La tension, la fréquence et le transport de l’électricité
Les exploitants de réseau ont la responsabilité d’assurer la qualité et la stabilité des réseaux électriques. Maintenir la fréquence d’un réseau électrique dans des limites strictes est essentiel pour plusieurs raisons
La tension – qu’est-ce que c’est ?
La tension est la différence de potentiel électrique entre deux points. La tension électrique est exprimée en volts (V). Elle indique l’énergie nécessaire au déplacement d’une charge électrique (d’un électron) d’un point à un autre. Ce déplacement ayant lieu, un champ électrique est créé, ce qui « pousse » les électrons à circuler dans les conducteurs (les câbles). Ce principe permet notamment le transport de l’électricité des centrales jusqu’aux consommateurs à travers les câbles électriques. Notons que la tension diminue au long du transport de l’électricité en raison de la résistance des lignes électriques et de celle des appareils consommateurs.
Graphique : La tension et le réseau électrique peuvent être expliquée par une analogie (simplifiée) avec les systèmes de distribution d’eau.
Pour mieux comprendre, comparons avec un système de distribution d’eau : On pourrait dire que la tension électrique est comme la pression de l’eau dans les tuyaux. Dans un système hydraulique fermé, une pompe augmentera la pression (tension) pour permettre la circulation de l’eau. Plus l’eau s’écoule à travers les tuyaux, plus la pression diminue, car l’eau se heurte aux obstacles tels que les vannes ou des coudes qui engendrent des frottements et des turbulences. Il en va de même pour l’électricité dans le réseau électrique.
La tension électrique a une influence très importante sur la stabilité des réseaux électriques ainsi que sur la sécurité des systèmes consommateurs d’électricité.
Voici quelques-unes des raisons :
💥 Les appareils électriques fonctionnent à des tensions spécifiques (généralement 230 V ou 110 V, selon les pays). La tension fournie par le réseau doit correspondre à celle requise par l’appareil pour garantir son bon fonctionnement et sa sécurité. Une tension incorrecte peut endommager ou détruire l’appareil.
💥 La tension est également un facteur clé pour la sécurité des personnes : les tensions élevées présentent un risque mortel en cas de choc électrique.
💥 Enfin, le contrôle de la tension et de la fréquence est essentiel pour garantir la fiabilité du réseau électrique. Il est également important de noter qu’une haute tension permet de réduire les pertes d’énergie. Brièvement, chaque réseau est constitué de :
- Les lignes électriques à haute tension (HT). Elles transportent l’électricité sur de longues distances. Le réseau de transport s’étend depuis les centrales de production jusqu’aux sites des grands industriels. Il existe des lignes à Très Haute Tension (THT, 400kilovolts (kV) et 225kV ainsi que des lignes à Haute Tension (HT, 90kV et 63kV).
- Le réseau de distribution moyenne tension (MT) prend le relais du réseau de transport après les postes de transformation, où la tension est réduite. La moyenne tension se situe généralement entre 10 kV et 30 kV. Le réseau MT achemine l’électricité jusqu’aux zones résidentielles, zones industrielles avec les petites industries et les entreprises locales. La plupart des parcs éoliens terrestres sont d’ailleurs raccordés au réseau de MT.
- Depuis les postes de transformation MT, se déploie le réseau Basse Tension (BT, 400V ou 230V) qui mènera jusqu’aux habitations et petits consommateurs.
Les éoliennes produisent un courant électrique à une tension en général entre 400V et 690V. Cette tension est ensuite élevée par un transformateur qui se trouve à l’intérieur du mât de l’éolienne à 20 000V pour atteindre la MT (qui est entre 10 kV et 30 kV). Un poste de transformation relève encore la tension pour que l’électricité puisse être intégrée au réseau HT et transportée sur les lieux de consommation.
La Fréquence
Les centrales électriques classiques telles que les centrales à gaz ou à charbon produisent du courant alternatif. Dans ce contexte, la notion de fréquence du courant est importante à connaitre.
Puisqu’il est impossible de stocker de l’électricité dans le réseau, un équilibre entre la production et la consommation est nécessaire pour garantir l’approvisionnement continu de tout utilisateur/consommateur d’électricité. Cet équilibre est indiqué par la fréquence.
- Si la production égale la consommation, la fréquence reste stable.
- Si la production et la consommation ne sont pas équilibrées, cela affecte la fréquence comme suit :
La fréquence du réseau électrique est mesurée en Hertz (Hz), formule indiquant le nombre de cycles par seconde d’un signal alternatif.
Dans presque tous les pays et continents l’électricité CA est livrée à une fréquence de 50 cycles par seconde, la fréquence est donc fixée à 50hertz (Hz). En Europe et en Afrique du Nord, elle est de 50 Hz contre 60 Hz en Amérique du Nord, Mexique et quelques autres pays.
Tenir la fréquence implique aussi que tous les alternateurs (générateur d’électricité) raccordés au réseau électrique doivent être synchronisés sur la même fréquence du réseau. Il en va de la stabilité du réseau électrique et surtout, d’éviter les pannes générales.
Le défi de l’intégration croissante des énergies renouvelables
Avec l’accroissement de la part des énergies renouvelables (de l’éolien et du solaire photovoltaïque surtout) à nos systèmes de transport électriques, les gestionnaires de réseaux électriques sont confrontés à de grands défis. La cause réside dans la nature de l’énergie éolienne et solaire : leur variabilité. Les énergies dites « intermittentes » comme l’éolien et le solaire dépendent des conditions météorologiques et leur production varie fortement. Pour la gestion de la fréquence du réseau, cela implique une toute nouvelle forme de gérer l’équilibre, la réponse étant tout d’abord les technologies de stabilisation avancées au sein des générateurs et du réseau, mais aussi des solutions organisationnelles et stratégiques avec de nouveaux éléments tels que de nouvelles formes de stockage de l’énergie (hydrogène, grandes batteries), la flexibilisation et gestion de la demande (réduire les pics de consommation, effacement de certaines consommations ou transfert à certaines plages horaires, tarification incitative), etc.
C’est là que réside tout l’enjeu de la transition énergétique qui fait surgir les concepts au cœur de nos discussions sur le développement de nos systèmes d’approvisionnement actuels. Parmi ces concepts, on peut citer les smartgrids (réseaux intelligents), le couplage des secteurs (transport, industrie, habitat), la mobilité électrique ou encore le Power-to-X (conversion de l’excès d’électricité en hydrogène pour usage ultérieur), entre autres.