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22 novembre 2013 5 22 /11 /novembre /2013 10:55

L’énergie électrique d’abord produite et consommée "sur place" commence à se distribuer dans les rues, les théatres, les grands magasins, les immeubles d’habitation... à partir de la fin des années 1870.

 

Se pose alors la question de son mode de production et de diffusion : par courant continu ou par courant alternatif ?


 

Les premiers générateurs de courant : piles et accumulateurs.

 

1800 est une date de première importance dans l’histoire de l’électricité. C’est l’année où Volta présente le premier générateur de courant continu : la pile.

 

La première pile volta présentait l’inconvénient de se "polariser" : les réactions chimiques à ses électrodes faisaient rapidement chuter sa tension. La pile Daniell, impolarisable était déjà un progrès mais sa forte résistance ne pouvait en faire un générateur utilisable dans la pratique. Les piles à "dépolarisant" répondaient enfin au problème.

 

Celle imaginée par Georges Leclanché est l’une des plus utilisées. En 1867, alors exilé en Belgique pour ses opinions républicaines, il dépose un brevet pour une pile dont l’électrolyte était une solution de chlorure d’ammonium et le pôle positif une plaque de charbon recouverte sur chaque face d’une couche de peroxyde de manganèse, l’ensemble étant contenu dans un vase poreux plongeant dans un deuxième vase contenant la même solution et une tige de zinc constituant le pôle négatif.

 

Elle sera massivement utilisée sur les télégraphes belges et néerlandais. De retour en France, Leclanché confie l’exploitation de son brevet à l’industriel Barbier. La pile Leclanché-Barbier est alors largement utilisée dans les télégraphes français. En 1881 l’usine, qui emploie 50 ouvriers, a vendu près de 300 000 piles. Après la mort prématurée de Leclanché en 1882 à l’âge de 43 ans, la pile sera encore perfectionnée par son fils Max pour être rendue facilement transportable. Sous différentes marques commerciales, elle est encore largement utilisée aujourd’hui.

 

Mais les piles ont de sérieuses concurrentes : les "piles secondaires" ou accumulateurs. L’idée est de Gaston Planté. En 1860 il rédige un mémoire qui est lu à l’Académie des Sciences dans lequel il décrit les propriétés d’un dispositif qu’il désigne comme une "pile secondaire".

 

L’électrolyse d’une solution d’acide sulfurique entre deux plaques de plomb oxyde la plaque reliée au pôle positif. Il se crée ainsi une dissymétrie entre les deux électrodes. En reliant les deux plaques ainsi "polarisées", Leclanché constate qu’un courant électrique circule dans le circuit et se maintient jusqu’au retour des plaques à l’état initial.

 

Il a ainsi l’idée de "piles secondaires" qui seront ensuite désignées par le terme d’accumulateurs. Concrètement cet accumulateur consiste en deux plaques de plomb parallèles enroulées en spirale et maintenues écartées par deux rubans de caoutchouc enroulés en même temps que les plaques. L’ensemble est placé dans un récipient de verre cylindrique empli d’une solution d’acide sulfurique.

 

Une remarque cependant : pour "charger" un accumulateur il faut une source puissante de courant continu. C’est la mise au point par Gramme de la première génératrice à courant continu, et celles des autres constructeurs qui suivront son exemple, qui permet cette charge.

 

La machine Gramme, première génératrice à courant continu.

 

En 1820 Oersted découvre l’action d’un courant électrique sur un aimant. Peu de temps après Ampère et Arago mettent au point l’électroaimant avant que Faraday découvre l’induction électrique en 1831.

 

Il est alors possible de produire un courant électrique en faisant tourner un aimant devant une spire conductrice ou bobine de fil conducteur reliée à un circuit extérieur.

 

Mais ce courant est un courant alternatif. Le sens du courant varie en fonction du pôle qui passe devant la bobine.

 

Or les premières applications industrielles du courant électrique concernent le courant continu. Parmi celles ci la dorure, l’argenture et galvanoplastie dont l’un des plus grands ateliers est celui du bijoutier Christofle.

