B. Les progrès de la production et du transport électrique
Une foule de découvertes sur l'électricité a été faite avant et pendant le XVIIIe siècle. Celles-ci vont permettre à de grands chercheur et inventeurs de révolutionner notre manière de vivre. L’ampoule d’Edison est souvent considérée comme étant le précurseur de l’industrie électrique, mais le couple ampoule/génératrice d’Edison a véritablement lancé cette industrie qui n’a cessé d’évoluer.
Le développement de l'industrie électrique se fait en trois grandes étapes. Il y a tout d'abord la première centrale électrique, première d'une longue série, qu'ouvre Thomas Edison à New-York. Par la suite, des concurrents arrivent avec d'autres systèmes et un seul va réussir à s'établir. Enfin, l'industrie électrique se développe internationalement, à une vitesse prodigieuse. Nous allons ici étudier l'arrivée de l'électricité dans le pays de la ville Lumière, la France !
1. Moyens de production à grande échelle : Edison, un pionnier dans l’électricité
Thomas Edison n’est ni un grand mathématicien ni un grand physicien, mais plutôt un «rat de laboratoire». Edison se base sur les recherches d’autres découvreurs, exploite et améliore leurs résultats. Il est à l’origine de plus de 1000 brevets. Il améliore la lampe à incandescence de Joseph Swan. Son choix se porte sur les lampes électriques à filament et non à gaz car il croit en cette nouvelle technologie.
Pour pouvoir développer ce produit, il faut tout construire (il part de rien). Pour cela, il cherche des subventions. C’est ainsi que la Western Union, grande banque Américaine, qui existe encore aujourd’hui, décide de lui prêter de l’argent. Puis d’autres investisseurs adhèrent à son projet. Il peut donc finalement créer son entreprise, l’Edison Electric Light Company en octobre 1878. Ses partenaires financiers investissent dans des produits qui doivent encore être améliorés ou créés, notamment les génératrices électriques et le réseau électrique.
Edison a eu du mal à fabriquer une ampoule résistante, qui puisse rester allumée plusieurs heures sans interruption. En absence de résultat, les investisseurs perdaient espoir. Mais le 21 octobre 1879, Thomas Edison scelle un filament carbonisé de coton dans une bulbe sous vide. Cette ampoule est restée allumée toute la nuit. Ceci rassura les investisseurs et d’autres arrivèrent.
L’alimentation électrique en courant continu des ampoules étaient réalisées par des dynamos «Mary Ann». Elles n’étaient pas assez efficaces. Edison développa une nouvelle génération de dynamo. Ses ingénieurs ont construit une génératrice avec une grande dynamo directement couplée à un moteur. Cette dynamo atteint 700 tours par minute (t.p.m.) alors que seulement 350 t.p.m. étaient suffisants pour son usage. Les dynamos sont entraînées par des machines à vapeur. Toutes les dynamos assemblées sur ces plans sont appelées «Jumbo» dynamos d’après le célèbre éléphant. La Jumbo dynamo et l’ampoule d’Edison ont été présentées à l’Exposition Internationale d’Électricité à Paris en 1881.
Edison a eu du mal à fabriquer une ampoule résistante, qui puisse rester allumée plusieurs heures sans interruption. En absence de résultat, les investisseurs perdaient espoir. Mais le 21 octobre 1879, Thomas Edison scelle un filament carbonisé de coton dans une bulbe sous vide. Cette ampoule est restée allumée toute la nuit. Ceci rassura les investisseurs et d’autres arrivèrent.
L’alimentation électrique en courant continu des ampoules étaient réalisées par des dynamos «Mary Ann». Elles n’étaient pas assez efficaces. Edison développa une nouvelle génération de dynamo. Ses ingénieurs ont construit une génératrice avec une grande dynamo directement couplée à un moteur. Cette dynamo atteint 700 tours par minute (t.p.m.) alors que seulement 350 t.p.m. étaient suffisants pour son usage. Les dynamos sont entraînées par des machines à vapeur. Toutes les dynamos assemblées sur ces plans sont appelées «Jumbo» dynamos d’après le célèbre éléphant. La Jumbo dynamo et l’ampoule d’Edison ont été présentées à l’Exposition Internationale d’Électricité à Paris en 1881.
