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.</div>

iRemarqueL'hydrogène n'est pas une ressource

Il n'existe pratiquement pas de dihydrogène libre sur Terre : il faut le fabriquer. Aujourd'hui, l'essentiel de la production mondiale provient du vaporeformage du méthane, qui émet du dioxyde de carbone. On peut aussi l'obtenir par électrolyse de l'eau — mais il faut alors de l'électricité, et le bilan de l'ensemble dépend entièrement de la manière dont cette électricité a été obtenue. Le dihydrogène est donc un vecteur énergétique, au même titre que l'électricité, et non une énergie primaire. Nous le retrouverons plus loin comme moyen de stockage.

5.3.5 Savoir-faire : décrire une chaîne de conversion

Méthode : Décrire une chaîne de transformations énergétiques

Pour décrire la chaîne qui mène d'une ressource primaire à l'énergie électrique, procéder ainsi.

• Nommer la ressource primaire et sa forme d'énergie. Le vent : énergie mécanique (cinétique). L'eau d'un lac de barrage : énergie mécanique (potentielle). L'uranium : énergie nucléaire. Le Soleil : énergie radiative. Le dihydrogène : énergie chimique.
• Lister les convertisseurs dans l'ordre, un par flèche. Chaque flèche porte le nom d'un objet (turbine, alternateur, cellule photovoltaïque, échangeur), jamais d'un verbe vague comme « transformation ».
• Écrire la forme d'énergie entre deux flèches. Une chaîne correcte alterne strictement formes d'énergie et convertisseurs : $$\text{meˊca.}\stackrel{\text{alternateur}}{\to }\text{eˊlec.}$$
• Terminer par l'énergie électrique, et non par l'usage : la chaîne demandée s'arrête là où le courant est disponible.
• Contrôler qu'aucune étape n'a été sautée. L'erreur la plus fréquente consiste à écrire « uranium $\to$ électricité » : il manque la chaleur, la vapeur, la turbine. Une centrale nucléaire est une machine à vapeur.
• Indiquer, si on le demande, les pertes par une flèche descendante à chaque étage : ce sont presque toujours des pertes thermiques.

$\leftrightarrow$ Grandeurs et mesures ; grandeurs proportionnelles ; grandeurs quotients : chaque étage sera ensuite affecté d'un rendement, qui est un quotient sans unité.

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.</div>

Exemple 5.7Une chaîne détaillée : la centrale nucléaire

Le programme demande de ne pas escamoter d'étape. Voici la chaîne complète d'un réacteur à eau pressurisée.

$$\begin{array}{rl}\text{eˊnergie nucleˊaire}& \underset{\text{fission}}{\overset{\text{combustible}}{\to }}\text{eˊnergie thermique (circuit primaire)}\\ & \underset{\text{de vapeur}}{\overset{\text{geˊneˊrateur}}{\to }}\text{eˊnergie thermique (circuit secondaire)}\\ & \stackrel{\text{turbine}}{\to }\text{eˊnergie meˊcanique}\stackrel{\text{alternateur}}{\to }\text{eˊnergie eˊlectrique}\end{array}$$

Trois circuits d'eau séparés interviennent : le circuit primaire, sous pression et radioactif, qui traverse le cœur ; le circuit secondaire, où l'eau se vaporise et actionne la turbine ; le circuit de refroidissement, qui condense cette vapeur et évacue vers la rivière, la mer ou l'air la chaleur non convertie. Cette séparation est autant un dispositif de sûreté qu'un choix thermodynamique.

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

5.4.1 Définir

Définition 5.8Rendement d'un convertisseur

Le rendement $\eta$ (lettre grecque « êta ») d'un convertisseur est le quotient de l'énergie utile qu'il restitue par l'énergie qu'il a reçue : $$\eta =\frac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{rec¸ue}}}=\frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{rec¸ue}}}.$$ C'est un nombre sans unité, compris entre $0$ et $1$, souvent exprimé en pourcentage. La différence $E_{\text{rec¸ue}}-E_{\text{utile}}$ est perdue, presque toujours sous forme de chaleur dissipée dans l'environnement.

iRemarquePourquoi $\eta ⩽1$, toujours

L'énergie se conserve : rien ne se perd au sens strict, tout se retrouve. Mais une partie se retrouve sous une forme dont on ne peut plus rien faire — de la chaleur diffuse à la température ambiante. Un rendement supérieur à $1$ signifierait qu'un appareil restitue plus d'énergie qu'il n'en reçoit : c'est impossible, et toute annonce de ce type (les « générateurs à énergie libre » qui refleurissent périodiquement sur les réseaux sociaux) doit être tenue pour fausse sans même examiner le dispositif. C'est l'un des rares cas où un raisonnement de principe suffit à trancher.

Démonstration (Le rendement d'une chaîne est le produit des rendements)

Considérons une chaîne à deux convertisseurs. Le premier reçoit $E_0$ et restitue $E_1={\eta }_1{E}_0$. Le second reçoit $E_1$ et restitue $E_2={\eta }_2{E}_1$. Donc $$E_2={\eta }_2\times ({\eta }_1{E}_0)=({\eta }_1{\eta }_2)E_0,\text{soit}{\eta }_{\text{global}}=\frac{E_2}{E_0}={\eta }_1\times {\eta }_2.$$ Le raisonnement se répète de proche en proche : pour $n$ étages, ${\eta }_{\text{global}}={\eta }_1\times {\eta }_2\times \cdots \times {\eta }_n$.

iRemarqueUne conséquence qu'il faut avoir en tête

Un produit de nombres inférieurs à $1$ décroit vite. Cinq étages à $90\%$ chacun ne donnent pas $90\%$, ni même $50\%$, mais $0,9^5\approx 0,59$, soit $59\%$. C'est pourquoi les ingénieurs cherchent à supprimer des étages plutôt qu'à améliorer chacun d'eux : supprimer une conversion est toujours plus rentable que gagner deux points sur l'une d'elles.

