Qu’elle provienne d’un barrage hydroélectrique, d’une centrale nucléaire ou d’une éolienne, il faut transporter l’électricité produite là où besoin est.
Qu’elle provienne d’un barrage hydroélectrique, d’une centrale nucléaire ou d’une éolienne, il faut transporter l’électricité produite là où besoin est.
L’Ontario est la deuxième province en termes de superficie dans l’une des plus grandes nations du monde.
L’approvisionnement fiable en électricité nécessite des infrastructures, une planification, une conception et une maintenance continue. Aujourd’hui, à mesure que la demande en électricité augmente, les systèmes qui stockent et distribuent notre électricité doivent également avancer et grandir.
Le courant électrique décrit les particules chargées (des électrons ou des ions) qui circulent à travers un matériau.
L’électricité circule à travers certains objets plus facilement que d’autres, en fonction de leur taille, de leur forme, de leur température et des matériaux qui les composent.
La conductivité électrique est une propriété matérielle qui décrit la facilité avec laquelle l’électricité peut circuler à travers différents types de matériaux.
Conducteurs et isolants
Certains métaux comme le cuivre, l’or et l’aluminium ont une conductivité électrique élevée, c’est-à-dire que l’électricité peut y circuler plutôt facilement avec une faible perte d’énergie.
Les électrolytes conduisent l’électricité parce qu’ils contiennent des particules chargées positivement et négativement, appelées ions. Dans les piles, les électrolytes facilitent le mouvement des ions entre les deux bornes, la cathode et l’anode, pour permettre la circulation du courant électrique.
Les isolants tels que le bois, la céramique, le caoutchouc, l’air et la plupart des plastiques sont à l’opposé : ils ont une faible conductivité électrique. L’électricité n’y circule pas facilement.
Comment les conducteurs et les isolants fonctionnent-ils ensemble? Pensez aux câbles électriques dans votre maison.
Ils contiennent généralement des faisceaux de fils de cuivre conducteurs entourés d’isolants souples en plastique.
Les isolants empêchent la circulation de l’électricité là où elle n’est pas censée aller, le plastique agissant comme une barrière entre les fils à l’intérieur du câble et l’extérieur de celui-ci.
Transformateurs
Imaginez l’électricité comme de l’eau qui coule dans un tuyau. La tension électrique ressemble à la pression de l’eau : une tension plus élevée équivaut à une pression d’eau plus élevée.
Lorsque l’électricité circule dans le réseau, il est parfois nécessaire d’augmenter ou de diminuer la tension. Les transformateurs sont utilisés pour modifier ou transformer la tension électrique : les transformateurs élévateurs augmentent la tension et les transformateurs abaisseurs la diminuent.
Dans le réseau électrique, les transformateurs sont souvent situés dans les sous-stations électriques, où ils transforment la tension électrique entre les lignes de transport haute tension et les lignes de distribution à plus basse tension.
Le réseau électrique est un réseau interconnecté, comme un gigantesque réseau autoroutier, qui distribue l’électricité depuis là où elle est produite jusque là où les consommateurs l’utilisent, comme dans les maisons, les écoles et les entreprises.
Le réseau comporte quatre composantes :
Les sous-stations électriques, où la tension électrique peut être augmentée ou diminuée, relient les différentes composantes.
Passer à la haute tension :de la production au transport
Lorsqu’on produit l’électricité dans une centrale électrique ou un parc éolien, elle pourrait devoir parcourir de longues distances pour se rendre là où elle est nécessaire.
Pour transporter de grandes quantités d’électricité avec rapidité et efficacité, il faut d’abord la transformer en une tension plus élevée. Il y a ainsi une diminution de la quantité d’énergie électrique perdue sous forme de chaleur lorsqu’elle circule dans les fils.
Lorsque l’électricité quitte la centrale, la tension augmente d’abord à l’aide d’un transformateur élévateur. Enfin, l’électricité est acheminée vers des câbles de transport haute tension.
