Qu’est-ce que l’électricité ? (partie II)

Le mot électricité a aujourd’hui deux sens. A l’origine, il est utilisé en physique, et désigne une manifestation de l’électromagnétisme, correspondant à un déplacement de particules chargées. Puis, par extension, il désigne aussi maintenant la forme d’énergie que nous utilisons tous quotidiennement, développée depuis le XIXème siècle. Dans cette seconde partie, nous allons explorer le second sens du mot électricité, à travers sa production.

La production d’électricité

Nos sociétés produisent de l’électricité à grande échelle depuis la fin du XIXème siècle. Construite en 1878, la première centrale électrique était hydraulique et se trouvait en Suisse. Dans les centrales électriques, une énergie qu’on appelle primaire dans ce contexte (thermique, mécanique ou solaire) est transformée en énergie électrique. L’électricité peut être donc produite à partir de sources très variées, qu’on peut regrouper en différentes catégories :

  • les combustibles fossiles : charbon, gaz, pétrole. Ce sont des produits très riches en carbone, et qui en libèrent donc beaucoup lors de leur combustion. On obtient de l’énergie sous forme de chaleur, donc thermique, qui est ensuite transformée en électricité. Les stocks de ces combustibles sont limités, et se renouvellent très lentement.
  • le nucléaire, qui se base sur la désintégration de certains atomes dits radioactifs. La chaleur dégagée lors de ces réactions est transférée à des circuits d’eau puis transformée en électricité. Le nucléaire se distingue des sources fossiles car il n’émet pas de carbone lors des réactions, mais les stocks des atomes radioactifs utilisés (un isotope de l’uranium, extrait de minerais) sont également finis.
  • les sources renouvelables : hydraulique, éolien ou solaire pour les principales. Les deux premières utilisent l’énergie de l’eau et de l’air en mouvement, alors que le solaire récupère l’énergie du rayonnement solaire. Ils n’émettent pas de carbone lors de leur fonctionnement, et les sources ne sont pas limitées (donc renouvelables). En revanche, la construction des panneaux photovoltaïques fait appel à des matériaux rares qui se trouvent en quantité limitée.

Les chiffres de la production d’électricité dans le monde et en France

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Câbles électriques pour la distribution locale d’électricité. Auteur : Matthew Henry. Source : Burst.

D’après l’Agence Internationale de l’Energie (AIE ou IEA en anglais), la quantité totale d’énergie électrique produite dans le monde ces dernières années est de l’ordre de 26 000 TWh par an (T comme tera, 1 TWh = 1012 Wh = 109 kWh, soit un milliards de kWh). Mais cette quantité augmente tous les ans, et l’augmentation en 2018 était de 4%, ce qui est assez rapide. La population mondiale étant de 7,55 milliards mi-2017, cela revient à une consommation moyenne d’environ 3 400 kWh/an/habitant. En 2018, la répartition de la production d’électricité mondiale par source d’énergie était la suivante :

  • charbon 38%
  • gaz 23%
  • hydraulique et autre renouvelable (hors éolien et solaire) 19%
  • nucléaire 10%
  • solaire et éolien 7%
  • fioul 3%

On voit donc que les énergies fossiles, responsables des émissions de gaz à effet de serre, occupent encore une place très importante dans la production d’électricité à l’échelle mondiale.

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Répartition de la production d’électricité en fonction des sources d’énergie en 2018, en France et dans le monde (sources : AIE & RTE.)

En France, la production d’électricité s’est élevée à 549 TWh en 2018 d’après le bilan du Réseau de transport d’électricité (RTE), soit 2,2% de la production mondiale. Ceci permet pourtant la France de se situer au 10ème rang mondial des pays producteurs d’électricité. Elle exporte 60 TWh (4ème rang des exportateurs), ce qui (en retirant les pertes) revient à une consommation d’environ 475 TWh. Avec une population de 67 millions d’habitants, la consommation est donc en moyenne de 7 600 kWh/an/hab, ce qui est plus que deux fois supérieur à la moyenne mondiale ! Ceci est évidemment bien supérieur à la consommation que vous avez l’habitude de voir sur vos factures d’électricité (entre 1 000 et 3 000 kWh/an en général) car ce chiffre de 7 600 kWh/an/hab comprend la consommation énergétique de toutes les entreprises dont nous utilisons les services ou achetons les produits. La répartition des modes de production est très atypique en France. On peut visualiser en direct le mix énergétique français grâce à RTE. En 2018, on avait en moyenne :

  • nucléaire 72%
  • hydraulique 13%
  • gaz 6%
  • éolien 5%
  • solaire 2%
  • bioénergies 2%
  • charbon 1%
  • fioul < 1%

On notera que les énergies renouvelables représentent en France une moindre fraction qu’en moyenne mondiale. Par contre les énergies fossiles sont très peu utilisées pour la production d’électricité, à l’avantage du nucléaire (les énergies fossiles sont par ailleurs bien évidemment utilisées pour la production de chaleur, et pour les transports).

Comment produit-on de l’électricité ?

L’alternateur : de l’énergie mécanique à électrique

Pour produire de l’électricité, on utilise le plus souvent un alternateur, qui permet de transformer de l’énergie mécanique en énergie électrique. Aussi appelé machine synchrone, il est composé d’un aimant qui tourne au milieu de plusieurs bobines, en général trois et tournées à 120° l’une de l’autre autour de l’axe de rotation de l’aimant. L’aimant tournant crée un champ magnétique qui tourne lui aussi, et que les bobines vont sentir (pour rappel, une bobine électrique est un enroulement de fil conducteur, et sa propriété principale est de s’opposer aux variations de courant).

