Deux siècles d'énergie électrique : cours de Terminale

Tu allumes une lampe, tu charges un téléphone, tu prends le train : à chaque fois, tu utilises de l'énergie électrique. Elle te paraît toujours disponible, comme si elle sortait de la prise. Pourtant, derrière ce geste, il y a des centrales, des lignes, des postes électriques, et surtout une longue histoire de découvertes et d'inventions.

Ce cours suit cette histoire en deux temps. D'abord, comment on a appris à produire de l'électricité : avec des piles, puis avec des machines qui transforment du mouvement en électricité. Ensuite, comment on a appris à la transporter sur de longues distances, ce qui a demandé de changer de technique et d'augmenter les tensions.

L'histoire de l'électricité n'est pas seulement une affaire de physiciens. Un ouvrage recensé par la Bibliothèque nationale de France étudie la manière dont la société française a réagi à l'électricité aux XIXe et XXe siècles ². L'électricité a donc changé les techniques, mais aussi les habitudes d'une société entière.

L'énergie ne se crée pas : elle se convertit. Pour produire de l'énergie électrique, on part donc toujours d'une autre forme d'énergie, que l'on transforme. Deux conversions sont à connaître dans ce chapitre.

Ces deux appareils ont le même rôle, celui de convertisseur, mais pas la même source d'énergie. On peut résumer la différence dans une chaîne d'énergie :

Lorsque tu décris une conversion, nomme toujours l'énergie d'entrée, le convertisseur et l'énergie de sortie. C'est la structure attendue dans une réponse d'enseignement scientifique.

Regardons de plus près la pile, car c'est la première source d'électricité continue de l'histoire.

Dans le boîtier, deux substances réagissent l'une avec l'autre. La première cède facilement des électrons : c'est le matériau réducteur. La seconde les capte : c'est le matériau oxydant ⁴. Chacune des deux transformations porte le nom de demi-réaction, et leur association correcte donne une réaction d'oxydoréduction ⁴.

Les électrons passent d'une substance à l'autre. Pour que les charges restent équilibrées, on relie les deux solutions par un pont salin, qui laisse circuler certains ions mais pas le solvant ⁴.

L'histoire de la pile commence par une expérience étonnante. Dès 1786, Luigi Galvani constate qu'une cuisse de grenouille se contracte quand elle touche des métaux, comme si elle était reliée à une machine électrostatique ⁴. L'effet est plus net lorsque l'instrument employé associe deux métaux différents ⁴.

Galvani en tire l'idée d'une électricité d'origine animale. Alessandro Volta n'est pas d'accord : ses travaux s'opposent à ceux de Galvani ⁴. Le 17 mars 1800, Volta invente la première pile à colonne ⁴.

Son nom explique sa forme : on empile des disques faits de deux métaux distincts, et entre eux on glisse des rondelles de feutre trempées dans un acide ⁴. On retrouve l'idée de Galvani, deux métaux différents, mais cette fois sans animal.

Cette première pile avait un défaut. En bas de la colonne, le poids de l'empilement assèche les disques de feutre, qui cessent alors de remplir leur fonction ⁴. Volta invente alors rapidement la pile à couronne, formée d'empilements plus petits montés en série ⁴. Le problème technique a donc conduit à une amélioration de l'invention.

Une invention devient utile quand on s'en sert. Quelques mois après Volta, deux chimistes britanniques, William Nicholson et Anthony Carlisle, utilisent la pile de Volta pour réaliser la première électrolyse artificielle, celle de l'eau, le 2 mai 1800 ⁴. La pile n'est donc pas seulement une curiosité : elle devient un outil pour étudier la matière.

Une électrolyse est une transformation chimique provoquée par un courant électrique. Elle va dans le sens inverse de la pile : dans la pile, une réaction chimique produit de l'électricité ; dans l'électrolyse, l'électricité provoque une réaction chimique. Dans cet exemple historique, c'est la pile de Volta qui fournit l'électricité nécessaire.