Transport à longue distance
Les pylônes électriques sont de grandes structures, souvent en acier, que vous avez peut-être pu observer près de chez vous.
Ces tours transportent de l’électricité haute tension à travers des câbles conducteurs spéciaux. Les câbles sont en aluminium (un conducteur électrique) et ont une base en acier pour la force.
Contrairement aux câbles électriques chez vous, ces câbles ne sont pas recouverts d’un isolant en plastique.
Ce sont plutôt des disques isolants composés de matériaux tels que le verre, la céramique ou le caoutchouc de silicone qui maintiennent les câbles à une distance sûre de la tour. Le nombre de disques augmente en fonction de la tension électrique transportée.
À elle seule, l’Ontario compte plus de 30 000 kilomètres de lignes de transport à longue distance, soit assez pour faire les trois quarts du tour de la Terre! Cette carte montre les centrales électriques et leur connexion au réseau de transport haute tension.
Des lignes de transport haute tension sont également reliées aux provinces et États voisins, ce qui permet d’importer ou d’exporter de l’électricité en fonction de la demande.
Par exemple, le Québec abonde de centrales hydroélectriques, et la majorité de ses résidents utilisent le chauffage électrique plutôt que le gaz naturel.
En raison du climat froid du Québec et de la dépendance au chauffage électrique, la demande en électricité est élevée en hiver, de sorte que l’Ontario lui exporte de l’électricité. En été, le sud de l’Ontario recourt généralement davantage à la climatisation, ce qui se traduit par une demande d’électricité plus élevée.. Pendant ces mois de chaleur, l’électricité peut être importée du Québec vers les endroits où elle est le plus nécessaire.
Abaissement pour des raisons de sécurité :Distribution de l’électricité
Les réseaux de transport et de distribution sont reliés par des sous-stations électriques équipées de transformateurs.
Lorsque l’électricité circulant dans les câbles de transport arrive à proximité d’une ville, d’un établissement industriel ou d’une collectivité rurale, elle passe à travers des transformateurs abaisseurs qui la convertissent à une tension inférieure. Les transformateurs de distribution abaissent encore la tension lorsque l’électricité passe des lignes d’approvisionnement à sa destination finale.
Vous verrez peut-être des lignes de distribution passer le long des rues de votre quartier jusqu’à votre maison.
Dans de nombreuses nouvelles collectivités, ces lignes pourraient ne pas être visibles puisqu’elles ont été enfouies sous terre. En Ontario, il y a plus de 260 000 kilomètres de lignes de distribution, soit assez pour faire six fois le tour de la Terre! Ce nombre continue d’augmenter à mesure que la population de l’Ontario s’accroît et que nos besoins en électricité évoluent.
Avant le réseau intelligent
Dans les années 1800, les expériences sur l’électricité ont mené à l’élaboration de technologies alimentées par l’électricité, comme l’éclairage électrique. Lorsque les gens ont commencé à utiliser l’électricité, la demande a rapidement augmenté.
En 1895, la centrale Adam No. 1 dans la région du Niagara est devenue la première centrale électrique à courant alternatif (CA) à grande échelle au monde. En 1909, la première ligne de transport internationale a été ouverte entre le Canada et les États-Unis.
Dans la seconde moitié du 20e siècle, la croissance de la technologie numérique a conduit à des innovations considérables dans le domaine de l’informatique et à l’émergence d’internet dans les années 1980. Au début du 21e siècle, la technologie numérique a commencé à transformer le réseau.
Pourquoi le réseau est-il « intelligent »?
Les innovations en matière de réseaux intelligents intègrent les capteurs numériques et les technologies de communication, permettant la circulation simultanée de l’électricité et de l’information.
La circulation à la fois d’électricité et de communication crée un réseau plus efficace et plus résistant. Pensez au réseau intelligent comme à un téléphone intelligent : il utilise la technologie pour faire plus de choses, comme partager de l’information et mieux fonctionner.