5.4.2 Savoir-faire : calculer un rendement global

Méthode : Calculer le rendement global d'un système de conversion

• Identifier l'entrée et la sortie du système que l'on étudie, et les écrire noir sur blanc. Le rendement d'une centrale nucléaire n'est pas le même selon qu'on part de l'énergie thermique libérée dans le cœur ou de l'énergie contenue dans le minerai d'uranium extrait.
• Vérifier l'homogénéité. On divise deux énergies (en J, ou en kWh, ou en tep) ou deux puissances (en W), jamais une énergie par une puissance. Convertir avant de diviser si les unités diffèrent.
• Cas d'une chaîne : multiplier les rendements des étages, $\eta ={\eta }_1{\eta }_2\cdots {\eta }_n$.
• Cas d'un bilan : $\eta =P_{\text{utile}}/P_{\text{rec¸ue}}$ directement. Contrôler que la somme de la puissance utile et des puissances perdues redonne bien la puissance reçue.
• Exprimer en pourcentage et juger le résultat. Un rendement de $110\%$ signale une erreur ; un rendement de $0,3\%$ aussi, le plus souvent une erreur d'unité (kW pris pour W).

$\leftrightarrow$ Grandeurs quotients ; proportionnalité : le rendement est un quotient de deux grandeurs de même nature, donc un nombre pur ; il se comporte comme un coefficient multiplicateur, et les coefficients successifs se multiplient — exactement comme des pourcentages d'évolution enchainés.

Bilan de puissance d'un réacteur à eau pressurisée de

$900$ mégawatts électriques. La largeur de chaque bande est proportionnelle à la puissance qu'elle représente. Les deux tiers de la chaleur produite ne sont pas convertis : ils sont évacués. Ce n'est pas un défaut de fabrication, c'est la limite thermodynamique d'une machine thermique.</div>

Exemple 5.9Trois rendements globaux, trois filières

Barrage. Turbine $0,92$, alternateur $0,98$, transformateur $0,99$ : $\eta =0,92\times 0,98\times 0,99\approx 0,89$, soit $89\%$.

Éolienne. Le rotor ne peut prélever au maximum que $16/27\approx 59,3\%$ de la puissance du vent (c'est la limite dite de Betz, établie en $1919$ : si la machine prenait tout, l'air s'arrêterait derrière elle et n'aurait plus de raison de la traverser). En pratique le rotor atteint $0,45$, la génératrice $0,96$, l'électronique de puissance $0,97$ : $\eta \approx 0,45\times 0,96\times 0,97\approx 0,42$.

Chaîne de l'hydrogène. Électrolyse $0,68$, compression et transport $0,90$, pile à combustible $0,55$ : $\eta \approx 0,68\times 0,90\times 0,55\approx 0,34$. Pour restituer $1$ kWh électrique, il a fallu en injecter environ $3$.

Convertisseur	Rendement typique
Alternateur de grande puissance	$0,97$ à $0,99$
Transformateur de puissance	$0,98$ à $0,995$
Turbine hydraulique	$0,85$ à $0,93$
Moteur électrique	$0,85$ à $0,95$
Rotor d'éolienne (limite de Betz $0,59$)	$0,35$ à $0,48$
Module photovoltaïque au silicium	$0,18$ à $0,22$
Pile à combustible à hydrogène	$0,45$ à $0,60$
Turbine à vapeur d'une centrale nucléaire (bilan global)	$0,32$ à $0,36$
Moteur thermique d'automobile	$0,25$ à $0,40$
Lampe à incandescence (lumière visible)	$0,02$ à $0,05$

iRemarqueLe rendement ne dit pas tout

Comparer le $42\%$ d'une éolienne au $89\%$ d'un barrage n'a guère de sens : le vent est gratuit et inépuisable, et un rendement faible sur une ressource gratuite ne coûte rien. Le rendement compte quand la ressource est chère (l'uranium, le gaz) ou quand l'énergie a déjà été payée une fois (le stockage : c'est là que le $34\%$ de la chaîne hydrogène devient un vrai problème). Un rendement est un chiffre honnête, mais ce n'est pas un jugement.

5.5 Ce que coûte une centrale : environnement, biodiversité, risques

5.5.1 Le savoir : sans combustion ne veut pas dire sans conséquence

Proposition 5.10Les effets et les risques des filières sans combustion

Ces méthodes sans combustion ont néanmoins un effet sur l'environnement et la biodiversité ou présentent des risques spécifiques (pollution chimique, déchets radioactifs, accidents industriels, etc.).

L'absence de combustion supprime le rejet direct de dioxyde de carbone. Elle ne supprime ni l'emprise au sol, ni les prélèvements de matière, ni les perturbations des milieux, ni les risques industriels. Une évaluation scientifique honnête d'une filière énergétique ne se réduit jamais à son bilan carbone.

5.5.2 Filière par filière

Hydroélectricité.

Un barrage ennoie une vallée : il détruit les habitats terrestres qu'il submerge et en crée d'autres, aquatiques. Il coupe surtout la continuité de la rivière. Les poissons migrateurs — saumon, anguille, alose — ne peuvent plus rejoindre leurs frayères, d'où l'obligation légale d'aménager des passes à poissons sur les ouvrages nouveaux, et la politique d'effacement de certains seuils anciens. Le barrage retient aussi les sédiments, ce qui appauvrit l'aval et, à l'échelle d'un grand fleuve, contribue au recul des deltas. Enfin, le risque de rupture existe : la catastrophe de Malpasset, le $2$ décembre $1959$ près de Fréjus, a fait plus de $400$ morts et reste en France la référence en matière de sûreté des barrages.

Éolien.