Edison s’occupe ensuite de trouver un terrain pour développer sa centrale. Il décide de s’établir à New York mais se rend vite compte que les bâtiments coûtent très chers. Sa persévérance lui permit de trouver en août 1881 un vieux bâtiment commercial peu cher, au 257 Pearl Street. La chance est avec Edison car ce bâtiment se trouve à côté du quartier financier, Wall Street, de telle sorte qu’il puisse proposer ses produits à des entreprises et à des personnes ayant des moyens financiers élevés. Par la suite, Edison entreprit des travaux de terrassement afin que les sols puissent supporter le poids des dynamos de plus de 180 tonnes.
Il fallait également déployer un réseau de câbles pour acheminer l’électricité. Il a découvert par expérience que le transport de courant engendrait des pertes. Il se tourna vers un réseau électrique enterré et espérait ainsi minimiser les pertes de courant. Les hommes politiques de New-York étaient contre ce déploiement. Mais après plusieurs litiges, Edison réussit finalement à convaincre le maire de New-York. Ce réseau souterrain de plus de 30 km s’est avéré la partie la plus coûteuse de ce projet.
Il fallait également déployer un réseau de câbles pour acheminer l’électricité. Il a découvert par expérience que le transport de courant engendrait des pertes. Il se tourna vers un réseau électrique enterré et espérait ainsi minimiser les pertes de courant. Les hommes politiques de New-York étaient contre ce déploiement. Mais après plusieurs litiges, Edison réussit finalement à convaincre le maire de New-York. Ce réseau souterrain de plus de 30 km s’est avéré la partie la plus coûteuse de ce projet.
Plan coupé de la Pearl Street Station où l'on peut voir les fours à charbon au premier et deuxième étage ainsi que les Jumbo dynamos au troisième étage.
C’est ainsi que la Pearl Street Station fut mise en route pour la première fois le 4 septembre 1882 à 15 heure. Elle était à l’époque composée de 6 Jumbo dynamos. Une Jumbo dynamo pouvait alimenter près de 1200 lampes et au maximum 1400. L’énergie produite par cette centrale fut utilisée exclusivement à des fins d’éclairage.
2. Tesla, le courant alternatif et le transformateur
Nikola Tesla est un grand ingénieur croate et a une très bonne réputation pour ses travaux sur l’électricité. Il se fait embaucher par Edison et s’est penché sur la production de courant. Il a notamment créé l’alternateur qui permet la production d’un courant alternatif.
Edison a proposé une importante somme d’argent à Tesla, s’il trouvait un moyen viable de transporter le courant alternatif. Après plusieurs mois d’un travail acharné, Tesla accomplit le défi lancé par Edison, mais ce-dernier refuse d’honorer ses engagements. Ceci entraine le départ de Tesla de l’Edison General Electric. Tesla s’associe par la suite avec George Westinghouse qui apporte surtout une aide financière. C’est ainsi que la Westinghouse Electric est fondée.
Le principal inconvénient du courant continu est sa difficulté de transport. Le conducteur électrique va opposer une résistance, mise en évidence par James Prescott Joule dans les années 1860. Il aboutit à la formule des pertes par effet joule pour une charge résistive:
Pe = R x I²
Avec Pe, les pertes en Watt
I en Ampère
R la résistance électrique du conducteur en ohm:
R = ρ x L / S
Avec ρ résistivité de la matière en Ω.m
L longueur du conducteur en m
S section du conducteur en m²
Comment minimiser les pertes par effet joule?
