La production de l’électricité

Photo d’une roue de turbine géante pendant la construction de la centrale de Long Spruce.

Des travailleurs surveillent la mise en place d’une roue de turbine géante pendant la construction de la centrale de Long Spruce.

Combien de fois avez-vous utilisé l’électricité aujourd’hui?

Dans le monde moderne, l’électricité est un élément essentiel de la vie quotidienne. En fait, il est probablement impossible de compter toutes les fois que nous utilisons l’électricité au cours de la journée. Dès que nous nous levons le matin, nous utilisons l’électricité pour faire griller notre pain, pour écouter la radio, pour réfrigérer notre jus d’orange. L’électricité alimente la lumière de la classe et des bureaux où nous passons la journée. Les vêtements que nous portons, même les voitures que nous conduisons, sont faits à l’aide de machines qui fonctionnent à l’électricité.

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D’où vient l’électricité?

Pour voir d’où vient l’électricité, il suffit de regarder à l’intérieur d’un fil d’aluminium. Le problème, c’est que ce que l’on cherche est beaucoup trop petit pour être visible à l’oeil nu. Si on pouvait voir au-delà du revêtement protecteur et de la surface brillante du fil d’aluminium, on pourrait voir que le fil est fait de particules minuscules. Ce sont les atomes, les éléments de base de tout ce qui compose l’univers.

Si on pouvait examiner de près un atome, on pourrait voir qu’il est lui-même composé de particules encore plus petites que lui. Certaines de ces particules s’appellent des électrons. Les électrons gravitent habituellement autour du centre, ou noyau, de l’atome. Il arrive cependant que les électrodes soient projetés au-delà de l’orbite extérieure de l’atome. Ils deviennent alors ce qu’on appelle des électrons « libres ».

Tout matériau possède habituellement des électrons libres, capables de passer d’un atome à un autre. Certains matériaux, comme le métal, contiennent un grand nombre d’atomes libres. On les appelle des conducteurs. Les conducteurs peuvent transporter le courant électrique. D’autres matériaux, comme le bois ou le caoutchouc, possèdent peu d’électrons libres. On les appelle des isolateurs.

Si on peut faire sauter les électrons libres d’un conducteur dans la même direction et en même temps, on produit alors un flux, ou courant, d’électrons. Il s’agit d’un courant électrique. Dans un fil électrifié, les électrons libres sautent entre les atomes et créent un courant électrique d’une extrémité à l’autre. Mais comment est-ce que les électrons peuvent sauter dans la même direction et en même temps? À l’aide d’aimants.

Au bout de chaque aimant, il y a des lignes de force invisibles qu’on appelle champs magnétiques. Si on fait passer un fil droit dans un champ magnétique, la force pousse les électrons libres d’un atome à un autre et crée ainsi un courant électrique. Si on fait passer plusieurs bobines de fils rapidement et sans arrêt dans le champ d’un puissant aimant, une grande quantité d’électricité peut être produite.

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Comment est-ce que Manitoba Hydro produit son électricité?

Manitoba Hydro utilise des machines appelées génératrices pour produire de l’électricité. Dans une génératrice, un immense électroaimant, ou rotor, tourne à l’intérieur d’un cylindre, le stator, qui contient des bobines et des bobines de fil électrique. Certains rotors ont un diamètre de 12 mètres et pèsent autant que huit wagons de chemin de fer, soit près de 380 tonnes. Il faut une grande quantité d’énergie pour faire tourner une chose de cette taille. Pour cela, Manitoba Hydro utilise les abondantes ressources en eau de la province.

L’électricité produite à partir de la force de l’eau s’appelle hydro-électricité. Une centrale hydro-électrique utilise la force naturelle d’un cours d’eau comme énergie. Le débit de l’eau ou le courant qui permet à un canot de descendre une rivière peut aussi faire tourner le rotor d’une génératrice.

Une centrale typique a deux composants. Un bâtiment des machines, qui abrite les génératrices, et un évacuateur de crues, qui permet à l’eau non utilisée de contourner le bâtiment des machines.

