Conversion et transport de l'énergie électrique

5.1 Introduction : pourquoi presque tout passe-t-il par l'électricité ?

Appuyez sur un interrupteur. Entre votre geste et la lumière, il y a peut-être une chute d'eau dans les Alpes, un réacteur nucléaire en Normandie, un champ d'éoliennes en mer du Nord, et à coup sûr plusieurs centaines de kilomètres de câbles. L'électricité qui arrive chez vous n'a été stockée nulle part : elle a été fabriquée pendant que vous appuyiez, et elle sera consommée dans la seconde.

C'est là son étrangeté. Le pétrole se met en cuve, le charbon en tas, le gaz en réservoir ; l'électricité, elle, ne se garde pas — ou alors au prix d'une conversion en autre chose. Et pourtant, aucune autre forme d'énergie n'a connu une telle fortune. En un siècle et demi, l'électricité est devenue le passage obligé de nos usages : elle éclaire, chauffe, transporte, calcule, communique. Pourquoi ?

Parce qu'elle réunit trois qualités qu'aucune autre forme d'énergie ne possède ensemble. Elle se convertit avec d'excellents rendements — un moteur électrique restitue plus de $90\%$ de ce qu'il reçoit, là où un moteur thermique en gaspille les deux tiers. Elle se transporte sur des milliers de kilomètres en ne perdant que quelques pour cent en route. Et surtout elle peut être obtenue sans combustion : c'est le seul vecteur d'énergie dont on sache produire de grandes quantités sans brûler quoi que ce soit, donc sans émettre de dioxyde de carbone au moment de la production. Dans un monde qui doit se décarboner, cette dernière propriété n'est pas un détail technique : c'est un argument de premier plan.

Ce chapitre suit donc l'électricité de bout en bout, en trois questions.

• Comment l'obtenir sans rien brûler ? Nous verrons qu'il n'y a que trois voies — pas quatre, pas dix — et que toutes les techniques connues, du barrage à la pile à hydrogène, se rangent dans l'une des trois. Nous apprendrons à décrire une chaîne de conversion et à en calculer le rendement.
• Que coûte cette production ? Ne rien brûler ne signifie pas ne rien abîmer. Chaque technique a ses effets sur l'environnement et la biodiversité, et ses risques propres. Les nommer honnêtement fait partie du travail scientifique.
• Comment l'acheminer et l'ajuster ? Une partie de l'énergie se dissipe en chaleur dans les lignes : c'est l'effet Joule, et c'est lui qui explique pourquoi les lignes qui traversent nos paysages sont portées à $400000$ volts. Enfin, puisque l'électricité ne se garde pas, il faut à chaque seconde équilibrer ce qui est produit et ce qui est consommé — ou convertir l'excédent en une forme stockable.

5.2 Un vecteur, pas une source : fixer le vocabulaire

Une phrase entendue partout : « produire de l'électricité ». Elle est commode, mais elle est fausse au sens strict, et cette fausseté embrouille tout le reste. On ne produit pas d'énergie : on la convertit. Ce qu'une centrale fabrique, c'est de l'énergie électrique à partir d'autre chose.

5.3 Obtenir de l'énergie électrique sans combustion

5.3.1 Le savoir : trois voies, et seulement trois

Cette classification n'est pas un rangement arbitraire de professeur. Elle répond à la question : quel phénomène physique fait apparaître le courant au bout du compte ? Il n'y en a que trois.

• L'induction électromagnétique. Un aimant bouge devant une bobine, ou l'inverse : une tension apparaît. C'est le phénomène découvert par Faraday en $1831$ et étudié au chapitre précédent. Il exige un mouvement, donc de l'énergie mécanique. Toute machine tournante — dynamo, alternateur, génératrice d'éolienne — repose sur lui.
• L'effet photovoltaïque. Un rayonnement arrache des porteurs de charge dans un matériau semi-conducteur : un courant apparaît sans qu'aucune pièce ne bouge. Aucune énergie mécanique n'intervient.
• La réaction d'oxydoréduction. Deux espèces chimiques échangent des électrons, mais on les sépare physiquement de sorte que les électrons soient contraints de passer par un circuit extérieur. C'est la pile.

5.3.2 Première voie : la conversion d'énergie mécanique

Conversion mécanique directe.

