Produire et transporter l’électricité

L’électricité

Definition de l’électricité et du courant électrique

L’électricité, ou plutôt l’énergie électrique, est une énergie produite par le déplacement de particules chargées électriquement (électrons, protons, ou ions). Cette énergie est utilisée à des fins industrielles ou domestiques. Pour son usage, elle est convertie en mouvement (moteur), chaleur (chauffage), lumière (lampe) ou énergie chimique (recharge d’un accumulateur) selon l’application voulue.

C’est la circulation des électrons dans des fils conducteurs qui produit ce que l’on appelle un courant électrique.

Les électrons sont en mouvement dans une branche d’un circuit si celle ci est conductrice, et s’il y a une différence de tension entre chaque extremité de la branche (ou différence de potentiel). Plus simplement, les électrons se déplacent du - vers le +. Cela signifie qu’ils se déplacent dans le sens des potentiels croissants.

En conséquence, le courant est repéré dans cette même branche du + vers le - : dans le sens opposé à celui de circulation des électrons.

Le courant passe dans un circuit si celui ci est fermé sur une alimentation électrique.

L’effet Joule

L’effet Joule est une conséquence du passage du courant dans un conducteur. Lorsque ce conducteur n’est pas idéal (c’est à dire lorsque sa resistance n’est pas egale à zero), le passage du courant s’accompagne de production de chaleur et de rayonnement. Cet effet peut être voulu : dans ce cas, l’électricité sert à produire de la chaleur (radiateur électrique). Ou au contraire, cet effet peut ne pas être souhaité. En effet, la production de chaleur entraine une perte d’énergie électrique, comme vu dans le paragraphe sur la conservation de l’énergie.

Souvent, pour déterminer la puissance thermique rayonnée par effet Joule, on utilise la loi, qui sera expliquée plus loin :

$$P_J = R \times I^2$$

Explications en video

La vidéo suivante, de la chaine Mycéliums, explique la nature de l’électricité, sa production et son transport. (Regarder la première partie, jusqu’à 11min12)

Production

On a vu que toute source d’énergie primaire pouvait servir à la production d’énergie électrique. La plupart du temps, l’énergie primaire est convertie en une énergie secondaire de type mécanique (sauf pour l’énergie solaire). Par exemple, dans une centrale thermique, les matières combustibles sont brûlées. Cela sert à vaporiser des grandes quantités d’eau. Les mouvements ascendants de l’eau entrainent alors une turbine, dont le mouvement circulaire provoque un phénomène d’induction. C’est le même principe que celui utilisé par la dynamo d’un vélo, pour produire de la lumière. Le couplage turbine - alternateur permet de produire de l’électricité.

L’électrique est produite sous forme d’une tension triphasée de fréquence et d’amplitude constante.

Expérience : produire de l’électricité à l’aide d’une dynamo :

les énergies primaires permettant la production d’électricité

Voici pour rappel toutes les sources d’énergie à partir desquelles on peut produire de l’électricité, et pour rappel, la forme d’énergie contenue:

• L’uranium (énergie nucléaire de fission exploitée dans les centrales nucléaires),

• l’eau (énergie potentielle mécanique dans les barrages hydroélectriques),

• le charbon le gaz naturel et le pétrole (énergie chimique de combustion),

• le vent (énergie cinétique mécanique de l’air transformée par les éoliennes),

• le soleil (énergie du rayonnement solaire transformé par les cellules photovoltaïques ou par des centrales à miroirs réflecteurs).

• La biomasse (énergie chimique de combustion) L’énergie biomasse comprend le bois, les biocarburants (issus de végétaux comme le colza ou la betterave) ou encore le biogaz. Cette énergie est produite par la combustion ou la métabolisation de matières organiques. C’est une source d’énergie renouvelable

• La géothermie (énergie thermique) c’est une énergie renouvelable provenant de l’extraction de l’énergie contenue dans le sol. Elle peut être utilisée pour le chauffage mais aussi pour la production d’électricité. Il s’agit de l’une des seules énergies renouvelables ne dépendant pas des conditions atmosphériques.

stocker l’électricité

Le stockage de l’énergie électrique n’est possible que si on la transforme en une autre énergie stockable :

• mécanique : des barrages stockent l’énergie sous forme d’énergie potentielle de pesanteur. On peut relever l’eau vers un niveau supérieur lorsque la production d’électricité est excedentaire par rapport aux besoins.

• chimique dans les piles et les accumulateurs. C’est alors une reaction chimique qui produit l’énergie électrique. Dans une pile, les réactifs finissent par s’épuiser. Dans un accumulateur, que l’on peut recharger, on peut remettre à niveau les réactifs grâce à un apport d’énergie électrique. Cette énergie sera alors restituée au besoin, en branchant l’accumulateur sur un circuit. Toutefois, le rendement de ce dispositif est relativement bas.

