Réseau électrique
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Introduction

Nombreuses lignes électriques aux abords d'un poste

Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production vers les consommateurs d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...).

Il est constitué de lignes électriques exploitées à différents niveaux de tension (La tension est une force d'extension.), connectées entre elles dans des postes électriques. Les postes électriques permettent de répartir l'électricité et de la faire passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d'une tension à l'autre grâce aux transformateurs.

Un réseau électrique (Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production vers les consommateurs...) doit aussi assurer la gestion dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) production - transport (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.) - consommation, mettant en œuvre des réglages ayant pour but d'assurer la stabilité de l'ensemble.

Historique

Un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un...) électrique étant composé de machines de production et de consommation, ainsi que de structures (lignes, transformateurs) pour les relier, les réseaux électriques ne sont apparus que vers la fin XIXe siècle, lorsque chaque élément avait atteint une maturité technologique suffisante.

Les premiers réseaux à courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un courant périodique dont la composante continue est d'importance primordiale)

Edison a été un pionnier dans la réalisation des premiers réseaux électriques en courant continu.

Lors de la première moitié du XIXe siècle, les inventeurs mettent au point (Graphie) de nombreux types de moteurs (Un moteur à combustion interne est un moteur dont la combustion (production d'énergie) va se situer au même endroit que la production de travail.) électriques à courant continu, mais leur utilisation de manière industrielle ne sera permise qu’après l’invention de la dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique. Elle a été inventée en Belgique en...) (génératrice de courant continu) par Zénobe Gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.) en 1869, qui sera rapidement améliorée. À l'Exposition internationale d'Électricité de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin...) de 1881, Marcel Deprez présente pour la première fois une installation de distribution d'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité...) alimentée par 2 dynamos. À l’automne 1882, les premiers réseaux électriques apparaissent simultanément à New York (New York , en anglais New York City (officiellement, City of New York) pour la distinguer de l’État de New York, est la principale ville des États-Unis, elle compte a elle seule 8 143 200 habitants. Son...) et Bellegarde, en France. Ils sont très locaux et utilisent le courant continu.

Thomas Edison a joué un rôle déterminant dans le développement de l’électricité : il fonde en 1878 l'Edison Electric Light Co (qui deviendra en 1892 General Electric), dépose le brevet de l’ampoule électrique en 1879, puis crée le réseau électrique de New York. Ce dernier, qui avait essentiellement pour but l’éclairage, se développe rapidement : d’une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de 1200 ampoules en 1882, il passe à 10 000 ampoules l’année suivante.

L'éclairage électrique était souvent créé lors d'expositions internationales.

Ce réseau, qui souffre de nombreuses pannes, est constitué de petites centrales électriques (30 kW) et d’un réseau de distribution (Le mot réseau (du latin retis) est apparu pour la première fois dans la langue française sous la forme "resel", au XII ème siècle. Employé dans un premier temps, dans le domaine...) à 110 V. Il est cependant très limité car l’acheminement de l’électricité n’est possible que sur quelques kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.).

À cette période les premières expérimentations de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par...) de l’énergie électrique se développent et sont menées notamment par Marcel Deprez, qui utilise du courant continu. Ce sont cependant des échecs relatifs car elles ne permettent pas le transport de puissances industrielles (Deprez réussi en 1882 à transporter 400 W sur 57 km de distance, mais avec un rendement global de seulement 30%). Les ingénieurs Lucien Gaulard et John Gibbs travaillent quant à eux sur le courant alternatif (Le courant alternatif (qui peut être abrégé par CA, ou AC, pour Alternating Current en anglais, étant cependant souvent utilisé) est un courant...). Bien que le transformateur soit connu depuis 1837, ils mettent au point en 1884 un transformateur de forte puissance utilisant du courant alternatif triphasé (Le triphasé est un système de trois tensions sinusoïdales de même fréquence qui sont déphasées entre elles (de 120 ° ou ?π radians dans le cas idéal). Si la fréquence est de 50 Hz...), ce qui permet de changer facilement le niveau de tension. La même année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) ils démontrent l’intérêt du transformateur en mettant en service une ligne de 80 km de long alimenté en courant alternatif sous 2 000 V.

La victoire du courant alternatif triphasé

Tesla, un inventeur qui a conçu les premiers réseaux électriques en courant alternatifs

George Westinghouse, ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la...) et entrepreneur américain qui a créé sa propre compagnie d'électricité, est intéressé par la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) du courant alternatif. En 1887, il achète les brevets du transformateur de Gaulard et embauche Nikola Tesla qui invente l’alternateur triphasé en 1891. Cette même année la première installation triphasée est mise en place aux environs de Francfort, avec une ligne de 175 km.

