Dominique Meeùs
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Électricité

Table of contents

Généralités

J’ai noté ailleurs comment l’électricité est produite dans des centrales électriques (et parfois dans des unités décentralisées), transportée et distribuée par un réseau. Comme tampon entre la production et la consommation, on doit parfois stocker l’énergie électrique sous des formes transformées réversibles.

Unités

Le courant électrique, c’est un peu comme l’eau dans un boyau d’arrosage… La tension, mesurée en volts (V), correspond à la pression dans le boyau. L’intensité, mesurée en ampères (A), est assimilée au débit et la résistance, mesurée en ohms (Ω), au frottement sur les parois du boyau. Pour connaître la puissance, mesurée en watts (W), on multiplie la tension (ou pression) et l’intensité (ou débit). Enfin, la quantité d’énergie consommée pendant une période donnée est mesurée en wattheures (Wh).

Quelques termes en diverses langues et unités :

français Nederlands English unité
tension
[différence de potentiel]
spanning
[potentiaalverschil]
voltage, tension
[potential difference]
volt, V
courant continu gelijkstroom direct current  
courant alternatif wisselstroom alternating current  
intensité stroom current ampère, A
résistance weerstand resistance ohm, Ω
puissance vermogen power watt, W
énergie energie energy Wh

Courant continu ou alternatif

La première machine capable de donner une quantité industrielle d’électricité en courant continu est la dynamo (http://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_%C3%A0_courant_continu) de Zénobe Gramme (http://fr.wikipedia.org/wiki/Z%C3%A9nobe_Gramme) en 1869. On s’est assez vite aperçu que le processus était réversible ; on a eu ainsi les premiers moteurs électriques industriels.

On avait par ailleurs des alternateurs, produisant du courant alternatif et on a mis au point les moteurs à courant alternatif. On a eu à la fin du 19e siècle des machines industrielles. Le rendement des alternateurs est meilleur que celui des dynamos. Par ailleurs le courant alternatif est plus facile à transporter (voir Réseaux).

Capacités installées, demande, production

Le Soir du mardi 31-1-2012, p. 2, signale que la demande belge en puissance du lundi 30-1-2012 (jour de grève) était de 11,35 GW à 18 h 151 et que c’était 10 % en dessous de la normale. En été, le maximum serait dans les 10 GW.

Pour la Belgique, Elia, opérateur de réseau de transmission, fournit des données détaillées sur le réseau (pour la partie dont il est responsable), comme la puissance de quart d’heure en quart d’heure. La page http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_en_Belgique donne des indications de consommation annuelle d’électricité et de puissance installée.

Une installation de production peut être ralentie ou arrêtée (i) pour des raisons de demande, soit qu’il n’y a pas de demande dans l’absolu, soit que des distributeurs choisissent une autre production moins chère ; (ii) pour des raisons de gestion technique, entretiens et réparations, dont on peut faire une moyenne annuelle ; (iii) en raison de fluctuation de la source primaire comme dans le cas du vent ou de la lumière. C’est ce qu’on appelle le facteur de charge (capacity factor). Les sources peuvent être très divergentes. Peut-être cela vient-il de ce qu’on ne dit pas clairement si on inclut (i) ou non. Si on veut évaluer l’apport effectif d’une installation sur une ou plusieurs années, il faut prendre les trois aspects. Si on veut porter un jugement de principe sur l’efficacité de telle ou telle technique, on pensera plutôt aux deux derniers. Je pense que parfois on parle de facteur de charge de l’éolien ou du solaire en comptant seulement (iii).

Se pose — surtout si on veut une grande contribution d’électricité de sources renouvelables — le problème de l’adéquation de l’offre à la demande. Je vois, pour désigner la prévision du nombre d’heures d’inadéquation sur un an, utiliser LOLE pour Loss of Load Expectation (Devogelaer & Gubin 2018, p. 6, note 3).

