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Distribution de l'énergie électrique
Contexte en 1880
La lampe à incandescence existe, les constructeurs proposent des systèmes complets: machine à vapeur ou moteur à gaz actionnant les dynamos, système de distribution et lampes. Un problème crucial est celui de la régulation : il faut fournir à chacune des lampes, montées en dérivation, une intensité constante, quel que soit le nombre de lampes allumées.
Thomas Edison
L'électricité devient un bien de consommation des bureaux, des banques ou des magasins, puis pour des particuliers.
En 1889, au Bon Marché, dix machines à vapeur actionnent une quarantaine de dynamos Gramme et Edison, pour alimenter 3000 lampes à incandescence et 300 lampes à arc.
L'usine parisienne d'Edison produit des dynamos et des ampoules, mais le développement de l'éclairage électrique domestique ne commence à Paris que dans les années 1890, avec l'implantation des usines centrales alimentant des réseaux de distribution.
Continu ou alternatif ?
La guerre des courants
Il s'agit de l'opposition de Thomas Edison, partisan de l'utilisation du courant continu (DC, de l'anglais direct current) pour le transport et la distribution d'électricité, envers George Westinghouse et Nikola Tesla, promoteurs de l'utilisation du courant alternatif (AC, de l'anglais alternating current).
George Westinghouse
Au début, le courant continu d'Edison était la norme et il ne voulait pas perdre les redevances de ses brevets. Le courant continu était bien adapté aux lampes à incandescence qui constituaient l'essentiel de la consommation électrique de l'époque, et aux moteurs.
Les systèmes à courant continu pouvaient être directement reliés à des batteries d'accumulateurs, ce qui régulait la puissance demandée au circuit et fournissait une réserve d'énergie lorsque les génératrices étaient arrêtées.
Les génératrices à courant continu pouvaient facilement être branchées en parallèle, ce qui permettait une exploitation économique en utilisant de plus petites machines durant les périodes de faible demande et améliorait la fiabilité.
Accumulateurs
Génératrice à courant continu.
Voiture électrique d'Edison.
Il s'associa à George Westinghouse pour commercialiser ce système.
Westinghouse avait préalablement acheté les droits sur les brevets du système polyphasé de Tesla, ainsi que d'autres brevets pour des transformateurs de courant alternatif auprès de Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs.
Nikola Tesla.
Système de distribution à courant continu
Le système d'Edison comprenait des centrales électriques qui alimentaient d'épais câbles de distribution reliés aux appareils des clients. Le système n'utilisait qu'une seule tension ; des lampes de 100 V installées chez le consommateur étaient connectées à une génératrice produisant du 110 V, ce qui autorisait une certaine chute de tension dans les lignes de transport entre la génératrice et l'appareil.
La tension électrique a été choisie par commodité pour la fabrication des ampoules supportant 100 V: elles produisaient ainsi un éclairage comparable à celui du gaz, à un prix compétitif. À l'époque, une tension de 100 V n'était pas perçue comme présentant un grand risque d'électrocution.
Pour économiser sur le coût des conducteurs en cuivre, un système de distribution à trois câbles a été introduit. Les trois lignes étaient à des potentiels relatifs de +110 V, 0 V et −110 V. Les lampes pouvaient être branchées entre la ligne à +110 volts ou à −110 volts et le neutre à 0 V.
Ce système à trois lignes demandait moins de fil de cuivre pour une quantité donnée d'énergie électrique transmise, tout en se contentant de tensions relativement basses.
Cependant, la chute de tension causée par la résistance des câbles était si grande que les centrales électriques devaient se trouver à un ou deux kilomètres des points d'utilisation.
Des tensions plus élevées ne pouvaient pas être utilisées facilement en courant continu, parce qu'il n'existait pas de technologie efficace et bon marché qui permette de réduire la tension du courant d'un circuit de transport à haute tension vers une basse tension d'utilisation.
Système à courant alternatif
Un transformateur prend place entre le réseau de distribution à haute tension et les appareils de l'utilisateur.
Le transformateur permet de transporter l'électricité à des tensions nettement plus hautes.
Pour une quantité donnée d'énergie électrique transportée, le diamètre du câble est inversement proportionnel à la tension utilisée.
De plus, la longueur acceptable pour le circuit de distribution augmente comme le carré de la tension de transport.
Cela signifiait en pratique qu'un plus petit nombre de grosses centrales électriques pouvaient desservir un secteur donné. Les gros consommateurs, tels que les moteurs industriels ou les convertisseurs alimentant les réseaux de chemin de fer, pouvaient se raccorder au même réseau de distribution que l'éclairage, au moyen de transformateurs délivrant la tension secondaire appropriée.