 

Parmi les employés de l’atelier Christofle se trouve un technicien d’origine belge particulièrement habile, Zénobe Gramme. Une génératrice à courant continu serait particulièrement utile dans cet atelier pour remplacer les piles dégageant des vapeurs corrosives.

 

Zénobe Gramme imagine une bobine conductrice tournant devant les deux pièces polaires d’un aimant qui dans la version définitive sera un électroaimant. L’astuce réside dans l’invention du "collecteur" transmettant un courant continu par l’intermédiaire de "balais".

 

La Machine Gramme devient une puissante génératrice capable, en particulier, d’alimenter les premières lampes à arc de l’éclairage urbain. Elle sera sérieusement concurrencée par la génératrice de Edison


Machine Gramme à courant continu.


 

La première distribution électrique par courant continu de Edison à New-York

 

Lors de l’exposition internationale d’électricité de 1881 à Paris, Edison présentait un ensemble complet : ses lampes à incandescence et la génératrice capable d’alimenter 1000 lampes consommant une intensité de 0,7 A sous une tension de 100 volts.


Machine de Edison présentée à l’exposition internationale d’électricité de Paris en 1881.


Lampes à incandescence à filament de carbone.


 

En 1882, Edison choisit de lancer une première distribution électrique à New-York, en plein quartier d’affaires. Dans un premier temps la centrale, installée dans le district de Wall-Street, alimente 12 000 lampes et doit être rapidement agrandie.

 

La centrale électrique est installée dans un bâtiment de quatre étages qui était occupée par des bureaux et dont la structure doit être renforcée pour supporter les machines.

 

Douze génératrices sont actionnées par des machines à vapeur. Chacune peut alimenter 1200 lampes d’une puissance de 75W sous une tension de 100V.


 

La première centrale électrique Edison à New-York.


La centrale vue de la rue.


 

Système d’éclairage Edison


 

 

Alternatif contre continu aux États Unis. Tesla contre Edison.

 

En 1882, à Paris, Nicolas Tesla, jeune ingénieur d’origine Austro hongroise travaille pour la Continental Edison company. Très vite remarqué pour ses capacités et déçu du peu d’intérêt européen pour ses travaux, il accepte l’invitation d’Edison pour venir travailler aux USA.

 

Le système de courant continu de Edison a de sérieux problèmes : un pourcentage de perte significatif, la nécessité de câble volumineux, une centrale tous les deux miles etc... On ne compte plus le nombre de pannes et d’incendies dans le réseau new yorkais.

 

Dès ses années parisiennes Tesla avait imaginé la distribution par courant alternatif, d’autant plus qu’il avait inventé un moteur fonctionnant au courant alternatif. Avantage de ce système : la possibilité de transformateurs et donc celle de limiter les pertes en ligne par des courants à haute tension. La tension étant ensuite ramenée à une valeur d’usage par des transformateurs appropriés.

 

L’obstination de Edison provoque la rupture avec Tesla. Ce dernier est recruté par Georges Westinghouse en 1986 qui lui rachète ses brevets. Dès lors commence une "guerre des courants" qui est finalement gagnée par Westinghouse en 1893 quand sa compagnie obtient du gouvernement américain le contrat d’installation de la distribution électrique sur tout le territoire.


 

A Paris

 

En 1878, l’exposition universelle, est l’occasion d’une démonstration d’éclairage électrique par lampes à arc de l’avenue de l’Opéra avec des bougies JABLOCHKOFF.

 

Pour l’alimentation des lampes à arc, le courant continu présente un inconvénient. Les deux charbons ne s’usent pas à la même vitesse ce qui nécessite une installation complexe. Cet inconvénient est évité avec le courant alternatif c’est pourquoi Jablochkoff souhaitait utiliser le courant alternatif pour l’alimentation de ses lampes.

 

Or il se trouvait que, avant de proposer une machine a courant continu, difficile à réaliser, Gramme avait déjà fait breveter une vingtaine de génératrices à courant alternatif. La revue La Nature de 1879 décrit une machine déjà bien élaborée et dont le modèle est proche des alternateurs actuels.