Réseaux

Le réseau relie diverses sources de courant alternatif (si la source est à courant continu il faut le redresser) à des consommateurs de courant alternatif. De nombreux pays ont connu un système national plus ou moins unifié de production, transmission (réseau haute tension) et distribution (tension moyenne ou basse vers les usagers). Dans le monde actuel, la tendance étant à la privatisation, ces fonctions se retrouvent séparées. Le où les organismes responsables de la transmission (transmission system operator, TSO) doivent assurer l’équilibre en temps réel entre production et charge de la demande. En Belgique, c’est Elia qui assure la transmission à haute tension et l’équilibre du réseau. Il y a aussi une coordination européenne des TSO. La distribution à basse tension est le fait des DNO (distribution network operator). La production basse tension (panneaux photovoltaïques des particuliers) est injectée directement dans la distribution basse tension.

Dans un premier temps (vers 1880), le courant était produit en courant continu (direct current, gelijkstroom) (à 110 V) et distribué comme tel au consommateur (Edison). Le continu n’est pas susceptible de transformation de potentiel : dans ce modèle, il doit être produit, distribué et consommé à la même tension (moins les chutes de tension). À cette époque, il n’y avait de moteurs qu’à courant continu et des lampes à filament. On pouvait monter plusieurs génératrices en parallèle et stocker dans des batteries. Les chutes de tension en ligne étaient importantes et imposaient une production très locale.

On a pallié ce défaut au début par des réseaux d’énergie à eau ou à air comprimé, actionnant des groupes turbine-dynamo locaux (Claes 1994).

Au début des années 1890, le courant alternatif (alternating current, wisselstroom) l’a emporté définitivement (Tesla, Westinghouse, http://en.wikipedia.org/wiki/War_of_Currents).

Lignes à haute tension en courant continu

Les progrès en redresseurs de puissance ont permis d’obtenir du courant continu à partir de courant alternatif en haute tension. Le courant continu à haute tension (CCHT, HVDC en anglais) présente certains avantages pour le transport (plus grande capacité à section égale, moins de pertes). On l’utilise aussi pour échanger de l’énergie entre réseaux non en phase ou de fréquence différente.

Les redresseurs coûtent cher, tout comme les onduleurs (retour à l’alternatif).

Les lignes à courant continu ne conviennent pas pour les réseaux mais seulement pour les lignes point à point. Il existe quelque lignes multipoints, en série ou en parallèle, mais cela suppose une relation stable entre les puissances en jeu.

Les lignes sont moins chères que les lignes à haute tension classiques. Ce sont les terminaux qui sont très coûteux. Le transport en courant continu est plus économique lorsque la longueur est telle que l’économie sur la ligne (investissement et pertes électriques) compense le coût des terminaux.

Le surcoût des terminaux HVDC par rapport aux sous-stations habituelles pourrait être de l’ordre de cent millions de dollars par GW (Rudervall & al. 2000, p. 6).

Le prix est mal connu. Exemples (http://en.wikipedia.org/wiki/High-voltage_direct_current#Costs_of_high_voltage_DC_transmission) : 1 milliard de livres sterling pour 8 GW sur 40 km sous-marins (Angleterre-France) ; 700 millions d’euros pour 2 GW à travers une montagne sur 64 km (Espagne-France).

Liaison BritNed (Angleterre-Pays-Bas) : 600 millions d’euros pour 1 GW sur 260 km sous-marins (http://solar.gwu.edu/index_files/Resources_files/BRITNED_HVDC.pdf).

La liaison Basslink (Australie-Tasmanie) est peu représentative. Les pétroliers de la région ont imposé des coûts supplémentaires par crainte du courant de retour par la terre (liaison monopole).

Réseaux intelligents

Les « réseaux intelligents » sont ceux qui peuvent faire face à des situations fluctuantes et imprévues. Ils ne constituent pas un idéal, mais une nécessité pénible imposée par une dérégulation qui est, elle, inintelligente : « Overall, the economics of the electrical grid do not align sufficiently with the physics of the grid. » (http://en.wikipedia.org/wiki/Grid_%28electricity%29#DeRegulation).

