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Conversion d’énergie – Comment produire de l’électricité à partir des mouvements d’un solide ou d’un fluide en 3 questions à Bernard Multon (partie 1/2)

Bernard Multon

Laboratoire SATIE-CNRS, Antenne de Bretagne de l'Ecole Normale Supérieure Cachan (Ecole Normale Supérieure de Rennes, à partir du 1er janvier 2014)

Delphine Chareyron

23/09/2013

Résumé

Cet article retrace l'historique des machines électriques et du transport de l'électricité jusqu'à nos jours.

Cet article appartient au dossier : " 3 Questions à ..."


Bernard Multon est Professeur des universités au « Laboratoire SATIE », à l'antenne de Bretagne de l'Ecole Normale Supérieure Cachan.

Il travaille en particulier sur les systèmes de production d’énergie électrique exploitant les ressources renouvelables et la conception de machines électriques.

1. Que regroupent l’électrotechnique et l’électronique de puissance ?

1.1 Historique

Les premières machines électriques

Les premières machines électriques sont imaginées durant les décennies suivant l’expérience d’Oersted (1820, interaction mécanique entre une aiguille aimantée et un conducteur parcouru par un courant électrique). Comme le courant continu était la seule forme d’énergie électrique disponible (piles électrochimiques) et que les structures les plus performantes étaient fondamentalement à courant alternatif, il fallu imaginer dès le départ des commutateurs mécaniques (collecteurs). La seule machine électrique réellement à courant continu est représentée par la roue de Barlow (figure 1), mais ce principe est resté totalement marginal et n’a donné lieu qu’à de très rares développements industriels.

Figure 1 : Roue de Barlow, 1822.

La roue de Barlow repose sur le principe défini par la loi de Laplace. Le socle en bois comporte une petite cuve de mercure dans laquelle plonge l'extrémité d'une des dents de la roue en cuivre mobile autour de son axe horizontal (la roue n’est d’ailleurs pas nécessairement dentée). Le mercure communique avec un contact électrique relié à un pole d'un générateur électrique, tandis que l'axe de rotation de la roue est relié à l'autre pôle du générateur. Un aimant en U produit un champ magnétique dont les lignes de champs sont perpendiculaires au plan de la roue. Il en résulte la création d'une force électromagnétique dite force de Laplace : F = I. l B et la roue se met en mouvement.

A consulter : Lien vers l'article sur les phénomènes fondamentaux d'électricité, dont l'expérience d'Oersted.

La machine, dite à courant continu (figure 2), est une machine à courant alternatif, mais alimentée en courant continu via un collecteur. Pour être rigoureux, on devrait l’appeler machine synchrone autocommutée par collecteur mécanique ! Puisque le courant continu semblait la forme de l’énergie électrique (expression non utilisée à l’époque) la plus naturelle, les ingénieurs et scientifiques imaginèrent des génératrices à courant continu, elles aussi à collecteur pour remplacer les sources électrochimiques aux capacités très limitées. Les génératrices électriques allaient ainsi pouvoir convertir les ressources mécaniques hydrauliques relativement abondantes (la tradition des moulins était bien ancrée) et des machines à vapeur fonctionnant au bois et désormais au charbon.

Figure 2 : Photo d'un collecteur de machine à courant continu.

   Le rotor (a) (partie en rotation de la machine) est un cylindre d'acier comportant sur sa surface des conducteurs dont les extrémités sont reliées aux lames d'un collecteur. Sur la partie fixe de la machine (b), deux balais en charbon viennent frotter sur le collecteur, constituant les bornes électriques du moteur ou du générateur (fonctionnement réversible).  

Vers 1870, la machine de Gramme était alors la machine à courant continu par excellence et on découvrit qu’elle était réversible, elle pouvait fonctionner en moteur ou en générateur et passer d’un mode à l’autre de façon absolument continue.

Les applications du courant continu étaient bien développées : force motrice, électrochimie, éclairage.

Mais le transport à longue distance, et avec une bonne efficacité, du courant continu se révéla rapidement impossible avec les moyens technologiques de l’époque.