 

Un rotor central porte huit noyaux aimantés constitués d’électroaimants alimentés en courant continu par une petite génératrice annexe. Ils tournent devant huit bobines conductrices logées dans l’armature de fer de la génératrice.


Machine Gramme à courant alternatif 1879


Coupe de l’alternateur Gramme, rotor et stator.


 

Quelques installations privées, de magasins ou de théâtres, assurent leur propre production.

 

Une usine au Palais Royal, une autre au Faubourg Montmartre, ont un réseau composé de canalisations passant sur les toits des immeubles.

 

En 1880, les magasins du Louvre, l’hippodrome, sont éclairés par l"électricité.


station électrique de l’hippodrome équipée d’alternateurs Gramme.


 

Au Louvre, des machines Gramme disposées dans le sous-sol alimentent 80 foyers de lumière constitués par des lampes à arc électrique de type Jablochkoff. Les utilisateurs mettent en valeur l’absence de chaleur et de gaz nocifs dégagés. Par ailleurs la lumière n’altère pas les nuances des couleurs des tissus présentés.

 

A l’hippodrome, comme au Louvre, le succès d’une première installation modeste, provoque sont extension et la construction d’une centrale électrique.

 

La Place du Carrousel est éclairée pour l’exposition de 1881, le Parc Monceau en 1882, l’Hôtel de Ville en 1883, le Parc des Buttes Chaumont en 1884.

 

L’incendie de l’Opéra Comique en 1887, éclairé au gaz, a pour conséquence d’interdire ce mode d’éclairage dans les salles de spectacles.

 

L’alternatif et les transformateurs.

 

Nous avons déjà relevé l’intérêt du courant alternatif pour l’éclairage par lampes à arc. Les lampes à incandescence sont également parfaitement adaptées à une alimentation en alternatif. Le problème est que ces deux types de lampes ne fonctionnent pas de la même façon.

 

Les lampes à arc demandent une tension relativement élevée mais consomment un faible courant, les lampes à incandescence une basse tension (généralement 100 volts) mais une forte intensité.

 

La nécessité de transformateurs devient rapidement évidente. D’autant plus que se pose le problème de la distribution : de fortes intensités dans les lignes sont causes de fortes pertes sous forme de chaleur. La solution réside dans une distribution sous haute tension et, à puissance égale, de faible intensité.

 

Vers 1885, plusieurs modèles sont déjà proposés

 

 

 

Le courant alternatif semble présenter quelques avantages mais faut-il le généraliser alors que les premières installations ont surtout été réalisées sur la base du courant continu ? Tans qu’il ne s’agira que d’alimenter les quartiers à partir de centrales dispersées dans la ville, le choix ne s’imposera pas. Le problème se posera par contre avec la distribution à longue distance.

 

Alternatif contre continu en France. Gaulard contre Deprez.

 

A l’occasion de l’exposition internationale de 1881, l’ingénieur Marcel Deprez expose à Adolphe Cochery, ministre des Postes et Télégraphes, ses idées sur le transport électrique à grande distance. Il fait le choix du transport du courant continu et est soutenu dans sa démarche par les banquiers Rothschild. Après plusieurs essais non satisfaisants il fait l’essai public du transport de la "force" électrique sur une distance de 56 km entre la station de Creil et la gare de la Chapelle en s’imposant un rendement de 50%.

 

Le système fonctionnait en 1885 avec un rendement compris entre 40% et 45%. Malgré les éloges de la commission constituée de 38 prestigieux savants chargée de contrôler les résultats : " Au nom de la science et de l’industrie, la Commission adresse ses chaleureuses félicitations à M. Marcel Duprez pour les admirables résultats qu’il a obtenus et exprime à M. de Roytschild sa vive reconnaissance pour l’inépuisable générosité avec laquelle il a doté cette gigantesque entreprise.", l’expérience est loin d’être une réussite. En fait elle annonçait la fin des projets de distribution de l’électricité sur de grandes distances par courant continu.