La décentralisation dont les écologistes se réjouissent n’est pas rationnelle, mais la conséquence du libéralisme.

Certains comparent à l’Internet et appellent de leurs vœux un réseau complètement décentralisé (http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=1424 où l’auteur s’interviewe lui-même, par exemple). C’est idiot parce que les problèmes sont complètement différents. Un réseau électrique doit être en permanence parfaitement équilibré en charge, en fréquence et en phase, ce qui n’est pas le cas d’un réseau informatique (ni d’un réseau routier).

Production

On produit l’électricité soit localement (panneaux photovoltaïques ou éolienne à usage personnel ou d’une petite entreprise, comme une ferme) soit massivement (centrales électriques classiques, hydroélectricité, champs de panneaux photovoltaïques, solaire concentré, parcs d’éoliennes… L’essentiel de la production est toujours centralisé, même en électricité « verte ».

La dangerosité des différentes modes de génération d’électricité est discutée avec la dangerosité des industries de l’énergie en général.

Centrales électriques thermiques

Les centrales classiques sont les centrales thermiques : nucléaire, charbon, pétrole, gaz, biomasse. Souvent on met à part les centrales nucléaires et on n’appelle alors thermiques que les centrales basées sur la combustion.

  • Turbines à vapeur. (On n’utilise plus de machines à vapeur (à bielle et piston) parce que les turbines à vapeur sont plus performantes.) La vapeur est obtenue
    • soit à partir d’un réacteur nucléaire (dans une centrale nucléaire) ;
    • soit à partir d’une chaudière brûlant du charbon : centrale à charbon — on peut brûler en chaudière aussi de la biomasse sous des formes diverses (pellets…), des déchets — on brûle parfois encore du pétrole ou du gaz en chaudière, mais plus souvent en turbine à gaz ;
    • soit à partir de rayons solaires concentrés par un champ de miroirs.
  • Turbine à gaz. La turbine est entraînée par les gaz de combustion de gaz (ou de pétrole).
    • Une turbine à gaz simple entraîne un alternateur. Rendement de l'ordre de 40 %.
    • La turbine à gaz entraîne un alternateur ; à partir des gaz chauds, on produit de la vapeur (dans un WHRB, waste heat recovery boiler ? dans un HRSG, heat recovery steam generator ?) 1 ; la vapeur actionne une turbine à vapeur qui entraîne un deuxième alternateur. (Parfois on monte les deux turbines sur un axe unique avec un seul alternateur.) C'est dit TGV, turbine gaz-vapeur ; CCGT, combined cycle gas turbine ; STEG, stoom- en gascentrale. Rendement de l'ordre de 60 %
    • On peut récupérer les gaz chauds d'une turbine à gaz simple ou après un éventuel étage vapeur pour en utiliser la chaleur, comme en chauffage urbain : cela s'appelle cogénération, électricité et chaleur.

Le rendement des centrales thermiques est limité par les lois de la thermodynamique. J’examine les rendements dans un article séparé.

Électricité privée ou pour le marché

L’opposition centralisation décentralisation correspond plus ou moins à une distinction essentielle en économie : produire pour ses besoins personnels ou produire pour la société, c’est-à-dire, dans le mode de production capitaliste, produire pour le marché. Des panneaux photovoltaïques peuvent être installés par un particulier dans un but d’autarcie relative. Vu l’alternance jour/nuit et la variation saisonnière, tantôt le particulier achète de l’électricité tantôt il la vend, mais cela pourrait s’équilibrer en gros sur l’année 2. D’autres installations, plus grandes, sont destinées au contraire essentiellement à fournir le marché. Cette distinction intervient dans le type d’équipement — compteur qui « tourne à l’envers » opposé au compteur séparé pour la vente — et dans le régime fiscal, etc. La distinction privé ou pour le marché, importante en théorie, n’est pas toujours facile à appliquer dans la pratique ; elle est parfois approchée par un critère plus simple comme la dimension de l’installation : en Wallonie, on fait la différence entre les installations de moins de 10 KWc et les autres.

