ÉLECTRICITÉ - Électrotechnique

ÉLECTRICITÉ - Électrotechnique

Au sens littéral du terme, l’électrotechnique réalise l’application pratique des lois de l’électricité. Une telle définition conduirait à concevoir un domaine immense et sans unité véritable. Aussi, substantif ou qualificatif, le mot «électrotechnique» a-t-il toujours eu une signification plus restrictive.

Cette signification ne peut être précisée qu’en se représentant le champ des applications de l’électricité comme un ensemble de domaines connexes. La définition de chacun de ces domaines et leurs frontières restent pour une large part arbitraires et diffèrent selon les époques et les hommes de science.

Si l’on peut confondre électrotechnique et applications de l’électricité aux XVIII^e et XIX^e siècles, l’invention en 1904 de la lampe diode par John Ambrose Fleming introduit la première distinction et conduit à définir un domaine nouveau, celui des applications de l’électricité relatives au passage du courant électrique dans le vide ou dans un gaz raréfié: c’est la naissance de l’électronique. L’électrotechnique traite alors des applications de l’électricité quand le passage du courant électrique a lieu dans des conducteurs métalliques.

Cette distinction reste exacte tant que les «lampes» et tubes à vide ou à gaz assurent les fonctions d’amplification, d’oscillation, de détection et de redressement, c’est-à-dire jusqu’à l’avènement des semi-conducteurs. Ceux-ci se sont aisément substitués aux tubes, l’électronique les ayant annexés bien que les travaux de recherche dans ce domaine soient du ressort de la physique des solides, discipline sans lien très net avec l’électronique. De plus, les semi-conducteurs ne cessent d’évoluer, en mettant en œuvre des puissances chaque jour plus importantes. Un nouveau domaine d’application de l’électricité en est donc issu, communément appelé l’électronique de puissance.

Depuis lors, les évolutions techniques se sont précipitées, avec, dans les disciplines récentes, l’automatique, groupant, dans une chaîne d’action, un dispositif considéré habituellement comme électrotechnique et, dans une chaîne de réaction, un organe qualifié d’électronique avec les mêmes restrictions, phénomène qui illustre la fragilité de ces notions.

Aussi peut-on proposer une autre définition de l’électrotechnique qui, vraie aujourd’hui, devra peut-être évoluer: «L’électrotechnique étudie les lois de la physique en vue de la production, du transport et de la distribution de l’énergie électrique, de sa transformation et de ses utilisations.»

1. Historique

Les lois fondamentales de l’électricité

Les fondements théoriques des diverses branches de la physique – mécanique, thermodynamique, électricité... – reposent sur des postulats suggérés par l’expérience. Ces postulats demeurent, dans chaque discipline, la base fondamentale tant qu’un fait ou une considération nouvelle ne vient les infirmer. Les équations de Maxwell sont l’aboutissement de nombreux travaux, parmi lesquels se distinguent ceux d’Ampère et de Faraday (cf. ÉLECTRICITÉ – Histoire de l’électricité); elles constituent les postulats de l’électricité.

James Clerk Maxwell, alors professeur au collège Cavendish, publie, en 1873, un ouvrage fameux: Treatise on Electricity and Magnetism . Sous une forme mathématique aujourd’hui abandonnée, Maxwell pose en six équations les fondements de l’électricité. Celles-ci, exprimées dans un langage moderne, constituent le système suivant:

où つ, っ, で, ち, ど désignent respectivement les vecteurs champ électrique, induction électrique, champ magnétique, induction magnétique et densité de courant. V représente le potentiel électrique, だ le potentiel vecteur magnétique et 福 la charge électrique volumique.

Le système (1) est insuffisant pour décrire complètement les états électriques de la matière. Il faut y ajouter les relations suivantes liées au milieu et qui font intervenir la conductivité électrique 塚 , la perméabilité magnétique 猪 et la permittivité diélectrique 﨎 :

Les deux dernières équations de ce système sont relatives aux diélectriques et aux milieux magnétiques dits «idéaux» (cf. ÉLECTRICITÉ - Électromagnétisme).