Au coeur de la centrale hydro-électrique, il y a la roue de turbine. Semblable à une hélice géante, elle peut atteindre huit mètres de diamètre. Fixée au rotor par un arbre de cinq mètres, la roue de turbine convertit l’énergie mécanique qui fait fonctionner la génératrice.

L’eau entre dans le bâtiment des machines par une prise d’eau puis elle entre dans la bâche spirale. La bâche spirale est une zone en forme de spirale autour de la turbine. La forme spiralée donne à l’eau qui entre un mouvement en spirale qui pousse les aubes de la turbine. Quand la turbine tourne, le rotor qui y est fixé tourne lui aussi et produit de l’électricité. L’énergie potentielle du cours d’eau est convertie en énergie mécanique pour les génératrices qui produisent de l’énergie électrique. Une seule des dix génératrices de la centrale de Limestone peut produire 133 millions de watts ou 133 mégawatts d’électricité. Il s’agit d’une quantité suffisante pour fournir de l’énergie à plus de 12 000 maisons.

Si le débit naturel du cours d’eau est adéquat, on construit une centrale dite au fil de l’eau. Grâce à la conception au fil de l’eau, on peut réduire la taille du réservoir, ou bief d’amont, derrière la centrale. L’eau qui arrive en amont est utilisée immédiatement plutôt que d’être stockée pour utilisation ultérieure. La centrale de Limestone sur le fleuve Nelson est un exemple de conception au fil de l’eau.

Si le débit naturel est instable ou inadéquat, on construit un réseau étendu de barrages pour créer un grand bief d’amont qui permet d’alimenter la centrale quand le niveau d’eau est bas. Le barrage crée aussi une hauteur de chute, ou chute d’eau, de sorte que l’eau ait suffisamment de force pour faire tourner les turbines. La centrale de Grand Rapids sur la rivière Saskatchewan est un exemple de construction avec réservoir d’eau.

Vue en coupe de la prise d’eau et du bâtiment des machines de la centrale de Long Spruce.

Vue en coupe de la prise d’eau et du bâtiment des machines de la centrale de Long Spruce.
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La transmission de l’électricité

Quand vous branchez un grille-pain ou un appareil stéréo dans une prise murale, l’électricité est là pour griller le pain ou faire jouer la musique. Mais vous êtes-vous déjà demandé comment l’électricité part de la génératrice de la centrale hydro-électrique pour arriver à la prise murale? Pour répondre à cette question, il faut revenir aux électrons du fil d’aluminium.

Rappelez-vous : si on fait passer un aimant autour d’un fil ou d’une bobine de fil, les électrons sont poussés et sautent entre les atomes. Quand les électrons sautent, ils transfèrent une charge à l’atome suivant. Quand l’atome suivant reçoit la charge, ses électrons sautent à leur tour. Les aimants déclenchent une réaction en chaîne le long du fil. L’énergie électrique peut voyager dans le fil parce que l’aluminium est un conducteur. Il conduit l’électricité. Manitoba Hydro possède un réseau étendu de fils de différentes tailles qui conduisent l’électricité dans l’ensemble de la province. Mais ce n’est là qu’une partie de la réponse.

Au Manitoba, près de 80 pour 100 de l’électricité est produite à partir de centrales hydro-électriques aménagées sur le fleuve Nelson, dans le nord de la province. Manitoba Hydro doit donc transmettre l’électricité qu’elle produit sur environ 900 km vers le Sud, là où vivent et travaillent la majorité des habitants de la province.

Mais l’électricité ne voyage pas facilement sur de longues distances. En fait, pendant plusieurs années, les problèmes liés à la transmission de l’électricité sur de longues distances ont empêché Manitoba Hydro de construire des centrales sur le fleuve Nelson.

Puis Manitoba Hydro s’est tournée vers la technologie du courant continu à haute tension (CCHT) pour résoudre le problème de la transmission de l’électricité venant du Nord. Le courant continu (c.c.) est le genre de courant qui coule dans une seule direction. C’est le genre d’énergie produite par les piles des caméras et des lampes de poche ainsi que par les batteries de véhicules. L’électricité de votre maison est un courant alternatif (c.a.), un courant électrique qui change de direction environ 60 fois par seconde. L’avantage du c.c., c’est que la perte de puissance enregistrée sur de longues distances est beaucoup moins élevée que dans le cas du c.a. Par ailleurs, la construction d’une ligne c.c. coûte environ les deux tiers de celle d’une ligne c.a.