L'éolien terrestre occupe peu de sol au pied du mât mais transforme le paysage, ce qui soulève des questions d'acceptabilité que la physique ne tranchera pas. Ses effets écologiques documentés portent surtout sur les oiseaux et les chauves-souris, tués par collision ou par la brusque chute de pression au bout des pales. Les études montrent que l'ampleur du phénomène dépend énormément de l'implantation : un parc placé sur un couloir de migration tue beaucoup, un parc bien situé très peu. C'est un argument en faveur des études d'impact préalables, non en faveur ou en défaveur de la filière en général. S'ajoutent la question du bruit, celle du recyclage des pales en matériaux composites, et celle des métaux employés dans certaines génératrices à aimants permanents.

Photovoltaïque.

Le module lui-même ne rejette rien pendant les vingt-cinq à trente ans où il fonctionne. Tout se joue à la fabrication : purifier le silicium demande beaucoup d'énergie et des produits chimiques. On mesure cela par le temps de retour énergétique, durée au bout de laquelle l'installation a produit autant d'énergie qu'il en a fallu pour la construire : il est aujourd'hui de l'ordre de un à trois ans selon l'ensoleillement et le lieu de fabrication — donc court devant la durée de vie, mais non nul. Restent l'emprise au sol des grandes centrales, qui entre parfois en concurrence avec l'agriculture ou avec des milieux naturels, et le recyclage des modèles en fin de vie, filière encore jeune.

Nucléaire.

La filière n'émet quasiment pas de gaz à effet de serre en fonctionnement, mais elle porte deux problèmes spécifiques. Le premier est celui des déchets radioactifs : les combustibles usés contiennent des noyaux dont la demi-vie se compte en dizaines de milliers d'années. En France, les déchets de haute activité représentent une part infime du volume total mais l'essentiel de la radioactivité ; leur gestion à long terme fait l'objet du projet de stockage géologique profond Cigéo, dans l'argile de la Meuse et de la Haute-Marne, déclaré d'utilité publique en juillet $2022$. Le second est le risque d'accident : Tchernobyl, le $26$ avril $1986$, et Fukushima, le $11$ mars $2011$, ont montré qu'un accident majeur, même très improbable, a des conséquences sanitaires, sociales et territoriales qui durent des décennies. S'ajoutent l'usage d'eau de refroidissement — contrainte réelle lors des canicules et des étiages — et l'extraction de l'uranium, dont les effets se produisent le plus souvent hors du pays consommateur.

Géothermie profonde.

Elle est discrète en surface, mais la fracturation ou la circulation de fluides à plusieurs kilomètres de profondeur peut déclencher des séismes de faible magnitude, parfois ressentis. Plusieurs projets européens ont été arrêtés pour cette raison ; c'est le cas du projet géothermique de Vendenheim, au nord de Strasbourg, à la suite de secousses survenues en $2019$ et $2020$.

Filières électrochimiques.

Une batterie ne pollue pas en fonctionnant, mais sa fabrication mobilise du lithium, du cobalt, du nickel ou du graphite, dont l'extraction consomme de l'eau et de l'énergie et pose, pour certains, des questions sociales aiguës. Sa fin de vie est un enjeu de pollution chimique si elle n'est pas collectée. Le recyclage progresse, poussé par la réglementation européenne, mais il n'est ni gratuit ni total.

iRemarqueComparer proprement : l'analyse de cycle de vie

Pour comparer deux filières, les scientifiques n'examinent pas seulement la centrale en marche : ils font une analyse de cycle de vie, qui compte tout, de l'extraction des minerais au démantèlement. C'est ainsi qu'on obtient le « contenu carbone » d'un kilowattheure, exprimé en grammes de ${\mathrm{CO}}_2$ équivalent. Le résultat dépend fortement des hypothèses (durée de vie, ensoleillement, lieu de fabrication), et une valeur donnée sans son périmètre n'a aucune valeur d'argument. Nous reprendrons ces chiffres au chapitre suivant, où ils prennent tout leur sens.

5.5.3 Savoir-faire : analyser un dossier d'implantation

Méthode : Analyser des documents présentant les conséquences de

l'installation et du fonctionnement d'une centrale</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Devant un dossier — étude d'impact, article de presse, tract d'association, plaquette d'industriel — procéder ainsi.

• Identifier la source et son intérêt. Un exploitant, une association d'opposants et un bureau d'études indépendant ne mentent pas forcément, mais ne sélectionnent pas les mêmes faits. Repérer qui parle est un acte scientifique, pas un procès d'intention.
• Séparer la phase de construction, la phase d'exploitation et le démantèlement. Beaucoup de désaccords viennent de ce que les deux camps ne parlent pas de la même phase.
• Distinguer effet local et effet global. Emprise au sol, bruit, faune : local. Émissions de gaz à effet de serre : global. Un raisonnement correct ne convertit pas l'un en l'autre.
• Chercher les grandeurs et leurs unités. Une puissance installée (MW) n'est pas une énergie produite (MWh) ; un pourcentage de la production n'est pas un pourcentage de la consommation.
• Rapporter les effets à l'énergie fournie. Un parc éolien tue davantage d'oiseaux qu'un panneau solaire, mais il ne produit pas la même énergie : la comparaison n'a de sens que par mégawattheure.
• Distinguer aléa, exposition et risque. Le risque n'est pas la probabilité de l'accident seule : il combine cette probabilité et la gravité des conséquences pour les populations exposées.
• Conclure en séparant ce qui est mesuré de ce qui est arbitré. Un chiffre d'émissions se mesure ; l'importance qu'on accorde à un paysage se décide. Le savoir scientifique éclaire la décision, il ne la remplace pas.