Faciliter la production distribuée :
Le réseau est composé principalement de stations électriques centralisées, qui produisent beaucoup d’électricité et l’envoient sur de longues distances.
En revanche, une approche de distribution fait appel à plusieurs stations électriques plus petites (comme des panneaux solaires ou des éoliennes) situées près des endroits où les gens consomment de l’énergie dans les maisons, les écoles et les entreprises. Les centrales électriques virtuelles sont également en hausse. Ce type de production distribuée est un réseau de sources d’énergie à petite échelle, comme des panneaux solaires sur les toits, des bornes de recharge pour véhicules électriques, ou d’autres appareils domestiques intelligents, qui fonctionnent ensemble pour produire de l’électricité au réseau. Les capteurs de réseaux intelligents peuvent aider à gérer un réseau distribué, surtout avec des sources d’énergie intermittentes comme le solaire et l’éolien.
Charge inversée :
La plupart des bornes de recharge pour les véhicules électriques acheminent de l’électricité du réseau à la batterie du véhicule.
Les bornes de recharge bidirectionnelles permettent aux véhicules électriques stationnés à la maison de renvoyer de l’électricité au réseau au besoin. C’est ce qu’on appelle la charge inversée, qui est utile pendant les périodes de forte consommation d’électricité.
Réponse à la demande :
Lorsque la demande en électricité est élevée, les clients peuvent choisir de réduire leur consommation et recevoir des paiements ou des rabais en contrepartie.
Les thermostats intelligents sont un type de technologie de réponse à la demande installée dans de plus en plus de foyers canadiens. Ils peuvent être programmés pour détecter et intervenir lorsque le réseau électrique est sous pression. Par exemple, lorsqu’une vague de chaleur cause l’augmentation de la demande en électricité, les thermostats intelligents peuvent réduire temporairement la consommation des appareils énergivores tels que les climatiseurs et les chauffe-eau.
Perte dans le réseau
Lorsque l’électricité circule dans un fil, les électrons se heurtent parfois aux atomes du fil. Lors de ces collisions, une partie de l’énergie électrique est transformée en chaleur.
Plus il y a de collisions, plus l’énergie électrique est « perdue » sous forme de chaleur.
L’électricité circule facilement à travers les conducteurs tels que l’argent, le cuivre, l’or et l’aluminium, contrairement à la plupart des autres matériaux. Cependant, même ces matériaux ne peuvent pas transporter l’électricité sans une certaine perte d’énergie sous forme de chaleur.
À l’échelle d’un réseau, les pertes d’énergie peuvent s’accumuler. En fait, les experts estiment que jusqu’à 10 % de toute l’électricité produite est perdue sous forme de chaleur dans le réseau.
Ce gaspillage d’énergie a été considéré comme un coût inévitable du transport de l’électricité; toutefois, les choses ont récemment changé.
Super froid, supraconducteur
La supraconductivité est un état dans lequel les électrons peuvent circuler sans résistance ou perte. L’utilisation de câbles supraconducteurs pour les lignes de transport permet d’augmenter le flux d’électricité, sans aucune perte!
Les câbles supraconducteurs permettent également d’approvisionner une plus grande quantité d’énergie à des tensions plus basses, ce qui réduit le besoin de transformateurs et de pylônes électriques.
À ce jour, les supraconducteurs ne fonctionnent qu’à des températures très froides. Toutefois, de nombreux progrès ont été réalisés dans ce domaine. Les premiers supraconducteurs devaient être refroidis presque jusqu’au zéro absolu (-273 °C), la température la plus basse possible!
Cet incroyable exploit a été réalisé avec de l’hélium liquide, la substance la plus froide disponible sur Terre. Les supraconducteurs modernes à « haute température » n’ont besoin d’être refroidis qu’à une température de -180 °C. Cela peut se faire avec de l’azote liquide, qui est beaucoup plus facilement disponible et bien moins cher que l’hélium liquide.
Aujourd’hui, on recherche des matériaux supraconducteurs à une température plus proche de la température ambiante.