La distribution à courant continu
Edison, en réaction aux limitations imposées par le courant continu, proposa de produire l'électricité près de là où elle était utilisée, et d'installer de fortes lignes de transport, capables de supporter la demande croissante en électricité.
Cette approche se révéla coûteuse, en particulier pour les régions rurales où on n'avait pas les moyens de construire une centrale locale ni de payer des longueurs importantes de fil de cuivre de forte section.
New York durant le blizzard de 1888 : on voit le fouillis de fils suspendus au-dessus des rues.
À l'époque, la tension continue ne pouvant être facilement modifiée, des lignes électriques séparées devaient être installées pour alimenter des appareils de tensions différentes.
Il fallait donc tirer et entretenir plus de fils, ce qui était coûteux et inutilement dangereux.
La distribution à courant alternatif
Le courant alternatif pouvait être transporté sur de grandes distances à haute tension, et donc à plus faible intensité, permettant des pertes plus faibles et une plus grande efficacité dans la transmission, puis ramené à des tensions commodes pour l'utilisation domestique ou industrielle.
Lorsque Tesla présenta son système de génératrices, de transformateurs, de moteurs, de câbles et de luminaires utilisant le courant alternatif, en novembre et décembre 1887, il devint clair que le courant alternatif représentait le futur du transport de l'électricité.
La distribution en courant continu a perduré dans plusieurs centres-villes pendant plusieurs décennies.
Le courant alternatif de basse fréquence (50–60 Hz) est potentiellement plus dangereux car les fluctuations alternatives peuvent provoquer la fibrillation ventriculaire.
Comme les précautions contre les électrocutions sont similaires pour les deux types de courant, les avantages du courant alternatif ont largement contrebalancé ce risque théorique, et c'est devenu le standard dans le monde entier.
Les pertes en ligne
L'avantage du courant alternatif est la facilité d'en modifier la tension au moyen d'un transformateur.
À puissance égale, une faible tension impose une intensité plus grande, et une haute tension nécessite une intensité plus faible.
Une certaine puissance va être dissipée sous forme de chaleur dans les lignes (effet Joule): elle est proportionnelle au carré de l'intensité. Il est donc plus avantageux d'imposer une ternsion élevée pour le transport de l'électricité, ceci aussi bien en courant alternatif qu'en courant continu.
Convertir la tension continue était difficile, coûteux, peu efficace, exigeant en maintenance, alors qu'en courant alternatif, la tension peut être changée avec des transformateurs simples et efficaces sans pièces en mouvements et demandant très peu de maintenance.
C'est ce qui a fait le succès du système à courant alternatif. Les réseaux de distribution modernes utilisent couramment des tensions allant jusqu'à 765 000 Volts.
L'augmentation de résistance (effet Joule) sur de gros câbles transportant des milliers d'ampères peut être évitée en les remplaçant par un faisceau de petits câbles.
Les chutes du Niagara
En 1890, la Niagara Falls Power Company (NFPC) et sa filiale, la Cataract Company constituèrent la commission internationale du Niagara, composée d'experts, pour analyser les propositions visant à exploiter les chutes du Niagara pour produire de l'électricité.
La commission était présidée par Sir William Thomson Lord Kelvin et comptait en ses rangs le Français Éleuthère Mascart, l'Anglais William Unwin (en), l'Américain Coleman Sellers, et le Suisse Théodore Turrettini.
Elle était soutenue par des entrepreneurs et financiers tels que J. P. Morgan, Lord Rothschild, et John Jacob Astor IV. Dans leurs propositions, ils envisagèrent d'utiliser l'air comprimé comme moyen de transporter l'énergie, mais préférèrent finalement l'électricité.
En revanche, ils ne parvinrent pas à décider de la méthode qui donnerait globalement les meilleurs résultats.
En 1893, George Forbes réussit à convaincre la NFPC de donner le contrat à Westinghouse, et de rejeter la proposition de General Electric et d'Edison.
Les travaux de la centrale électrique de Niagara débutèrent en 1893, l'électricité allait être produite et transportée sous forme de courant alternatif sous une fréquence de 25 Hz pour minimiser les pertes par impédance (la fréquence fut changée à 60 Hz dans les années 1950).
Certains doutaient que le système produirait assez d'électricité pour alimenter les industries situées à Buffalo. Tesla était convaincu que son système fonctionnerait, affirmant que les chutes du Niagara pourraient fournir en électricité l'Est des États-Unis au complet.