Flexibilité et disponibilité des installations de production et de distribution d’énergie

Délai de mise en route

Les turbines à gaz et les turbines à eau sont considérées comme relativement rapides à démarrer et à arrêter. Modulables ?

Modulation de la production

Le problème se pose surtout pour l’électricité où il faut à chaque instant une complète adéquation 3 entre production et consommation sous peine de désordres graves.

Les centrales thermiques à vapeur sont peu modulables et, parmi celles-ci, les nucléaires le seraient encore moins, mais cette affirmation est fantaisiste. (Lire plus.) Ce qui est vrai, c’est qu’on ne peut pas arrêter un réacteur nucléaire pour un oui ou pour un non.

Arrêts pour maintenance et panne

Comme l’entretien régulier d’une voiture, la maintenance d’une installation industrielle a pour but d’éviter des pannes. On fait un certain compromis entre les bénéfices de la maintenance (éviter la détérioration du matériel et éviter des arrêts non programmés) et les inconvénients (coût, dont le coût des arrêts programmés). L’idéal est de chercher à n’augmenter la maintenance normale (preventive maintenance) que si on a des signes annonciateurs de panne (predictive maintenance) en surveillant l’évolution de certains paramètres (equipment condition monitoring, ECM), http://www.electricenergyonline.com/?page=show_article&mag=10&article=694.

Disponibilité

La disponibilité (availability factor) est la fraction du temps où une installation est utilisable, le temps où elle n’est pas en panne ou en maintenance (down time ou downtime) ou en manque de ressources (eau, vent, lumière solaire).

Facteur de charge

Le facteur de charge (capacity factor) ou facteur d’utilisation est le rapport de la production effectivement réalisée sur une période donnée à la production théorique dans ce temps de la capacité nominale. J’ai rapproché le facteur de charge du rendement dans un article séparé où je donne des chiffres. Le facteur de charge dépend à la fois de la disponibilité (ci-dessus) — de l’équipement ou de la source — et de la demande, ce qui en fait un concept à la fois technique et économique.

Quantités d’électricité selon les sources

Voici un tableau de la contribution des différentes sources à l’électricité de la Belgique en 2014 5, en TWh et en pourcentage (et, en pourcentage, la contribution à l’énergie finale consommée en Belgique).

électricité
Belgique
énergie
Belgique
TWh TWh
71,5 464,36
TWh TWh % %
Importation 17,6 19,76 3,79
Nucléaire 33,7 37,82 7,26
Produits pétroliers 0,2 0,22 0,04
Gaz naturel 19,3 21,66 4,16
Combustibles solides et gaz sidérurgiques 4,4 4,94 0,95
Vapeur de récupération 0,4 0,45 0,09
Déchets non renouvelables 1,3 1,46 0,28
Autres sources 0,0 0,00 0,00
Énergies renouvelables (dont, ci-dessous) 12,2 13,69 2,63
Combustibles renouvelables 4,4 4,94 0,95
Éolien 4,6 5,16 0,99
Solaire 2,9 3,25 0,62
Hydraulique hors pompage 0,3 0,34 0,06
Électricité totale 89,1 100,00 19,19
Pompage 1,2 1,35 0,26

Source : SPF Éco 2010, tableau 5, p. 23.

Note : Sont décalées vers la droite des sous-catégories dont les montants sont totalisés dans la catégorie qui précède. Le pompage a été détaché parce qu’il produit de l’électricité à partir d’électricité. J’ai inclus l’importation pour que le total soit plus proche de celui du tableau de consommation finale. (Ça ne correspond pas, mais je ne sais pas pourquoi.)

On remarquera que la principale source renouvelable est la biomasse. L’éolien et le solaire apportent une contribution assez marginale à la production d’électricité en 2010, et même, par rapport à l’énergie finale totale, presque négligeable.