Les grandes découvertes

Dès la seconde moitié du XVIII^e siècle, des découvertes influencent le développement de l’électrotechnique. À ce point de vue, les plus notables d’entre elles sont relatives aux propriétés de corps destinés à devenir les matériaux de base de cette discipline. Ainsi les premiers travaux sur la polarisation des diélectriques datent de 1758, avec Johan Carl Wilcke; les travaux sur l’hystérésis magnétique, de 1880, avec Emil Gabriel Warburg. En 1907, Pierre Weiss, en justifiant le ferromagnétisme, consolide un édifice théorique dont l’électrotechnique constitue l’application directe.

Parallèlement, les recherches en physicochimie trouvent d’importants prolongements. Au début du XIX^e siècle, Volta découvre la pile électrique, Davy réalise l’électrolyse de bases alcalines et obtient les métaux correspondants. En 1834, Faraday, en établissant les lois de l’électrolyse, fournit les relations quantitatives qui manquent aux travaux de ses prédécesseurs Davy, Berzelius, Theodor Grotthuss. Le phénomène d’électrolyse donne naissance à l’électrochimie, dont Faraday imagine la terminologie essentielle (ion, anode, cathode...).

En revanche, d’autres découvertes d’un intérêt théorique souvent capital restent sans applications. Ainsi l’essor des convertisseurs électroniques est dû à la conquête de l’espace, alors que Thomas Seebeck a mis en évidence l’effet thermoélectrique en 1821, Owen Williams Richardson l’effet thermo-ionique en 1900 et que la théorie de l’effet photoélectrique est due à Einstein. De même, si Heike Kamerlingh Onnes découvre en 1911 le phénomène de supraconduction, les recherches en électrotechnique supraconductrice en sont à leurs débuts.

Les réalisations techniques

Les réalisations techniques constituent les applications proches ou lointaines des découvertes théoriques.

Au moment où s’édifie l’électrostatique (XVII^e et XVIII^e siècles), Otto von Guericke construit une machine à globe de soufre tournant (1663), Petrus van Musschenbroek et Ewald Georg von Kleist découvrent le condensateur (bouteille de Leyde, 1746).

En 1800, la pile de Volta marque l’essor de l’électrotechnique. Johann Schweigger réalise en 1821 un «multiplicateur», ancêtre du galvanomètre, tandis que William Sturgeon construit le premier électroaimant (1825). En 1828 s’ouvre l’ère des machines tournantes , avec la roue de Barlow. Les réalisations dans ce domaine se succèdent rapidement. Hippolyte Pixii construit en 1882 une machine tournante hétéropolaire. En 1869, Zénobe Gramme invente le collecteur et réalise la première dynamo, dont John Hopkinson fait la théorie (1886). Deux ans plus tard, Galileo Ferraris et Nikola Tesla construisent un moteur d’induction industriel. Enfin, en 1892, Paul Boucherot et André Blondel étudient le couplage des alternateurs. Les machines tournantes essentielles sont créées. Elles ne subiront plus que des modifications mineures.

À cette date, le transformateur est découvert, le transport de l’énergie électrique conçu sous sa forme actuelle. Lucien Gaulard et Gibbs, en 1882, déposent un brevet relatif à un «générateur secondaire», qu’ils expérimentent l’année suivante à Londres. En 1884, Gaulard réalise la première transmission électrique en courant alternatif entre l’exposition de Turin et la gare de Lanzo, distante de 37 kilomètres. Trois ingénieurs hongrois, Deri, Blathy et Zipernowsky, qui assistent à cette exposition, remarquent les graves imperfections du générateur secondaire, notamment son circuit magnétique ouvert. Ils conçoivent, en 1885, le transformateur sous une forme qu’il a pratiquement conservée de nos jours.

