l'électricité, science et développements

Soir d'aout 2006 à Camaret

L'électricité , des faits, quelques éléments techniques puis scientifiques

L'energie électromagnétique se propage à la vitesse de la lumière dans ou autour des réseaux électriques

L’équilibre entre l’offre et la demande en électricité se fait à la vitesse de la lumière sur l’échelle de toute l’Europe, en temps réel, de façon quasi instantanée, avec un couplage entre les échanges physiques et les marchés de l’électricité.

Le réseau est interconnecté entre plusieurs milliers de producteurs et des centaines de millions de consommateurs. La France est ainsi intégrée dans le plus grand espace de chalandise en électricité au monde avec un volume d’échange de plus de 3000 TWh. (T = TERA = 10 puissance 12. Un TWh est une énergie d'un milliard de kWh kilo Watt heure)

La carte du réseau électrique européen interconnecté est disponible sur

https://www.entsoe.eu/map/Pages/default.aspx

L'association ENTSOE est l'association des gestionnaires des réseaux électriques, qui assurent à travers une mission d'intérêt général, une mission de service public, la régulation technique temps réel de l'équilibre entre la demande et la production d'électricité. Ce sont les contrôleurs des flux d'énergie, comme dans l'aéronautique nous avons les contrôleurs du ciel.

L’équilibre physique entre la demande en électricité et la production en électricité est réglé par l’action sur la fréquence du réseau autour de 50 Hz sur l'ensemble du réseau électrique européen interconnecté.  Cette fréquence du réseau est disponible à tout moment en mesurant la fréquence sur le réseau lui même.

Si la fréquence du réseau électrique diminue, comme la vitesse de rotation d’une roue d’un vélo qui grimpe une côte, c’est que la demande en énergie est plus importante que l’offre, l’effort demandé est plus important, et il faut injecter plus d’énergie. Les fournisseurs en énergie doivent alors accroître leur production d’électricité pour accompagner la demande de leurs clients.

Si la fréquence augmente, comme un cycliste qui aborde une descente et qui voit la vitesse de rotation de ses roues augmenter, l’offre physique est supérieure à la demande. Il faut alors réduire l’apport en énergie et diminuer la production d’électricité.

Ce constat ré-interroge les fondements de l'électromagnétisme

Puisque l'équilibre sur le réseau électrique européen se fait ainsi à la vitesse de la lumière, ce qui est de fait constaté tous les jours,  comme cela se passe également sur le réseau internet où en quelques millisecondes les moteurs de recherche nous donnent des millions d'informations, ce qui est enseigné encore à ce jour dans nos écoles et universités, en électromagnétisme, est incorrect.

En effet la vitesse des électrons dans les matières conductrices ne se fait pas elle à la vitesse de la lumière. C'est donc le champ électromagnétique autour des conducteurs qui crée le déplacement des électrons, et non le déplacement des électrons qui crée le champ électromagnétique.

L'énergie électromagnétique se propage de fait le long d'un conducteur électrique comme l'énergie de la houle le long d'une digue au bord de la mer.  

L'agitation des cailloux présents sur une digue au bord de la mer paraît se propager à la vitesse de la houle. Mais la vitesse de chaque caillou n'est nullement la vitesse de propagation de la houle. Et c'est bien la houle qui fait déplacer les cailloux de la digue et non l'inverse. 

Une telle inversion entre la cause et l'effet est déjà arrivée dans l'histoire des sciences. Combien de temps avons nous attendu pour convenir que c'est bien la Terre qui tourne autour du soleil et non l'inverse? 

La prise en compte de ce constat pouvant être qualifié d'expérimental réinterroge les fondements mêmes de l'électromagnétisme car cela revient à reconsidérer la propagation spatiale et ondulatoire de l'énergie électromagnétique, le rôle des conducteurs électriques en tant que guides d'onde.