Aujourd’hui, les câbles en cuivre prédominent. Le cuivre a une résistivité de 10-6 Ω.m
La résistance électrique du conducteur est proportionnelle à sa longueur et inversement proportionnelle à sa section. On remarquera que les pertes peuvent être diminuées en augmentant la section du câble mais on se heurte par la suite à des problèmes de production, de coût et de réalisation. Il va être très difficile: - de réaliser un câble de plusieurs kilomètres de cuivre, d’une section de 1m ; - de payer la matière première ; - et de faire tenir ce câble sur des pylônes, par exemple.
Conclusion: la résistance électrique du conducteur ne peut être modifiée que très faiblement en augmentant légèrement la section.
On connaît également la relation suivante:
P = U x I
Avec P en Watt
I en Ampère
U en Volt
Nous allons étudier le circuit qui achemine un courant I à un consommateur pour déterminer le niveau des pertes. Le courant qui doit être acheminé chez le consommateur circule dans la ligne électrique. Ceci engendre les pertes lignes (par effet joule). Comme vu précédemment Pe = R x I².
Ex.: Pour une tension U = 220 V ; un courant I = 10 A ; une puissance consommée Pc = U x I = 220 X 10 = 2200 W ; une distance de d = 30 km (30’000m) qui sépare l’appareil de la centrale électrique ; une section du câble: S = 20 mm² = 20 x 10⁻⁶ m² :
La puissance de départ Pd que doit générer la centrale est :
Pd = Pe + Pc
Pd = ρ x L / S x I2 + U x I
Pd = (10-6 x 30’000 x 2) / (20 x 10-6) x 102 + 220 x 10
Pd = 300’000 + 2’200
Pd = 302’200 W
Cet exemple met en évidence que les pertes sont démesurées par rapport à la consommation du client (99,3 % de la production est perdue). Pour la diminuer, on peut jouer sur l’intensité: en réduisant l’intensité I à 1 A durant le transport, les pertes Pe sont de 3000 W (100 fois moins pour une réduction du courant de 10 fois) pour la puissance consommée identique.
Pour minimiser les pertes lignes, il faut donc un haut voltage sur la ligne!
Pour palier à ce problème de transport et de perte, il faut donc transporter le courant électrique en augmentant la tension. Tesla a mis au point un transformateur qui a pour caractéristiques de diminuer l’intensité du courant électrique en augmentant la tension associée et inversement. Cet appareil répond donc parfaitement à la nécessité de transporter le courant avec un minimum de pertes. Mais il ne fonctionne qu’avec le courant alternatif.
Le transformateur est constitué d’une carcasse de lamelles de métal ferromagnétique et de deux bobines de métal (majoritairement du cuivre): une par laquelle le courant entre, le primaire, et une par laquelle le courant sort, le secondaire.
Pd = Pe + Pc
Pd = ρ x L / S x I2 + U x I
Pd = (10-6 x 30’000 x 2) / (20 x 10-6) x 102 + 220 x 10
Pd = 300’000 + 2’200
Pd = 302’200 W
Cet exemple met en évidence que les pertes sont démesurées par rapport à la consommation du client (99,3 % de la production est perdue). Pour la diminuer, on peut jouer sur l’intensité: en réduisant l’intensité I à 1 A durant le transport, les pertes Pe sont de 3000 W (100 fois moins pour une réduction du courant de 10 fois) pour la puissance consommée identique.
Pour minimiser les pertes lignes, il faut donc un haut voltage sur la ligne!
Pour palier à ce problème de transport et de perte, il faut donc transporter le courant électrique en augmentant la tension. Tesla a mis au point un transformateur qui a pour caractéristiques de diminuer l’intensité du courant électrique en augmentant la tension associée et inversement. Cet appareil répond donc parfaitement à la nécessité de transporter le courant avec un minimum de pertes. Mais il ne fonctionne qu’avec le courant alternatif.
Le transformateur est constitué d’une carcasse de lamelles de métal ferromagnétique et de deux bobines de métal (majoritairement du cuivre): une par laquelle le courant entre, le primaire, et une par laquelle le courant sort, le secondaire.