Dès lors, les progrès techniques vont se traduire par des performances accrues dans tous les domaines (puissance et rendement des machines, interconnexion des réseaux, tension des lignes de transport). Mais, après la Seconde Guerre mondiale, apparaît un visage nouveau de l’électrotechnique.

2. Évolution de la production, du transport et de la distribution de l’énergie électrique

L’évolution de la production, du transport et de la distribution électriques, conditionnés par des facteurs géographiques, liés à la politique et à l’économie, constitue pour chaque État un chapitre d’histoire. Néanmoins, certains processus techniques ou économiques apparaissent comme plus généraux. Le développement des centrales nucléaires illustre cette remarque. Les réacteurs nucléaires en fonctionnement au début des années quatre-vingt-dix appartiennent à des familles technologiques distinctes. En France et en Grande-Bretagne, on utilise comme combustible l’uranium naturel et un système de refroidissement alimenté en eau ordinaire sous pression. Les puissances couramment installées sont de l’ordre de 900, de 1 300 et de 1 450 mégawatts, avec des besoins en combustible qui varient de 140 à 200 tonnes. d’uranium par an. Aux États-Unis, les centrales nucléaires utilisent de l’uranium enrichi.

La voie du surgénérateur, une réponse possible à la carence redoutée en uranium, demeure à l’état expérimental. Ces réacteurs, susceptibles de produire et de consommer du plutonium 239 à partir du plutonium 239 produit dans les réacteurs nucléaires classiques et d’uranium 238, offriraient une solution dans le sens où ils peuvent également «brûler» d’autres actinides résultant de l’irradiation des combustibles, tout en tirant soixante fois plus d’énergie d’une même quantité d’uranium que les centrales nucléaires conventionnelles.

La France

La production annuelle d’énergie électrique en France, de l’ordre du milliard de kilowatt-heures en 1910, a atteint le chiffre de 433 milliards en 1991. Stagnante entre 1930 et 1945, elle a, depuis lors, doublé tous les dix ans, à l’instar des chiffres de consommation.

Avant la Première Guerre mondiale, l’énergie électrique est produite par un grand nombre d’usines isolées. Certaines se groupent, réalisant par là un embryon d’interconnexion. Après 1918, de grandes zones électrifiées sont créées, tels le Nord ou la région parisienne, que se partagent quatre

sociétés.

On entreprend l’exploitation des ressources hydrauliques (Pyrénées, Massif central, Rhin, Rhône) jusqu’à la Seconde Guerre mondiale. Le transport de l’énergie électrique dans ces différentes zones est effectué sous une tension de 60 kilovolts. Des échanges sont possibles entre zones sous 150 kilovolts.

En avril 1946, usines génératrices et réseaux, nationalisés dans leur quasi-totalité, sont regroupés en un organisme d’État, Électricité de France. Celui-ci procède à l’interconnexion électrique complète du pays avec, notamment, la mise en place de lignes de transport sous 220 kilovolts (ultérieurement sous 380 kV). On peut estimer que cette interconnexion a été réalisée lors de la disparition, en 1955, de l’ancien réseau du Sud-Ouest à 25 hertz.

Électricité de France se soucie, d’autre part, d’implanter des usines génératrices nouvelles. De grandes centrales hydrauliques sont construites: Génissiat en 1948 (325 MW), Donzère-Mondragon en 1952 (310 MW). Les fleuves (Rhin, Rhône, Durance, Dordogne), les cuvettes glaciaires (Tignes) sont systématiquement et méthodiquement aménagés. Mais les réserves hydrauliques diminuent rapidement. Il apparaît nécessaire, à partir des années cinquante, d’éviter un épuisement brutal du gisement qui contraindrait les constructeurs de matériel à une reconversion totale et immédiate. Il est décidé de réduire progressivement l’importance des programmes de réalisations dans ce domaine. Les centrales suivantes: le Mont-Cenis (affluents de l’Arc), Gerstheim (Rhin), Vouglans (Ain), Manosque-Sainte-Tulle (Durance), Strasbourg (Rhin), Golfech (Garonne), Mallemort (Durance), Croiselet-Vouglans (Ain), auxquels il faut ajouter divers ouvrages sur l’Arc moyen, ont, lors de leur mise en service, entre 1970 et 1973, une capacité de production de 1,4 milliard de kilowattheures, ce qui représente une part modeste dans la croissance annuelle. Dans le domaine thermique, les groupes de la centrale de Saint-Denis sont, en 1939, les unités les plus puissantes en service (de 50 à 60 MW, admission de la vapeur à 450 ou 500 ⁰C sous 64 憐 10⁵ Pa). À la création d’Électricité de France, on met en place, pour faire face aux besoins immédiats, des unités de 20 à 100 mégawatts prévues par les anciennes sociétés. Mais on doit très vite envisager l’augmentation de la puissance unitaire. Pour éviter que cette transformation ne s’effectue de façon anarchique, on décide de procéder par paliers techniques, dont voici les caractéristiques:

