ÉLECTRICITÉ - Industries électriques


ÉLECTRICITÉ - Industries électriques
ÉLECTRICITÉ - Industries électriques

L’électricité fait partie de la trame même de notre civilisation. Elle y joue un rôle capital, même s’il n’est presque pas perçu par le non-spécialiste; elle est omniprésente, toujours disponible, apportée aux multiples points d’utilisation par un réseau de distribution extrêmement ramifié.

L’industrie électrique a connu ses premiers développements au XIXe siècle, et les noms de ses principaux pionniers restent attachés à des firmes qui subsistent encore, telles que Gramme, Siemens, Edison.

C’est en 1869 qu’apparaît la première dynamo industrielle, mise au point par Gramme, alors que Siemens avait établi, un an avant, le principe dynamo-électrique et réalisé, sur ces bases, une dynamo expérimentale. Ces machines à courant continu alimentèrent les premières installations d’éclairage électrique.

Les premières machines magnéto-électriques, produisant du courant alternatif, furent mises au point en 1873; utilisées également pour l’éclairage, elles furent bientôt remplacées par les alternateurs que Gramme construisit industriellement dès 1877.

L’électricité représentera bientôt 40 p. 100 des énergies que nous utilisons, contre 20 p. 100 en 1975, les investissements que nous lui consacrons 40 p. 100 de l’ensemble de l’enveloppe des investissements de production. À l’échelle de la planète, la consommation se chiffre de façon vertigineuse, puisqu’on estime le marché mondial des équipements électriques à 3 500 milliards de francs, dont un quart pour l’Europe.

Si l’électricité a pris un rôle aussi important, elle le doit à sa facilité de transport, de distribution et de transformation en d’autres formes d’énergie. Deux inconvénients toutefois tempèrent ces avantages: d’une part, l’électricité ne se stocke pas directement, d’où la nécessité d’établir une liaison souvent complexe, mais directe, entre la génératrice d’énergie électrique et le point d’utilisation, et l’obligation d’adapter constamment la production à la consommation; d’autre part, elle coûte relativement cher à transporter.

1. Importance de l’énergie électrique

Si la consommation globale d’énergie est en augmentation dans le monde, avec une consommation, au début des années quatre-vingt-dix, supérieure à 8 milliards de tonnes d’équivalent pétrole (tep) au lieu de moins de 4 milliards consommés en 1965, c’est la consommation d’énergie électrique qui affiche les taux de progression records, supérieurs à 8 p. 100 par an, c’est-à-dire un doublement tous les dix ans. Au sein de l’O.C.D.E., les États-Unis demeurent le plus gros consommateur avec un marché domestique de 2 793 térawattheures (2 793 憐 109 kWh), soit une consommation supérieure à 11,5 mégawattheures (11,5 憐 103 kWh) par habitant. Et pourtant, le plus gros usager de l’électricité reste le citoyen suédois, avec un record mondial à 17,3 MWh, loin devant les Français (7 MWh), voire les Japonais (6 MWh). De toute évidence, le recours à l’électricité témoigne du degré de développement d’un pays, et, dans le Tiers Monde, on constate des consommations inférieures à 0,5 MWh (tabl. 1). Mais la différence entre deux pays aussi développés que la Suède et le Japon démontre que la consommation d’électricité tient aussi à l’histoire d’un pays, à ses ressources naturelles et à l’usage précoce qui en a été fait. Les régions dotées par la nature de puissants cours d’eau ont été les pionniers de l’énergie électrique et s’avèrent, encore aujourd’hui, les principaux consommateurs et les mieux équipés. Du fait de cette «houille blanche» héritée des chutes d’eau, des pays comme le Canada ou la Norvège ont fait de l’électricité leur principale matière première énergétique (sa part dans les diverses sources d’énergie y demeure jusqu’à deux fois plus élevée que dans la moyenne des pays industrialisés).

Si les premiers consommateurs mondiaux, comme les Américains, ont également été de très gros producteurs (2 940 TWh en 1989 aux États-Unis), les autres pays industrialisés ont tous mis en place les équipements nécessaires à la production d’énergie électrique, et la priorité donnée actuellement à ces investissements par les pays en voie de développement et, depuis la libéralisation de leur économie et leur accès à une économie de marché, par les pays d’Europe orientale témoigne du rôle stratégique de ces équipements pour l’expansion de l’économie tout entière (tabl. 2).