Aux États-Unis les réseaux en courant continu poursuivent leur développement, mais sont limités en taille : chaque centrale ne peut alimenter en électricité qu’une zone d’environ 5 km de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la...), ce qui pose problème en dehors des villes. En parallèle se constituent de petits réseaux urbains en courant alternatif. Une opposition sévère fait rage (La rage est une maladie virale grave touchant les mammifères dont l'Homme. Elle est causée par un virus qui provoque une encéphalite. Zoonose assez commune, elle touche surtout les carnivores. Les symptômes sont...) à cette époque aux États-Unis entre Edison (défenseur du courant continu) et George Westinghouse avec Tesla (défenseur du courant alternatif). Edison insiste notamment sur le risque du courant alternatif en haute tension pour les êtres vivants, allant jusqu'à organiser des démonstrations publiques où il électrocute différents animaux, pour prouver la dangerosité du courant alternatif, et va jusqu’à financer la macabre invention de la chaise électrique. Après l'exécution de William Kemmler, Edison dira :« Il a été Westinghousé ».

La bataille décisive entre courant continu et alternatif se déroule autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) d’un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) d’alimentation électrique de l’industrie de Buffalo par une centrale hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :) de 75 MW située à Niagara Falls, à 32 km de distance. Edison proposait un projet en courant continu tandis que Tesla et Westinghouse proposaient un système en courant alternatif. Le contrat fut donné à Westinghouse. En 1896, la mise en service de la première ligne industrielle en triphasé fut un succès total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est pas forcément...) et conduit à imposer universellement le courant alternatif triphasé comme moyen de transport de l’énergie électrique, mieux adapté au transport sur de longues distances.

L’interconnexion progressive des réseaux

A la fin du XIXe et au début du XXe siècle, les usages de l’électricité se multiplient, aussi bien au niveau domestique qu'industriel (notamment l’électrification des tramways, métros et chemins de fer). Dans chaque grande ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour l'ONU) étendue et fortement peuplée (dont les habitations doivent être à moins de 200 m chacune, par opposition...) s'implantent des compagnies d'électricité. Ces dernières construisent des centrales électriques et de petits réseaux locaux, chacun utilisant des fréquences et des niveaux de tension différents. Les opérateurs se rendent compte tardivement de l’intérêt d’utiliser une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...) unique (indispensable à l’interconnexion des réseaux), et l’on voit apparaître finalement 2 standards de fréquence : le 60 Hz sur la majorité du continent (Le mot continent vient du latin continere pour « tenir ensemble », ou continens terra, les « terres continues ». Au...) américain et le 50 Hz quasiment partout dans le reste du monde (Le mot monde peut désigner :).

Dynamos alimentant les tramways de l'est parisien

Dans la première moitié du XXe siècle les réseaux urbains des pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la...) industrialisés se sont agrandis afin d’électrifier les campagnes. En parallèle, ces réseaux se sont interconnectés entre eux au niveau régional afin d'engranger des économies d'échelle sur la taille des centrales de production, et de mieux valoriser des ressources énergétiques géographiquement localisées, comme la production hydraulique située dans les zones montagneuses, éloignée des grands centres de consommation. Au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) et à mesure de l’augmentation des puissances appelées et des distances des lignes d’interconnexion, la tension d’exploitation des lignes a également augmentée (1re ligne à 220 kV construite en 1923 aux États-Unis, celle à 380 kV en 1930 en Allemagne). L’apparition en 1937 du premier turbo-alternateur refroidi à l’hydrogène, d’une puissance de 100 MW, ouvre la voie des centrales électriques de forte puissance.

Une difficulté du développement des réseaux électriques est l’héritage du passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le...), car les infrastructures sont conçues pour durer plusieurs dizaines d’années. L’électrification des campagnes était aisée du fait de l’absence de tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) réseau antérieur, permettant ainsi la mise en œuvre des standards du moment (en termes de tension et de fréquence). Au niveau urbain en revanche le problème était complexe car plusieurs réseaux non interconnectables coexistaient, conduisant à la multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire avec l'addition, la soustraction et la division .) des câbles. Les réseaux en courant continu ont ainsi subsisté très longtemps localement : jusque 1965 à Paris, et 2007 à New York !

Dans les années 1950, les compagnies européennes se coordonnent pour uniformiser les tensions des réseaux de transports à 400 kV, ce qui permet en 1967 la première interconnexion des réseaux français, allemands et suisse à Laufenbourg (Suisse).

La deuxième moitié du XXe siècle a connu en outre un renforcement des interconnexions intra-nationales et un développement significatif des interconnexions transnationales, dans le but principal de créer des capacités de secours mutuel entre opérateurs et d'améliorer globalement la stabilité des systèmes électriques, ainsi que, de façon plus ponctuelle, de créer des capacités d'échange d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) sur le long terme.

