Tout ce que vous devez savoir sur le fonctionnement du réseau électrique américain

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Le réseau électrique américain a complètement révolutionné la vie, mais il nécessite une attention, une vigilance et une innovation constantes.

Quelle est la plus grosse machine du monde ? La Liebherr R9800, la plus grande pelle au monde, est une bonne supposition. Le transporteur sur chenilles de la NASA, le monstre mécanique ressemblant à un tank qui transporte des fusées à Cap Canaveral, est un autre concurrent sérieux. Il s'avère que la plus grande machine du monde se trouve juste devant votre porte d'entrée. Vous le voyez probablement lorsque vous allez à l'épicerie. En fait, vous l'utilisez probablement en ce moment.

Le réseau électrique nord-américain - qui est en fait un patchwork de cinq interconnexions plus petites - est considéré par certains comme la plus grande machine que l'humanité ait jamais créée. Les États-Unis contiennent à eux seuls 600 000 miles de lignes de transmission et 5,5 millions de miles de lignes de distribution (ces fils noirs qui alimentent votre maison en électricité). Au dire de tous, il s'agit d'une réalisation technique époustouflante, mais qui n'est jamais vraiment achevée.

Pour que les États-Unis puissent répondre à leurs besoins croissants en électricité alors que les voitures, les maisons et les entreprises abandonnent les combustibles fossiles pour l'énergie verte, le réseau doit suivre la demande. Cela signifie non seulement mettre à jour l'infrastructure existante tout en investissant dans plus de capacité, mais aussi défendre ce réseau tentaculaire et vulnérable contre tout, des tornades aux terroristes.

Le réseau électrique américain n'est pas un monument à l'ingéniosité passée, mais un défi pour la nôtre. Voici comment cette machine est passée d'une petite centrale électrique à New York à un mégaprojet couvrant tout le continent ; comment le réseau électrique fonctionne et fournit de l'électricité à votre domicile ; et comment il doit désespérément se préparer à la bataille énergétique à venir.

À 15 heures, le 4 septembre 1882, un ingénieur travaillant dans une centrale électrique du centre-ville de Manhattan a fermé un disjoncteur et, en quelques secondes, six dynamos à charbon de 27 tonnes et 100 kilowatts ont pris vie. Fournissant une alimentation en courant continu (CC) aux résidents dans un rayon d'environ un quart de mile, la station Pearl Street de Thomas Edison - la première centrale électrique au monde - a fourni de la lumière à 400 lampes appartenant à quelque 85 clients initiaux.

Aujourd'hui, 400 lampes semblent être un début de mauvais augure, mais ce simple interrupteur a changé la vie sur Terre pour toujours. Ce moment représentait l'aboutissement de siècles de percées électriques alors que les scientifiques commençaient à comprendre la charge électrostatique et l'électromagnétisme, tandis que les ingénieurs construisaient des condensateurs, des batteries et finalement des centrales électriques entières. Cet après-midi d'été particulier à New York représente le début du réseau électrique américain.

En seulement 140 ans, ces 400 lampes se sont transformées en 4,24 billions de kWh d'électricité annuelle. Comment cette centrale électrique de New York s'est-elle transformée en la merveille d'ingénierie qui rend notre vie moderne possible ?

Bien que Pearl Street Station ait ouvert une nouvelle ère, le brillant avenir de l'éclairage artificiel devait d'abord survivre à la « guerre des courants ». Dans un coin, la technologie DC d'Edison a déjà fait ses preuves mais ne pouvait pas être transmise sur de longues distances car à l'époque, les ingénieurs ne pouvaient pas augmenter sa tension après génération. En raison de cette limitation technologique, les centrales électriques devraient être aussi fréquentes que les boîtes aux lettres dans les villes et villages. Le centre-ville de New York, par exemple, est devenu une jungle de poutres transversales et de fils électriques, un témoin oculaire ayant déclaré à l'époque : « il y avait des forêts de poteaux dans le centre-ville… et les pompiers avaient le plus grand mal à lever leurs échelles ».

Mais un autre inventeur et ancien employé d'Edison nommé Nikola Tesla - soutenu par l'inventeur et entrepreneur George Westinghouse - a conçu un moteur à induction utilisant le "courant alternatif", ou courant alternatif, qui était plus facile à générer et subissait moins de perte d'énergie car sa tension pouvait être augmentée et diminuée grâce aux transformateurs. La guerre a fait rage jusqu'à la fin des années 1880 - avec quelques morceaux peu recommandables impliquant des électrocutions publiques - mais AC a lentement pris de l'avance.