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Schéma d’un alternateur : l’aimant tourne à l’intérieur de 3 bobines tournées à 120° l’une de l’autre. Par effet d’induction magnétique, un courant électrique est créé dans les bobines. Auteur :Mirsad Todorovac. Source : Chair for Multimedia and Information Systems, Faculty of Graphic Arts, University of Zagreb.

Ici, c’est le phénomène d’induction électromagnétique qui entre en jeu. Une force va s’exercer sur les électrons présents dans la bobine à cause de la rotation du champ magnétique créé par l’aimant. Cette force s’appelle la force électromotrice, et correspond à l’établissement d’une tension électrique aux bornes de la bobine. En connectant la bobine à un circuit, un courant électrique pourra être mesuré, et exploité. De par la géométrie de l’alternateur, la tension (et le courant) générée variera de façon périodique, et plus précisément sinusoïdale, dans le temps, on parle donc de tension alternative.

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Représentation de la génération du courant triphasé, avec les 3 signaux décalés dans le temps. Source : Technipass.

Parce qu’il y a 3 bobines, on récupère 3 courants, qui sont déphasés (c’est-à-dire que leurs motifs sont décalés dans le temps, voir schéma), et on appelle donc ça un système de courant triphasé ! Ce système de 3 courants peut paraître plus compliqué mais il possède plusieurs avantages, dont celui d’avoir une puissance moyenne sur les 3 courants qui est constante dans le temps. De plus, les alternateurs qui les produisent ont de très bons rendements. Vous trouverez ici un bon résumé animé et en anglais.

Mettre en rotation l’alternateur

Pour créer un courant électrique, on se base donc sur le mouvement de rotation de l’aimant central. Celui-ci peut être mis en mouvement assez simplement si on a une source d’énergie mécanique, comme une éolienne ou un barrage hydraulique. On utilise alors une turbine dont les pales sont poussées par l’air ou l’eau en mouvement, et le mouvement de rotation est transmis au rotor. En revanche, si on dispose d’une source thermique (de chaleur), il est nécessaire d’utiliser une turbine à vapeur. Dans ce cas, la source thermique chauffe de l’eau qui se transforme en vapeur sous pression. C’est elle qui pousse les pales de la turbine, qui se met alors à tourner, entraînant finalement le rotor de l’alternateur. C’est ce qu’il se passe dans les centrales basées sur la combustion de fossiles (charbon, gaz, pétrole) et dans les centrales nucléaires, qui sont des sources d’énergie thermique.

Une exception

Le cas des panneaux solaires est un peu à part. Il s’agit de capter les rayonnements électromagnétiques du soleil (c’est-à-dire la lumière visible ainsi le reste du spectre invisible) par un matériau dont les électrons, excités par l’absorption des particules de lumière, vont entrer en mouvement et générer un courant électrique. Les rendements sont en revanche en général plus faibles.

La distribution de l’électricité

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Pylônes électriques transportant l’électricité haute tension. Auteur : Matthew Henry. Source : Burst.

On utilise des câbles conducteurs pour distribuer le courant électrique, mais sur de grandes distances (plusieurs centaines de kilomètres), les pertes deviennent importantes. RTE estime les pertes à environ 2,5% de la consommation globale française, soit 11,5 TWh/an. Il s’agit de principalement de pertes par effet Joule, c’est-à-dire de l’échauffement des câbles dû à la circulation du courant, et qui sont proportionnelles à l’intensité du courant au carré. Pour réduire ces pertes tout en conservant la même puissance électrique (qui s’écrit P=U*I), on utilise donc des tensions très élevées (qui permettent d’avoir un courant très faible), et donc des lignes hautes tensions. Alors que la tension standard que nous recevons à nos domicile est de 230 V, les tensions dans ces lignes sont typiquement de 225 ou 400 kV, soit 1 000 fois plus.

Le système triphasé est aussi pertinent pour le transport de l’électricité car à tension donnée, la puissance moyenne est plus importante que dans le cas d’une seule phase. Les câbles sont nus pour des gains de poids et de coûts, et les pylônes électriques permettent de les isoler du sol, mais aussi d’isoler les 3 phases entre elles. Localement, lorsque les équipements demandent peu de puissance, comme les maisons individuelles ou les éclairages publics, une seule des 3 phases est distribuée, on parle alors de système monophasé. A nos domiciles, nous recevons donc un courant électrique alternatif (sinusoïdal dans le temps). C’est pourquoi nous n’avons que deux câbles : la phase et le neutre, le dernier correspondant à la tension de référence (mais pas forcément nulle, il faut faire attention). Le dernier câble est la terre, qui représente cette fois le vrai potentiel électrique nul, et qui permet de sécuriser le système électrique.

Les enjeux autour du mode de production d’énergie

Nous avons vu dans les grandes lignes ce qu’est l’électricité, et comment nous recevons cette merveilleuse source d’énergie chez nous. Ceci servira de base pour comprendre plus en profondeur le fonctionnement des différentes centrales (nucléaires, hydrauliques, à charbon, parcs éoliens, etc…) et les enjeux associés (matières premières, émissions de CO2, déchets polluants, impacts environnementaux, etc…). A suivre, donc !

 

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