– 1951, palier de 125 mégawatts, admission de la vapeur à 540 ⁰C sous 125 憐 10⁵ pascals, resurchauffe à 540 ⁰C; premières centrales construites: Creil, Nantes, Arrighi;

– 1956, palier de 250 mégawatts, admission de la vapeur à 565 ⁰C sous 165 憐 10⁵ pascals, resurchauffe à 565 ⁰C; première centrale construite: Champagne-sur-Oise;

– 1967, palier de 600 mégawatts, mêmes caractéristiques thermodynamiques que pour le palier de 250 mégawatts; première centrale construite: Porcheville B.

La diminution de l’importance relative des équipements hydrauliques de haute ou moyenne chute réduit progressivement les moyens dont dispose Électricité de France pour fournir la puissance dite de pointe. Cela est d’autant plus grave que les nouvelles centrales, usines hydrauliques au fil de l’eau (Rhône, Rhin), centrales nucléaires ou thermiques de grande puissance sont incapables de fonctionner selon un régime souple adapté à la demande; aussi est-il nécessaire de construire des centrales dites de pointe utilisant surtout des turbines à gaz (centrales de Saint-Dizier, de Brest-Porzic).

Mais très vite, et en fait dès 1955, Électricité de France décide de travailler, en collaboration avec le Commissariat à l’énergie atomique (C.E.A.), à la réalisation de centrales nucléaires, afin de produire, à terme, une énergie plus économique que celle qui provient des sources conventionnelles. Les premiers pas à la centrale de Chinon s’avèrent difficiles. En 1967, c’est le début de la construction de deux centrales nucléaires de la filière uranium naturel-gaz-graphite (Saint-Laurent-des-Eaux et le Bugey), tandis que la centrale à eau lourde des monts d’Arrée est couplée sur le réseau. Les deux centrales entrent en service en 1971 et 1972. Mais, entre-temps, c’est vers la filière des réacteurs à eau ordinaire sous pression que l’on s’oriente avec, en 1970, la première mise en route d’une centrale de 305 mégawatts, celle de Chooz. Le programme électronucléaire est lancé: de Fessenheim en 1977 à Golfech en 1990, ce sont cinquante-deux unités qui vont ainsi voir le jour au fil des années soixante-dix et quatre-vingt, avec des puissances croissantes, les grandes étapes étant de 900, 1 300 et désormais 1 450 mégawatts. Car si le programme nucléaire a ralenti, passant de huit tranches en 1981 à une tranche en 1991 (Cattenom 4), la mise en service de cinq réacteurs est ensuite effectuée sur les sites de Chooz, de Penly et de Golfech, notamment.

Quant aux surgénérateurs, testés dès 1972 à Creys-Malville avec Phénix puis Superphénix, ils restent encore à l’état de prototypes, avec leur lot habituel de pannes, d’arrêts et de remises en marche.