Exemple 5.11Deux documents sur un même projet de parc éolien en mer

Document A (exploitant) : « Le parc, d'une puissance de $500$ MW, alimentera l'équivalent de $700000$ personnes et évitera l'émission de $300000$ tonnes de ${\mathrm{CO}}_2$ par an. »

Document B (association de pêcheurs et d'ornithologues) : « Le chantier générera des bruits sous-marins nuisibles aux mammifères marins ; les fondations occuperont une zone de pêche ; les oiseaux marins évitent les parcs, ce qui réduit leur habitat. »

Lecture. Les deux documents sont compatibles : ils ne parlent ni de la même phase, ni de la même échelle. A porte sur l'exploitation et sur un effet global ; B porte pour l'essentiel sur le chantier et sur des effets locaux. Le « $700000$ personnes » de A demande vérification : il suppose un facteur de charge et une consommation par personne qui ne sont pas donnés. Le « $300000$ tonnes évitées » suppose implicitement quelle production est remplacée — remplacer du charbon et remplacer du nucléaire ne donnent pas du tout le même chiffre. Quant à B, l'évitement des parcs par les oiseaux est un effet réel, mais il réduit l'habitat sans nécessairement tuer : il faut distinguer perturbation et mortalité. Conclusion : aucun des deux documents n'est mensonger, aucun des deux ne suffit.

5.6 Transporter : l'effet Joule et la haute tension

5.6.1 Le savoir : une partie de l'énergie n'arrive jamais

Proposition 5.12Les pertes en ligne et le rôle de la haute tension

Au cours du transport, une partie de l'énergie électrique, dissipée dans l'environnement par effet Joule, ne parvient pas à l'utilisateur. L'utilisation de la haute tension dans les lignes électriques limite les pertes par effet Joule, à puissance transportée fixée.

Un conducteur n'est jamais parfait : les électrons y rencontrent une résistance, et cette résistance échauffe le câble. L'énergie qui sert à chauffer l'air au-dessus d'une ligne à haute tension est perdue pour tout le monde. À l'échelle d'un pays, cela représente une quantité considérable : en France, de l'ordre de $2\%$ de l'électricité injectée se dissipe sur le réseau de transport à très haute tension, et quelques pour cent supplémentaires sur les réseaux de distribution qui desservent les villes et les villages.

◆Théorème 5.13Effet Joule

Lorsqu'un courant d'intensité $I$ traverse un conducteur de résistance $R$, la puissance dissipée sous forme de chaleur vaut $$\boxed{P_{\text{J}}=R{I}^2}$$ avec $P_{\text{J}}$ en watts (W), $R$ en ohms ($\Omega$) et $I$ en ampères (A).

La résistance d'un câble de longueur $L$ et de section $S$ vaut par ailleurs $R=\rho \frac{L}{S}$, où $\rho$ est la résistivité du matériau ($\rho \approx 2,8\times 10^{-8}\Omega \cdot$m pour l'aluminium, $1,7\times 10^{-8}\Omega \cdot$m pour le cuivre).

Le point décisif est que $I$ intervient au carré. Doubler l'intensité ne double pas les pertes : il les quadruple. Diviser l'intensité par dix les divise par cent.

5.6.2 Le raisonnement central du chapitre

Démonstration (Pourquoi élever la tension divise les pertes)

La puissance électrique transportée par une ligne s'écrit $$P=U\times I,$$ où $U$ est la tension entre les conducteurs et $I$ l'intensité qui les parcourt.

Fixons la puissance $P$ à transporter : c'est la demande des utilisateurs, on ne la choisit pas. Alors l'intensité est imposée par la tension : $$I=\frac{P}{U}.$$ Reportons dans la loi de Joule : $$P_{\text{J}}=R{I}^2=R{\left(\frac{P}{U}\right)}^2=\boxed{\frac{R{P}^2}{U^2}}$$ À puissance transportée $P$ fixée et à ligne donnée (donc $R$ fixé), les pertes sont inversement proportionnelles au carré de la tension. Multiplier la tension par $10$ divise les pertes par $100$.

iRemarqueTrois pièges de raisonnement à éviter

Premier piège : croire que la haute tension « pousse » l'électricité plus loin. Non : elle permet de transporter la même puissance avec moins de courant, et c'est le courant qui chauffe.

Deuxième piège : écrire $P_{\text{J}}=U^2/R$ en pensant aux pertes. Cette formule est exacte, mais $U$ y désigne la tension aux bornes de la résistance, c'est-à-dire la chute de tension le long de la ligne — pas la tension de la ligne. La confusion mène à la conclusion inverse de la bonne. Retenir la forme $P_{\text{J}}=R{I}^2$, qui ne prête pas à confusion.

Troisième piège : croire qu'on pourrait monter indéfiniment la tension. Au-delà de quelques centaines de kilovolts, l'air lui-même commence à conduire au voisinage des conducteurs (effet couronne, ce grésillement caractéristique sous les lignes par temps humide), les isolateurs doivent être plus longs, les distances de sécurité plus grandes et les pylônes plus hauts. La tension retenue résulte donc d'un compromis technique et économique, pas d'une optimisation mathématique sans contrainte.

De la centrale à la prise. Deux transformateurs encadrent la

ligne : le premier élève la tension pour abaisser l'intensité, le second la rabaisse avant la distribution. C'est parce que les pertes valent $R{I}^2$ que tout l'art consiste à faire circuler le moins de courant possible.</div>

5.6.3 Savoir-faire : exploiter les formules littérales

Méthode

[Utiliser $P=UI$ et $P_{\text{J}}=R{I}^2$ pour discuter les

pertes en ligne]

• Repérer ce qui est fixé et ce qui varie. Dans presque tous les énoncés, la puissance transportée $P$ et la résistance $R$ de la ligne sont fixées ; la tension $U$ est le paramètre de conception.
• Calculer l'intensité par $I=P/U$. Attention aux unités : $P$ en watts, $U$ en volts. Un mégawatt vaut $10^6$ W ; un kilovolt, $10^3$ V.
• Calculer les pertes par $P_{\text{J}}=R{I}^2$, ou directement par $P_{\text{J}}=R{P}^2/U^2$.
• Exprimer la perte en pourcentage de la puissance transportée : $P_{\text{J}}/P$. C'est le seul chiffre comparable d'un cas à l'autre.
• Raisonner en proportionnalité pour comparer deux tensions. Puisque $P_{\text{J}}\propto 1/U^2$, passer de $U_1$ à $U_2$ multiplie les pertes par $(U_1/U_2{)}^2$. Ce raccourci évite de tout recalculer.
• Contrôler la vraisemblance. Des pertes supérieures à la puissance transportée signalent que la tension choisie est absurde — c'est précisément ce que le calcul est censé montrer.