Un exemple d’accumulateur : la pile au lihium

Les piles au lithium de petite taille sont très utilisées dans notre vie quotidienne pour alimenter en énergie électrique nos appareils électroniques : téléphones, ordinateurs, outillage portatif… Un accumulateur au lithium peut avoir une plus grosse dimension : la Tesla, avec sa batterie de 450 kg, a une autonomie de plus de 300 km et des performances de voiture sportive. Leur utilisation présente des avantages économiques, grâce à leur performance et particulièrement, leur longue durée de vie. Utiliser les piles au lithium rechargeables a aussi des avantages écologiques, en réduisant les déchets, ainsi que l’émission des gaz à effet de serre.

Un exemple de pile : la pile à hydrogène

La pile à hydrogène est une pile à combustible utilisant le dihydrogène et le dioxygène. Il s’agit d’une combustion de dihydrogène et de dioxygène, avec production simultanée d’électricité, d’eau et de chaleur. L’équation peut être obtenue à partir des transformations simultannées suivantes, montrant l’échange d’électrons entre les compartiment de la pile contenant pour l’un, du dihydrogène H2, et pour l’autre, du dioxygène O2 :

$$2H_{2(g)} = 2H^+ + 2e^-$$

$$O_{2(g)} + 2H^+ + 2e^- = 2H_{2}O_(l)$$

ce qui revient à l’équation bilan suivante:

$$2H_{2(g)} + O_{2(g)} \rightarrow 2H_2O_{(l)}$$

Pour mettre en œuvre cette réaction, on dispose de deux électrodes, l’anode et la cathode séparées par un électrolyte (milieu bloquant le passage des électrons mais laissant circuler les ions). Ces piles peuvent être développées pour les automobiles lorsque le problème de stockage du dihydrogène sera résolu.

transporter l’électricité

Le stockage de l’électricité étant assez complexe et peu rentable, il est plus intéressant de distribuer immédiatement l’électricité produite. L’organisme producteur doit anticiper les besoins de production : il faut en effet garantir à tout moment un équilibre entre la consommation et l’énergie disponible. Sa distribution nécessite un réseau de câblage très complet et complexe mais surtout immense à l’échelle mondiale. L’ideal serait de ne pas injecter dans le reseau plus d’électricité (ni moins) que necessaire : L’électricité qui n’est pas consommée est perdue.

Le besoin de réaliser le transport de l’électricité sous haute tension : Le transformateur : Une autre application de l’induction : De même que le couplage aimant-bobine produit de l’électricité, une bobine est capable de produire un champs magnétique lorsqu’elle est parcourue par un courant (inducteur). On peut faire rentrer ce champs dans une deuxième bobine, ce qui produira une tension induite. Ceci est utilisé dans les transformateurs :

Structure du réseau de distribution électrique : La tension en sortie d’un alternateur de centrale est de l’ordre de 20kV (appelée tension HTA).

Un transformateur éleveur de tension branché directement en sortie de la centrale produira une tension de 400kV (ou très haute tension THT). L’électricité peut maintenant être transportée sur de grandes distances (lignes aériennes THT 400kV).

Les lignes THT alimentent des postes de répartition où la tension est abaissée à 225 kV (tension HTB) pour alimenter le réseau régional de distribution (en HTA).

En fin de parcours, elle est abaissée par le poste de transformation en une tension de type basse tension (BT) pour être ensuite livrée aux centres de consommation domestiques : 400V triphasé, ou 230V monophasé. Les signaux ont une fréquence de 50 Hz.

• la conception des machines électriques (alternateurs et moteurs) se fait avec des enroulements triphasés ce qui présente, entre autre, le meilleur rendement “poids - puissance”.
• le démarrage des moteurs triphasés se fait naturellement.

Le schéma suivant représente ce qu’est un signal électrique triphasé Chaque fil électrique transporte l’une des phases du signal. Ces signaux sont identiques (même amplitude et même fréquence), mais sont décallés dans le temps : on dit que les 3 signaux sont déphasés. Une quatrième ligne électrique sert de neutre (voir paragraphe sur la sécurité électrique).

Testez vous : QCM

• (EnE-QCM1) L’énergie électrique peut servir à fournir de l’énergie : mécanique, chimique, rayonnée, thermique, nucléaire ?
• (EnE-VF) Les électrons circulent du + vers le -
• (EnE-QCM2) L’effet Joule est un phénomène par lequel l’énergie électrique est transformée en énergie : mécanique, chimique, rayonnée, thermique ?
• (EnE-QCM3) L’induction est un phénomène au cours duquel l’énergie : mécanique, chimique, thermique, électrique … est transformée en énergie mécanique, chimique, thermique, électrique
• (EnE-VF2) le stockage de l’électricité est plus/moins rentable que sa distribution immédiate par le réseau électrique.
• (EnE-QCM4) Le transport de l’electricité sur de grandes distances se fait à une tension : très haute (400 kV), haute (225 kV) ou basse (400V)?
• (EnE-QCM5) Ce transport se fait en mono / triphasé
• (EnE-QCM6) Pour transporter du courant électrique en mono phasé, il faut : 1 fil / 2 fils / 3 fils/ 4 fils
• (EnE-QCM7) D’après la loi d’Ohm, une branche d’un circuit alimenté en 230V et possédant une très petite resistance est parcourue par un courant : très élevé / très faible?
• D’après la loi d’Ohm, une branche d’un circuit alimenté en 230V et possédant une très forte resistance est parcourue par un courant : très élevé / très faible?