Dans le cas de la transmission par c.c., on utilise une tension plus élevée pour augmenter la transmission de l’énergie et réduire les pertes. Pour expliquer le phénomène, on peut comparer le courant électrique qui coule dans un fil et l’eau qui coule dans un tuyau. De grandes quantités d’eau peuvent être transportés dans un tuyau de grand diamètre. De grandes quantités d’eau peuvent aussi être transportées dans un tuyau de petit diamètre, comme un boyau d’arrosage, si on augmente la pression. De même, l’électricité peut être transportée en grandes quantités si on augmente la tension.

Manitoba Hydro a construit deux lignes de transmission CCHT, connues sous le nom de Bipolaire I et Bipolaire II pour acheminer l’électricité du Nord.

À la maison, l’électricité que vous utilisez est un c.a. dont la tension est de 120 volts. L’électricité qui voyage du Nord sur les lignes CCHT affiche une tension de 500 000 volts ou 500 kV.

Si on compare la force du courant domestique à celle d’une balle lancée à 100 km à l’heure, la force de l’électricité sur la ligne CCHT est alors plus de 4 000 fois supérieure. Avez-vous déjà essayé d’arrêter une voiture qui roule à 100 km à l’heure avec un gant de base-ball!

Quand les génératrices tournent, elles produisent de l’électricité sous forme de c.a. dont la tension est d’environ 25 kV. Il faut donc convertir en c.c. l’électricité produite par les centrales hydro-électriques du fleuve Nelson et la transmettre à une tension plus élevée pour réduire les pertes de puissance enregistrées sur les longues distances. La conversion se fait aux postes de conversion de Henday et de Radisson, près de Gillam, Manitoba.

Une fois l’électricité convertie, elle voyage vers le Sud jusqu’au poste de conversion de Dorsey. Au poste de Dorsey, l’électricité est convertie de nouveau en c.a. parce que les réfrigérateurs et les autres appareils que les gens utilisent à la maison sont conçus pour fonctionner avec du c.a. À partir de Dorsey, onze lignes de 230 kV approvisionnent le sud du Manitoba et les interconnexions avec la Saskatchewan, l’Ontario et les États-Unis.

Les lignes à haute tension transmettent l’électricité jusqu’à des sous-stations partout dans la province. Ces sous-stations renferment l’équipement qui sert à baisser la tension, à répartir le courant sur différentes lignes, à analyser et à mesurer l’électricité.

La transformation de l’électricité de haute tension en basse tension se fait selon le même principe que la production. Le champ magnétique d’une bobine de fil qui transporte un courant alternatif, ou fluctuant, est capable de créer un courant fluctuant dans une deuxième bobine. Dans un transformateur, deux bobines séparées entourent un noyau de fer magnétique. L’électricité dans la première bobine crée une fluctuation dans le champ magnétique du noyau de fer. Cette fluctuation passe ensuite dans le noyau de fer et électrifie la deuxième bobine de fil. Si la deuxième bobine de fil contient la moitié moins de tours, l’électricité affiche la moitié de la tension de la première bobine. Si la deuxième bobine contient deux fois plus de tours que la première, la tension est doublée.

À partir des sous-stations, l’électricité passe dans des lignes aériennes ou dans des câbles souterrains pour atteindre les transformateurs situés à proximité des maisons et des entreprises des clients. Installés près du sommet des poteaux ou au niveau du sol s’il s’agit d’un service souterrain, les transformateurs complètent la réduction de la tension.

À partir des poteaux, l’électricité voyage dans des fils jusqu’aux maisons où elle passe d’abord par le compteur et l’interrupteur principal. Les fils mènent ensuite à un panneau de distribution. De là, des circuits cachés à l’intérieur des murs alimentent les prises et les appareils d’éclairage.