Répartition sectorielle de la consommation

Belgique

La FEBEG, Fédération belge des entreprises électriques et gazières, donne de la consommation par secteur en la Belgique en 2019 la répartition suivante, pour un total de 83,71 TWh :

heading
% TWh
Industrie 45,8 two
Services 25,8
Résidentiel 22,0
Transport 2,1
Agriculture et forêts 2,1
Transformation 2,1
Notes
1.
Drôle d’heure pour évaluer une grève ?
1.
Je crois comprendre que ça s'appelle HRSG pour des gaz d'échappement propres comme ceux d'une turbine à gaz. On appellerait WHRB l'échangeur sur des gaz pouvant contenir des poussières, etc.
2.
Une habitation isolée du réseau pourrait être éclairée le soir et la nuit sur batteries.
3.
J’ai été opérateur du château d’eau de l’usine sidérurgique de Montignies-sur-Sambre (Cockerill-Sambre). C’est un extraordinaire exercice d’équilibre. (C’est à tort qu’on voit le château d’eau comme un réservoir qui assure la consommation et qu’il ne faut pas oublier de remplir de temps à autre. Dans la situation où j’étais, c’est un petit régulateur de pression du réseau d’eau. L’équilibre repose presque entièrement sur le suivi en continu du débit de consommation par le préposé aux pompes.) Un réseau électrique, c’est pire : c’est comme le travail du préposé au château d’eau… sans le tampon du château d’eau.
4.
On fait ça aussi pour les disques durs d’ordinateur : on essaie de détecter, avant d’avoir perdu toutes ses données, la détérioration graduelle du disque pas toujours visible à l’utilisation.
5.

Pour mémoire : les chiffres de 2010.

électricité
Belgique
énergie
Belgique
GWh GWh
93 765 494 105
  GWh GWh GWh GWh % %
Charbons bitumeux 4 187 4,47 0,85
Gaz de cokerie 65 0,07 0,01
Gaz de haut fourneau 1 695 1,81 0,34
Charbon 5 948 5 948 6,34 1,20
Gaz 31 420   33,51 6,36
Pétrole 406   0,43 0,08
Combustibles fossiles 37 774 37 774   40,29 7,64
Bois et déchets de bois 2 904 3,10 0,59
Biocarburants 269 0,29 0,05
Biomasse solide 3 173 3 173 3,38 0,64
Déchets urbains (renouvelables) 591   0,63 0,12
Déchets urbains (non renouvelables) 850   0,91 0,17
Déchets industriels (non renouvelables) 447   0,48 0,09
Biogaz 566   0,60 0,11
Combustibles non fossiles 5 627 5 627   6,00 1,14
Combustion 43 401 43 401   46,29 8,78
Éolien marin 190   0,20 0,04
Éolien terrestre 1 103   1,18 0,22
Éolien 1 293 1 293   1,38 0,26
Solaire 560   0,60 0,11
Hydraulique (nouveau) 312   0,33 0,06
Vapeur de récupération 255   0,27 0,05
Nucléaire 47 944   51,13 9,70
Total 93 765   18,98
 
Pompage 1 356   1,45 0,27

Source : SPF Éco 2010, tableau 5, p. 23.

Note : Les sous-catégories sont décalées vers la droite et les nombres en italiques sont les sous-totaux des nombres correspondants au-dessus. Il sont ensuite reportés immédiatement à gauche dans la catégorie où ils seront eux-mêmes totalisés. Le pompage a été détaché parce qu’il produit de l’électricité à partir d’électricité. Certains détails ne sont pas dans le tableau d’origine mais sont repris du texte de SPF Éco 2010. Les différentes contributions sont alors données en pourcentage du total. Dans la colonne suivante, les différentes contributions sont données en pourcentage de l’énergie finale totale consommée en Belgique.

On remarquera que la principale source renouvelable est la biomasse. L’éolien et le solaire apportent une contribution assez marginale à la production d’électricité en 2010, et même, par rapport à l’énergie finale totale, presque négligeable.