électricité, production et distribution de l'.

électricité, production et distribution de l'. 1 PRÉSENTATION électricité, production et distribution de l', transformation en énergie électrique d'énergie thermique, géothermique, solaire, nucléaire, éolienne ou hydraulique, et acheminement de cette énergie vers ses consommateurs. 2 PRODUCTION 2.1 Sources de l'énergie électrique Entre 1950 et 1990, la production et la consommation mondiales d'électricité sont passées d'un peu moins d'un milliard de kilowattheures (kWh) à plus de 11,5 milliards de kWh. La répartition des modes de production de l'énergie électrique a également évolué : en 1950, près des deux tiers de l'électricité étaient issus de sources thermiques classiques (pétrole, gaz, charbon) et un tiers, de sources hydroélectriques ; en 1990, les sources thermiques étaient toujours à l'origine des deux tiers de l'électricité mondiale, les centrales hydrauliques en produisaient 20 p. 100 et l'énergie nucléaire environ 15 p. 100. Depuis, la croissance de l'énergie nucléaire a ralenti dans certains pays pour des raisons de problèmes de sécurité et de traitement des déchets, notamment aux États-Unis, où elle fournissait environ 20 p. 100 de l'énergie électrique. 2.2 Centrales électriques L'électricité est produite dans les centrales électriques au moyen d'un turboalternateur à eau ou à vapeur, qui actionne un générateur. La plus grande partie de l'électricité mondiale est produite dans des usines thermiques alimentées au charbon, au fioul, à l'énergie nucléaire ou au gaz et, en de plus petites proportions, au diesel et autres installations à combustion interne, ou dans des usines hydroélectriques. Les centrales thermiques classiques, appelées aussi centrales à flamme, produisent de l'électricité par la combustion du charbon, du fioul ou du gaz. Elles sont équipées d'un générateur de vapeur, d'une turbine et d'un condenseur. Les différentes sources d'énergie peuvent être classées selon leur capacité calorifique : c'est pourquoi on les convertit en tonnes équivalent pétrole (tep). Par exemple, 1 kg de pétrole produit 10 000 kilocalories (kcal), alors que la même masse de charbon cède 7 000 kcal et que 1 kg de gaz naturel fournit environ 8 000 kcal. La tonne équivalent pétrole (tep) est l'unité permettant de comparer les sources d'énergie au pétrole brut. Par convention, 1 t de pétrole correspond à 1,5 t de charbon ou à 1 000 m3 de gaz naturel. On estime que 1 tep = 4 500 kWh. Les équipements de production thermique en France, installés ou en construction, devraient suffire amplement à couvrir les besoins énergétiques jusqu'à l'an 2000. En ce qui concerne le thermique classique, les recherches se portent plus particulièrement sur des projets de centrales à charbon à lit fluidisé circulant, car ce sont celles qui offrent les plus grandes garanties pour l'environnement. Des partenariats européens se sont créés autour de projets d'installations de gazéification du charbon intégrées à un cycle combiné, ou encore des cycles combinés au gaz naturel. 2.3 Production et consommation mondiales En 1993, les deux tiers de la consommation de la planète concernaient un peu moins de 20 p. 100 de la population mondiale. Les États-Unis consommaient 1 407 millions de tonnes équivalent pétrole (1 tep = 4 500 kWh), l'Union européenne, 961 millions et le Japon, 316 millions. En Europe, l'Allemagne consommait 243 millions de tep, la France et la Grande-Bretagne 152, l'Italie 122 et l'Espagne 63. Aujourd'hui, la France utilise 79 millions de tep par an. La production française annuelle s'élève à 450,6 tétrawattheures (TWh), dont elle en consomme 356,2. Les États-Unis produisent 3 211 TWh et en consomment 2 873,9 ; en seconde position vient le Japon, qui en produit 855,5 et en consomme 796,6 ; ensuite le Canada, dont la production atteint les 515,8 TWh et la consommation, 431,4 TWh. En quatrième position se situe l'Allemagne, avec une production de 487,7 TWh et une consommation de 467,2 TWh. 2.4 Marché français 2.4.1 Nature Le leader mondial dans le domaine de la production d'électricité