L'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique, voire comme une des...), avec sa forte densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est...) de population et un niveau élevé de développement économique et industriel, présente un réseau électrique à la fois dense et maillé. La mise en place d'interconnexions physiques dans ces conditions, a nécessité l'adoption de règles communes de sûreté entre les exploitants des divers systèmes, souvent nationaux pour prévenir les risques d'incident de grande ampleur. Aujourd'hui, c'est l'ENTSO-E, anciennement UCTE, qui effectue cette coordination en Europe.

Enfin plus récemment, dans le cadre de la construction du marché intérieur de l'électricité, la Commission européenne a choisi d'encourager le développement des capacités d'interconnexion transfrontalières, afin d'accroître les potentiels d'échange et l'interconnexion « commerciale » des marchés nationaux.


Pour le XXIe siècle, les réseaux sont confrontés à d'importants nouveaux défis :

  • accueillir simultanément, sans diminuer significativement la sûreté et la qualité de fonctionnement du réseau, des unités de production stables et commandables (électricité hydroélectrique ou issue de centrales thermiques) ainsi que sources moins prévisibles et souvent pas ou très peu commandables, comme l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau et du...) ou l'énergie éolienne (L'énergie éolienne est l'énergie du vent et plus spécifiquement, l'énergie tirée du vent au moyen d'un dispositif aérogénérateur ad hoc comme une éolienne ou un moulin à vent. L'énergie éolienne est une énergie renouvelable, elle...). Ces sources d'énergie font dans de nombreux pays développés (Les pays développés à économie de marché (PDEM) sont des pays dont la majorité de la population accède à tous ses besoins vitaux ainsi qu'à un certain confort et à l'éducation. Les...) l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) de programmes de développement à un rythme soutenu.
  • faciliter l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) entre les consommateurs et le système électrique notamment pour adapter la demande aux capacité de production lorsque cela est nécessaire.
  • être plus économes en ressources non renouvelables qu'il s'agisse des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) pour leur construction comme des pertes qu'ils génèrent.
  • accueillir de nouveaux usages comme le véhicule électrique (Un véhicule électrique est un véhicule dont la propulsion est assurée par un moteur fonctionnant exclusivement à l’énergie électrique, à la différence...).

A ces sujets, les prospectivistes annoncent un réseau intelligent (Smart grid) plus souple et capable de mieux intégrer les sources d'énergies propres et sûres, mais diffuses et non continues telles que l'éolien et le solaire.

Historique des réseaux électriques en France

Le programme de construction des centrales nucléaires a dimensionné le réseau de transport d'électricité français

L’électrification du territoire (La notion de territoire a pris une importance croissante en géographie et notamment en géographie humaine et politique, même si ce concept est utilisé par...) français est effectuée au cours de la première moitié du XXe siècle : de 7 000 communes électrifiées en 1919, elles sont 36 528 à l’être en 1938. En parallèle, les réseaux proches s’interconnectent progressivement :

  • les réseaux de Paris le sont en 1907 à 12 kV
  • ceux des Pyrénées en 1923 à 150 kV
  • enfin la quasi-totalité du territoire français est interconnectée en 1938 à 220 kV, mais de grandes régions restent isolées.

Même au cours de la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une...) guerre mondiale, le réseau de transport d’électricité croit de 30 % et à la Libération il est le plus dense au monde. En 1946, le cumul des lignes électriques de plus de 100 kV atteint 12 400 km, alors qu’il n’était que de 900 km en 1923.

Le 8 avril 1946 l’état nationalise les entreprises d’électricité, en rassemblant ces sociétés de production, distribution et transport en un établissement unique : EDF (cependant il subsistera un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) non négligeable d'entreprises locales de distribution d'électricité et de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) en France). Jusqu’en 1950, EDF devra organiser les coupures d’électricité, suite à la pénurie de centrales de production. La fréquence à 50 Hz se généralise en France (elle était par exemple de 25 Hz sur une grande partie du littoral méditerranéen). Le réseau à 225 kV se substitue aux réseaux à 110, 120 et 150 kV. En 1956, il est décidé de généraliser pour la distribution basse tension (Les normes européennes définissent le domaine de la basse tension (abréviation BT) comme les tensions comprises entre :) le couple de tension 220 / 380 V en remplacement de l'ancien couple 127 / 220 V (en 1986 la tension normalisée sera le couple 230 / 400 V). Le réseau 400 kV, décidé au niveau européen, se développe en France en coordination avec le plan électro-nucléaire, notamment à partir des années 1970-1980.

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