Si une telle percée se produit, nous assisterons à un changement monumental dans la manière dont l’électricité est acheminée. Cette technologie ouvrirait également la porte à une multitude d’autres innovations passionnantes.
Aujourd’hui, de nombreuses collectivités éloignées de l’Ontario ne sont toujours pas reliées au réseau électrique. La plupart de ces collectivités, notamment des communautés autochtones, doivent dépendre de sources d’énergie alternatives coûteuses, telles que le diesel, car c’est la seule option possible.
Les générateurs diesel produisent une pollution sonore et atmosphérique importante, y compris des gaz à effet de serre. Il est également difficile et coûteux de transporter le produit jusqu’aux collectivités éloignées. Malheureusement, la situation n’a pas changé depuis des décennies.
Cette page présente une carte interactive affichant les sources d’énergie utilisées par les collectivités isolées et autochtones au Canada.
Cette situation commence cependant à changer.
Le projet de transport d’électricité Wataynikaneyap a uni le gouvernement de l’Ontario et les Premières Nations de Webequie, de Nibinamik, de Neskataga Eabametooong et de Marten Falls dans un partenariat visant à installer des infrastructures de transport et de production d’électricité. Wataynikaneyap signifie « ligne qui apporte la lumière » en anishiniiniimowin, nom donné par les aînés qui ont conseillé le projet.
Le projet Wataynikaneyap met fin à une longue dépendance à l’énergie diesel, et il a généré des emplois et des revenus pour les communautés.
Ce projet marque une étape importante. Toutefois, bien plus d’un siècle après l’arrivée de l’électricité dans les foyers de l’Ontario, il y a encore beaucoup de communautés autochtones éloignées qui n’ont pas d’options d’électricité à faibles émissions de carbone.
D’autres solutions énergétiques potentielles pour les collectivités éloignées qui dépendent encore du diesel peuvent comprendre des panneaux solaires avec stockage dans des batteries, ou de l’énergie nucléaire sous la forme de très petits réacteurs modulaires (tPRM).
L’électricité a transformé la société humaine d’innombrables façons. Elle a propulsé les progrès dans l’industrie, les télécommunications, l’informatique, les technologies numériques, les transports, le développement urbain, l’assainissement, la médecine, et bien plus encore.
Les changements sociaux et technologiques continuent de façonner les besoins énergétiques de l’Ontario. Et à mesure que la demande d’énergie augmente, l’élaboration de technologies d’énergie renouvelable à faibles émissions de carbone s’accroît elle aussi.
Cependant, il y a un problème avec l’électricité : le courant électrique qui circule dans le réseau ne peut pas être stocké sous cette forme. Cela crée un problème pour les sources d’énergie renouvelable comme l’énergie éolienne et l’énergie solaire, qui sont intermittentes. L’intensité du soleil et la vitesse du vent varient constamment en fonction des conditions météorologiques et des saisons.
La capacité de stocker l’électricité produite (qui sera utilisée lorsque la demande est élevée) augmenterait considérablement l’efficacité du réseau. Aujourd’hui, les batteries aux ions de lithium ayant jusqu’à quatre heures d’autonomie sont les plus populaires.
Elles sont relativement peu coûteuses et ont une capacité de stockage suffisante pour que les clients puissent revendre l’électricité excédentaire au réseau. Outre les batteries aux ions de lithium, les technologies qui stockent l’énergie plus longtemps (pendant plus de huit heures, des jours, voire des semaines) contribueront à rendre le réseau encore plus efficace à mesure que les énergies renouvelables deviennent plus accessibles.
De nombreuses recherches sont menées sur les moyens les plus efficaces de stocker de grandes quantités d’électricité pour utilisation future.
