Chapitre 5 — Conversion et transport de l’énergie électrique · Topic 1 : Sources sans combustion, transport et stockage · Leçon 1.2
Produire de l’électricité dans une centrale est une chose. La faire voyager sur des centaines de kilomètres jusqu’à l’utilisateur sans la gaspiller en est une autre. Le problème est physique : tout câble électrique possède une résistance, et cette résistance transforme une partie de l’énergie électrique en chaleur — c’est l’effet Joule. Comprendre comment les ingénieurs ont résolu ce problème (avec la haute tension et les transformateurs) est essentiel pour comprendre le fonctionnement du réseau électrique moderne.
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- Calculer la puissance électrique (P = U·I) et les pertes par effet Joule (P_pertes = R·I²).
- Expliquer pourquoi la haute tension réduit les pertes lors du transport.
- Décrire le rôle d’un transformateur dans le réseau électrique.
- Comparer les trois familles de stockage de l’énergie (chimique, mécanique, électromagnétique).
🧭 Plan de la leçon
- Puissance électrique et effet Joule
- La haute tension : réduire les pertes par l’astuce du transformateur
- Le stockage chimique : batteries et accumulateurs
- Le stockage mécanique : les STEP
- Le stockage électromagnétique : condensateurs et supercapacités
1. Puissance électrique et effet Joule
La puissance électrique P (en watts, W) transmise dans un circuit est donnée par :
P = U · I
Où U est la tension (en volts, V) et I l’intensité du courant (en ampères, A).
Tout conducteur possède une résistance électrique R (en ohms, Ω). Lorsqu’un courant d’intensité I le parcourt, une puissance est dissipée sous forme de chaleur — c’est l’effet Joule :
P_pertes = R · I²
Les pertes sont proportionnelles au carré de l’intensité. Si l’intensité double, les pertes quadruplent. Si l’intensité est divisée par 10, les pertes sont divisées par 100.
Un câble à très haute tension (THT) reliant une centrale à une ville peut mesurer plusieurs centaines de kilomètres. Sa résistance peut atteindre plusieurs dizaines d’ohms. Si l’on transportait de l’électricité à basse tension (230 V) et donc à très haute intensité, les pertes seraient considérables. La solution : transporter à très haute tension et très faible intensité.
2. La haute tension : réduire les pertes par l’astuce du transformateur
Le raisonnement est simple. Pour transporter une puissance P = U · I donnée, on peut augmenter U et diminuer I dans les mêmes proportions — la puissance transportée reste la même, mais les pertes (R·I²) chutent dramatiquement.
| Tension U | Intensité I (pour P fixe) | Pertes P = R·I² (pour R fixe) |
|---|---|---|
| 230 V (réseau domestique) | I | R·I² (référence = 100 %) |
| 20 000 V (HTB distribution) | I / 87 | R·I² / 7 500 ≈ 0,013 % |
| 400 000 V (THT transport, France) | I / 1 739 | R·I² / 3 024 000 ≈ 0,000 033 % |
Pour élever ou abaisser la tension du courant alternatif, on utilise un transformateur :
Un transformateur est constitué de deux bobines (primaire et secondaire) couplées magnétiquement par un noyau ferromagnétique. Si le primaire a N₁ spires sous tension U₁ et le secondaire N₂ spires :
U₂ / U₁ = N₂ / N₁ (rapport de transformation)
Un transformateur « élévateur » (N₂ > N₁) augmente la tension (et réduit l’intensité). Un transformateur « abaisseur » fait l’inverse. Le rendement d’un transformateur moderne est supérieur à 99 %. Les transformateurs ne fonctionnent qu’en courant alternatif (le flux magnétique doit varier).
En France, RTE (Réseau de Transport d’Électricité) gère un réseau de 400 kV et 225 kV pour le transport à longue distance. Enedis gère ensuite la distribution à 20 kV (HTB) puis 400 V (réseau domestique). L’ensemble représente plus de 100 000 km de lignes à très haute tension. Les pertes totales lors du transport représentent environ 2 à 3 % de l’électricité transportée.