L'énergie mécanique est déjà là, dans l'environnement : il suffit de la capter.

• Le barrage hydroélectrique exploite l'énergie potentielle de pesanteur d'une masse d'eau retenue en hauteur. En descendant la conduite forcée, l'eau convertit cette énergie potentielle en énergie cinétique, qui fait tourner une turbine, qui entraîne un alternateur. C'est la filière la plus efficace que l'on sache construire : le rendement global d'une centrale hydraulique moderne dépasse couramment $85\%$.
• L'éolienne capte l'énergie cinétique du vent. Le rotor tourne, entraîne (avec ou sans multiplicateur) une génératrice.
• L'hydrolienne est une éolienne sous l'eau : elle capte l'énergie cinétique des courants de marée. L'eau étant environ $800$ fois plus dense que l'air, une hydrolienne récupère à vitesse égale beaucoup plus de puissance qu'une éolienne — mais les courants sont lents, et le milieu marin est très agressif pour les machines. La filière reste, à ce jour, largement expérimentale.
• La dynamo du vélo, enfin, n'est rien d'autre que le même principe à l'échelle du mollet.

Conversion mécanique indirecte, à partir d'énergie thermique.

Ici l'énergie mécanique n'existe pas au départ : il faut la fabriquer. Le procédé est toujours le même depuis le XIX^e siècle : on chauffe de l'eau, la vapeur sous pression pousse les aubes d'une turbine, la turbine entraîne un alternateur. Seule change la façon de chauffer.

• La centrale nucléaire tire sa chaleur de la fission de noyaux d'uranium 235. Aucune combustion : une réaction nucléaire, pas chimique.
• La centrale solaire thermodynamique concentre le rayonnement solaire par des miroirs sur un récepteur, où un fluide monte à plusieurs centaines de degrés. Elle se distingue radicalement du photovoltaïque, qui n'utilise pas la chaleur.
• La géothermie puise la chaleur du sous-sol. Elle est électrogène là où le gradient géothermique est fort (Islande, Italie, Indonésie, Kenya, Guadeloupe pour la France) ; ailleurs, elle sert surtout au chauffage.

5.3.3 Deuxième voie : la conversion de l'énergie radiative

Le panneau photovoltaïque convertit directement le rayonnement solaire en énergie électrique, sans passer ni par la chaleur ni par le mouvement. Il n'a aucune pièce mobile, ne fait aucun bruit, ne consomme pas d'eau, et fonctionne aussi bien sur un toit de pavillon que sur une sonde spatiale.

Son principe, l'effet photovoltaïque dans un semi-conducteur, a été étudié au chapitre précédent : seuls les photons dont l'énergie dépasse celle de la bande interdite du matériau créent une paire de porteurs de charge. C'est cette condition qui plafonne le rendement. Un module au silicium cristallin du commerce convertit aujourd'hui de l'ordre de $20$ à $22\%$ de l'énergie radiative qu'il reçoit.

5.3.4 Troisième voie : la conversion électrochimique

Une pile ne stocke pas d'électricité : elle stocke de l'énergie chimique, et la convertit en énergie électrique au moment où on la sollicite. Le principe est toujours le même. Deux couples oxydant-réducteur sont placés dans deux compartiments séparés. L'oxydation (perte d'électrons) se produit d'un côté, la réduction (gain d'électrons) de l'autre. Comme les deux espèces ne peuvent pas se rencontrer directement, les électrons n'ont d'autre chemin que le circuit extérieur : ce déplacement d'électrons est le courant.

Principe d'une pile à combustible à hydrogène. Les deux

demi-réactions sont séparées par une membrane qui ne laisse passer que les ions ${\mathrm{H}}^{+}$ : les électrons sont contraints d'emprunter le circuit extérieur, et ce passage forcé constitue le courant. Le seul produit rejeté est

de l'eau.

5.3.5 Savoir-faire : décrire une chaîne de conversion

Six chaînes de conversion aboutissant toutes à de l'énergie

électrique, sans aucune combustion. Les quatre premières se terminent par un alternateur ou une génératrice : elles reposent sur l'induction. Les deux

dernières s'en passent complètement — aucune pièce ne tourne.

5.4 Le rendement : ce qui reste et ce qui se perd

5.4.1 Définir