La Grande-Bretagne

Jusqu’à la Première Guerre mondiale, la production et la distribution de l’énergie électrique britannique sont laissées à la libre initiative de l’industrie privée en vertu de la loi de 1882 (Electric Lighting Act). Le conflit révèle les faiblesses de ce système. Aussi, dès 1919, une réorganisation est-elle mise en place à l’échelle régionale (Electricity Act). La mesure est insuffisante et la création d’un organisme national s’impose (Electricity Supply Act, 1926). Celui-ci, le Central Electricity Board, conserve une structure de compagnie privée. Son programme comporte trois points essentiels: l’implantation rationnelle d’usines génératrices, la création d’un réseau de transport à 132 kilovolts, la standardisation de la fréquence. Onze ans après la création du C.E.B., une enquête révèle que nombre d’imperfections subsistent.

En 1947, les usines génératrices et le réseau de transport sont nationalisés et placés sous la direction d’un organisme d’État (British Electricity Authority). La première décision importante de la B.E.A. est l’adoption d’un plan décennal en vue de la création d’un réseau de transport à 275-300 kilovolts (1947). Première réalisation, le tronçon Staythorpe-Sheffield est inauguré en 1953.

Dans ce pays riche en pétrole (81,4 millions de tonnes d’équivalent pétrole [Mtep]) mais aussi en charbon (61,4 Mtep), la production de l’énergie électrique est caractérisée par la prépondérance des centrales thermiques classiques, les quelques centrales hydrauliques, de moyenne puissance, alimentant principalement les usines écossaises d’aluminium, tandis que le nucléaire, en 1988, ne représente, avec 53,3 milliards de kilowatts, que 18,8 p. 100 d’une production globale de 283 milliards de kilowatts. En 1990, son parc arrivait en sixième position mondiale derrière les parcs électronucléaires existant aux États-Unis, en France, en Union soviétique, au Japon et en Allemagne.

La privatisation et le découpage régional entrepris au début des années quatre-vingt-dix pourraient donner un coup de fouet à la production électrique britannique.

Les États-Unis d’Amérique

Au États-Unis, on assiste, à la fin du XIX^e siècle, au développement d’usines d’intérêt local produisant de l’énergie électrique continue sous basse tension. Il n’est alors question ni de transport ni d’interconnexion. Cette période est brève et l’année 1900 voit l’avènement du courant alternatif au niveau de la région; les groupements d’usines, devenus possibles, se multiplient en conciliant des intérêts plus souvent financiers que techniques ou économiques. Devant cet état de fait, le Congrès vote, en 1935, une loi définissant et limitant les regroupements (Public Utility Holding Company Act). Vingt ans sont nécessaires à la commission chargée de faire appliquer cette loi pour obtenir la réorganisation complète du réseau, usines et lignes de transport.

L’importance du gisement hydraulique a rapidement nécessité une juridiction spéciale. Dès 1920, donc antérieurement au Public Utility Holding Company Act, une loi (Federal Water Power Act) avait institué une commission dont les attributions comportaient notamment le contrôle des sources d’énergie hydraulique. Élargi, le Federal Water Power Act est, en 1935, incorporé dans la loi citée plus haut. D’autre part, à partir de 1906, l’État fédéral était devenu lui-même producteur d’énergie électrique d’origine hydraulique; c’est ainsi qu’il aménage le rio Colorado (Boulder Canyon Act, 1928). En 1968, le quart du gisement hydraulique est équipé, à savoir les Grands Lacs et le Saint-Laurent, l’Ohio et son affluent le Tennessee, le Colorado et son affluent la Gila, et la Columbia. L’aménagement du Mississippi, du Missouri et de la vallée centrale de la Californie est entrepris à cette époque.

Malgré l’importance de leurs infrastructures hydrauliques, les États-Unis se sont offert le premier parc électronucléaire mondial, avec plus d’une centaine d’unités. Mais la catastrophe de Three Miles Island, en 1979, a mis l’accent sur la vétusté de nombre d’entre elles et sur l’urgence d’en moderniser les équipements de sécurité.

L’U.R.S.S. et la C.E.I.

La production d’électricité en U.R.S.S. fut conditionnée par l’importance des ressources énergétiques traditionnelles.

