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Le retour du continu dans le transport d'électricité, partie 1 : la technologie

Dans un contexte de course aux économies d'énergies, le transport d'électricité pourrait bien revenir aux fondamentaux et étudier un retour au courant continu.

La technologie des premières lignes électriques, développée par Thomas Edison et rapidement rendue obsolète par le courant alternatif de Nikola Tesla, s'est modernisée et peut représenterun tournant majeur dans la structure de nos réseaux électriques.

Découvrez dans un premier temps pourquoi ce type de courant intéresse à nouveau les ingénieurs.

Pourquoi notre courant est alternatif

Si le courant alternatif a séduit les Etats américains puis le monde entier, c'est grâce à sa grande maturité technique. Lors de l'émergence des réseaux électriques à la fin du XIXe siècle, le courant continu d'Edison voyait sa puissance chuter rapidement avec la distance. Il était impossible de distribuer le courant au-delà d'un kilomètre de manière fiable. Les premiers réseaux installés aux Etats-Unis étaient fréquemment soumis à des coupures de courant, dues aux pertes importantes par effet Joule des réseaux de distribution en basse tension.

Le courant alternatif, inventé par Tesla et commercialisé par Westinghouse, était capable de moduler facilement sa tension. Ce qui permettait de toujours distribuer le courant à des basses tensions, pour des raisons de sécurité, et d'augmenter fortement le voltage à des fins de transports et réduire les pertes. Le courant alternatif était ainsi capable de transporter de l'énergie à haute tension sur environ 50 kilomètres. Les réseaux de courant continu, eux, ne pouvaient techniquement pas moduler leur voltage ; en restant à de faibles tensions, ils nécessitaient l'implémentation de nombreux générateurs dans la ville-même.

Ainsi, les lignes à Haute Tension développées grâce au courant alternatif ont permis le transport d'électricité sur des distances plus grandes et donc la séparation géographique de la production et de la consommation pour le confort des riverains. Cependant, au-delà de 500 kilomètres de distance, les pertes en ligne deviennent significatives. Ainsi, le réseau électrique français, dont la production est bien répartie géographiquement sur le territoire, affiche une perte de l'ordre de 7% en 2009 selon RTE – ce qui représente la production annuelle de 5 réacteurs nucléaires.

Ce mode de transport d'électricité était tout à fait adapté à la structure de production et de consommation électrique du XXe siècle, où les centrales étaient construites relativement proches des centres industriels et des villes. Ces centrales thermiques ne nécessitaient que l'acheminement des carburants, et la présence d'eau pour faire tourner les turbines.

Les interconnexions difficiles rouvrent la voie au continu

Historiquement, le courant continu est revenu sur les projets de transport électrique dans les cas où les câbles ne pouvaient être aériens et nécessitaient d'être enterrés ou immergés. En effet, le courant alternatif est électromagnétique. Suivant le milieu dans lequel il évolue, il accuse plus ou moins de pertes magnétiques. Dans les cas particuliers où le courant doit passer dans la terre ou l'eau de mer, les systèmes alternatifs accusent des pertes plus importantes. A l'image du courant continu qui nécessitait des générateurs disséminés sur tout le réseau, le passage du courant dans des lignes alternatives non aériennes requerrait de multiples stations afin de fournir la puissance réactive compensant ces pertes.

Les courants continus ne nécessitent aucune puissance réactive ; ils n'ont de pertes majeures que par simple effet Joule (échauffement des fils lié à leur résistance), ce qui représente entre 1 et 3% de pertes tous les 1000 kilomètres suivant la technologie utilisée. Ce type de ligne présente encore d'autres avantages : il ne nécessite aucune coordination de fréquence ou de phase des réseaux interconnectés. De plus, à puissance égale, une ligne à courant continu est moins coûteuse à la construction qu'une ligne à courant alternatif. Le problème d'investissement ne se situe qu'au niveau des convertisseurs, imposants et complexes.

Ainsi fut construite dès 1961 le « Cross Channel » (connue en France sous le nom sobre d'IFA pour « Interconnexion France Angleterre »), une des premières lignes modernes à haute tension à courant continu (appelée communément HVDC pour « High Voltage Direct Current »). Rénovée dans le milieu des années 1980, cette liaison assure aujourd'hui l'alimentation en électricité de plus de 3 millions de foyers britanniques par les centrales françaises. Notons que les futures interconnexions entre la France et les pays voisins, l'Italie et l'Espagne, se feront par des lignes HDVC souterraines.

La particularité de pouvoir interconnecter facilement est souvent mise en avant par les constructeurs de lignes HVDC. Elles permettent en effet l'indépendance des réseaux entre pays voisins, ainsi que de sommer des puissances produites dans un parc de centrales multiple voire diffus.

Pertes de conversion

Pourquoi n'a-t-on pas dès le début créé nos réseaux de transports avec des lignes enterrées en courant continu ? Tout simplement parce que convertir de fortes puissances de courant continu en courant alternatif (et vice versa) requiert des installations complexes et très coûteuses et entraîne des pertes additionnelles.

  • La première technologie de conversion est la « commutation de ligne » (LCC pour « Line Commutated Converter ») basée sur des composants électrotechniques appelés thyristors. Jadis très polluants car à base de vapeur de mercure, on en fabrique aujourd'hui de manière plus efficace à base de silicium. Ces installations sont maîtrisées depuis longtemps et peuvent aller jusqu'à 600 à 800 kV de tension. Elles nécessitent que les réseaux alternatifs de part et d'autre soient de très forte puissance, ainsi que d'autres composants techniques (filtres, condensateurs, …) pour stabiliser les installations. De par son coût élevé, on ne peut utiliser cette technologie que dans le cadre de grands projets.
  • La seconde technologie, plus simple, a été mise au point dans la fin des années 1990, il s'agit de la « source de tension » (VSC pour « Voltage Source Converter ») basée sur des transistors de type IBGT (« Isolated Gate Bipolar Transistor »). L'installation est moins complexe et donc économiquement plus intéressante. Cependant cette technologie est pour l'instant plus limitée en puissance et en voltage, et accuse des pertes plus importantes. Cette technologie plus abordable favorise la percée des lignes HVDC autre que dans les grands projets.

Comparaison des technologies LCC et VSC. La technologie VSC est plus récente et moins couteuse. Ses capacités sont pour l'instant limitées et les pertes de conversion sont plus importantes.

Ainsi, le courant continu bénéficie d'un développement technique quand bien même son utilisation n'a été jusqu'à présent que situationnelle. Le problème de la conversion en alternatif afin de moduler la tension est en soi un processus complexe et coûteux, ce qui a contraint les électriciens à opter jusqu'à présent pour un réseau de transport alternatif, plus simple à contrôler et plus abordable. Pourtant, les lignes HVDC ont de nombreux atouts : pertes basses, capacité à être enterrées ou submergées, absence de contraintes de phase et de fréquence des lignes HVDC. Cette technologie est de plus en plus incontournable dans les grands projets de transport d'électricité. Nous verrons dans un prochain article pour quels projets il est prévu d'utiliser des lignes HVDC.