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Électricité

Electricité : production, transport, filières
Pylône électrique près d'une centrale nucléaire (©photo)

Définition et catégories

L’électricité est un phénomène électromagnétique créé par l’interaction de particules présentes dans la matière qui sont chargées positivement ou négativement et dont les effets peuvent être utilisés pour générer de l’énergie.

La matière est composée d’atomes constitués d’un noyau central formé de protons et de neutrons. Les protons ont une charge positive et les neutrons, comme leur nom l’indique, sont neutres et n’ont pas de charge. Autour du noyau de l’atome gravitent plusieurs électrons qui ont une charge négative. Normalement, dans un atome, la charge négative des électrons et la charge positive des protons sont de même grandeur. L’atome est alors électriquement neutre. Cependant, dans certaines conditions, un électron peut quitter l’atome ou s’y ajouter. Ainsi les électrons peuvent circuler dans la matière et créer un courant électrique, ou peuvent s’accumuler en certains endroits et créer de l’électricité statique.

L’électricité ne se perçoit que par ses effets parmi lesquels figurent certaines manifestations naturelles comme les éclairs. Aujourd’hui, l’électricité est utile à chaque aspect de notre vie quotidienne. Nous nous en servons pour manger, nous déplacer, nous éclairer et nous soigner.

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Pylône électrique près d'une centrale nucléaire (©DR)

Une énergie primaire est une énergie directement disponible dans la nature. Le gaz, le nucléaire, la géothermie, le rayonnement solaire, le vent, l’énergie hydraulique, les énergies fossiles ou bien encore la biomasse, sont des énergies primaires utilisées pour produire de l’électricité.

L’électricité est une énergie secondaire ou un vecteur d’énergie car elle est générée à partir de la transformation d’une énergie primaire au moyen d’un système de conversion.

Ex. : la combustion du charbon (énergie primaire) dans une centrale thermique produit de l’électricité (énergie secondaire).

Fonctionnement technique ou scientifique

Les propriétés de l’électricité permettent de comprendre le fonctionnement de ce phénomène pourtant invisible à l’œil nu.

L’électricité statique

Lorsque l’on frotte une règle en plastique sur du papier, les électrons superficiels des atomes du papier rejoignent les atomes de la règle. Les charges électriques sont alors piégées dans des matériaux isolants (le plastique, le papier, le verre, etc.) qui les empêchent de circuler. Ce phénomène est appelé électricité statique. Il peut se manifester très rapidement lorsque l’on touche la règle par un léger choc électrique. Il s’agit du même phénomène lorsqu’ayant marché sur une moquette, on touche la poignée d’une porte.

La quantité d’électricité statique produite n’est pas suffisante pour être industrialisée et satisfaire nos besoins énergétiques habituels.

L’électricité dynamique

Dans ce cas, les charges électriques ne sont pas piégées dans des matériaux isolants. A l’aide d’un fil conducteur, les électrons se déplacent et un courant électrique est créé.

Le courant électrique

Un courant électrique est généré à partir de l’électricité dynamique. Les charges électriques se déplacent dans un matériau conducteur. Les métaux, l’eau salée ou bien le corps humain sont de bons conducteurs. Le courant est dit continu lorsque les électrons se déplacent dans un conducteur dans une même direction. Le courant alternatif correspond au mouvement des électrons qui alterne entre un sens et un autre. Ce mouvement de va-et-vient des charges électriques est produit entre autres par la rotation d’un alternateur.

Enjeux par rapport à l'énergie

Le stockage

  • L’électricité est difficilement stockable en quantité suffisante et à des coûts abordables pour satisfaire nos besoins énergétiques. Les solutions directes requièrent des conducteurs « sans résistance » appelés supraconducteurs dans lesquels il est théoriquement possible de faire circuler sans perte l’électricité que l’on souhaite stocker. Ces matériaux actuellement disponibles à des températures de quelques de degrés Kelvin sont réservés à des applications particulières et pour de faibles quantités. Les solutions indirectes ne fournissent que des solutions partielles, onéreuses et souvent locales. Ex : batteries d’accumulateur, production hydrogène (qu’on stocke et brûle ensuite), air comprimé qu’on détend ensuite, eau relevée entre deux barrages, etc.
  • La production d’électricité doit donc être continue afin de répondre aux consommations du moment. Or, la consommation d’électricité varie selon les moments de la journée. Il faut par conséquent être capable d’ajuster la production d’électricité à la consommation.

Le transport

  • L’électricité se transporte facilement et rapidement. Des lignes électriques livrent l’électricité depuis la centrale électrique jusqu’aux zones de consommation. Le transport de l’électricité à l’échelle nationale est principalement assuré en très haute tension à 400 000 volts via des lignes aériennes dites d’interconnexion. Des opposants se manifestent de plus en plus fréquemment pour demander leur disparition du champ visuel, ce qui est toujours coûteux et parfois techniquement presque impossible. A l’échelle régionale ou locale, le transport est assuré en haute tension (225 000 et 63 000 volts essentiellement) via des lignes qui, elles, peuvent  être enterrées.
  • L’utilisation de la très haute tension permet de limiter les pertes en ligne dues à l’effet Joule (dégagement de chaleur) ou aux effets électromagnétiques (effets capacitifs entre la ligne et le sol). Les pertes énergétiques dans les lignes à haute tension sont proportionnelles aux distances parcourues par le courant électrique.

La distribution

  • Les réseaux de distribution livrent directement l’électricité chez les consommateurs finaux. Les lignes électriques sont à une tension de 20 000 V, augmentant la déperdition énergétique unitaire mais sur de courtes distances. Des postes de transformation sont placés à l’interconnexion des réseaux de transport et de distribution.
  • Certains moyens de production d’électricité décentralisés (éoliennes, panneaux photovoltaïques chez un particulier) peuvent être directement raccordés au réseau de distribution et ne passent pas par le réseau de transport. On parle de production locale pour cette raison.