La problématique du transport sur les lignes électriques

calcul des pertes en ligne

Considérons une ligne aérienne avec un conducteur en alliage d'aluminium de 95 mm² de section, de résistivité 44 nΩ.m à 80°C.

Pour une longueur de ligne de 100 km (constituée de 2 fils conducteurs d'où 200 km), la résistance équivalente de la ligne vaut à 80°C :

R = ρ l S 93 Ω

On ne prend pas en compte les effets de l'échauffement sur la résistance du conducteur.

Compte tenu des limites d'échauffement (notamment dues au phénomène de dilatation qui conduit à un allongement de la ligne et un risque d'amorçage avec l'environnement), on peut faire transiter un courant d'environ 350 A.

La ligne introduit donc une chute de tension résistive de U = R.I = 32,5 kV.

En courant continu, si la tension en début de ligne vaut 63 kV, on en perd la moitié et le rendement de transmission est d'environ 50 % !

Si l'on souhaite un rendement de 95 %, il faut accepter une chute de tension de 5%, soit une résistance 10 fois plus faible et une section de conducteur 10 fois plus grosse, donc plus d'aluminium, des pylônes plus gros etc... Ou alors, il faut transporter sous une tension 10 fois plus élevée, soit 630 kV en début de ligne.

Ainsi, vers 1890, le courant alternatif commença à s’imposer grâce à l’invention du transformateur électromagnétique qui permettait d’adapter la tension aisément, et aux générateurs électriques naturellement à courant alternatif (machines synchrones ou alternateurs). Le moteur asynchrone, qui venait d’être également inventé, permettait de satisfaire les applications de force motrice si demandées, et ceci dans des conditions de fiabilité inégalées par rapport aux moteurs à collecteur. Au début du 20ème siècle, la théorie des machines électriques commençait à être bien établie et ce siècle fut celui d’améliorations continues et de quelques découvertes de nouvelles structures, mais sans révolutions majeures, si ce n’est peut-être l’arrivée d’aimants permanents performants à partir des années 1960.

Figure 3 : Exposition d'électricité de Münich de 1882.

   Marcel Deprez démontre une transmission à courant continu de 57 km de Miesbach (machine à vapeur entraînant une dynamo) à Münich (moteur à courant continu entraînant une pompe centrifuge pour réaliser la cascade que l'on voit sur la gravure). La ligne de transmission exploitait un fil télégraphique en fer de 4,5 mm de diamètre et avait une résistance de 950 ohms. La puissance utile était d’environ 440 W, avec une tension de 1,34 kV au départ, il restait 850 V à l'arrivée, soit un rendement de transmission de 60% et si l'on considère le rapport des puissances mécaniques. Quant à la transmission d'énergie mécanique (on parlait alors de transmission de force motrice), son rendement global mécanique (puissance sur l'arbre de la pompe sur la puissance de la machine à vapeur) valait 38%. (interprétation issue de la revue La Lumière Electrique, 5ème année, tome XIII, 3 février 1883, pp 129-132, disponible aux archives du CNAM : http://cnum.cnam.fr/DET/P84.8.html)

La vitesse variable

Initialement, les moteurs électriques étaient alimentés directement à partir d’une source continue ou alternative et leurs caractéristiques mécaniques (couple fonction de la vitesse) étaient sensiblement figées ce qui limitait énormément les usages. La variation de vitesse fut introduite via différentes voies, notamment avec des dispositifs dissipatifs (résistifs), peu acceptables en forte puissance, ne serait-ce qu’à cause des difficultés à évacuer la chaleur. Alors, de nombreuses solutions furent inventées à la fois purement électromécaniques (lourdes et coûteuses), telles que le groupe Ward – Leonard mais aussi via des voies « statiques ». Ainsi les premières architectures de convertisseurs (onduleurs, redresseurs, hacheurs…) à tubes à vide de puissance et à vapeur de mercure apparurent dès les années 1900. Mais le coût élevé et la faible fiabilité de ces composants n’ont pas permis de généraliser le contrôle fin de la conversion électromécanique d’énergie.