$\leftrightarrow$ Calcul littéral ; grandeurs quotients : on substitue $I=P/U$ dans $P_{\text{J}}=R{I}^2$ avant tout calcul numérique. Manipuler la lettre d'abord, le chiffre ensuite : c'est ce qui fait apparaître la dépendance en $1/U^2$, invisible sur une application numérique isolée.

Exemple 5.14Une ligne de $100$ mégawatts, quatre tensions

Une ligne de résistance totale $R=4,0\Omega$ transporte $P=100$ MW $=1,0\times 10^8$ W.

Tension	Intensité $I=P/U$	Pertes $R{I}^2$	Part de $P$
$20$ kV	$5000$ A	$100$ MW	$100\%$
$63$ kV	$1590$ A	$10,1$ MW	$10,1\%$
$225$ kV	$444$ A	$0,79$ MW	$0,79\%$
$400$ kV	$250$ A	$0,25$ MW	$0,25\%$

À $20$ kV, la ligne dissiperait autant qu'elle transporte : elle fondrait avant d'avoir rien livré. À $400$ kV, elle en perd un quart de pour cent. Entre les deux, la tension a été multipliée par $20$ et les pertes divisées par $20^2=400$.

Part de la puissance perdue par effet Joule en fonction de la

tension de la ligne, pour une puissance transportée de $100$ MW et une résistance de $4,0\Omega$. La courbe est en $1/U^2$ : elle s'effondre d'abord très vite, puis devient presque plate — au-delà de $300$ kV, gagner encore quelques dixièmes de pour cent coûte cher pour peu de bénéfice.</div>

iRemarquePourquoi de l'alternatif, et pourquoi parfois du continu

Élever puis abaisser une tension est facile en courant alternatif : le transformateur, appareil simple, sans pièce mobile, de rendement supérieur à $98\%$, le fait depuis les années $1880$. C'est la raison technique qui a fait gagner l'alternatif dans la « bataille des courants » évoquée au chapitre précédent. Le courant continu prend cependant sa revanche sur les très longues distances et pour les liaisons sous-marines, où l'alternatif souffre de pertes supplémentaires : les grandes interconnexions sous-marines, comme celles qui relient la France au Royaume-Uni, fonctionnent en courant continu à haute tension, l'électronique de puissance moderne ayant rendu la conversion possible.

5.7 Un réseau maillé : tenir l'équilibre à chaque seconde

5.7.1 Le savoir : offre et demande doivent se répondre en permanence

Proposition 5.15Le maillage européen et l'équilibre offre-demande

Le réseau de transport de l'électricité est maillé au niveau européen. En cas de déséquilibre entre l'offre et la demande, il est nécessaire de mobiliser des réserves d'énergie, de diminuer la consommation ou la production ou de stocker de l'énergie.

Définition 5.16Réseau maillé

Un réseau est dit maillé lorsque chaque poste est relié à plusieurs autres, de sorte qu'il existe toujours plusieurs chemins pour acheminer l'électricité. Un réseau radial, au contraire, part d'une source unique et se ramifie sans jamais se refermer : la coupure d'une branche prive tout l'aval. Le maillage coûte plus cher en lignes, mais il assure la continuité de service et permet de faire circuler l'énergie là où elle manque.

En France, le réseau de transport à haute et très haute tension compte de l'ordre de cent mille kilomètres de lignes, et les réseaux de distribution qui prennent le relais jusqu'aux compteurs, plus d'un million de kilomètres. Ce réseau est interconnecté avec ceux de nos voisins ; la zone synchrone continentale s'étend de l'Espagne à la Pologne et de la Norvège à la Grèce, et tous ses alternateurs tournent au même rythme, imposant partout la même fréquence de $50$ hertz.

Architecture en cascade du réseau électrique français. La

tension descend par paliers, de $400$ kV au départ des grandes centrales à $230$ V dans les logements, chaque niveau desservant ses propres usagers. Les flèches de gauche rappellent que le réseau reçoit aussi de l'énergie de l'extérieur et par le bas.</div>

5.7.2 L'équilibre en temps réel, et ce que trahit la fréquence

Puisque l'électricité ne se stocke pas dans le réseau, la puissance injectée doit à chaque instant égaler la puissance soutirée, pertes comprises. Cet équilibre a un témoin remarquable : la fréquence.

Tous les alternateurs européens tournent en phase, comme un seul très grand volant d'inertie. Si la consommation dépasse brusquement la production, les alternateurs freinent — leur énergie cinétique compense le manque — et la fréquence descend sous $50$ Hz. Si la production est excédentaire, ils accélèrent et la fréquence monte. Une fréquence de $49,9$ Hz est donc littéralement le signal qu'il manque de la puissance quelque part en Europe.

Les gestionnaires de réseau disposent alors de quatre leviers, dans l'ordre de rapidité.