Aucun des projets de démonstration de transport d'électricité par courant alternatif multiphasé réalisés jusqu'alors n'étaient d'une échelle comparable à celle de Niagara :
• la démonstration de Lauffen-Neckar en 1891 était la première expérience en grandeur réelle de transport d'électricité en courant alternatif.
• Westinghouse avait utilisé le système de Tesla pour la Ames Hydroelectric Generating Plant en 1891, première utilisation industrielle de ce système.
• l'exposition universelle de 1893 de Chicago présentait un réseau complet de production et transport d'électricité polyphasée installé par Westinghouse.
• Almirian Decker conçut un système triphasé pour la centrale hydroélectrique de Mill Creek en Californie en 1893.
Le 16 novembre 1896, l'électricité produite par les génératrices de la Edward Dean Adams Station située aux chutes du Niagara atteignait les usines de Buffalo. Les génératrices avaient été fabriquées par Westinghouse suivant les brevets de Tesla.
Les plaques signalétiques sur les génératrices mentionnaient le nom de Tesla.
Pour apaiser le conflit avec General Electric, on leur attribua le contrat de construction des lignes de transport jusqu'à Buffalo, en utilisant sous licence les brevets de Tesla.
Issue de la rivalité
Le succès des installations des chutes du Niagara a constitué une date clé dans l'acceptation du courant alternatif par le public. Le courant alternatif supplanta le courant continu pour la production et le transport de l'électricité, permettant d'en étendre la portée, ainsi que la sécurité et le rendement.
Le système de distribution d'Edison fut remplacé par des appareils à courant alternatif:
les systèmes polyphasés de Tesla, systèmes de Charles Proteus Steinmetz travaillant à Pittsburg pour Westinghouse.
Ultérieurement, la General Electric, formée par la fusion des compagnies d'Edison avec la rivale Thomson-Houston travaillant en courant alternatif, se mit à produire des machines à courant alternatif.
La production centralisée d'électricité à bas coût et le transport de l'énergie sur de grandes distances devinrent possibles.
L'électricité est produite sous une tension typique de quelques kilovolts, puis sa tension est augmentée à des dizaines, voire des centaines de kilovolts à l'aide tranformateurs, pour un transport primaire efficace, suivi de transformations en cascade pour redescendre à une tension nominale de 120 V en Amérique du Nord, 230 V en Europe.
Les réseaux de transport actuels comportent des trajets redondants pour acheminer l'électricité de n'importe quelle centrale à n'importe quel centre de consommation, suivant l'intérêt économique du trajet, le coût de l'énergie, et l'importance qu'il peut y avoir à conserver certains consommateurs alimentés sans interruption.
Les réseaux à courant continu
Certaines villes continuèrent à utiliser le courant continu bien après la fin du XIXe siècle:
Le centre d'Helsinki jusqu'à la fin des années 1940
Stockholm dans les années 1970.
Un poste de redressement à diodes à vapeur de mercure peut convertir le courant alternatif en courant continu là où il est encore utilisé.
Des quartiers de Boston, le long de Beacon Street et de Commonwealth Avenue étaient encore alimentés en 110 volts continu dans les années 1960, ce qui provoqua la destruction de nombreux petits appareils électriques (des sèche-cheveux et des tourne-disques, surtout) que les étudiants de la Boston University branchaient malgré les avertissements au sujet de l'alimentation électrique inhabituelle.
La compagnie de distribution électrique de New York, la Consolidated Edison, continua de fournir du courant continu aux clients qui l'avait adopté au début du XXe siècle, essentiellement pour les ascenseurs.
Le New Yorker Hotel, construit en 1929, disposait d'une grosse centrale électrique à courant continu et ne bascula totalement en courant alternatif qu'au cours des années 1960.
En janvier 1998, Consolidated Edison commença à éliminer le service en courant continu, qui alimentait alors 4 600 clients.
En 2006, ils n'étaient plus que 60, et le 14 novembre 2007, Con Edison mit fin à ce service.
Les chemins de fer électriques alimentés par un troisième rail utilisent généralement du courant continu, entre 500 et 750 V.
Les réseaux ferrés à caténaires utilisent de nombreux systèmes différents, qui peuvent être en courant alternatif à haute tension, ou en courant continu à haute intensité.
Les systèmes HVDC (courant continu à haute tension) actuels sont utilisés pour une plus grande puissance pour une ligne donnée, un meilleur contrôle de la circulation de la puissance, en particulier dans les situations d'urgence.
De nombreuses centrales modernes utilisent désormais le HVDC plutôt que le courant alternatif pour le transport de fortes puissances sur de grandes distances, en Chine, Inde et Brésil par exemple.