Une telle description spatiale et ondulatoire du champ électromagnétique conduit à ré- interroger l'intérêt et la pertinence même du concept de photon . A noter que Jean Maillard dans un article paru en février 1948, dans la revue l'Onde Electrique (Bulletin de la Société des radio électriciens), en page 79, dans un article intitulé "Note sur la théorie de la réciprocité de Carson", démontrait que l'effet photoélectrique pouvait être décrit physiquement et simplement sans aucunement avoir besoin de faire appel, à ce stade,  au concept corpusculaire du photon.

Cet article de Jean Mailllard est recensé dans les articles de l'inventaire du fonds d'archives de Louis de Broglie, à l'Académie des Sciences, en page 23

http://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/fonds_pdf/Fonds_Broglie.pdf

A noter que la nature corpusculaire de la matière n'est pas pour autant à écarter, mais elle ne peut être considérée qu'à des niveaux de définition beaucoup plus petits.

Ces différents constats ne peuvent que nous inciter à y puiser de nouvelles sources d'inspiration dans la conduite de nos observations expérimentales qui nous ouvrirons alors de nouvelles voies dans la description et la représentation de notre univers physique.

Le photon est mort, vive la science!

Un soir  en juillet 2006 sur la plage du Goizil, sur l'Ile de Ré

l'électricité , facteur de développement

L'électricité ne constitue de fait qu'une configuration utile de l'énergie électromagnétique qu' il a fallu mobiliser, dans des lieux de production d'électricité, puis guider le long des réseaux électriques jusqu'aux utilisateurs finaux.

Des marchés de compensation de très court terme (inférieur ou égal à l'heure), complémentaires aux marchés court/moyen et long terme ( de la journée à plusieurs années) en électricité, permettent d’assurer les contreparties financières et économiques correspondantes aux  échanges physiques en énergie sur les réseaux électriques.

Pour la France, l’équilibre entre l’offre et la demande en électricité, et les échanges en électricité avec les pays voisins peuvent être visualisés en temps réel sur le site du gestionnaire de transport, RTE. La courbe instantanée France et les  échanges d’énergie en électricité entre la France et ses pays voisins est disponible à tout moment sur le site de RTE, gestionnaire en France du réseau de transport d'électricité.

http://clients.rte-france.com/lang/fr/visiteurs/vie/tableau_de_bord.jsp
 

A ce jour le Royaume Uni est connecté au réseau européen en un seul point via une liaison sous-marine sous la Manche. Les deux réseaux de part et d'autre ne sont pas à la même fréquence, et en raison de la nature de la propagation du champ électromagnétique et de l'étendue des réseaux de part et d'autre, il faudrait plusieurs points de connexions pour permettre d'établir un synchronisme entre les réseaux.

Au Sud de l'Europe, les pays du Maghreb sont connectés via une liaison synchrone sous le détroit de Gilbratar. La poursuite de l'interconnexion électrique tout autour du pourtour méditerranéen  illustrera la capacité des pays européens et du Nord de l'Afrique à s'entraider et à se développer, dans la paix et la coopération. Cela suppose que les acteurs économiques et politiques convergent en faveur de conditions géopolitiques favorisant cette paix et cette coopération, et en amont une politique de recherche, d'éducation et une industrie permettant le déploiement d'un tel développement.

Le stockage de l’énergie portée par l’électricité (ou le champ électromagnétique) est d'ores et déjà réalisé à grande échelle lorsque dans des stations de pompage hydrauliques de plusieurs centaines de MWe, est pompée de l’eau dans les heures dites creuses, pour être relâchée plus tard au moment où les besoins sont les plus importants.