Ne disposant ni de ressources pétrolières ou gazières suffisantes (respectivement 4 p. 100 et 10 p. 100 de taux d’indépendance) ni de gisements de charbon et de lignite de l’importance de ceux exploités par la Grande-Bretagne, la Belgique ou l’Allemagne, la France a rejoint les grands producteurs européens d’énergie électrique grâce à l’importance de son programme électronucléaire, lancé dès 1971, auquel Électricité de France peut désormais puiser 75 p. 100 de la production française d’électricité. Au lieu des 830 t d’uranium nécessaires annuellement pour alimenter une centrale nucléaire de 5 200 MW, c’est-à-dire composée de quatre réacteurs de 1 300 MW, il faudrait environ 12 Mt de charbon. Le coût du kilowattheure «nucléaire» est intéressant à partir du moment où la centrale fonctionne trois mille heures par an et peut, alors, s’avérer inférieur d’une dizaine de centimes à celui obtenu en centrale thermique au charbon et jusqu’à deux fois moins cher qu’en cycle combiné gaz naturel.

La France a choisi la technique des réacteurs à eau ordinaire sous pression, qui constituent l’essentiel du parc actuel avec cinquante-deux unités et cinq en contruction. Cet équipement en a fait l’une des grandes puissances mondiales du nucléaire civil, avec le deuxième parc installé en nombre de sites devant les parcs de la C.E.I. puis japonais et allemand. Les États-Unis, bien que possédant le premier parc nucléaire au monde, n’ont recours au nucléaire que pour 20 p. 100 de leur production d’électricité; l’Allemagne, forte de ses gisements charbonniers, mais aussi soumise à l’influence des écologistes, doit au nucléaire moins de 35 p. 100 de son électricité, et le Royaume-Uni, également riche en énergies fossiles (pétrole et charbon), produit moins de 20 p. 100 de son électricité grâce au nucléaire (tabl. 3).

La production française d’uranium a atteint 8 210 t en 1989, ce qui représente deux tiers de nos réserves énergétiques (590 Mtep, sur un total de 806 Mtep). Notre équipement nucléaire nous permet de produire plus de 100 Mtep sur les 214 Mtep consommés en 1990, ce qui représente près de 300 TWh en énergie électrique, sur une production totale de 400 TWh, 45,3 TWh provenant de centrales thermiques classiques (13 p. 100 sont produits à partir de charbon et 7 p. 100 à partir de fioul), et 56,5 TWh de centrales hydroélectriques. Cette production nous permet d’exporter de l’électricité (52,4 TWh en 1989), et, avec une consommation nationale de 350 TWh, la France améliore d’année en année son taux d’indépendance énergétique (48 p. 100 en 1990).

Les dernières centrales installées, comme les tranches no 1 des sites de Golfech et de Penly ou la tranche no 3 du site de Cattenom, sont chacune capables de fournir de l’ordre de 1 310 à 1 330 MW; en 1993, les tranches nos 1 et 2 du site de Chooz-B ont atteint 1 455 MW. Ces puissance considérables sont nécessaires lors des niveaux de consommation atteints au plus fort de l’hiver. Lorsque la température passe au-dessous de zéro, chaque degré en moins représente une augmentation de la consommation électrique de 1 000 MW, soit près de la production totale d’un réacteur nucléaire. À titre d’exemple, dans la journée du 6 février 1991, les Français, en utilisant des radiateurs électriques d’appoint, ont sollicité de leurs centrales une puissance de 67 500 MW, demande qui n’a été satisfaite qu’aux deux tiers malgré les cinquante-quatre réacteurs nucléaires alors en fonctionnement sur les cinquante-six tranches installées. Ces journées exceptionnelles d’hiver mises à part, la qualité des équipements de production électrique (dont la capacité totale de production est estimée à 75 000 MW) permet pourtant à la France d’augmenter sa consommation d’énergie sans rien perdre de son indépendance énergétique: le passage de 20 à 30 p. 100 des consommations totales d’énergie à des taux de 38 p. 100 à la fin des années quatre-vingt s’est fait sans gonflement excessif des importations (6,6 TWh en 1990) grâce à une production nationale forte.

Malgré les promesses d’une tranche supplémentaire de 1 455 MW construite sur le nouveau site de Civaux, la crainte d’une pénurie est telle que l’on étudie des solutions pour pallier une éventuelle coupure de courant. C’est le but des recherches poursuivies dans les domaines des énergies nouvelles et renouvelables, comme le solaire, ou de la cogénération, production conjointe de vapeur et d’électricité à partir de turbines à gaz, qui permettrait à de gros utilisateurs, comme les industriels ou les municipalités, de fabriquer leur électricité dans de meilleures conditions de rentabilité et d’écologie, tout en s’assurant une sécurité optimale d’approvisionnement. Enfin, pour économiser les ressources en uranium, un important travail d’expérimentation est effectué sur le surgénérateur Superphénix, qui permettrait de tirer d’une même quantité d’uranium naturel environ soixante fois plus d’énergie que les centrales nucléaires classiques; ce réacteur pourrait à la fois consommer et produire du plutonium.