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L’électricité aujourd’hui et demain : autres sources

L’énergie thermique

La prochaine fois que vous ferez bouillir de l’eau, mettez un couvercle sur la casserole. Quand l’eau bout, elle prend de l’expansion et se transforme en vapeur. La pression créée par la vapeur fait bouger le couvercle ou le soulève. Une centrale thermique utilise le même genre d’énergie pour faire tourner les turbines qui font fonctionner les génératrices électriques. Le combustible utilisé pour chauffer l’eau peut être le charbon, le pétrole, le gaz naturel ou l’énergie nucléaire.

Manitoba Hydro exploite deux petites centrales thermiques, une à Brandon et une à Selkirk. Les centrales thermiques permettent de répondre à la demande d’énergie quand les débits d’eau sont faibles ou de fournir des quantités d’électricité supplémentaires durant les périodes de forte demande, surtout en hiver.

Contrairement aux centrales hydro-électriques, les centrales thermiques peuvent être construites à peu près n’importe où. Elles présentent cependant un inconvénient majeur : les combustibles fossiles comme le gaz naturel utilisé par Manitoba Hydro ne sont pas renouvelables comme l’énergie hydraulique.

L’énergie éolienne

Quand vous êtes dehors par une journée venteuse, vous pouvez sentir le vent vous pousser. Cette poussée peut aussi faire tourner les pales d’une turbine éolienne pour produire de l’électricité.

Bien qu’elles ne soient pas pratiques partout, les génératrices éoliennes représentent un bon choix dans les régions où elles peuvent être utilisées, car le vent, tout comme l’eau, est une ressource renouvelable. Par contre, les génératrices éoliennes présentent deux grands inconvénients. Premièrement, elles coûtent cher. Deuxièmement, les vents peuvent ne pas être assez forts et assez soutenus.

La biomasse

La biomasse est un terme générique pour décrire la matière organique ou vivante, comme le bois. La production par biomasse signifie qu’on brûle des matières organiques plutôt que des combustibles fossiles pour produire de l’électricité. Parmi les biocombustibles potentiels, il y a les résidus des exploitations forestières et agricoles. Tout, depuis l’écorce de riz jusqu’aux résidus de mouture du café, peut être brûlé pour créer de la vapeur.

L’énergie solaire

Les végétaux produisent des aliments à partir de la lumière du soleil. C’est ce qu’on appelle la photosynthèse. Le mot « photo » signifie lumière et le mot « synthèse » signifie transformation. On peut aussi utiliser la lumière du soleil pour produire de l’électricité. Des panneaux faits de silicone sont capables de convertir la lumière solaire en électricité grâce au processus photovoltaïque. Voltaïque est un autre terme pour électricité.

Les panneaux photovoltaïques (PV) peuvent alimenter à peu près n’importe quoi, des calculettes de poche aux appareils domestiques. Un des avantages de l’énergie solaire est qu’elle n’a pas besoin de combustible. Malheureusement, les panneaux PV coûtent très cher. L’utilisation généralisée de l’énergie solaire n’est donc pas encore pratique si on la compare à la production hydro-électrique.

La turbine à combustion

Si vous gonflez un ballon et que vous le relâchez, il s’échappe et s’éloigne. La force qui pousse le ballon, l’air en expansion, est la même que celle qui fait fonctionner une turbine à combustion au gaz.

Une turbine à combustion ressemble à un moteur d’avion et fonctionne à peu près de la même manière. Dans une turbine à combustion, un combustible tel que le gaz naturel est mélangé à de l’air comprimé. Le mélange est soumis à la combustion. Les gaz produits au cours de la combustion sont chauds et sous pression. Dans la plupart des turbines à combustion, les gaz de combustion peuvent atteindre une température allant jusqu’à 1 300 °C. Ces gaz à haute pression et extrêmement chauds sont poussés dans la section de la turbine où ils peuvent prendre de l’expansion et appliquer une pression sur les aubes de la turbine rotative qui fait fonctionner la génératrice électrique.

Au cours de la dernière décennie, les turbines à combustion ont acquis de l’importance comme moyen de production de l’électricité. En effet, Manitoba Hydro exploite deux turbines à combustion au gaz naturel qui font partie de la centrale de Brandon.