• Les réserves de puissance. Certaines centrales fonctionnent en deçà de leur maximum et peuvent monter en quelques secondes (réserve primaire), quelques minutes (secondaire) ou quelques dizaines de minutes (tertiaire). Les turbines hydrauliques sont ici les meilleures : une station de pompage démarre en moins de deux minutes.
• La diminution de la consommation, ou effacement : certains gros consommateurs acceptent, contre rémunération, d'être déconnectés pendant les pointes. À l'échelle domestique, le pilotage des chauffe-eau et de la recharge des véhicules électriques joue le même rôle.
• La diminution de la production, quand il y a trop d'électricité : on bride des parcs éoliens ou photovoltaïques. C'est un gaspillage, mais un réseau en surfréquence est dangereux.
• Le stockage, qui absorbe l'excédent pour le restituer plus tard, et fait l'objet de la section suivante.

Exemple 5.17Le 4 novembre 2006 : quand le maillage propage la panne

Le $4$ novembre $2006$, une ligne à très haute tension est mise hors tension au-dessus de l'Ems, dans le nord de l'Allemagne, pour laisser passer un navire de croisière. La manœuvre, prévue, est mal évaluée : le report de puissance sur les lignes voisines les surcharge, elles se déconnectent à leur tour, et en quelques secondes le réseau européen se scinde en trois zones — l'une en déficit de production, les autres en excédent. Environ quinze millions de foyers, de l'Espagne à l'Allemagne, sont privés d'électricité ; le réseau est rétabli en un peu moins de deux heures. L'épisode illustre les deux faces du maillage : il permet la solidarité entre pays, mais il transmet aussi les incidents. C'est depuis lors que la coordination des gestionnaires de réseau européens a été renforcée.

Allure d'une courbe de consommation électrique en France un

jour d'hiver (valeurs arrondies). La production de base tourne en permanence ; tout ce qui dépasse doit être ajusté d'heure en heure, voire de minute en minute. Le pic du soir, vers $19$ heures, est la contrainte qui dimensionne le système entier.</div>

5.8 Stocker : convertir l'électricité en autre chose

5.8.1 Le savoir : trois formes stockables

Proposition 5.18Stocker l'énergie électrique

Pour faire face à l'intermittence liée à certains modes de production ou à la consommation, une possibilité est de convertir l'énergie électrique sous une forme stockable :

• énergie chimique ;
• énergie mécanique ;
• énergie électromagnétique.

Le mot important est convertir. On ne « met pas l'électricité de côté » : on la transforme en autre chose, que l'on retransforme ensuite en électricité. Deux conversions, donc deux rendements qui se multiplient — d'où l'usage de parler du rendement aller-retour d'un dispositif de stockage.

Définition 5.19Intermittence, facteur de charge

Une source est dite intermittente lorsque sa production dépend d'un phénomène naturel que l'on ne pilote pas : il n'y a pas de vent à la demande, ni de soleil la nuit. On la caractérise par son facteur de charge, quotient de l'énergie réellement produite sur une année par celle qu'elle aurait produite en fonctionnant sans arrêt à sa puissance maximale. Il vaut typiquement $0,2$ à $0,3$ pour l'éolien terrestre, $0,4$ à $0,5$ pour l'éolien en mer, et de l'ordre de $0,14$ pour le photovoltaïque en France métropolitaine. Le facteur de charge n'est pas un rendement : une éolienne à l'arrêt faute de vent ne gaspille rien.

Stockage sous forme chimique.

C'est la voie des accumulateurs : lithium-ion pour les usages mobiles et pour les batteries de réseau, plomb-acide pour le démarrage automobile et les installations isolées, technologies au sodium en développement. C'est aussi la voie du dihydrogène : on électrolyse de l'eau quand l'électricité est abondante, on stocke le gaz, on le reconvertit plus tard dans une pile à combustible ou une turbine. L'hydrogène est la seule solution aujourd'hui envisagée pour un stockage saisonnier — mettre de côté en été de quoi passer l'hiver — mais son rendement aller-retour, de l'ordre du tiers, en fait un dernier recours.

Stockage sous forme mécanique.

La station de transfert d'énergie par pompage (STEP) est de très loin le premier moyen de stockage au monde : deux bassins à des altitudes différentes, on pompe l'eau vers le haut quand l'électricité est excédentaire, on la turbine quand elle manque. La France en dispose d'environ $5$ gigawatts, la plus puissante étant celle de Grand'Maison, en Isère. Le volant d'inertie (une masse en rotation rapide) et le stockage par air comprimé relèvent du même principe : convertir en énergie mécanique.

Stockage sous forme électromagnétique.

Le supercondensateur stocke des charges séparées par une très faible distance ; la bobine supraconductrice stocke de l'énergie dans le champ magnétique d'un courant qui circule sans résistance. Ces deux dispositifs détiennent très peu d'énergie, mais la restituent en une fraction de seconde et supportent des millions de cycles : ils servent à la qualité de la tension et au freinage par récupération, pas à passer la nuit.

Domaines d'emploi des principaux moyens de stockage, sur deux

échelles logarithmiques. Chaque famille occupe une place propre : aucun dispositif n'est bon partout. Le supercondensateur rend en une seconde ce que l'hydrogène met des mois à restituer — et réciproquement.</div>

5.8.2 Savoir-faire : comparer des dispositifs de stockage

Méthode : Comparer des dispositifs de stockage selon différents critères

Un dispositif de stockage ne se juge jamais sur un seul nombre. Passer en revue au moins ces six critères, puis conclure pour un usage donné.

• La capacité : quelle quantité d'énergie, en kWh ou en MWh ?
• La puissance : à quelle vitesse peut-on la restituer, en kW ou en MW ? Capacité et puissance sont deux grandeurs indépendantes — c'est la différence entre la taille d'un réservoir et le diamètre de son robinet.
• La durée de stockage : quelques secondes, quelques heures, plusieurs mois ? Tenir compte de l'autodécharge, qui vide un volant d'inertie en quelques heures et un supercondensateur en quelques jours.
• Le rendement aller-retour : produit du rendement de charge par celui de décharge. Il détermine la part de l'énergie perdue au seul fait d'avoir stocké.
• L'énergie massique (en Wh/kg) ou, ce qui revient au même, la masse mise en jeu par kilowattheure (en kg/kWh). C'est le critère décisif pour tout ce qui doit se déplacer, et sans importance pour une installation fixe.
• L'incidence écologique : matériaux employés et leur disponibilité, emprise au sol, durée de vie et nombre de cycles, recyclage en fin de vie.