Le soin pris à préserver l’électricité s’explique par les préoccupations d’avenir. Nos besoins en énergie électrique vont aller croissant: le secteur résidentiel et tertiaire ainsi que l’industrie utilisent l’électricité pour satisfaire la moitié de leur consommation d’énergie, tandis que l’agriculture n’y trouve encore que 12 p. 100 de ses ressources, et les transports, du fait de la lourde facture pétrolière toujours payée par l’automobile, moins de 4 p. 100.

Selon les travaux réalisés en 1987 par les experts de l’Observatoire de l’énergie, l’énergie électrique va continuer sa progression à l’horizon de l’an 2000, mais avec des variantes induites par le prix du baril, les succès et les limites des économies d’énergie, la rapidité ou la lenteur de la croissance économique. Quel que soit le scénario, il paraît certain que le secteur résidentiel et tertiaire va demeurer le plus fidèle consommateur d’électricité en même temps que le plus demandeur, avec un recours à l’électricité supérieur à plus de 60 p. 100, suivi par l’industrie (entre 55 et 60 p. 100), la sidérurgie, secteur très spécifique par sa consommation forte d’énergie passant de 25 à environ 30 p. 100, tandis que l’agriculture va franchir le cap de 15 p. 100, puis, enfin, les transports, dépassant le seuil des 5 p. 100 (tabl. 4).

2. La construction électrique

La mission des industries de la construction électrique est d’assurer la production, le transport et la distribution de l’électricité. En amont, il s’agit de produire l’électricité à partir d’usines hydroélectriques, de centrales thermiques classiques consommant des combustibles fossiles solides, liquides ou gazeux (charbon, lignite, fioul, vapeur) ou de centrales nucléaires. Les industriels vont donc s’appliquer à équiper les secteurs d’exploitation en turboalternateurs et en pompes, en chaudières et en réacteurs, ces biens d’équipements lourds n’étant plus construits que par quelques grands électromécaniciens de taille mondiale. Les évolutions techniques pour ce type d’équipements lourds sont considérables (cf. infra ) et onéreuses en recherche, en expérimentation, en temps de mise au point. Ainsi les alternateurs de centrales électriques sont-ils passés de 125 MW au début des années cinquante à des puissances de 1 485 MW à 1 500 tours par minute trente ans plus tard. Ce facteur de 10 à 12 ne se retrouve heureusement pas au niveau de l’encombrement, à peine supérieur d’un tiers. Ces performances donnent la mesure des efforts des constructeurs et de leur faculté de supporter des contraintes techniques et commerciales lourdes.

Généralement, ce sont les mêmes constructeurs qui produisent les équipements électriques de transport de l’énergie produite, mais aussi les matériels de traction, le matériel ferroviaire et les grands moteurs Diesel. Les surcapacités mondiales de production (le marché mondial des turbines est passé, depuis le début des années quatre-vingt, d’une puissance annuelle de 30 000 à 10 000 MW), les lourds frais d’accès commerciaux et le poids des budgets de recherche-développement ont incité ces géants à encore se regrouper pour rationaliser leur outil de fabrication et améliorer leur compétitivité.

L’électrification étant assurée en amont, il s’agit ensuite pour les industriels d’offrir, en aval, toute la gamme des constituants électriques qui participeront de l’équipement électrique du bâtiment résidentiel, tertiaire ou industriel. Ceux-ci seront généralement «logés» dans des ensembles complets, intégrés de manière à offrir discrètement davantage de confort et d’automatisme aux hommes, à procurer, avec une optimisation de la gestion de l’énergie, la lumière et la chaleur, bien sûr, mais aussi la climatisation et la sécurité, tout en assurant la flexibilité d’une ligne de production et l’automatisation d’un processus industriel.

Qu’il s’agisse de biens d’équipements électromécaniques en haute et en moyenne tension ou de matériels d’électrotechnique de basse tension, on reste cependant dans le domaine des courants forts, par opposition aux courants faibles, qui sont le propre de la téléphonie. Enfin, les matériels électriques ont trouvé leur second souffle grâce aux composants électroniques, qui leur ont apporté puissance, rapidité et automatisation, tout en réduisant considérablement leur encombrement d’antan.