  Figure 4 : André Eugène Blondel (1863-1938), co-fondateur et président du comité de rédaction de la revue générale de l'Électricité (de 1916 jusqu'à sa mort), élu à l'académie des sciences en 1913. Ses principaux travaux portent sur l'électrotechnique, notamment sur le couplage de générateurs électrique avec le réseau. Source : Ecole Polytechnique, Paris   

Il a fallu attendre l’invention du thyristor (1958), premier semi-conducteur de puissance permettant de réaliser avec une haute fiabilité des fonctions de commutation pour que la « conversion statique » s’impose. Le thyristor allait être le vecteur d’une véritable révolution dans le domaine de la conversion d’énergie électrique, celle de l’électronique de puissance. Durant la fin du 20ème siècle, de nouveaux interrupteurs de puissance furent inventés (transistors bipolaires de puissance, MOSFET, IGBT…), ils ouvrirent les portes à la généralisation de la vitesse variable, avec d’excellents niveaux de fiabilité et à des coûts acceptables, permettant ainsi d’amortir rapidement les gains d’efficacité énergétique procurés. Il s’agit d’une révolution silencieuse, pourtant majeure dans le domaine de la conversion d’énergie.

1.2 La conversion électromécanique d'énergie

Où trouve-t-on des machines à courant continu, synchrone et asynchrone dans notre quotidien ?

Les machines électriques sont absolument partout, dans notre montre analogique, notre téléphone portable (pour réaliser la fonction vibreur), nos automobiles, nos appareils électroménagers, dans l’industrie… Chaque humain des pays riches possède, souvent sans le savoir, des dizaines de moteurs électriques. Les machines à collecteur (machines à courant continu) sont aujourd’hui cantonnées aux applications à faible durée de vie (moins de 2 à 3000 heures), comme les accessoires automobiles ou les appareils électroménagers. Ainsi, les machines à commutation électronique (machines à courant alternatif alimentées par un convertisseur électronique de puissance) occupent aujourd’hui la grande majorité des applications, les disques durs de nos ordinateurs ou les TGV postérieurs à 1990 qui sont entraînés par des moteurs à commutation électronique, parfois asynchrones, parfois à aimants.

Dans le domaine de la production d’électricité, en dehors du cas très particulier de la génération photovoltaïque, ce sont des génératrices électriques qui convertissent de l’énergie mécanique, souvent issue d’une turbine. En forte puissance, les machines synchrones règnent en maître avec des puissances dépassant le GW, mais en dessous de la dizaine de MW, les machines asynchrones peuvent trouver leur place. Notons qu'il n’y a plus, depuis bien longtemps, de machines à courant continu dans ce domaine.

Les éoliennes modernes sont toutes réalisées avec des machines à courant alternatif et un convertisseur électronique de puissance qui permet un fonctionnement à vitesse variable pour une meilleure optimisation de la récupération de l’énergie du vent. Ainsi, aux vents faibles, l’éolienne tourne lentement et aux vents forts, elle tourne plus rapidement. On sait faire aujourd’hui des génératrices d’éolienne entièrement à aimants permanents et capables de convertir directement (c’est-à-dire sans multiplicateur à engrenages) le mouvement très lent des grandes turbines. Par exemple, l’exceptionnelle éolienne Haliade d’Alstom (figure 5), prévue pour l’offshore, comprend une turbine de 150 m de diamètre qui entraîne à une vitesse de l’ordre de 11 tr/min une génératrice à aimants de 6 MW, soit un couple de près de 6 millions de N.m, et tout cela en haut du mât.

Figure 5 : Éolienne Haliade d’Alstom 6 MW, source Alstom

Le réseau électrique

Les réseaux électriques sont nés de la facilité de transporter l’énergie électrique. En Europe, au 19ème siècle et même avant, des usines hydrauliques exploitaient directement la « force motrice » pour l’industrie. La transmission d’énergie mécanique s’effectuant par des systèmes purement mécaniques (arbres, poulies, courroies), la distance entre les turbines hydrauliques et les usines était forcément faible. L’électricité est ainsi rapidement apparue comme un moyen de transmettre la force motrice hydraulique à longue distance, beaucoup de sociétés de production d’électricité s’appelaient d’ailleurs « Société des Forces Motrices… » (par exemple du Rhône).