Dans les années 1890, plusieurs centrales électriques à courant alternatif du Colorado, de l'Oregon et de la Californie ont commencé à fournir de l'électricité à longue distance aux résidents. En 1892, Edison Electric s'associe à un concurrent de l'alimentation en courant alternatif et forme General Electric. L'année suivante, la Westinghouse Corporation a obtenu l'autorisation d'alimenter l'Exposition universelle de Colombie en courant alternatif.

Alors que la guerre des courants passait d'un bouillonnement à un mijotage, la production d'électricité a explosé dans tout le pays. De nombreuses centrales électriques parsemaient les villes des États-Unis, alimentant de nouvelles inventions comme les chariots, mais c'est à Chicago qu'un aperçu du système électrique moderne a commencé à prendre forme.

La personne qui a dirigé le réseau électrique américain vers l'avenir était l'entrepreneur et homme d'affaires Samuel Insull. Quand Insull est arrivé à Chicago en 1892, la ville était alimentée par 20 compagnies électriques différentes. Après être devenu président de la société Chicago Edison, Insull a rapidement augmenté le facteur de charge, adopté des turbines à vapeur plus efficaces, est devenu un partisan du courant alternatif et a rapidement racheté d'autres sociétés pour transformer les centrales électriques concurrentes en sous-stations. En 15 ans, Insull a acheté plus d'une douzaine de services publics d'électricité et a rebaptisé sa société Commonwealth Edison - le service public le plus progressiste et le moins cher au monde.

De nombreux services publics d'électricité ont rapidement copié le succès d'Insull et, à mesure que ces entreprises se développaient, elles sont devenues des monopoles peu maniables. Mais en raison des investissements massifs nécessaires pour être un service public, les économistes considéraient ces titans de l'énergie en pleine croissance comme des "monopoles naturels", où la capacité de tirer parti de la puissance de turbines massives nécessitait des quantités massives de capital. Les gouvernements ont réagi en créant des services publics municipaux ou réglementés par l'État, et à mesure que les États-Unis devenaient de plus en plus électrifiés, le président Franklin Roosevelt a adopté une série de réglementations pour promouvoir la concurrence tout en étendant l'électricité aux zones rurales où les services publics ne faisaient que peu ou pas de profit.

Enfin, à la veille de la Seconde Guerre mondiale, le réseau électrique moderne des États-Unis a commencé à prendre forme. Pour éviter les pannes d'électricité et les pénuries d'électricité, le gouvernement fédéral a commencé à exiger des interconnexions entre les entreprises de services publics. Cela signifiait que s'il y avait une pénurie d'électricité à Boston, l'électricité produite dans l'Ohio pourrait prendre le relais. Dans les années 1960, les interconnexions de l'Est et de l'Ouest (ainsi que l'interconnexion du Texas plus petite et politiquement motivée) fournissaient la majeure partie de l'électricité des États-Unis. Bien que ces deux réseaux majeurs soient synchronisés, ils n'ont que des connexions limitées entre eux (à l'exception d'une brève période de 8 ans pendant laquelle le réseau électrique américain était véritablement d'un océan à l'autre).

Tout au long du 20e siècle, les progrès dans l'augmentation et la diminution de la tension continue se sont considérablement améliorés lorsque finalement, en 1990, le premier grand système à courant continu haute tension (HVDC) a commencé à fournir de l'électricité à la Nouvelle-Angleterre. Les systèmes HVDC peuvent être plus chers car ils nécessitent des convertisseurs à la fois dans la centrale électrique et dans les sous-stations locales, mais l'électricité peut parcourir de plus longues distances plus efficacement que les systèmes à courant alternatif haute tension (HVAC). Aujourd'hui, le HVDC est préféré lorsque l'électricité doit parcourir plus de 400 miles environ - un petit prix de consolation pour Thomas Edison.

📍Appleton, Wisconsin

Quelques semaines seulement après qu'Edison ait actionné l'interrupteur de la centrale électrique de Pearl Street, un autre type de générateur électrique a été mis en ligne à Appleton, dans le Wisconsin. Fournissant 12 ½ kilowatts à trois bâtiments, la centrale électrique de Vulcan Street est considérée comme l'une des premières formes d'énergie hydroélectrique moderne au monde. L'usine était moins chère que les usines de production de vapeur comme Pearl Street, et quatre ans après sa première mise en ligne le 30 septembre 1882, quelque 50 centrales hydroélectriques similaires ont été construites à travers les États-Unis.