Les centrales thermiques utilisent des combustibles économiques (gaz naturel, charbon extrait à ciel ouvert). Leur production représente 80 p. 100 du total national.

L’équipement du gisement hydraulique défini par les plans successifs concerne actuellement la Sibérie. Les ouvrages sont gigantesques, qu’il s’agisse de ceux du Dniepr, de la Volga, ou de l’Ienisseï. Bratsk, sur la Toungouska supérieure, est restée l’une des centrales hydrauliques les plus puissantes du monde.

Pourtant, malgré ses ressources hydrauliques et ses gisements d’énergie fossile, l’U.R.S.S. a, pour développer son économie et en particulier ses industries lourdes, construit des centrales nucléaires qui lui ont permis d’avoir le troisième parc par ordre d’importance. Mais la tragédie de Tchernobyl, en 1986, a montré les limites des technologies et des sécurités en œuvre. La pollution nucléaire qui s’est ensuivie a donné un coup de frein à l’ensemble des industries nucléaires civiles. On attend de la Communauté des États indépendants (C.E.I.) une modernisation de son parc électronucléaire.

3. Perspectives

Si les pays industrialisés et à haut niveau de vie se sont dotés des infrastructures nécessaires à la production, au transport et à la distribution de l’énergie électrique, les pays en voie de développement n’ont pas encore un tel équipement. L’ouverture des pays de l’Est a, en outre, prouvé la vétusté de certaines centrales qui, certes, produisaient de l’électricité en fonction des besoins industriels de ces pays à commerce d’État, mais dans de médiocres conditions de sécurité et avec de grands risques de pollution pour les hommes et l’environnement.

Qu’il s’agisse donc de centrales thermiques classiques pour les pays exploitant encore des gisements de charbon ou de lignite dans de bonnes conditions de rentabilité, de centrales hydrauliques là où le réseau fluvial encourage à l’aménagement de barrages, ou de centrales nucléaires pour les pays qui ont fait ce choix technologique, les chantiers de construction de centrales sont désormais pléthore. De la Chine au Lesotho, en passant par le Cachemire ou le Paraguay, les projets sont nombreux et reçoivent l’aval de la Banque mondiale. Car, sans une production nationale d’énergie électrique, aucun développement n’est possible en aval: même si la distribution finale est encore une étape à long terme, les gouvernements ont désormais mis le dossier électrique au rang des priorités.

Les pays à haut niveau technologique consacrent désormais tous leurs efforts à la protection de l’environnement. Si les énergies fossiles ont été durement concurrencées par l’avènement du nucléaire, les centrales thermiques conventionnelles sont parvenues à trouver un second souffle grâce à des techniques de combustion en chaudières à lit fluidisé circulant, sans émanation de gaz sulfureux et toxiques.

Quant au nucléaire, outre les mesures de surveillance dont on entoure désormais le fonctionnement des centrales, c’est à l’élimination des déchets que s’emploient des organismes comme, en France, la Cogema. On peut dire que le quart du coût du combustible nucléaire est investi dans son retraitement et la gestion des déchets. Le site de la Hague, près de Cherbourg, est à ce titre exemplaire puisqu’il assure ces opérations à l’échelle mondiale. Le cycle débute, en fait, à l’atelier de vitrification de Marcoule, en fonctionnement à un rythme industriel depuis 1978. Les produits de fission y sont vitrifiés dans des puits bétonnés avant que les conteneurs partent vers les usines de retraitement de la Hague, encore agrandies au début des années quatre-vingt-dix.

Enfin, selon les années, selon l’évolution des prix du baril de pétrole et celle du dollar américain avec lequel l’or noir continue d’être payé, c’est à l’économie des ressources énergétiques, dont une gestion optimale de l’électricité, que s’adonnent les chercheurs. Tandis que les électrochimistes, également alertés par le poids croissant de la facture pétrolière payée par les automobilistes, tentent d’offrir une solution électrique à la voiture de demain.

Encyclopédie Universelle. 2012.