est Électricité de France (EDF). Cette entreprise participe à la construction de centrales électriques dans le monde entier. En France, en 1974, le nucléaire ne représentait que 10 p. 100 de la puissance thermique installée, progressivement augmentée pour atteindre en 1980 (après la crise du pétrole) 40 p. 100 et dépasser 60 p. 100 depuis 1988. En 1994, 80 p. 100 de l'électricité était d'origine nucléaire en France, l'hydraulique ayant produit 17 p. 100 de l'électricité et le thermique classique, 3 p. 100. En 1974, EDF produisait 150 TWh ; en 1994, cette production dépassait largement 400 TWh, dont plus de 350 étaient assurés par le nucléaire. 2.4.2 Importations et exportations En 1993, les importations françaises d'électricité représentaient 3 TWh par an et les exportations, 73 TWh. Les échanges ont lieu avec d'autres pays de la Communauté européenne et avec la Suisse. La même année, la France exportait 17,7 TWh vers l'Italie et en importait 0,2 ; elle fournissait 17,4 TWh à l'Allemagne et en importait 0,6 ; elle vendait 16,5 TWh à la Grande-Bretagne, 9,6 TWh à la Suisse, qui en exportait 0,6 vers la France ; notre pays fournissait 5,8 TWh d'électricité à la Belgique et en recevait 1,2 TWh ; 6 TWh étaient exportées vers l'Espagne et 0,4 en étaient importées. La France procure environ 0,1 TWh d'électricité à Andorre. Voir aussi Nucléaire, énergie. 3 TRANSPORT DE L'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE 3.1 Réseau français Dans la mesure où le transport de l'énergie électrique s'accompagne de pertes non négligeables sur les longues distances, il serait préférable de construire les centrales électriques à proximité des foyers de consommation. Comme de nombreux pays, la majeure partie du territoire français est caractérisée par une faible densité de population et les sites de production d'électricité sont généralement assez éloignés des lieux de consommation. Afin de pouvoir desservir chaque consommateur, un réseau de plus d'un million de kilomètres de lignes a dû être installé, dont 20 550 km en 400 kV et 26 050 km en 225 kV. Comme on ne peut stocker l'électricité, celle-ci doit être produite en réponse à une demande immédiate, laquelle varie constamment en fonction de l'heure de la journée, de la saison et de la région. Ainsi, en France, la demande est plus forte en hiver qu'en été. C'est le réseau d'interconnexion, réseau de transport massif sur de longues distances, qui fait office d'interface entre la production et la demande en électricité. Le courant électrique est acheminé hors des sites de production au moyen de lignes électriques à haute tension : une tension élevée permet en effet d'acheminer une quantité de courant beaucoup plus importante, et surtout à un coût nettement inférieur, la perte d'énergie pendant le transport étant inversement proportionnelle à la tension (plus la tension de la ligne est élevée, plus le courant est faible et, par conséquent, plus la puissance perdue est faible, la perte étant proportionnelle au carré de l'intensité du courant). Cela permet d'utiliser un nombre de lignes réduit ; le réseau étant de taille limitée, son entretien est moins coûteux. 3.2 Tensions Des transformateurs changent la tension du courant alternatif (CA), utilisé en général dans les réseaux électriques modernes, en haute, moyenne ou basse tension. Ainsi, chaque phase du réseau peut fonctionner à la tension appropriée. Ce réseau électrique comporte six éléments principaux : la centrale -- ensemble de transformateurs qui augmentent la tension électrique pour le transport sur lignes à haute tension --, les lignes à haute tension, les centrales auxiliaires, dans lesquelles on abaisse la tension pour le transport moyenne tension, les lignes de transport moyenne tension et les transformateurs, qui diminuent la tension au niveau utilisé par le matériel du consommateur. En France, le parc de transformateurs reçoit environ 114 000 mégavolts-ampères (MVA, ou mégawatts) par an pour le réseau à 400 kV et 109 000 MVA pour le réseau à 225 kV. Raccordés au réseau haute tension, nous trouvons les