Les électromécaniciens

La famille des grands électromécaniciens s’est considérablement réduite au fil des années quatre-vingt, pour ne laisser aujourd’hui que quelques grands groupes. La concentration a véritablement pris un tour nouveau lorsque, à la fin des années quatre-vingt, on a vu, coup sur coup, le suédois Asea fusionner avec le suisse Brown Boveri, puis Alsthom, la filiale du français Compagnie générale d’électricité (désormais rebaptisée Alcatel-Alsthom), avec ses homologues britanniques du groupe General Electric Company. Plus que tout autre, ces deux nouveaux tandems respectivement baptisés Asea-Brown Boveri (A.B.B.) et G.E.C.-Alsthom ont poursuivi leur extension en procédant à d’importants rachats à l’échelle mondiale.

A.B.B. a, en particulier, repris l’américain Combustion Engineering pour disposer d’une meilleure implantation outre-Atlantique, mais aussi des firmes polonaises, dès l’ouverture des frontières à l’Est, ainsi que portugaises et espagnoles grâce auxquelles le géant helvético-suédois compte profiter d’opportunités commerciales, tant en matière de production d’énergie que de transport ferroviaire.

G.E.C.-Alsthom s’est fortement implanté dans la péninsule Ibérique avec des filiales comme Maquinista et Ateinsa, parties prenantes dans la construction d’une version espagnole du train à grande vitesse français. Soit par des alliances ponctuelles, comme avec le canadien Bombardier, soit par des rachats purs et simples comme celui des activités ferroviaires de l’«autre français» Jeumont-Schneider, un groupe comme G.E.C.-Alsthom a ainsi su s’imposer comme le leader mondial du rail.

Dans le domaine très spécifique du nucléaire, le constructeur français de réacteurs Framatome a préféré s’appuyer sur les forces de l’allemand Siemens et de sa filiale K.W.U. pour former, au sein de Nuclear Power System, une même équipe, chargée de vendre des centrales nucléaires à l’échelle internationale. Ces pôles européens sont désormais capables de rivaliser avec les anciens bailleurs de licences qu’étaient les américains General Electric Corporation (G.E.) ou Westinghouse, et surtout de faire face aux géants japonais que sont Hitachi, Toshiba ou Mitsubishi.

Les électrotechniciens

Le même phénomène de rationalisation s’est produit dans le domaine des équipements de basse tension, où la sophistication des matériels, de plus en plus tributaires des performances de l’électronique et de l’informatique, a obligé les industriels à unir leurs forces pour amortir les gros budgets de recherche-développement sur des volumes d’activités plus importants.

Là encore, la concurrence nipponne a souvent entraîné des alliances, en particulier entre Européens et Américains. On a assisté à la montée en première ligne d’un groupe français jadis mécanicien, voire métallurgique, le groupe Schneider. En même temps qu’il opérait une réorganisation interne, en répartissant d’abord les activités de sa filiale Jeumont-Schneider entre ses autres filiales électriques, les sociétés Merlin-Gérin et Spie-Batignolles, il allait en quelques années entreprendre une spectaculaire croissance externe. Avec la reprise de la firme française Télémécanique, puis les rachats successifs d’un canadien, Federal Pioneer, et de l’américain Square D, ce groupe s’est progressivement imposé au premier rang des électrotechniciens mondiaux.

L’attirance des Français en particulier, des Européens en général, pour les industries américaines est réciproque. Ainsi le groupe d’outre-Atlantique Emerson a-t-il repris un fleuron français et, plus largement, européen du secteur avec le rachat du constructeur de moteurs électriques Leroy-Somer.

Ces fusions à l’échelle mondiale s’expliquent, pour une large part, par le diktat normatif, les produits étant radicalement différents selon les pays: également leader à l’échelle mondiale dans le domaine de l’appareillage électrique basse tension, la firme française Legrand a dû racheter des firmes américaines pour s’implanter outre-Atlantique, tandis qu’elle a étendu son marché européen en reprenant le créatif industriel italien B. Ticino.

Au sein du groupe Alcatel-Alsthom, une branche comme celle du câble, tant d’énergie que de communication, s’est également affirmée comme étant leader mondial incontesté, puisque Alcatel Câbles a poursuivi une croissance externe, guidée par sa volonté d’être à proximité des grands chantiers de câblage, sur terre et sous les océans. En même temps, dans une industrie forte consommatrice d’investissements industriels comme l’électrochimie, le groupe français a procédé à des rapprochements avec le constructeur automobile italien Fiat pour produire, sous la bannière des industries d’équipement qu’il contrôle, les batteries automobiles, autres grands dérivés de la construction électrique.