Nous pourrions envisager de construire en mer en France, en Europe ou ailleurs le long de nos rivages, là où le marnage de nos marées ( différence entre la haute mer et la basse mer ) est important, des réservoirs de grandes dimensions, sur plusieurs kilomètres en longueur, permettant avec une double cavité, de maintenir en permanence une différence de hauteur d'eau permettant de renforcer notre capacité de production d'électricité de pointe hydraulique. A un tel équipement maritime, valorisant  l'énergie des marées, pourraient être associés des hydroliennes utilisant les courants marins dans le contournement de l'ouvrage, des éoliennes, sur la digue, et des stations de pompage valorisant l'énergie nucléaire disponible en base ou l'énergie intermittente disponible dans les heures dites creuses vues de la demande en énergie. La réalisation d'un tel équipement, "atoll énergétique", nécessiterait avant sa construction, une large concertation avec toutes les parties prenantes. La valorisation de l'équipement  pour les besoins de la pêche (réalisation d'un espace spécifique de reproduction d'espèces protégées), pour la recherche maritime en y associant des équipements de surveillance de l'environnement marin, et pour l'industrie en y associant par exemple des plateformes de mise au point pour le développement des biocarburants ou pour la tenue des équipements en milieu marin, pourrait ouvrir utilement à de nouvelles opportunités de développement.

Pa ailleurs, le développement demain de parc de systèmes de charges de batteries de véhicules électriques, et de systèmes locaux de stockage dans les maisons disposant d’une production locale par énergie renouvelable, constitueront des éléments de souplesse complémentaires, mais n’effaceront pas la problématique de la production amont initiale d’électricité, par quoi et à quel coût, en vue de répondre à l'ensemble des besoins de la société. 

Pour le développement des véhicules électriques, les systèmes de batteries embarquées, mais aussi, les systèmes de charge et d'interfaces avec le réseau, avec des couplages nouveaux entre les courants faibles à très haute fréquence mais à faible énergie (pour le transfert d'informations, la géolocalisation des véhicules et la connexion optimale à des points de charge, ainsi que pour les transactions financières associées à l'utilisation des véhicules électriques) et les courants forts , à basse fréquence 50Hz mais à très forte énergie, (pour le transfert d' énergie), constituent un défi industriel majeur.

Les premiers qui développeront à l'échelle de la planète, des systèmes ouverts et couplés, avec des normes techniques standardisées facilement compatibles, en échange d'énergie, comme en protocoles de partage d'informations, avec les enjeux de comptage en énergie et de sécurité informatique associés à la clé, pourront se positionner mondialement sur les marchés d'équipement automobile et électronique. La France et l'Europe peuvent à cet égard ne pas avoir dit leur dernier mot dans un contexte de très vive concurrence mondiale.

A noter également que l’hydrogène comme l’électricité ou le champ électromagnétique qui se propage, n’est qu’un vecteur d’énergie entre une ressource primaire amont et une utilisation finale en aval. L’hydrogène, comme l’électricité, ne se trouve pas à l’état naturel dans une configuration utile à nos besoins, et il faut le produire en amont, le transporter et/ou le stocker. En tant que vecteurs d’énergie, l’électricité, en fait plutôt le champ électromagnétique, offre aujourd’hui beaucoup plus de potentialités que l’hydrogène qui gardera un rôle mineur dans le monde de l'énergie, au moins dans la première partie de notre  siècle, en l’absence de découverte majeure ou de nouvelle percée technologique dans la production, le transport et le stockage d'hydrogène.

La part de l'électricité au niveau mondial progresse ainsi significativement dans le panorama énergétique avec le développement

Au niveau mondial, la production d’énergie primaire pour répondre aux besoins d’énergie dans le monde a été multipliée par deux entre 1973 et 2009, en passant de 6 milliards de tonnes équivalents pétrole à 12 milliards de tonnes équivalent pétrole, quand la population mondiale passait de 4 milliards à 7 milliards d’habitants aujourd’hui. Les chiffres clés de l'énergie sont disponibles sur le site de l’Agence Internationale de l’Energie

http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2011/key_world_energy_stats.pdf
 

Dans le même temps,   la part de l’électricité dans la demande en énergie est de plus en plus importante. Au niveau mondial, elle est passée de 9,4 % à 17,3 %, avec une part encore plus importante dans les pays développés (l’électricité représente 21,6 % de la demande en énergie au sein des pays de l’OCDE). Ainsi, la production mondiale d’électricité a été entre 1973 et 2009 multipliée par trois, en passant de 6115 TWh à 20055 TWh.