 

En effet, cette expérience avait, entre autres objectifs, celui de répondre à Lucien Gaulard, associé à John Dixon Gibbs, qui avait expérimenté en Angleterre la, transmission par courant alternatif sous une tension de 2000 volts et sur une distance de 40 km avec un rendement affiché de 90%.

 

Face au doute suscité par cette annonce parmi les électriciens continentaux, Gibbs avait décidé de concourir au prix institué par le gouvernement italien pour le meilleur système de transport de l’électricité à distance à l’occasion de l’exposition d’électricité de 1884 à Turin. Son expérience menée sur une distance de 80 km entre Lanzo et Turin avait été une réussite et le prix lui avait été attribué.

 

Une première expérience de distribution de l’électricité par courant alternatif était signalée à Tours en 1886.


usine électrique de Tours.


 

En France comme aux USA l’alternatif prouvait sa meilleure efficacité. Pourtant les deux système devaient cohabiter pendant plusieurs années. En particulier à Paris.

 

La distribution électrique à Paris. Alternatif et continu

 

En 1888, le Conseil Municipal de PARIS, avec la perspective de l’Exposition Universelle de 1889 et sous la pression de l’opinion publique, décide la création d’un réseau de distribution d’électricité.

 

L’organisation retenue consiste à diviser PARIS en parties désignées sous le nom de secteurs. Les « secteurs électriques parisiens » prennent naissance, et c’est à cette époque que remontent les concessions successivement accordées par la Ville à six sociétés qui ont assuré l’exploitation de l’électricité jusqu’en 1908, date à laquelle la concession est confiée à l’Union des Secteurs (la ville exploitant de son côté un réseau dans le quartier des Halles).


Une distribution mixte, alternatif-continu

 

Dans chaque secteur, le type de distribution était différent :

 

* Cie CONTINENTALE EDISON : courant continu à 2 x 110V, distribué par feeders 3 fils.

 

* Sté d’ECLAIRAGE ET DE FORCE PAR L’ELECTRICITE A PARIS : Courant continu 110V 2 fils.

 

* Cie VICTOR POPP(ultérieurement Cie PARISIENNE DE L’AIR COMPRIME) : courant continu 4x110V par réseau 5 fils.

 

* Sté d’ECLAIRAGE ELECTRIQUE DU SECTEUR DE LA PLACE CLICHY : courant continu 4x110V par réseau 5 fils.

 

* Sté CHARLES MILDE FILS ET Cie (ultérieurement Cie d’ECLAIRAGE ELECTRIQUE DU SECTEUR DES CHAMPS-ELYSEES) : courant alternatif à haute tension (3000V), abaissée à 110V par un transformateur dans chaque immeuble.

 

* Cie ELECTRIQUE DU SECTEUR DE LA RIVE GAUCHE : courant alternatif mêmes caractéristiques que le secteur des CHAMPS-ELYSEES.


Cette carte des réseaux et ces données sont extraites du site Mémoire de l’Electricité, du Gaz et de l’Eclairage public à Paris


Voir aussi :

 

Distribution de l’énergie électrique à Paris. Revue La Nature 1902.

 



Le regroupement par la Compagnie Parisienne de Distribution d’Électricité (CPDE) et les zones de réseaux

 

En 1907, à l’expiration des concessions, une convention municipale assure le rassemblement des distributions (l’Union des Secteurs) dans le but de préparer la création d’un organisme unique, la Compagnie Parisienne de Distribution d’Électricité (C.P.D.E.) à la fin de 1913.

 

Le 31décembre 1913, la distribution d’électricité est confiée par la Ville à la Compagnie Parisienne de Distribution d’Electricité(CPDE), jusqu’à la nationalisation.

 

Les réseaux de distribution établis par les premiers secteurs se modifient conformément au programme technique imposé par le concessionnaire :

 

* production du courant primaire par deux centrales : l’usine Nord à SAINT-OUEN, l’usine Sud à Issy-les-Moulineaux (courant diphasé12300V - 42 périodes).