Le courant continu qui s’était imposé le premier céda sa place assez rapidement au courant alternatif, l’une des batailles les plus célèbres est celle qui opposa Nicolas Tesla (Westinghouse) à Thomas Edison (Edison Company), le premier promoteur du courant alternatif et le second du courant continu. Durant le début du 20ème siècle, plusieurs niveaux de tension et plusieurs fréquences cohabitaient. Or l’intérêt de raccorder tous les petits réseaux existants apparu rapidement et il fut nécessaire de standardiser les tensions et fréquences. C’est ainsi que le 60 Hz s’imposa aux Etats-Unis et le 50 Hz en Europe.

Figure 6 : Carte du réseau de transport d'électricité français.

Créer un grand réseau présentait différents avantages, notamment celui du foisonnement des profils de consommation. Mais un paradoxe apparu également, le réseau, beaucoup plus puissant devenait à la fois plus robuste et plus vulnérable aux aléas, car sa stabilité à grande échelle était très délicate à assurer. Ce sont les « blackouts » (effondrements de réseau) qui permirent d’acquérir de l’expérience et de réduire leur vulnérabilité, en améliorant le contrôle et en gérant au mieux les réserves de secours. .

Figure 7 : Blackout de l'Italie en 2003.

Construire des réseaux représente des investissements lourds qui ont été consentis généralement dans des périodes de l’histoire où il existait une forte volonté politique, ce fut le cas récemment en Chine, pays où la quasi-totalité des habitants est raccordée. Mais les investissements publics sont plus difficiles à réaliser actuellement, surtout lorsqu’il s’agit de régions pauvres. C’est ainsi qu’aujourd’hui on estime qu’environ 1,2 milliards d’habitants n’ont aucun accès à l’électricité, ce qui s’accompagne généralement d’une extrême précarité. Les solutions qui sont alors mises en œuvre pour apporter l’électricité à ces habitants, qui ne peuvent pas profiter des grands réseaux, sont des installations autonomes. Les groupes électrogènes ont longtemps constitué la seule solution, mais elle est aujourd’hui surpassée par les installations photovoltaïques autonomes dont les coûts de fonctionnement sont beaucoup plus faibles. Mais ces systèmes ne peuvent fonctionner que si l’on dispose d’un moyen de stockage car la production solaire n’est pas corrélée à la demande.

Au niveau mondial, l’électricité est produite à près de 80 % par des ressources non renouvelables (68 % fossiles et 12 % nucléaire) et 20 % à partir de ressources renouvelables, dont 80 % sont hydrauliques. Mais la tendance est au déploiement massif de deux nouveaux modes de production, éolienne et photovoltaïque, à partir des ressources les plus abondantes mais hélas les plus fluctuantes. Le taux de croissance de ces nouvelles sources est tel qu’elles vont rapidement occuper une place très significative dans les réseaux. C’est un profond changement de paradigme, puisque durant plus d’un siècle on a ajusté les moyens de production à la demande grâce à des moyens de production flexibles (centrales de stockage par pompage-turbinage, hydraulique de barrage, turbines à combustion fioul et gaz) en complément d’une production de base (nucléaire, charbon, hydraulique au fil de l’eau).

Il va donc falloir mettre plus d’intelligence dans les réseaux pour permettre maintenant à toutes les charges consommatrices, qui le peuvent, de s’adapter aux moyens de production fluctuants. C’est bien sûr le cas de l’eau chaude qui se stocke aisément, mais également des véhicules électriques qui pourront être rechargés au rythme de la disponibilité des ressources. Ce que l’on appelle aujourd’hui le « smart grid » (figure 8) va intégrer des moyens de comptage et de communication beaucoup plus évolués pour permettre au réseau de fonctionner cette fois avec beaucoup plus de variabilité, à la fois du côté des consommateurs et des producteurs.

Figure 8 : Principe du smart grid.