Si nous voulons assurer le développement de l’ensemble de la planète avec 9 à 10 milliards d’habitants à l’horizon de 20150/2100, il nous faudra savoir produire tout au long du siècle prochain un volume au moins équivalent de cet ordre en électricité, au moindre coût, et en recherchant l’économie la plus grande possible des ressources naturelles primaires (matières premières, eau douce, espaces fonciers, …).

La maitrise de la consommation de la demande en électricité et celle de production d'électricité à l'échelle locale comme à l'échelle d'un pays est donc de plus en plus stratégique et vitale.

En 2009, cette production mondiale d’électricité était assurée à 40 % par le charbon, avec 8119 TWh, à 21% par le gaz, avec 4301 TWh, à 17% par l’hydraulique avec 3329 TWh, et à 13 % par le nucléaire avec 2697 TWh produits.

Le détail de la production d’électricité par l’énergie fossile a été le suivant en 2009 :

-    par le charbon, 8119 TWh, dont Chine 2913 TWh, USA 1893 TWh et Allemagne 257 TWh. Pour mémoire, la production de charbon de la Chine, avec 3 Milliards de tonnes, représente plus de la moitié de la production mondiale de charbon. Le deuxième producteur de charbon est les USA avec 932 millions de tonnes. (pour la ressource charbon, chiffres 2010)

-    par le gaz, 4301 TWh, dont USA 950 TWh, Russie 469 TWh, Royaume Uni 165 TWh, et Italie 147 TWh. A noter pour mémoire qu’en 2010, concernant la ressource en gaz, le premier producteur  et premier exportateur de gaz est la Russie avec respectivement 637 milliards de m3 produits et 169 milliards de m3 exportés, le deuxième producteur est les USA avec 613 milliards de m3, mais ils importent également 74 milliards de m3, que le troisième producteur est le Canada avec 160 milliard de m3 qui en exporte la moitié vers les USA, et le quatrième producteur est l’Iran avec 145 milliards de m3. Le premier importateur de gaz est le Japon avec 99 milliards de m3, viennent ensuite l’Allemagne avec 93 milliards de m3, l’Italie avec 75 milliards de m3, les USA et la France, 5ème importateur mondial de gaz, avec déjà 46 milliards de m3 importés. (pour la ressource gaz, chiffres 2010)

-    Par le fioul,  1027 TWh, dont Arabie Séoudite 120 TWh, et Japon 92 TWh.

Pour mémoire, le pétrole, dont le pic de production mondial est désormais quasiment avéré (cf le suivi du Pic de production Mondial de Pétrole - Peak Oil- par l' Association for the Study of Peak Oil ASPO )

https://www.peakoil.net/

joue de fait un rôle de plus en plus marginal dans la production d’électricité. Sa facilité de stockage lui octroit encore une place grandement dominante dans les transports, qui ira cependant en diminuant avec la concentration urbaine (70 % de la population mondiale sera urbanisée au milieu du 21ème siècle) et le développement de plus en plus massif des transports électriques individuels et collectifs.

La production d’électricité d’origine fossile contribue ainsi encore significativement aux émissions de CO2 fossile, dont le montant varie également en fonction du niveau de vie économique et sociale, et de l’efficacité énergétique. Les conséquences sur le réchauffement planétaire, la perturbation météorologique de la planète, et ses conséquences sur les bio-systèmes, sont clairement établies, indépendamment des variations induites par les effets de la variation de l’état du soleil et du positionnement de la Terre dans l’espace.