grands consommateurs industriels (les industries chimiques, les usines sidérurgiques et métallurgiques, les chemins de fer ou encore la Régie autonome des transports parisiens), qui utilisent plusieurs dizaines de milliers de kW. Ils représentent presque un tiers de la consommation en électricité. Les moyennes et petites industries, les centres commerciaux, les grandes surfaces commerciales, les grandes administrations, les hôpitaux ou encore les écoles sont raccordés au réseau de moyenne tension. Ces établissements font appel à des puissances de plusieurs centaines ou milliers de kW et totalisent un peu moins d'un tiers de la consommation nationale. Le reste de l'électricité est distribué en basse tension. Dans un réseau type, les générateurs de la centrale fournissent des tensions pouvant atteindre 26 000 volts (V). Des tensions supérieures ne sont pas souhaitables en raison des difficultés d'isolation et des dangers provoqués par d'éventuelles coupures d'électricité. Cette tension est augmentée au moyen de transformateurs pour les lignes de haute et de très haute tension (la très haute tension est à 225 et 400 kV ; la haute tension est à 45, 63 et 90 kV). À la centrale auxiliaire, la tension est abaissée pour un transfert ultérieur sur le réseau de transport moyenne tension (20 kV). La tension est abaissée par des transformateurs à n'importe quel niveau de distribution. Le développement moderne des redresseurs semi-conducteurs haute tension permet la conversion économique de courant alternatif (CA) haute tension, produit au niveau des centrales, en courant continu (CC) haute tension, forme sous laquelle l'électricité est transportée. Cela évite des pertes de transmission capacitatives et inductives. Le courant est ensuite reconverti sous forme alternative juste avant la distribution aux utilisateurs. 3.3 Matériel de transport 3.3.1 Installations Les lignes des réseaux de transport haute tension se composent en général de câbles de cuivre, d'aluminium ou d'acier enrobé de cuivre ou d'aluminium, suspendus à des pylônes, hautes tours à structure d'acier, par des chaînes d'isolateurs en porcelaine. On appelle circuit l'ensemble des trois câbles en alliage d'aluminium correspondant chacun à chacune des phases du courant alternatif triphasé. À ceux-ci, on ajoute deux « câbles de garde «, placés au-dessus du circuit, et qui font office de paratonnerre. L'emploi de câbles d'acier enrobés et de pylônes permet d'augmenter la distance entre les points d'appui et de réduire ainsi le coût de la ligne de transport. Dans des installations modernes, composées essentiellement de circuits droits, les lignes haute tension peuvent comporter moins de quatre pylônes par kilomètre. Dans quelques régions, les lignes haute tension sont suspendues à de hauts poteaux en bois ou en béton, moins espacés. Pour des lignes de transport moyenne tension et les réseaux de distribution basse tension, on peut utiliser des poteaux à la place des pylônes. Dans les villes et dans d'autres secteurs où les lignes aériennes présentent un risque, ainsi que pour préserver l'environnement, la distribution s'effectue par câbles souterrains. Certains câbles ont un noyau creux dans lequel circule de l'huile à basse pression, qui offre une protection temporaire contre l'humidité. Les tubes, dans lesquels plusieurs câbles sont enfermés et entourés d'huile sous haute pression d'environ 15 atm (1,5 MPa), sont souvent utilisés pour le transport de courant à une tension pouvant atteindre 345 kV. 3.3.2 Réglage de tension Les lignes de transport ont une inductance et une capacité considérables. Lorsque le courant passe, l'inductance et la capacité de la ligne modifient sa tension en fonction de la variation de l'intensité du courant. Plusieurs sortes d'appareils sont utilisées pour surmonter ce changement indésirable. La tension peut être maintenue constante par des régulateurs d'inductance et des moteurs synchrones triphasés (appelés également condensateurs synchrones), qui modifient l'inductance et la capacité dans le circuit de transmission. L'inductance et