Lors du transport et de la distribution d’électricité, le courant est le plus souvent triphasé. Il y a trois câbles conducteurs par circuit pour optimiser l’acheminement de l’électricité et minimiser les pertes en lignes.

Acteurs majeurs

Les acteurs majeurs sont principalement des sociétés de production ou de transport dont les États sont souvent actionnaires. Cependant, ils contrôlent toujours les activités via des lois et règlements nationaux.

En 2012, les pays consommant le plus d’électricité dans le monde sont la Chine (4 281 TWh), les États-Unis (3 798 TWh), le Japon (971 TWh), la Russie (878 TWh), l'Inde (804 TWh) et l’Allemagne (535 TWh)(1). La France a consommé 489,5 TWh en 2012 selon les données de RTE.

Les États-Unis, le Japon et l’Allemagne utilisent encore en grande partie des énergies fossiles pour produire leur électricité tandis que la France produit près de 75% de son électricité grâce à l’énergie nucléaire. Des pays comme la Norvège, le Brésil et le Canada génèrent l'essentiel de leur électricité grâce aux énergies renouvelables.

Au niveau industriel, EDF est le plus grand producteur mondial avec 642,6 TWh générés en 2012(2). Du point de vue de la capacité installée, le groupe français et le chinois Huaneng atteignent un niveau proche à fin 2012 (entre 135 et 140 GW électriques).

Unités de mesure et chiffres clés

  • Tension électrique : mesurée en volt (V), elle permet de déterminer la concentration de charges électriques dans un matériau.  Elle peut être comparée à la pression de l’eau dans un tuyau lorsque le robinet est fermé.
  • Intensité du courant électrique : traduite en ampère (A), elle permet de mesurer le débit des électrons dans le conducteur. Elle est à l’image du débit d’eau qui sort du robinet.
  • Puissance électrique : mesurée en watt ou plus couramment en kilowatt (kW) ou mégawatt (1 000 kW), elle permet de déterminer la quantité d’énergie transmise. et se mesure par le produit de la tension et de l’intensité. La puissance électrique peut être associée à la puissance du jet d’eau lorsqu’il sort du robinet.
  • Energie électrique : elle permet d’évaluer la quantité d'électricité produite ou consommée pendant une période donnée. Elle se mesure principalement en kilowattheure (kWh), en mégawattheure (MWh ou 1 000 kWh), en gigawattheure (GWh ou 1 000 000 kWh) et en térawattheure (TWh ou 1 000 000 000 kWh). Il s’agit du nombre de kW multiplié par le nombre d’heures d’utilisation.

Passé et présent

La maîtrise de l’électricité s’est développée au XIXe siècle (notamment avec l’ampoule à incandescence de Thomas Edison), et a entraîné la seconde révolution industrielle. L’électricité est d’abord utilisée à des fins industrielles (moteurs et chauffage des pièces) et d’aménagement du territoire : transport et éclairage public. Peu à peu l’électricité entre dans les foyers et, multipliant ses usages domestiques, révolutionne les habitudes et le rythme de vie. 

Vecteur énergétique indispensable à notre mode de vie, l’électricité est aujourd’hui utilisée pour l’éclairage, le chauffage mais aussi pour alimenter de nombreux appareils que nous utilisons tous les jours. Couplée à l’électronique, l’électricité est un remarquable vecteur énergétique par la souplesse et l’efficacité des processus qu’elle permet de mettre en œuvre d’autant que ses usages se font sans émission de polluants atmosphériques (CO2 notamment, même s’il ne faut pas oublier les pollutions qui peuvent accompagner sa production dans les centrales). 

Futur

Devenue un indicateur de développement humain, l’électricité est indispensable pour satisfaire nos besoins énergétiques. On assiste à une électrification du monde de plus en plus répandue et intense. Pourtant, 17% de la population mondiale n’avait pas accès à l’électricité en 2010, Cet accès est une préoccupation majeure dans de nombreux pays où d’importants programmes d’électrification ont été mis en place.

Dans les pays de forte consommation en électricité, l’amélioration des réseaux de transport et de distribution, apparaît essentiel pour limiter les pertes énergétiques. Le développement progressif des réseaux intelligents (smart grids) permet une optimisation des flux électriques en jouant plus rapidement et efficacement sur la production comme sur la consommation. Ces améliorations permettraient aux marchés de l’électricité d’assurer un approvisionnement efficace et sûr et d’économiser au mieux les moyens de production nécessaires (centrales).

Le développement du stockage de l’électricité (dont on sait la difficulté) combiné avec celui des réseaux intelligents est un enjeu majeur pour une optimisation des flux électriques et surtout pour un usage plus complet des productions locales. Cela est particulièrement important pour les énergies renouvelables.

Concrètement

Dix ampoules de 100 watts allumées pendant une heure correspondent à la consommation de 1 kWh. Un térawattheure (TWh) reviendrait dans ce cas à allumer pendant une heure dix milliards d’ampoules.

En 2012, la production mondiale d’électricité s’élevait à 22 619 TWh(3).

Selon l’Agence International de l’Energie, une hausse de 75% de la consommation d’électricité entre 2007 et 2030 est à prévoir. Cela résulte notamment de l’accès à l’électricité pour des populations qui en sont privées et des changements des processus industriels ou domestiques utilisant moins de combustibles et plus d’électricité.

En moyenne, un Français consomme 7 756 kWh/an tandis qu'un habitant consomme en moyenne moins de 300 kWh/an dans certaines pays d’Afrique comme le Kenya, le Ghana, le Congo, le Cameroun ou encore le Bénin(4).