📍Cleveland, Ohio

Cinquante pieds de diamètre avec 144 pales de rotor en cèdre, la première éolienne des États-Unis était vraiment un spectacle à voir. Construite par l'inventeur Charles Brush à l'hiver 1888, la turbine reposait derrière son manoir de Cleveland et produisait environ 1 200 watts de puissance, plus que suffisant pour alimenter les 100 ampoules de la maison de Brush. Aujourd'hui, il y a quelque 70 800 turbines réparties à travers les États-Unis

📍Folsom, Californie

Bien que Pearl Street Station représente les débuts de l'alimentation CC, l'équivalent CA n'a été mis en ligne que le 13 juillet 1895. La centrale électrique de Folsom a été la première centrale électrique à envoyer un courant alternatif triphasé (60 Hz) à haute tension utilisant des lignes de transmission longue distance (environ 21 miles) à Sacramento. La centrale électrique a illuminé le bâtiment du Capitole de l'État avec d'autres entreprises, et elle reste un exemple étonnant du réseau d'aujourd'hui avant le début du 20e siècle.

📍 Shippingport, Pennsylvanie

En 1942, le physicien Enrico Fermi a prouvé que la création d'un réacteur nucléaire artificiel était possible avec son Chicago Pile-1, mais il faudrait encore 15 ans avant que la première centrale nucléaire commerciale au monde ne soit mise en service. Faisant partie du programme "Atoms for Peace" du président Eisenhower, l'usine, située sur la rivière Ohio à 25 miles de Pittsburgh, a ajouté sa première énergie produite par fission au réseau le 18 décembre 1957.

📍San Luis Obispo, Californie

De 1983 à 1994, la plaine de Carrizo a abrité la première centrale solaire photovoltaïque à l'échelle industrielle au monde. De loin le plus grand du pays, sinon du monde, le réseau arborait 100 000 panneaux solaires d'un pied sur quatre produisant 5,2 mégawatts d'énergie à son apogée. Aujourd'hui, quelque neuf millions de modules solaires au tellurure de cadmium occupent le terrain dans le cadre de la ferme solaire Topaz, l'une des plus grandes installations au monde.

Bien que le réseau électrique ait gagné en taille et en complexité depuis ses origines à la fin du XIXe siècle, sa fonction globale reste largement la même (bien qu'avec des composants plus efficaces et plus puissants en place). Parce que la capacité de stocker l'énergie est complexe et coûteuse, l'électricité est générée à la demande, ce qui signifie que les volts alimentant une ampoule dans votre maison ont été générés quelques microsecondes plus tôt dans une centrale électrique, peut-être à des centaines de kilomètres, alors que les ondes électromagnétiques se propagent le long des fils à la vitesse de la lumière. Pour se rendre de la centrale électrique à votre domicile, le réseau électrique fonctionne en trois étapes : génération, transport et distribution.

Les centrales électriques utilisent des sources d'énergie secondaires, à l'origine du charbon mais de plus en plus souvent du gaz naturel ou de la fission, pour créer des turbines à vapeur et à spin qui génèrent de l'électricité par induction électromagnétique. La production d'électricité étant responsable de 31 % de l'empreinte carbone des États-Unis (la plus grande source du pays), les politiques d'énergie verte poussent à remplacer les combustibles fossiles comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel par des alternatives propres comme le solaire, l'éolien, l'hydroélectricité ou le nucléaire.

Ces turbines électriques créent ce qu'on appelle le courant alternatif triphasé. Avec l'onde sinusoïdale d'un courant alternatif oscillant généralement 60 fois (hertz) par seconde, l'énergie connaît des pics et des creux. C'est très bien pour nos maisons et la plupart des équipements simples, mais les machines gourmandes en énergie nécessitent une alimentation CA triphasée. Le décalage des ondes sinusoïdales de 120 degrés garantit que la puissance approche toujours d'un pic à un moment donné.

Les centrales électriques relaient ensuite cette alimentation CA triphasée vers un transformateur de l'usine elle-même qui augmente la tension de transmission, allant de 155 000 à 500 000 volts et au-delà. Plus la tension est élevée, plus le courant est faible, ce qui signifie que la résistance énergétique à travers un conducteur est faible.