En fait, plus d’une centaine de technologies de stockage d’énergie sont actuellement mises au point à l’échelle mondiale. De plus, alors que des innovations de haute technologie sont en cours d’élaboration, il existe déjà des méthodes plus traditionnelles de stockage de l’énergie. Par exemple, le réservoir d’eau au-dessus d’une centrale hydroélectrique, qui est un peu comme une batterie naturelle, peut stocker de l’énergie potentielle à utiliser au besoin.
De nombreuses méthodes différentes en matière de stockage d’électricité sont en cours d’élaboration pour nous aider dans notre parcours vers un système électrique à faibles émissions de carbone.
Voici quelques-unes des technologies les plus prometteuses.
Cette simple technologie utilise le champ gravitationnel de la Terre pour stocker de l’énergie. Son fonctionnement est le suivant : lorsqu’un objet est soulevé du sol, contre la force de gravité terrestre, il emmagasine de l’énergie.
On l’appelle énergie potentielle gravitationnelle. Plus l’objet a été soulevé en hauteur et plus sa masse est importante, plus il y a d’énergie stockée.
L’énergie potentielle gravitationnelle est ce qui nous permet de dévaler une colline enneigée sur une planche à neige. Il faut de l’énergie pour se rendre jusqu’en haut de la colline, mais chaque pas dans cette direction permet d’accumuler plus d’énergie potentielle. Plus l’énergie est stockée, plus la descente sera rapide!
L’accumulation par pompage est le prélèvement de l’eau et, pendant les périodes de faible demande en électricité, elle est pompée jusqu’au réservoir situé au-dessus. Une fois soulevée, l’eau dispose d’une énergie potentielle gravitationnelle. Cette énergie stockée peut être libérée pour couler, faire tourner une turbine et produire de l’électricité, à tout moment nécessaire. Le Canada, avec ses nombreux cours d’eau et lacs, détient un énorme potentiel en matière d’accumulation par pompage.
Une centrale hydroélectrique à accumulation par pompage existe déjà à la centrale Sir Adam Beck Pump Generating Station de l’OPG, et d’autres projets ont été proposés partout en Ontario. Dans la municipalité de Meaford, un projet de centrale hydroélectrique à accumulation par pompage devrait pomper l’eau de la baie Georgienne jusqu’à un réservoir pendant les périodes de faible demande en électricité, puis libérer l’eau dans la baie Georgienne pour produire de l’électricité pendant les périodes de forte demande.
Pensez aux batteries qui alimentent votre téléphone intelligent, votre ordinateur portable ou votre tablette. Multipliez ensuite ce chiffre par quelques millions.
C’est l’idée sous-jacente des systèmes de stockage d’énergie dans des batteries (SSEB). Certains de ces grands projets d’exploitation de batteries sont déjà en cours d’élaboration au Canada.
Dans le centre-ville de Toronto, où la population est dense, le projet de SSEB de Bulwer, achevé en 2020, contribue à ce qui suit :
L’hydrogène est une autre innovation prometteuse pour le stockage de l’énergie.
Aujourd’hui, la majorité de la production d’hydrogène utilise le reformage à la vapeur du méthane, un processus qui sépare les atomes d’hydrogène (H2) du gaz naturel (CH4). Ce procédé produit de l’hydrogène gazeux ainsi que des émissions de carbone.
L’hydrogène renouvelable utilise de l’électricité facilement accessible provenant de sources d’énergie renouvelable pour diviser la molécule d’eau (H2O) en ses composants (l’hydrogène et l’oxygène) à l’aide d’un processus appelé électrolyse.
L’hydrogène est ensuite stocké sous forme liquide ou gazeuse jusqu’à ce que l’on ait besoin d’électricité supplémentaire. Comment obtenir de l’énergie à partir de l’hydrogène stocké? L’une des méthodes consiste à brûler l’hydrogène (H2) avec de l’oxygène (O2). Ainsi se produit un important dégagement d’énergie dont la seule émission est de l’eau (H2O).
Comme d’autres méthodes de stockage, le stockage de l’hydrogène peut servir à stocker l’énergie provenant de sources intermittentes telles que les panneaux solaires ou les éoliennes, ou pour stocker l’énergie pendant les heures creuses.
