $ossiles mazout c!arbon à titre de comparaison les CCC génrent moitié moins d&émissions

ue

les

centrales

à

c!arbon.. Les installations

modernes produisent uelue 3T) g de C92 par ]W! d&électricité. #ar ailleurs une part non négligeable de l&impact total des CCC sur l&en,ironnement est due à l&e5ploration au $orage et au traitement du gaz naturel. Cela se ,éri/e plus particulirement pour le C92 le mono5yde de carbone et le dio5yde de sou$re. De m?me les émissions

cumulées

de

mét!ane

pro,iennent

presue

e5clusi,ement des zones situées en amont $uites au cours du transport par e5emple.. Si l&on considre le cycle de ,ie dans son intégralité elles s&él,ent à 42* g de C92 par ]W! une ,aleur supérieure à la moyenne du mi5 de production suisse. + l&a,enir cependant le dé,eloppement du piégeage du C92 de,rait di,iser ce


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c!i(re par 3 à % %) à 1*) g de C92 par ]W! 1% a,ec un rendement en baisse de U@.

6. Conclusion i des énergies renouelables La demande pour les énergies renou,elables est croissante. +lors ue

des

sources

d-énergies

renou,elables

supplémentaires

reoignent le réseau la /abilité de la production d-électricité et les contraintes pesant sur le réseau de,iennent des eneu5 importants. La nou,elle centrale au gaz naturel peut accélérer l-adoption de la production d-électricité basée sur les énergies renou,elables dans le monde entier. Sa tec!nologie He5ible basée sur le moteur à Centrales électriques et production d’énergie

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réaction répond au5 problmes de ,ariabilité et de /abilité et à la nécessité d-utiliser moins de combustible et de réduire les co;ts opérationnels. Le $ait ue nos clients sou!aitent augmenter l-utilisation des énergies renou,elables accentue le dé/ de la stabilité du réseau. Ils doi,ent tout à la $ois accro=tre leurs ni,eau5 de rendement et diminuer les émissions des centrales électriues au gaz naturel. Le dé,eloppement des énergies renou,elables appara=t comme le meilleur moyen de satis$aire les besoins en énergie de la plante ui pourraient augmenter de *)@ ou plus d&ici 2)3) car elles permettent :  D&atteindre une plus grande indépendance énergétiue :

+uourd-!ui le monde

importe la moitié de l-énergie primaire

u-elle consomme pour produire de l&électricité soit principalement du c!arbon du gaz et du pétrole. Ces ressources se raré/ent et leur pri5 augmente. 9r les énergies renou,elables dépendent de ressources abondantes directement accessibles sur notre territoire : soleil ,ent eau bois biomasse c!aleur de la terreE

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Centrale à Turbine à Gaz

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