Les piles évoluent ensuite. C'est à Antoine Becquerel que l'on doit, en 1829, la première pile à deux liquides séparés. Il place une plaque de zinc dans une solution acide, enfermée dans un gros intestin de bœuf qui l'isole de l'électrode de cuivre plongée dans un bain de sulfate de cuivre ⁴. Dans cette pile, du cuivre s'accumule sur les parois de la cathode au lieu d'un dégagement d'hydrogène ⁴.

Ce dispositif est important pour comprendre les piles actuelles : on y retrouve deux solutions distinctes, séparées par une paroi. Plus tard, le pont salin assure ce rôle de liaison entre les deux solutions, tout en laissant passer certains ions ⁴.

Produire de l'électricité ne suffit pas : encore faut-il l'amener chez ceux qui l'utilisent. Les centrales sont rarement au coin de la rue. Il faut donc un réseau.

Les lignes de transport sont le plus souvent en courant alternatif triphasé à haute ou très haute tension. Le courant alternatif monophasé est parfois utilisé pour l'électrification des chemins de fer ³. Pour de très longues distances, généralement des centaines de kilomètres, on emploie aussi la technologie du courant continu à haute tension (CCHT), plus efficace ³.

La technologie CCHT sert également dans les câbles d'alimentation sous-marins, dont la longueur dépasse généralement 50 km, et pour échanger de la puissance entre des réseaux qui ne sont pas synchronisés entre eux ³.

Pourquoi parle-t-on tant de haute tension ? Parce que la distance pose un problème. Au tout début de l'électricité commerciale, on envoyait l'énergie sous la tension même qui servait à l'éclairage et aux machines. La distance entre la centrale et les consommateurs restait donc courte ³.

En 1882, la production se faisait en courant continu, dont on ne pouvait pas facilement augmenter la tension pour le transport à longue distance ³. De plus, chaque catégorie de charges (éclairage, moteurs fixes, systèmes de traction ou de chemin de fer) demandait sa propre tension. On utilisait donc des générateurs et des circuits différents ³.

Le tournant vient du transformateur. En 1881, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs construisent l'un des premiers transformateurs, avec un rapport de rotation 1:1 et un circuit magnétique ouvert ³. C'est ce qu'on appelle le « second générateur ». Leur travail rend possible la transmission de l'énergie électrique en courant alternatif ³.

Le transformateur permet de changer la tension d'un courant alternatif. On peut ainsi élever la tension pour le transport, puis la ramener à une valeur adaptée à l'utilisateur.

Les tensions ont ensuite augmenté tout au long du XXe siècle ³. En 1914, cinquante-cinq systèmes de transmission, chacun à plus de 70 000 V, étaient déjà en service ³. En un peu plus de trente ans après 1882, le transport s'était donc transformé.

Une fois le réseau construit, il reste des choix techniques et des contraintes physiques.

Aérien ou souterrain ? On transmet généralement la puissance par des lignes aériennes. Enterrer les câbles coûte nettement plus cher à l'installation et impose davantage de limites d'exploitation, mais diminue les frais d'entretien ³. On y recourt parfois en ville ou dans des lieux fragiles sur le plan écologique ³.

Un câble enterré prend moins de place qu'une ligne aérienne, se voit peu et souffre moins du mauvais temps. En contrepartie, le câble isolé et les travaux de terrassement reviennent bien plus cher qu'une construction aérienne ³. Localiser puis réparer une panne sur une ligne enterrée demande plus de temps ³. Enfin, la chaleur que peut supporter un câble souterrain fixe une limite stricte à ce qu'il transporte ³.

Pas de stockage. C'est la contrainte la plus importante à comprendre. Dans un système de transmission, l'énergie électrique n'est pas stockée : la production doit donc suivre, à chaque instant, le rythme de la consommation ³.

Imagine un tuyau d'eau sans réservoir : si l'on ouvre un robinet à l'arrivée, il faut qu'à l'autre bout davantage d'eau soit envoyée au même instant. De même, quand la consommation augmente, la production doit suivre immédiatement. Cette contrainte explique pourquoi la gestion du réseau est un enjeu permanent, et elle ouvre les chapitres suivants : atouts de l'électricité, optimisation du transport, choix énergétiques.