Conclure par un usage, jamais dans l'absolu : « pour tenir la fréquence du réseau pendant dix secondes, le volant d'inertie ; pour lisser le jour et la nuit, la batterie ou la STEP ; pour passer d'une saison à l'autre, seul l'hydrogène est envisageable, à un rendement médiocre. »

$\leftrightarrow$ Grandeurs quotients : Wh/kg et kg/kWh sont deux grandeurs quotients inverses l'une de l'autre. Passer de l'une à l'autre est un exercice de proportionnalité : $200$ Wh/kg équivaut à $1000/200=5$ kg par kWh.

Dispositif	Forme	Énergie	Durée	Rendement
	stockée	massique	typique	aller-retour
Supercondensateur	électromag.	$5$ à $10$ Wh/kg	s à min	$>0,95$
Volant d'inertie	mécanique	$5$ à $30$ Wh/kg	s à min	$0,85$ à $0,90$
Accumulateur au plomb	chimique	$30$ à $40$ Wh/kg	h à j	$0,80$ à $0,85$
Accumulateur Li-ion	chimique	$150$ à $250$ Wh/kg	h à j	$0,90$ à $0,95$
STEP (chute $300$ m)	mécanique	$\approx 0,8$ Wh/kg	h à sem.	$0,75$ à $0,80$
Chaîne hydrogène	chimique	$\approx 2000$ Wh/kg	sem. à mois	$0,30$ à $0,35$

iRemarqueLire ce tableau sans se tromper

L'énergie massique de la STEP paraît ridicule : il faut environ une tonne d'eau élevée de $300$ mètres pour stocker un seul kilowattheure. Mais l'eau est gratuite, elle ne s'use pas, et une retenue de montagne en contient des centaines de millions de tonnes. Le critère de masse, décisif pour une voiture, est parfaitement indifférent pour un lac. Inversement, l'énergie massique apparente de l'hydrogène est excellente, mais son rendement aller-retour d'un tiers signifie qu'il faut injecter trois kilowattheures pour en récupérer un. Chaque critère ne compte que dans le contexte de l'usage visé : c'est exactement ce que demande le programme lorsqu'il parle de comparer « selon différents critères ».

Exemple 5.20Trois besoins, trois réponses

Tenir la fréquence pendant dix secondes après la perte brutale d'une centrale. Il faut beaucoup de puissance, très vite, très peu d'énergie : volants d'inertie, supercondensateurs, et l'inertie mécanique des alternateurs eux-mêmes.

Reporter la production photovoltaïque de midi vers la pointe de $19$ heures. Quelques heures, de grandes quantités : batteries de réseau ou STEP. Le rendement aller-retour de $0,9$ d'une batterie est ici décisif.

Reporter un excédent éolien d'automne vers janvier. Plusieurs mois : ni la batterie (autodécharge, coût par kWh installé), ni la STEP (les retenues seraient hors d'échelle) ne conviennent. L'hydrogène, malgré son rendement, reste la seule voie sérieusement étudiée — ce qui montre que le rendement n'est pas toujours le critère qui décide.

5.9 Histoire des sciences : les piles et les accumulateurs

Le programme invite à parcourir cette histoire. Elle mérite le détour, parce qu'elle montre une science qui avance en corrigeant ses propres interprétations.

$1780$-$1791$ — La grenouille de Galvani. À Bologne, Luigi Galvani observe qu'une patte de grenouille se contracte lorsqu'on la touche avec deux métaux différents. Il publie en $1791$ et conclut à l'existence d'une « électricité animale » propre au vivant. L'interprétation est fausse ; l'observation, elle, est exacte et reproductible. C'est un cas d'école : un fait bien établi peut vivre longtemps sous une théorie erronée.

$1800$ — Volta corrige et invente. Alessandro Volta, à Pavie, soutient que l'électricité ne vient pas de l'animal mais du contact entre deux métaux différents, la patte ne servant que de détecteur. Pour le prouver, il supprime la grenouille : il empile des disques de zinc et de cuivre séparés par des rondelles de carton imbibé de saumure. La pile — le mot vient de là — délivre un courant continu, ce qu'aucun dispositif ne savait faire avant. Il l'annonce dans une lettre au président de la Royal Society datée du $20$ mars $1800$. En moins d'un an, Nicholson et Carlisle s'en servent pour décomposer l'eau ; la chimie change d'époque.

$1836$ — Daniell rend la pile utilisable. La pile de Volta faiblit en quelques minutes. John Frederic Daniell sépare les deux métaux dans deux solutions distinctes, reliées par une paroi poreuse : la tension devient stable. C'est cette pile qui alimentera les premiers télégraphes.

$1859$ — Planté rend le processus réversible. Le Français Gaston Planté enroule deux lames de plomb dans de l'acide sulfurique et découvre que, après décharge, le dispositif peut être ramené dans son état initial en le parcourant en sens inverse. L'accumulateur est né. C'est un changement de nature : la pile convertit, l'accumulateur stocke. Toute la question du stockage de l'électricité découle de cette invention.

$1866$ — Leclanché et la pile de tous les jours. Georges Leclanché associe un réducteur, le zinc, et un oxydant, le dioxyde de manganèse. Sa pile, robuste et bon marché, devient après diverses améliorations la pile saline puis la pile alcaline que vous achetez encore.

