Transport, pertes d’énergie et stockage

Introduction

Produire de l’électricité est une étape essentielle, mais l’acheminer et la stocker efficacement constitue un défi tout aussi important. Contrairement aux énergies fossiles, l’électricité ne peut pas être stockée directement, et son transport sur de longues distances entraîne inévitablement des pertes d’énergie.

Cette leçon présente les principes physiques du transport de l’électricité, les causes des pertes, les solutions pour les limiter, ainsi que les différentes technologies de stockage. Elle permet de comprendre les contraintes techniques du système électrique et les conditions d’une transition énergétique performante.

Transport de l’électricité : principes et infrastructures

L’électricité produite dans une centrale doit être acheminée jusqu’aux lieux de consommation. Cela nécessite un réseau électrique structuré à plusieurs niveaux :

• très haute et haute tension : transport sur de longues distances entre les centres de production et les grandes zones urbaines ou industrielles.

• moyenne tension : distribution régionale ou intercommunale.

• basse tension : alimentation directe des logements, commerces et petites entreprises.

Le transport à haute tension permet de limiter les pertes par effet Joule, un échauffement des conducteurs lié au passage du courant. Ces pertes sont données par la formule :

$P = R \times I^2$

où $P$ est la puissance thermique dissipée, $R$ la résistance du conducteur et $I$ l’intensité du courant. Cette formule s’applique à une résistance parcourue par un courant continu, ou correspond à la valeur efficace dans le cas d’un courant alternatif. On comprend ainsi que réduire l’intensité en augmentant la tension est une manière efficace de réduire les pertes.

À retenir

• Le transport à haute tension permet de réduire les pertes d’énergie par effet Joule.

• La puissance thermique dissipée dépend du carré de l’intensité : $P = R \times I^2$.

• Cette relation explique le choix d’intensités faibles et de tensions élevées dans les réseaux.

Les pertes d’énergie : origine et ordre de grandeur

Les pertes d’énergie surviennent tout au long du réseau, principalement lors du transport et de la distribution. Les principales causes sont :

• l’effet Joule, qui transforme une partie de l’énergie électrique en chaleur dans les câbles.

• les pertes dans les transformateurs (échauffement, pertes magnétiques).

• les pertes liées à la conversion ou au stockage, lors du passage entre courant continu et alternatif, ou lors du stockage.

Remarque : les pertes mécaniques (frictions, turbulences) concernent la production d’électricité, mais non son transport.

En France, ces pertes techniques représentent en moyenne 6 à 7 % de l’électricité produite.

À retenir

• Une partie de l’électricité est perdue pendant son transport, principalement sous forme de chaleur.

• Ces pertes peuvent être réduites grâce à des réseaux efficaces et bien entretenus.

• Elles représentent environ 6 à 7 % de la production totale.

Le rôle des transformateurs

Les transformateurs électriques permettent de modifier la tension d’un courant alternatif sans perte significative de puissance. Ils fonctionnent par induction électromagnétique, mais uniquement avec un courant alternatif, ce qui justifie l’usage de ce type de courant dans les réseaux.

On les trouve :

• en sortie de centrale, pour élever la tension avant le transport longue distance.

• en périphérie des zones de consommation, pour abaisser la tension à des niveaux compatibles avec les usages domestiques ou industriels.

À retenir

• Les transformateurs permettent d’ajuster la tension électrique selon les besoins du réseau.

• Ils ne fonctionnent qu’avec un courant alternatif.

• Ils sont essentiels pour limiter les pertes et garantir la sécurité du transport.

Le stockage de l’électricité : pourquoi et comment ?

L’électricité ne peut pas être stockée directement : elle doit être convertie en une autre forme d’énergie. Le stockage est crucial pour :

• réguler l’offre et la demande (ex : stocker l’électricité en excès à midi, la restituer le soir).

• gérer l’intermittence des énergies renouvelables (solaire, éolien).

• maintenir l’équilibre du réseau, notamment en stabilisant la fréquence et la tension.

Les batteries

• Stockent l’électricité sous forme chimique.

• Présentes dans les installations domestiques, les véhicules électriques, ou les micro-réseaux.

• Technologies principales : lithium-ion, plomb-acide, sodium-soufre.

• Limites : capacité limitée, usure progressive, dépendance à certains matériaux, gestion du recyclage.

Les stations de transfert d’énergie par pompage

• Utilisent l’électricité excédentaire pour pomper de l’eau vers un réservoir en altitude.

• Lors des pics de consommation, l’eau est relâchée et entraîne une turbine.

• Stockage efficace à grande échelle.

• Nécessitent un relief favorable.

L’hydrogène

• L’électricité produit de l’hydrogène par électrolyse de l’eau.

• L’hydrogène est stocké, puis utilisé dans une pile à combustible pour produire à nouveau de l’électricité.

• Rendement global (électrolyse + stockage + reconversion) : environ 30 à 40 %, ce qui limite son intérêt.

• Cette solution est surtout envisagée pour le stockage longue durée ou pour des usages industriels et mobiles nécessitant une énergie décarbonée.

Les volants d’inertie

• Stockent l’énergie sous forme de rotation mécanique d’un disque lourd.

• Lorsqu’on a besoin d’énergie, le disque ralentit et transmet son énergie au réseau.

• Très réactifs, ils sont utilisés pour stabiliser la fréquence du réseau ou répondre à des pics rapides de demande.

Les supercondensateurs

• Stockent l’électricité dans un champ électrique, sans réaction chimique.

• Très grande puissance instantanée, mais faible capacité de stockage.

• Utilisés pour lisser les pics de puissance ou assurer des transitions très rapides (transports, équipements électroniques).

À retenir

• Le stockage permet de stabiliser la production, d’absorber les pics de demande et de lisser l’intermittence.

• Chaque technologie a ses usages : batteries (flexibilité), stations de pompage (grande échelle), hydrogène (long terme), volants (fréquence), supercondensateurs (puissance instantanée).

Réseaux intelligents : vers un système plus réactif

Les réseaux électriques intelligents sont des réseaux capables de s’adapter en temps réel à la production et à la consommation. Ils s’appuient sur des technologies numériques et des capteurs.

Leur rôle :

• ajuster automatiquement l’équilibre entre l’offre et la demande.

• intégrer des sources renouvelables variables et décentralisées.

• communiquer avec les appareils domestiques ou industriels pour réguler la consommation.

• détecter les anomalies pour améliorer la sécurité et l’efficacité du réseau.

Analogie : comme un GPS qui adapte un itinéraire en fonction du trafic, un réseau intelligent ajuste les flux d’électricité en temps réel selon la météo, la consommation ou la production locale.

À retenir

• Les réseaux électriques intelligents rendent le système plus souple et réactif.

• Ils facilitent l’intégration des énergies renouvelables.

• Ils permettent de mieux consommer et de stabiliser le réseau.

Conclusion

Le transport et le stockage de l’électricité sont des composantes essentielles d’un système énergétique efficace. Grâce à la haute tension, aux transformateurs et aux réseaux intelligents, les pertes sont limitées et les flux mieux régulés. Le stockage, quant à lui, est indispensable pour absorber les fluctuations et garantir la stabilité du système.

L’avenir du réseau électrique passe par une combinaison de solutions techniques adaptées aux usages locaux, un pilotage numérique fin, et une meilleure sobriété énergétique. Ces évolutions sont indispensables pour réussir une transition énergétique durable et fiable.