D'où vient l'électricité ?

Great Falls generating station

L’électricité est un élément essentiel de la vie quotidienne. 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.

Travailleurs vêtus de casques protecteurs abaissant une géante turbine pour la mettre en place.

Des travailleurs installent une roue de turbine géante à la centrale de Wuskwatim.

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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.

Comment nous produisons de l’électricité

Nous utilisons 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. Nous utilisons les abondantes réserves d’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. Une centrale électrique qui abrite les générateurs et un déversoir qui permet à toute eau non utilisée de contourner la centrale.

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.

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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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.

Comment l’électricité est transmise

Quand vous branchez un grille-pain ou un appareil stéréo dans une prise murale, l’électricité est là instantanément pour griller le pain ou faire jouer la musique. Mais vous êtes-vous déjà demandé comment l’électricité se rend d’une 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, et jusqu’à votre maison. Mais ce n’est là qu’une partie de la réponse.

Nous devons donc acheminer l’électricité hydro-électrique renouvelable que produit le fleuve sur environ 1 000 km vers le Sud, là où vivent et travaillent la majorité des habitants de la province, et où se trouvent la majorité des entreprises.

Mais l’électricité ne voyage pas facilement sur de longues distances. Il lui faut de l’aide.

Nous utilisons la technologie du courant continu à haute tension (CCHT) pour acheminer de manière plus efficace 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.

Pour la transmission en 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 transportées dans un tuyau de grand diamètre, tout comme de grandes quantités d’électricité peuvent être acheminées dans un fil 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 acheminée en grandes quantités dans un fil de plus petit diamètre si on augmente la tension.

Nous avons construit trois lignes de transmission CCHT, connues sous le nom de Bipolaire I, Bipolaire II et Bipolaire III, 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.

Les centrales hydro-électriques produisent de l’électricité sous forme de c.a. dont la tension est d’environ 25 kV. Il faut donc convertir l’électricité en c.c. 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, de Radisson et de Keewatinohk près de Gillam, Manitoba.

Une fois l’électricité convertie de c.a en c.c., elle voyage vers le Sud jusqu’aux postes de conversion de Dorsey et de Riel à l’extérieur de Winnipeg. Aux postes de Dorsey et de Riel, l’électricité est convertie de nouveau en c.a. parce que les réfrigérateurs, les téléviseurs, les ordinateurs et les autres appareils que les gens utilisent à la maison sont conçus pour fonctionner avec du c.a. À partir de Dorsey et de Riel, des lignes de transmission approvisionnent d’autres endroits dans le sud du Manitoba ainsi que les états du nord des États-Unis, la Saskatchewan, et le nord-ouest de l’Ontario.

Les lignes à haute tension en c.a. acheminent l’électricité jusqu’à des sous-stations partout dans la province. Ces sous-stations renferment l’équipement qui sert à abaisser 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 qui complètent la réduction de la tension. Les transformateurs sont situés près du sommet des poteaux dans le cas de lignes aériennes, ou au niveau du sol s’il s’agit d’un service souterrain.

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 dans les murs alimentent les prises et les appareils d’éclairage.