Cet appareil fonctionne par induction et permet d’abaisser, d’augmenter ou de séparer des courants. La plaque de métal permet de guider le champ magnétique induit, le fil composant le primaire peut faire 20 m ou plus, le secondaire peut faire quant à lui 200 m et peut atteindre à certains endroits plus de 6 km! Cet appareil ne modifie pas la fréquence.
Dans une installation classique d’EDF, une turbine produit 15’000 V et après passage dans un transformateur, la tension peut monter à 400 kV!
Les principes de fonctionnement et les machines découvertes par Tesla (alternateur et transformateur) sont très proches de ceux utilisés aujourd’hui. Bien que ce soit Thomas Edison qui ait lancé l’exploitation de l’électricité, c’est Tesla qui a véritablement révolutionné l’utilisation et le transport de l’électricité.
S’en suit «la bataille des courants», qui oppose les partisans du courant continu et ceux du courant alternatif dans les années 1880 et 1890. En effet, ces deux formes du courant électrique ont chacune leurs avantages pour la distribution et la consommation. Une seule doit être choisie pour la distribution d’électricité à l’échelle mondiale.
Les adhérents au courant continu sont Thomas Edison aux États-Unis et Marcel Deprez en France. Le premier a créé sa propre société d’éclairage électrique, l’Edison Electric Light Co., tandis que le second éclaire de manière expérimentale le centre-ville de Grenoble en 1883. Le courant continu permet un stockage facile de l’électricité et fonctionne convenablement avec les lampes à incandescence ainsi que les moteurs dans l’industrie. Le courant continu est le seul utilisé au début des années 1880.
Cependant, il est vite concurrencé par le courant alternatif, qui a l’avantage d’être transporté avec beaucoup moins de pertes, grâce aux inventions de Tesla et Gaulard au milieu des années 1880. Cet avantage va se révéler déterminant et faire gagner la bataille aux partisans du courant alternatif malgré les campagnes de publicité d’Edison et l’opposition des lobbys qui avaient investi dans le courant continu. Edison a par exemple créé la chaise électrique pour démontrer la dangerosité du courant alternatif. Aux États-Unis, George Westinghouse a déjà démontré maintes fois l’efficacité du courant alternatif et obtient en 1893 un contrat pour installer un réseau de distribution dans tout le pays. En 1900, une très grande majorité des réseaux électriques utilise le courant alternatif.
Dans une installation classique d’EDF, une turbine produit 15’000 V et après passage dans un transformateur, la tension peut monter à 400 kV!
Les principes de fonctionnement et les machines découvertes par Tesla (alternateur et transformateur) sont très proches de ceux utilisés aujourd’hui. Bien que ce soit Thomas Edison qui ait lancé l’exploitation de l’électricité, c’est Tesla qui a véritablement révolutionné l’utilisation et le transport de l’électricité.
S’en suit «la bataille des courants», qui oppose les partisans du courant continu et ceux du courant alternatif dans les années 1880 et 1890. En effet, ces deux formes du courant électrique ont chacune leurs avantages pour la distribution et la consommation. Une seule doit être choisie pour la distribution d’électricité à l’échelle mondiale.
Les adhérents au courant continu sont Thomas Edison aux États-Unis et Marcel Deprez en France. Le premier a créé sa propre société d’éclairage électrique, l’Edison Electric Light Co., tandis que le second éclaire de manière expérimentale le centre-ville de Grenoble en 1883. Le courant continu permet un stockage facile de l’électricité et fonctionne convenablement avec les lampes à incandescence ainsi que les moteurs dans l’industrie. Le courant continu est le seul utilisé au début des années 1880.
Cependant, il est vite concurrencé par le courant alternatif, qui a l’avantage d’être transporté avec beaucoup moins de pertes, grâce aux inventions de Tesla et Gaulard au milieu des années 1880. Cet avantage va se révéler déterminant et faire gagner la bataille aux partisans du courant alternatif malgré les campagnes de publicité d’Edison et l’opposition des lobbys qui avaient investi dans le courant continu. Edison a par exemple créé la chaise électrique pour démontrer la dangerosité du courant alternatif. Aux États-Unis, George Westinghouse a déjà démontré maintes fois l’efficacité du courant alternatif et obtient en 1893 un contrat pour installer un réseau de distribution dans tout le pays. En 1900, une très grande majorité des réseaux électriques utilise le courant alternatif.