 

* distribution par sous-stations et centres de couplages,

 

* trois zones sont retenues pour réduire les anciens systèmes :

 

o une zone à courant continu cinq fils et trois fils, La distribution en continu est maintenue dans le centre de Paris, car elle est bien adaptée à la densité de puissance et aux besoins de force motrice, et le côut de transformation en alternatif des équipements existants a été jugé prohibitif (en bleu et en jaune).

 

o une zone à courant alternatif monophasé 3 kV,

 

o une zone à courant alternatif diphasé 5 fils. Dans le Nord et l’Est de Paris, jusque la peu électrifiés, un réseau alternatif diphasé est construit. Ce R.Z.D., réseau de la zone diphasée, conserve la notion de maillage Basse Tension, déja existante pour le continu, et qui sera ensuite généralisée à l’ensemble des futurs réseaux de Paris.


 

Les zones de la CPDE


D’importantes décisions sont prises de 1918 à 1930 :

 

* passage de la fréquence 42 à 50Hz (réalisé de 1925 à 1928)

 

* arrêt du courant continu par création de postes d’immeubles et d’un réseau alternatif basse-tension, le Réseau Alternatif Complémentaire (RAC, en rose)

 

* raccordement au réseau d’interconnexion général.


 

 



 

1930-1939 Développement des réseaux diphasés

 

Le réseau continu est progressivement remplacé par un réseau alternatif diphasé. Il en persistera cependant une partie jusqu’en 1968.

 

A la nationalisation de 1946, la CPDE est remplacée par le Centre de Distribution de Paris-Électricité (C.D.P.E.)

 

Au début des années 1960, il est décidé la transition vers une distribution triphasée, qui est devenue la norme des réseaux modernes.


 

 

 

Mais l'histoire ne s'arrête pas là. Voir : Courant continu. La retour.



On peut trouver un développement de cet article dans ouvrage paru en septembre 2009 chez Vuibert : "Une histoire de l’électricité, de l’ambre à l’électron"

 

JPEG

 

 

Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !).

 

L’auteur est un collègue professeur de sciences physiques, formé à l’histoire des sciences, et formateur des enseignants en sciences dans l’académie de rennes. Bref quelqu’un qui a réfléchi tant à l’histoire de sa discipline qu’à son enseignement et sa didactique, et cela se sent. Le style est fluide et imagé, bref plaisant au possible...

 

...voici donc un bon ouvrage permettant de se construire une culture scientifique sans l’âpreté des équations de la physique.

 

extrait du commentaire paru dans le Bulletin de l’Union des Physiciens.


En complément :

199 L’éclairage électrique de Dieulefit et Valréas (E. HOSPITALIER)

 

274 Les expériences de Lauffen-Francfort. Transmission et distribution de l’énergie électrique à grande distance par courants alternatifs polyphasés (E. HOSPITALIER)

 

323 idem. Les expériences de Lauffen-Francfort. Transmission et distribution de l’énergie électrique à grande distance par courants alternatifs polyphasés (E. HOSPITALIER)


Voir aussi sur dailymotion :

Edison contre Westinghouse : la grande bataille de l’électricité


On peut lire du même auteur :

Histoire de l’oxygène. De l’alchimie à la chimie.

 

Suivre le parcours de l’oxygène depuis les grimoires des alchimistes jusqu’aux laboratoires des chimistes, avant qu’il n’investisse notre environnement quotidien.

 

Aujourd’hui, les formules chimiques O2, H2O, CO2,… se sont échappées des traités de chimie et des livres scolaires pour se mêler au vocabulaire de notre quotidien. Parmi eux, l’oxygène, à la fois symbole de vie et nouvel élixir de jouvence, a résolument quitté les laboratoires des chimistes pour devenir source d’inspiration poétique, picturale, musicale et objet de nouveaux mythes.

 

À travers cette histoire de l’oxygène, foisonnante de récits qui se côtoient, s’opposent et se mêlent, l’auteur présente une chimie avant les formules et les équations, et montre qu’elle n’est pas seulement affaire de laboratoires et d’industrie, mais élément à part entière de la culture humaine.

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