Avec un transformateur augmentant l'énergie, les lignes de transmission transportent cette énergie haute tension vers des sous-stations réparties sur des centaines de kilomètres (bien mieux que le quart de mile d'origine d'Edison). Ces tours de transmission portent souvent quatre (ou sept) fils, chaque ensemble de trois fils transportant l'une des trois phases CA, le septième étant un fil de terre pour la protection contre la foudre. En plus de ces fils, les tours de transmission ont également de grands isolateurs à disque en porcelaine ou en céramique pour connecter les fils conducteurs à la tour.

Bien que ces tours gargantuesques soient souvent considérées comme inesthétiques (certains pays ont même essayé de les classer un peu), leur grande taille offre de nombreux avantages en matière de sécurité. La plus évidente est qu'elle évite aux personnes et aux automobilistes de s'approcher trop près des fils et éventuellement de créer un arc électrique ; l'arc électrique qui en résulte peut provoquer des incendies et même la mort. De même, les fils largement espacés permettent à l'air d'isoler les conducteurs, ce qui empêche également un arc électrique. Comme il est essentiel que ces conducteurs restent à l'écart de tout débris éventuel, les lignes de transmission sont souvent placées dans des champs ouverts ou disposent de beaucoup d'espace à travers une section défrichée de la forêt.

Après avoir parcouru ces lignes de transmission à haute tension, l'électricité arrive à une sous-station locale. Vous avez probablement déjà vu ces zones clôturées qui ressemblent à une collection folle de pylônes électriques parfaitement adaptés au laboratoire d'un scientifique fou. Bien que ces sous-stations aient de nombreuses fonctions compliquées, y compris des disjoncteurs pour se déconnecter du réseau électrique ou de lignes de distribution spécifiques, le résultat final est que l'électricité haute tension est réduite à moins de 10 000 volts (généralement autour de 7 200 volts) et transmise à un bus de distribution, puis à des lignes de distribution séparées. Ce sont les fils qui finissent par arriver à l'extérieur de votre maison, que ce soit sur des poteaux électriques ou enfouis sous terre.

Enfin, un fil monophasé passe à l'extérieur de votre maison et un transformateur de distribution abaisse la tension une dernière fois de quelques milliers de volts aux 240 volts typiques dont votre maison a besoin. De là, le disjoncteur de la maison achemine l'électricité vers les prises tout en protégeant la maison des surcharges. Un compteur intelligent situé à l'extérieur de votre maison enregistre votre consommation d'énergie et vous facture chaque mois en conséquence.

Oiseau sur un fil | Avec autant de volts traversant les lignes de transmission et de distribution, pourquoi les oiseaux ne sont-ils pas régulièrement rôtis lorsqu'ils sont assis sur des poteaux et des fils électriques ? En termes simples, l'électricité est le mouvement des électrons circulant d'un potentiel électrique à un autre. Parce que les oiseaux sont au même potentiel que le fil, nos amis à plumes ne reçoivent pas de choc désagréable car l'électricité reste dans le fil. Mais ce n'est pas parce que les oiseaux sont perchés sur des fils toute la journée qu'ils sont entièrement en sécurité. Parfois, un oiseau s'assoit sur un poteau électrique tout en touchant simultanément un fil. Parce que le poteau est mis à la terre, l'électricité voyagera à travers l'oiseau jusqu'au sol. Une étude de 2014 estime que 11,6 millions d'oiseaux meurent chaque année des suites d'un choc électrique aux États-Unis. L'éloignement des conducteurs, l'installation d'isolants et la construction d'extensions au sommet des poteaux pour un perchoir plus sûr peuvent aider à empêcher les oiseaux d'être électrifiés tout en améliorant la fiabilité du réseau. En 2022, un seul oiseau a provoqué la perte d'électricité de 10 000 clients à la Nouvelle-Orléans - preuve supplémentaire qu'un réseau respectueux des oiseaux est un réseau respectueux de l'homme.

Le réseau électrique américain est une merveille d'ingénierie moderne, mais comme d'autres mégaprojets américains, le système montre son âge. L'administration Biden estime que 70 % du réseau électrique a plus de 25 ans et que le réseau doit également augmenter sa capacité actuelle d'ici 2050 pour répondre aux besoins énergétiques. Fondamentalement, les États-Unis doivent ajouter au moins 60 % de lignes de transmission supplémentaires pour fournir une quantité croissante d'énergie propre de l'intérieur ensoleillé et venteux des États-Unis aux communautés le long de la côte. Vous pouvez développer la production d'énergie propre autant que vous le souhaitez, mais sans une infrastructure suffisante pour transmettre cette énergie, cela ne sert à rien.