3. Les premiers pas de l’industrie électrique en France
Ce sont d’abord des usines à production de courant continu (charbon, pétrole, …) qui alimentent les édifices publics, magasins ou encore éclairage public. L’électricité et les installations qui l’accompagnent coûtent beaucoup trop cher pour les particuliers. Il s’agit d’un luxe.
Pour préparer l’Exposition Universelle de 1889 à Paris, un réseau de distribution d’électricité est créé. Paris est divisée en 6 secteurs: 4 en courant continu et 2 en courant alternatif.
Bellegarde-sur-Valserine, dans l’Ain, est la première ville de France éclairée à l’électricité, à partir de juillet 1884. Il y a ensuite La Roche-sur-Foron dans le département de la Haute-Savoie et en troisième ville, on trouve Bourganeuf qui est éclairée depuis le 9 mai 1886. A chaque fois, les usines de production d’électricité se trouvent toutes proches respectivement de la Valserine, du Foron et du ruisseau du Verger. Cependant, cette dernière station sera déplacée vers une cascade et Bourganeuf deviendra ainsi la première ville de France à avoir un lieu de production éloigné de son utilisation (environ 14 km de distance).
Ces villes pionnières se basent sur des centrales hydrauliques. L’animation suivante montre le fonctionnement de manière simplifiée d’une centrale hydraulique de nos jours.
Une centrale hydraulique fonctionne le plus souvent en association avec un barrage. Le barrage crée un lac de retenue alimenté par la fonte des neiges, les torrents ou encore la pluie. Le but est de convertir la vitesse du courant de l’eau en énergie électrique. L’eau doit donc être acheminée par des conduites forcées. La puissance de la centrale dépend de la vitesse de chute de l’eau et de son débit. Pour obtenir une puissance importante, deux facteurs rentrent en considération: le débit de l’eau et la vitesse de chute. La vitesse de chute est facilement modifiable en augmentant la pente ou encore la distance entre le barrage et la centrale. Une fois l’eau acheminée dans la centrale, elle est projetée sur une hélice et l’entraîne. La vitesse de la turbine peut-être accélérée par la présence de plusieurs jets. La rotation de la turbine est acheminée à un alternateur, ou bien à une dynamo lors des premières centrales. Les pertes sont ici réduites au minimum et sont bien loin des pertes des dynamos au charbon d’Edison par exemple. L’énergie électrique ainsi produite est évacuée dans le réseau électrique.
Aujourd’hui, les centrales hydrauliques sont le deuxième moyen de production d’électricité en France après le nucléaire. Ce type de production permet de s’ajuster facilement aux pics de consommation. L’eau n’est donc pas seulement vitale pour la vie mais également un moyen sûr et efficace d’avoir des réserves en électricité. Un barrage fonctionne 24h/24 et durant les périodes où la demande est faible, l’électricité produite est utilisée pour pomper l’eau à la sortie du barrage afin de la ramener dans le bassin supérieur. Ainsi, les augmentations de la demande seront mieux gérées!
Pour découvrir nos expériences, cliquez sur ce lien.
Aujourd’hui, les centrales hydrauliques sont le deuxième moyen de production d’électricité en France après le nucléaire. Ce type de production permet de s’ajuster facilement aux pics de consommation. L’eau n’est donc pas seulement vitale pour la vie mais également un moyen sûr et efficace d’avoir des réserves en électricité. Un barrage fonctionne 24h/24 et durant les périodes où la demande est faible, l’électricité produite est utilisée pour pomper l’eau à la sortie du barrage afin de la ramener dans le bassin supérieur. Ainsi, les augmentations de la demande seront mieux gérées!
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