3. Le stockage chimique : batteries et accumulateurs
Les batteries (ou accumulateurs) stockent l’énergie électrique sous forme d’énergie chimique. Elles fonctionnent grâce à des réactions électrochimiques réversibles (oxydoréduction).
| Technologie | Densité énergétique | Rendement aller-retour | Applications |
|---|---|---|---|
| Lithium-ion (Li-ion) | 150–300 Wh/kg | ~90–95 % | Voitures électriques, smartphones, stockage réseau |
| Plomb-acide | 30–50 Wh/kg | ~75–85 % | Démarrage de véhicules, onduleurs, secours |
| Sel fondu (NaS) | 150–240 Wh/kg | ~75–80 % | Stockage stationnaire grande échelle |
4. Le stockage mécanique : les STEP
Les STEP (Stations de Transfert d’Énergie par Pompage) sont aujourd’hui la technologie de stockage d’énergie la plus déployée au monde, représentant plus de 90 % des capacités mondiales de stockage d’énergie.
Principe :
- Lors des excédents de production (nuit, forte production éolienne/PV) : on utilise l’électricité excédentaire pour pomper de l’eau d’un réservoir bas vers un réservoir haut (stockage d’énergie potentielle gravitationnelle).
- Lors des pics de demande : on relâche l’eau du réservoir haut qui fait tourner des turbines (comme un barrage hydraulique classique), produisant de l’électricité.
Le rendement aller-retour d’une STEP est de 70 à 85 %. Les STEP peuvent répondre en quelques minutes à une demande de puissance importante — elles jouent le rôle de « batteries géantes » du réseau européen.
5. Le stockage électromagnétique : condensateurs et supercapacités
Les condensateurs stockent l’énergie électrique dans un champ électrique entre deux armatures conductrices séparées par un isolant (diélectrique). Leur principale caractéristique est leur puissance spécifique très élevée — ils peuvent libérer ou absorber de grandes quantités d’énergie très rapidement — mais leur densité énergétique reste faible (peu d’énergie stockée par kg).
Les supercapacités (ou supercondensateurs) sont une version améliorée stockant 10 à 100 fois plus d’énergie qu’un condensateur classique, mais restent en dessous des batteries en termes de densité énergétique. Elles sont utilisées pour les applications nécessitant des décharges rapides (freinage régénératif des tramways, pics de puissance industriels).
| Technologie | Densité énergétique | Puissance spécifique | Temps de décharge |
|---|---|---|---|
| STEP (stockage mécanique) | Faible (mais grande capacité totale) | Modérée | Heures |
| Batterie Li-ion (chimique) | Élevée | Modérée | Minutes à heures |
| Supercapacité (électromagnétique) | Faible | Très élevée | Secondes |
🧠 À retenir absolument
- Puissance électrique : P = U·I (watts). Pertes Joule : P_pertes = R·I² (proportionnel au carré du courant).
- Haute tension : pour transporter une puissance fixe avec moins de courant → pertes ×(U₁/U₂)² = très fortement réduites.
- Transformateur : U₂/U₁ = N₂/N₁. Rendement >99 %. Fonctionne uniquement en courant alternatif.
- Stockage chimique : batteries (Li-ion, plomb-acide) — densité énergétique élevée, rendement ~90–95 %.
- Stockage mécanique : STEP — 90 % des capacités mondiales, rendement 70–85 %, réponse en quelques minutes.
- Stockage électromagnétique : condensateurs/supercapacités — puissance élevée, énergie faible, décharge rapide.
❓ Questions fréquentes
Pourquoi les transformateurs ne fonctionnent-ils pas en courant continu ?
Un transformateur fonctionne sur le principe de l’induction électromagnétique (loi de Faraday) : il a besoin d’un flux magnétique qui varie pour induire une tension dans la bobine secondaire. Le courant alternatif (AC) produit un flux magnétique qui varie sinusoïdalement, permettant l’induction. Le courant continu (DC) crée un flux magnétique constant — sans variation, il n’y a pas d’induction et le transformateur ne fonctionne pas. C’est d’ailleurs l’un des arguments qui ont fait pencher la balance vers l’AC dans la « bataille des courants » — les transformateurs permettent de modifier facilement la tension de l’AC, pas du DC.