Quelques valeurs d’émissions de CO2 fossile par habitant, chiffres 2009 :

-    USA : 16,90 tonnes CO2 par habitant
-    Allemagne : 9,16 tonnes CO2 par habitant
-    Japon 8,58 tonnes CO2 par habitant

A comparer aux pays à économie semblable  mais bénéficiant d’un mixt énergétique favorable hydraulique/Energies Nouvelles Renouvelables/nucléaire dans la production d’électricité :

-    Suède 4,48 tonnes CO2 par habitant
-    France 5,49 tonnes CO2 par habitant

A noter également les valeurs suivantes :

 - pour la Russie, 10,80 tonnes CO2 par habitant
- pour la Chine, 5,14 tonnes CO2 par habitant, en progression significative, et qui dépasse désormais la valeur moyenne mondiale de 4,29 tonnes CO2 par habitant
- pour le Brésil, (1,74 tCO2/h), l’Egypte (2,11 tCO2/h)
- Nigeria, (0,27 tCO2/h)

L’électricité permet l’utilisation d'une énergie primaire non carbonée, énergies renouvelables et nucléaire sûr, et permet une très grande diversité d’usages sobres énergétiques (moteurs à vitesses variables, pompes à chaleur, systèmes de récupération d’énergie au freinage, éclairages à très basse consommation,…). Si nous voulons limiter le réchauffement planétaire et donc les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle de la planète, il nous faudra consolider toutes les actions permettant de développer l’éco-efficacité énergétique en maîtrisant la consommation de l’énergie à la source (isolation et disposition des bâtiments, utilisation de systèmes de transport sobres, plans d'urbanisme…) et nous écarter résolument, au moins au niveau des pays les plus développés, de l’utilisation des énergies fossiles (par le pétrole, le gaz, le charbon, …) pour la production d’électricité.

Il convient cependant de noter que pour les pays les moins développés, l’utilisation des énergies fossiles qui doit leur être réservée doit pouvoir être associée à la recherche de l’atteinte d’un premier degré de développement social et économique. L’atteinte de ce seuil minimal permettra alors de dégager un niveau de ressources financières minimales permettant des investissements mieux ciblés dans les bâtis et les infrastructures, vers des usages sobres de l’énergie, et l’utilisation économe de sources primaires d’énergie évitant les émissions de CO2 fossile, en se tournant progressivement vers les énergies renouvelables accessibles économiquement et le nucléaire sûr. Il y a là une source de partenariat majeur à entreprendre entre les pays développés et ceux qui sont le sont moins avec un enjeu commun de développement durable.

A noter, et non les moindres, les enjeux financiers et géopolitiques associés à l’énergie, que ce soit au regard des marchés de matières premières (acier, cuivre, pétrole, charbon, gaz, uranium, …) ou au regard des capacités de financement qu’il faut mobiliser pour investir avec des constantes de temps qui peuvent être très longues , le cycle de vie pour un barrage, une centrale nucléaire ou un réseau de transport d'électricité  étant a minima de l'ordre du siècle.

Trois modes de production d’électricité peuvent être distingués :
   
-    l’énergie en base, en continu tout le long de l’année, assurée typiquement en France par le nucléaire
-    l’énergie en pointe, pour répondre au besoin de pointe, assurée préférentiellement en France par l’hydraulique de retenue, qui a stocké préalablement de l’énergie, par collecte naturelle dans des barrages ou dans des stations de pompage
-    les énergies intermittentes, hydraulique au fil de l’eau, éolien, hydrolien, ou photovoltaïque.

La bonne complémentarité de ces modes de production d'électricité, leur sûreté et leur compétitivité, et la performance des réseaux d'électricité, optimisant au mieux l'équilibre entre l'offre et la demande, en intégrant conjointement les dimensions locales et inter territoriales, constituent ainsi autant  de facteurs clés du développement durable. 

Rocher du Toulinguet, mai 2006