Le Niagara Hydrogen Centre sera la plus grande installation de production d’hydrogène renouvelable en Ontario. Le centre utilisera un électrolyseur de 20 MW pour séparer l’eau en molécules d’hydrogène et d’oxygène, et sera alimenté par de l’électricité renouvelable provenant directement de la centrale Sir Adam Beck II, située à proximité.
L’air est un mélange de gaz, dont l’azote, l’oxygène et le dioxyde de carbone. Comparés aux solides et aux liquides, les gaz ont des propriétés uniques parce que les molécules (ou particules) sont relativement éloignées les unes des autres.
Avec un peu d’énergie, ces particules peuvent être écrasées ou comprimées. L’air comprimé est une forme d’énergie potentielle et peut donc être utilisé pour stocker de l’énergie.
Une ancienne caverne minière de sel à Goderich, en Ontario, est maintenant la première installation de stockage d’air comprimé avancée à émission zéro au monde. Comment ça marche? L’électricité excédentaire ou hors pointe du réseau est utilisée pour alimenter un compresseur d’air. L’air comprimé est stocké dans les cavernes souterraines de la mine. Lorsqu’il y a un besoin d’électricité, une vanne est ouverte et l’air stocké est libéré. En sortant, il fait tourner une turbine à air qui produit de l’électricité.
Un volant d’inertie est une grande roue lourde qui peut tourner à haute vitesse. Lorsqu’un volant d’inertie tourne rapidement, il a accumulé un grand élan et continue à tourner longtemps avant de s’arrêter.
Les volants d’inertie sont souvent utilisés dans les machines pour transformer des apports d’énergie intermittents, comme le mouvement d’un piston dans un moteur ou la rotation d’une éolienne, en un mouvement continu. Réfléchissez à la façon dont un tourniquet ou un carrousel tournera continuellement, même s’il n’est poussé que pendant une seconde ou deux.
Les volants d’inertie peuvent également être utilisés pour stocker de l’énergie. L’électricité excédentaire ou hors pointe peut être utilisée pour faire tourner un lourd volant d’inertie, qui pèse souvent plusieurs tonnes.
Lorsqu’on a besoin d’électricité, l’énergie cinétique du volant d’inertie peut servir à alimenter une génératrice, produisant ainsi de l’électricité.
Les batteries à sels fondus sont un type de batterie thermique : elles stockent l’énergie sous forme de chaleur.
Comment fonctionnent ces batteries? Lorsque l’énergie est abondante, elle peut être utilisée pour faire fondre des sels chimiques comme le nitrate de sodium et le nitrate de potassium. Lorsque ces matériaux passent de l’état solide à l’état liquide, ils stockent beaucoup d’énergie sous forme de chaleur. Avec une isolation suffisante, les sels resteront fondus et une grande partie de l’énergie thermique pourra être stockée pour plus tard. Lorsqu’on a besoin d’électricité, les sels fondus peuvent être utilisés pour faire bouillir de l’eau, produisant ainsi de la vapeur qui fait ensuite tourner une turbine et produit de l’électricité.
Les batteries à sels fondus peuvent être utilisées pour stocker l’énergie produite par les projets d’énergie solaire à concentration.
L’énergie solaire à concentration ressemble un peu à un four solaire : les deux stratégies utilisent des miroirs pour recevoir les rayons du soleil et les concentrer sur un objet ou un récepteur, transformant ainsi l’énergie lumineuse en chaleur. La chaleur peut ensuite être stockée dans une batterie de sels fondus.
Ces innovations en matière de stockage et de transport d’électricité, associées aux formes émergentes et en évolution de production d’électricité, contribueront à transformer non seulement notre réseau électrique, mais aussi nos vies.
Elles nous aideront à répondre à la fois à la demande en électricité et au besoin de transitionner vers une économie à faibles émissions de carbone alors que nous travaillons pour un avenir durable pour les générations actuelles et futures.