Y a-t-il des lignes à haute tension souterraines ?
Oui, mais elles sont beaucoup plus coûteuses que les lignes aériennes — environ 5 à 10 fois plus chères à construire. Elles sont utilisées dans certaines situations particulières (zones urbaines denses, traversées sous-marines comme les interconnexions entre pays). En France, une part croissante du réseau de distribution (20 kV) est enterrée pour des raisons esthétiques et de fiabilité, mais le réseau de transport très haute tension (400 kV et 225 kV) reste majoritairement aérien. Les câbles souterrains présentent également des défis techniques spécifiques (capacitance plus élevée, gestion de la chaleur).
Pourquoi les STEP représentent-elles 90 % du stockage mondial alors que les batteries font la une des journaux ?
Les STEP dominent le stockage mondial en termes de capacité totale installée (GWh) pour une raison simple : elles ont été développées depuis les années 1960–1970, bien avant les batteries Li-ion, et atteignent des capacités de stockage de centaines à milliers de GWh — bien au-delà de ce qu’une batterie peut offrir à coût raisonnable. En revanche, les batteries Li-ion sont plus flexibles (s’installent partout, pas besoin de relief ni de deux lacs), répondent plus rapidement et progressent très vite technologiquement. La croissance des batteries dans le mix de stockage est rapide (×10 en capacité mondiale entre 2018 et 2023), mais elles partent d’une base beaucoup plus faible que les STEP existantes.
Peut-on calculer les pertes sur une ligne de transport concrète ?
Oui — avec la formule P_pertes = R·I². Exemple : une ligne de 300 km de résistance totale R = 10 Ω transporte 1 000 MW à 400 000 V. L’intensité est I = P/U = 10⁹/400 000 = 2 500 A. Les pertes sont P_pertes = 10 × (2 500)² = 62 500 000 W = 62,5 MW, soit 6,25 % de la puissance transportée. Si on transportait la même puissance à 40 000 V (10× moins), l’intensité serait 25 000 A et les pertes atteindraient 6 250 MW — soit 6,25 fois plus que la puissance transportée, ce qui est évidemment impossible. D’où l’intérêt fondamental de la très haute tension.
Qu’est-ce que le freinage régénératif et en quoi les supercapacités y jouent-elles un rôle ?
Quand un tramway, un bus électrique ou une voiture hybride freine, l’énergie cinétique (mouvement) peut être récupérée au lieu d’être dissipée en chaleur dans les plaquettes de frein. Un générateur transforme cette énergie cinétique en énergie électrique — c’est le freinage régénératif. Cette énergie doit être absorbée très rapidement (en quelques secondes) et en grandes quantités. Les batteries classiques ne peuvent pas se charger aussi rapidement (risque de surchauffe). Les supercapacités, elles, peuvent absorber de grandes puissances en très peu de temps. Elles stockent l’énergie du freinage, puis la restituent lors de l’accélération suivante. Certains tramways modernes utilisent des supercapacités à bord pour fonctionner sans caténaire sur de courtes distances.
🚀 Pour aller plus loin
Tu comprends comment l’électricité est transportée et stockée. Découvre maintenant comment le réseau européen équilibre offre et demande :
- Leçon 1.3 — Le réseau électrique européen : intermittence et équilibre offre/demande
- Leçon 6.2 — Le cycle du carbone, la combustion et l’empreinte carbone
- Leçon 4.1 — L’induction électromagnétique et les alternateurs (retour sur les principes)
Sources scientifiques : Bulletin Officiel, programme d’enseignement scientifique de Terminale (BO n° 25, 2023) · RTE, Bilan électrique de la France 2023 · IRENA, Electricity Storage and Renewables (2017) · Agence Internationale de l’Énergie, Energy Storage Tracking 2023 · IEC, Technical Committee on Electrical Energy Storage Systems.
Contenu pédagogique original — Réussir SVT. L’équipe Réussir SVT.