$1899$-$1901$ — Deux accumulateurs alcalins. Waldemar Jungner dépose le brevet du nickel-cadmium en $1899$ ; Thomas Edison développe le nickel-fer peu après, avec l'automobile électrique en tête — pari perdu à l'époque contre le moteur à essence.

$1976$-$1991$ — La longue mise au point du lithium-ion. Le lithium est le métal le plus léger et le plus réducteur : le candidat idéal, mais il s'enflamme au contact de l'eau. Trois étapes, trois équipes. En $1976$, Stanley Whittingham, chez Exxon, montre qu'on peut faire entrer et sortir des ions lithium d'un matériau en couches sans le détruire : c'est l'intercalation. En $1980$, John Goodenough, à Oxford, remplace le matériau positif par un oxyde de cobalt et de lithium, ce qui double la tension. En $1985$, Akira Yoshino, au Japon, remplace le lithium métallique de l'électrode négative par du carbone : la batterie cesse d'être dangereuse. Sony commercialise la première batterie lithium-ion en $1991$. Les trois hommes reçoivent le prix Nobel de chimie en $2019$.

iRemarqueCe que cette histoire enseigne

Deux siècles séparent l'empilement de Volta de la batterie de votre téléphone, et l'on peut y lire trois leçons. D'abord, une théorie fausse (l'électricité animale) peut être féconde : c'est en la réfutant que Volta invente la pile. Ensuite, l'invention décisive n'est pas toujours la plus spectaculaire : remplacer le lithium par du carbone à l'électrode négative n'a l'air de rien, mais sans cela il n'y aurait ni téléphone portable ni voiture électrique. Enfin, la mise au point du lithium-ion a demandé quinze ans de travail réparti sur trois continents, sans qu'aucune des trois équipes ne détienne à elle seule la solution : la science contemporaine est une entreprise collective, et le prix Nobel de $2019$ l'a reconnu en récompensant trois personnes pour un seul objet.

5.10 Bilan

Ce qu'il faut savoir

• Trois méthodes seulement permettent d'obtenir de l'énergie électrique sans combustion : la conversion d'énergie mécanique — directe (dynamos, éoliennes, hydroliennes, barrages) ou indirecte à partir d'énergie thermique (centrales nucléaires, solaires thermiques, géothermie) —, la conversion de l'énergie radiative solaire (photovoltaïque) et la conversion électrochimique (piles, accumulateurs, piles à hydrogène).
• Ces méthodes sans combustion ont néanmoins des effets sur l'environnement et la biodiversité, ou des risques propres : pollution chimique, déchets radioactifs, accidents industriels, emprise au sol, perturbation des milieux.
• Au cours du transport, une partie de l'énergie est dissipée par effet Joule et ne parvient pas à l'utilisateur.
• À puissance transportée fixée, l'usage de la haute tension limite les pertes par effet Joule, puisque $P_{\text{J}}=R{P}^2/U^2$.
• Le réseau de transport est maillé au niveau européen ; en cas de déséquilibre entre l'offre et la demande, il faut mobiliser des réserves, diminuer la consommation ou la production, ou stocker.
• L'énergie électrique peut être stockée après conversion sous forme chimique, mécanique ou électromagnétique.

Ce qu'il faut savoir faire

• Décrire une chaîne de transformations énergétiques menant à l'énergie électrique, en alternant strictement formes d'énergie et convertisseurs.
• Calculer le rendement d'un convertisseur, et le rendement global d'une chaîne comme le produit des rendements de ses étages.
• Analyser des documents présentant les conséquences de l'installation et du fonctionnement d'une centrale, en séparant les phases, les échelles, et ce qui se mesure de ce qui s'arbitre.
• Utiliser $P=UI$ et $P_{\text{J}}=R{I}^2$ pour établir $P_{\text{J}}=R{P}^2/U^2$ et discuter l'influence de la tension sur les pertes.
• Comparer des dispositifs de stockage selon la capacité, la durée, le rendement aller-retour, la masse par kilowattheure et l'incidence écologique, puis conclure pour un usage donné.

Quatre nombres à retenir

$400$ kV est la tension des grandes lignes françaises. $50$ Hz est la fréquence imposée à toute l'Europe continentale, et sa variation est le signe d'un déséquilibre. Un tiers, c'est ce qu'une centrale nucléaire convertit en électricité ; les deux autres tiers partent en chaleur. Et $5$ kg de batterie lithium-ion stockent un kilowattheure, contre plus d'une tonne d'eau élevée de $300$ mètres.

Ce que ce chapitre dit de la science elle-même

Il montre d'abord la force d'un raisonnement littéral. Toute la doctrine du transport de l'électricité tient dans une substitution : remplacer $I$ par $P/U$ dans $P_{\text{J}}=R{I}^2$. Trois lignes de calcul algébrique expliquent la hauteur des pylônes, la géographie des postes électriques et le paysage de la France entière. Aucune application numérique n'aurait fait apparaître cela ; c'est la lettre, et non le chiffre, qui a produit la compréhension.

Il montre ensuite qu'un chiffre juste peut induire en erreur si l'on oublie la question qu'il tranche. Un rendement de $42\%$ n'est pas « moins bon » qu'un rendement de $89\%$ quand la ressource est gratuite ; une production annuelle supérieure à la consommation annuelle ne fait pas une maison autonome ; une puissance installée n'est pas une puissance disponible. Comparer, en science, est un geste technique qui exige d'expliciter le critère.

Il montre enfin où s'arrête la science. Que l'effet Joule varie en $1/U^2$ n'est pas discutable. Que les déchets d'un réacteur restent radioactifs des dizaines de milliers d'années non plus. Mais aucun calcul ne dira si l'on doit préférer un aléa sismique faible à sept cents hectares de champs, ni combien vaut un paysage. La science fournit les termes du choix ; le choix appartient aux citoyens. C'est précisément pour pouvoir le faire de manière éclairée qu'il valait la peine d'apprendre ce chapitre.

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