Dans ce contexte, le courant continu pourrait faire son retour et prendre sa revanche. En effet, l’électronique de puissance, apparue tardivement, permet aujourd’hui de résoudre tous les problèmes qui avaient conduit au succès du courant alternatif. Des réseaux à courant continu seraient beaucoup plus faciles à stabiliser mais cela ne pourra pas se faire rapidement car l’inertie est énorme, celle des investissements bien sûr, mais également celle des normes. Le courant continu se développe donc mais par petites taches, par exemple pour interconnecter des réseaux entre eux (notamment lorsqu’ils sont à fréquence différente), des nouvelles sources (fermes éoliennes offshore), mais également dans les bâtiments (aujourd’hui, ce sont les centres informatiques qui adoptent le courant continu, principalement pour des raisons d’efficacité énergétique globale).

Où trouve-t-on de l'électronique de puissance dans notre quotidien ?

L’électronique de puissance, encore plus discrète que les machines électriques, est absolument partout. Il n’y a plus guère d’appareil électrique moderne qui n’utilise pas un convertisseur électronique de puissance. Citons quelques exemples :

  • Tous les appareils électriques qui puisent leur énergie sur le réseau électrique alternatif en relativement haute tension, par exemple 230 V – 50 Hz, et qui ont besoin de courant continu en basse tension, font appel à un convertisseur. C’est le cas de tous les appareils électroniques (ordinateurs, téléviseurs…), mais également des systèmes d’éclairage moderne.
  • Les lampes fluocompactes les tubes fluorescents à ballast électronique sont alimentés en haute fréquence (à quelques dizaines de kHz), pour cela, on utilise un étage redresseur qui transforme le courant alternatif en courant continu, puis un étage onduleur qui transforme ce dernier en courant haute fréquence.
  • Les éclairages à LED, quant à eux, ont besoin de courant continu.
  • Presque tous les moteurs électriques faisant partie de systèmes à haute efficacité énergétique sont alimentés à fréquence variable, cela va du lave-linge au système de ventilation contrôlée d’un bâtiment. Sans vitesse variable, il serait impossible d’atteindre les niveaux de performance énergétique nécessaires aujourd’hui. .
  • Dans le domaine des transports, l’électricité progresse rapidement, il n’y a plus que les avions qui ne sont pas propulsés à l’électricité.
  • Dans le domaine automobile, la révolution de l’électrification des chaînes de propulsion est bien amorcée.

    Figure 9 : Importance de la présence des convertisseurs électroniques de puissance dans notre quotidien, sous une distribution électrique en courant alternatif, dans un contexte de production photovoltaïque et d’utilisation de véhicule électrique. Thèse C. Jaouen, 2012.   

En génération d’énergie électromécanique, la vitesse variable s’est généralisée en éolien, mais elle peine encore à s’imposer dans l’hydraulique pour deux raisons. La première est historique, les centrales hydrauliques sont souvent anciennes et parfaitement rentables ce qui ne pousse pas leurs exploitants à changer un modèle économique qui les satisfait pleinement. En outre, la variabilité des conditions de production (hauteur de chute et débit) est beaucoup plus faible que la vitesse du vent (cas de l’éolien), ainsi les gains à attendre sont plus faibles. La seconde raison est liée au fait que les puissances sont souvent élevées (au-delà de quelques dizaines de MW) et que les technologies de convertisseurs électroniques de puissance, suffisamment performantes, ne sont pas encore suffisamment matures (il existe, notamment dans les interconnexions à courant continu, des convertisseurs à thyristors de plusieurs GW, mais ils sont mal adaptés pour faire fonctionner les machines à vitesse variable).

Seul le domaine du pompage-turbinage (moyen de stockage massif de l’électricité très largement utilisé dans le monde) est en train d’adopter quasi systématiquement la vitesse variable, notamment pour une plus grande flexibilité du réglage, tout en conservant un haut rendement, lors des phases de stockage et déstockage. En conclusion, on peut donc dire que l’électronique de puissance constitue un levier majeur de l’efficacité énergétique.

Article suivant : « Conversion d’énergie – Comment produire de l’électricité à partir des mouvements d’un solide ou d’un fluide en 3 questions à Bernard Multon (partie 2/2) ».