la capacité ont tendance à s'annuler mutuellement. Lorsqu'un circuit de charge présente davantage de réactance inductive que de réactance capacitive, comme cela se produit presque invariablement dans les réseaux de grande puissance, la puissance électrique fournie pour une tension et un courant donnés est moins importante que lorsque les deux sont égales. Le rapport de ces deux puissances électriques est appelé facteur de puissance. Les pertes des lignes de transport étant proportionnelles à l'intensité du courant, une certaine capacité est ajoutée au circuit lorsque cela est possible, de façon que le facteur de puissance approche le plus possible l'unité. C'est pour cette raison que de gros condensateurs sont souvent insérés comme éléments dans le réseau de transport électrique. 3.3.3 Protection du matériel Tout réseau de distribution électrique englobe une grande quantité de matériel supplémentaire pour la protection des générateurs, des transformateurs et des lignes de transport elles-mêmes. Le réseau se compose souvent d'appareils destinés à réguler la tension fournie aux consommateurs et à corriger le facteur de puissance du réseau. Des coupe-circuit protègent tous les éléments d'un réseau électrique d'éventuels courts-circuits et surcharges et servent à des opérations de commutation normales. Ces coupe-circuit sont des disjoncteurs se déclenchant automatiquement en cas de court-circuit ou dans des conditions susceptibles de provoquer une élévation soudaine de l'intensité du courant. Lorsqu'un arc se forme entre les bornes du disjoncteur au moment où le courant est coupé, certains disjoncteurs plus importants (comme ceux utilisés pour protéger un générateur ou une section de ligne de transport haute tension) sont immergés dans un liquide diélectrique comme l'huile, afin de refroidir cet arc. Dans les disjoncteurs à air de grande taille, de la même façon que dans les disjoncteurs à huile, on utilise des champs magnétiques afin d'interrompre l'arc. De petits disjoncteurs à air sont utilisés pour protéger les boutiques, les usines et les installations domestiques modernes. Autrefois, on utilisait pour cela des fusibles. Le fusible se compose d'une pièce d'alliage dont le point de fusion est très bas. Inséré dans le circuit, il fond lorsque l'intensité du courant excède une certaine valeur (correspondant à la température de fusion de l'alliage), ouvrant ainsi le circuit. 4 PANNES DE SECTEUR Dans la plupart des régions du monde, les alimentations nationales ou locales en courant électrique sont branchées sur des réseaux maillés, qui permettent à l'électricité produite dans un secteur d'être reliée aux différents utilisateurs. Chaque membre du groupement bénéficie d'une capacité de réserve accrue, d'une utilisation de générateurs plus gros et plus efficaces et d'une compensation par interconnexion en cas de pannes locales de secteur. Ces réseaux interconnectés sont complexes et importants. Ils comportent des éléments actionnés par différents opérateurs et offrent une économie importante, mais augmentent le risque d'une panne étendue. Par exemple, une panne importante s'est produite sur le réseau maillé le 9 novembre 1965, dans l'est de l'Amérique du Nord, lorsqu'un dispositif directeur automatique qui régulait et gérait le débit du courant s'est arrêté en Ontario, mettant le disjoncteur hors circuit. Une augmentation subite de courant a été transmise à travers le nord-est des États-Unis et les disjoncteurs du générateur ont disjoncté automatiquement. Les installations situées plus au sud ont immédiatement compensé et ont surchargé les installations, qui se sont automatiquement arrêtées. La panne de secteur a touché finalement une zone de plus de 200 000 km2. On emploie le terme de black-out pour les pannes les plus importantes. Pour se protéger des pannes de courant, les hôpitaux, les édifices publics et d'autres installations dépendant de l'électricité possèdent des générateurs de secours. Voir aussi Électricité ; Électrique, génie ; Énergie, économies d'. 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