La capacité n'est qu'un défi auquel est confronté le réseau électrique, l'autre est le fait que les services publics sont une cible facile pour les cyberattaques. Le réseau électrique est la cible la plus alléchante pour tout pays qui veut faire des ravages aux États-Unis en raison de son immense taille et de son importance pour la vie quotidienne. Le problème est exacerbé par l'introduction du « réseau intelligent » et de « l'Internet industriel des objets », qui a accru l'efficacité et la fiabilité tout en associant les systèmes de contrôle industriels à Internet, ouvrant le réseau à toute une série de vulnérabilités potentielles.

Une cyberattaque contre un service public en Ukraine a laissé des personnes sans électricité en 2015, tandis qu'une autre attaque a touché le service public de l'eau d'Israël en 2020. L'année suivante, le secrétaire américain à l'énergie a confirmé que les adversaires des États-Unis avaient probablement la capacité de fermer le réseau électrique américain. Un rapport de 2021 détaille que les entreprises de services publics doivent mettre en œuvre la détection des menaces, se coordonner avec les agences gouvernementales sur la réponse et la récupération des cyberattaques, et rendre les systèmes énergétiques plus résilients (entre autres).

Mais la plus grande menace imminente pour le réseau électrique, celle qui aggrave probablement les autres défis du système, est le changement climatique. Les événements météorologiques extrêmes comme les incendies de forêt, les ouragans et les gelées profondes comme celui qui a plongé le Texas dans une crise en 2021 (bien que l'interconnexion du Texas soit son propre gâchis) deviendront la norme, et le réseau électrique devra être renforcé afin de rouler avec ces coups de poing environnementaux.

Alors, à quoi ressemble le réseau électrique du futur ? Eh bien, le plan actuel est de créer un système d'énergie 100 % propre d'ici 2035, et pour atteindre cet objectif ambitieux, les États-Unis devront probablement construire de nouveaux systèmes d'énergie propre, investir dans les technologies de fission nucléaire de nouvelle génération et continuer à contribuer aux collaborations internationales pour développer le Saint Graal des systèmes d'énergie propre : la fusion nucléaire. En attendant, il est également essentiel que le réseau américain augmente sa capacité et sa résilience, que ce soit contre les pirates informatiques ou un climat de plus en plus orageux.

Mais d'autres innovations seront également nécessaires pour assurer la pérennité du réseau électrique. Un grand domaine d'investissement est le développement de méthodes efficaces pour stocker l'énergie afin de rendre le réseau plus réactif lorsque le soleil ne brille pas ou que le vent ne souffle pas. Cela pourrait inclure des batteries lithium-ion conventionnelles ou des idées plus novatrices, telles que des batteries à gravité ou des batteries fer-air qui exploitent le potentiel de stockage d'énergie de l'oxydation (alias rouille).

Le Laboratoire national des énergies renouvelables du Département américain de l'énergie a également recommandé de relier les trois interconnexions disparates des États-Unis. Un véritable système de réseau national qui exploite la puissance de lignes de transmission HVDC de plus en plus abordables pourrait transporter l'énergie solaire de la Californie ensoleillée à la Nouvelle-Angleterre enneigée et rendre le réseau encore plus résistant aux catastrophes naturelles. À l'inverse, des micro-réseaux supplémentaires alimentant des infrastructures importantes telles que les hôpitaux pourraient garantir que les pannes de courant n'affectent pas les services de santé cruciaux.

Mais le plus grand défi sera de mettre à jour l'infrastructure énergétique déjà vieillissante tout en augmentant la capacité alors que les États-Unis commencent à électrifier leurs voitures, leurs cuisinières, leurs fours et pratiquement tout le reste.

Depuis 140 ans, le réseau électrique américain a complètement révolutionné la vie, mais ce n'est pas une création unique. Elle nécessite un soin, une vigilance et une innovation constants pour s'assurer qu'elle continue d'améliorer la vie des personnes qui utilisent cette énergie, ainsi que la planète que nous appelons tous chez nous.

Darren vit à Portland, a un chat et écrit / édite sur la science-fiction et le fonctionnement de notre monde. Vous pouvez trouver ses trucs précédents chez Gizmodo et Paste si vous regardez assez fort.

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