Ce voisinage entre les industries électriques et la mécanique automobile se retrouve à l’échelle mondiale, puisque, en Allemagne, le puissant groupe Daimler Benz, reprenant l’électrotechnicien allemand A.E.G., lui a donné les moyens de franchir l’Atlantique pour y faire ses emplettes. Leader mondial dans nombre de ses branches, le géant Siemens a, certes, davantage orienté ses choix vers l’électronique, l’informatique et les télécommunications, les équipements automobiles et de défense. Mais, conscient des formidables gisements de croissance en Europe de l’Est, il a immédiatement investi dans les industries électriques de ces pays, notamment les provinces orientales de l’Allemagne réunifiée, dont les besoins électriques sont immenses, la production d’énergie comme les infrastructures de transport s’étant révélées obsolètes.

Dans des pays moins fortement présents dans le secteur que le Japon et les États-Unis, comme l’Allemagne, la France ou l’Italie, des groupes originellement mécaniques comme la Finmeccanica se sont brusquement présentés sur des niches à très forte valeur ajoutée, en tant qu’acteurs de premier plan dans le domaine des équipements industriels, troisième grand débouché des industries électriques.

Si les constructeurs automobiles ont, comme le prouve l’absorption d’A.E.G. par Daimler Benz, une préférence culturelle pour le domaine des automates programmables, Finmeccanica a choisi le contrôle-commande, très utilisé dans les industries de process continu comme les industries pétrolières et chimiques, papetières ou agroalimentaires. Le groupe italien a donc repris l’américain Bailey Control, puis l’activité contrôle de Schlumberger. Sur ce terrain se battent des géants comme les américains Honeywell, Foxboro et Fisher, le japonais Yokogawa, mais aussi le groupe A.B.B., que ses origines suédoises prédisposaient au contrôle des industries papetières et qui s’est étoffé grâce au savoir-faire pétrolier de sa filiale américaine Combustion Engineering.

En France, au sein du groupe Alcatel-Alsthom, Cegelec, intialement intéressé à la supervision des centrales d’énergie, s’est progressivement tourné vers les industries de process et le contrôle des grands ensembles tertiaires. Ses compétences ont été renforcées par son rapprochement avec le britannique G.E.C., traditionnellement implanté dans les pays du Commonwealth.

Une offre diversifiée sur le plan des produits et des zones géographiques

Présente dans toutes les catégories de produits mais aussi sur tous les grands marchés mondiaux, la construction électrique française permet une illustration fidèle de ce secteur d’activité. Si, souvent associée aux industries électroniques et informatiques, elle fait partie d’un pôle qui représente plus de 13 p. 100 de la production manufacturière, elle y pèse pour plus de 40 p. 100, une part bien plus conséquente que la construction électrique nipponne ou américaine, dominée par les industries électroniques et informatiques. Mais c’est surtout en termes de présence dans le monde que la construction électrique française se distingue, réalisant plus de 60 p. 100 de ses ventes à l’étranger. Elle offre, de ce fait, un bel exemple d’industrie excédentaire en termes de balance commerciale (régulièrement, plus de 10 milliards de francs), avec son lot de leaders mondiaux parmi les deux cents entreprises du secteur (fig. 1).

Industrie à forte valeur ajoutée, la construction électrique trouve encore dans les pays de l’O.C.D.E. ses principaux débouchés, puisque c’est là qu’aboutissent les deux tiers des exportations françaises, mais c’est aussi depuis ces pays industrialisés que part la quasi-totalité (plus de 90 p. 100) des importations. La Communauté européenne, à elle seule, fournit les deux tiers des importations, tandis qu’elle contribue, pour la moitié, aux ventes françaises à l’exportation. À y regarder de plus près, l’Allemagne demeure le premier partenaire de la France, tant en termes d’exportations que d’importations, même si ce pays impose à la France son unique déficit de la balance commerciale au sein de la C.E.E. À l’échelle de la planète, les échanges avec le Japon sont également déficitaires aux dépens de la France: si ce pays demeure extrêmement fermé à la concurrence mondiale, nombreux sont les équipements électriques intégrés au cœur des fameuses machines-outils de provenance nipponne, très répandues à l’exportation. Quant aux échanges transatlantiques, ils dépendent beaucoup du cours du dollar, dont la chute au début des années quatre-vingt-dix a pénalisé les exportateurs et privilégié les constructeurs américains, soudain plus compétitifs. La Communauté des États indépendants (C.E.I.), formée au lendemain de la dislocation de l’Union soviétique, paraissait offrir de belles opportunités commerciales du fait de la vétusté des équipements de production, de transport et de distribution de l’énergie électrique. Il en fut tout autrement, du fait de l’absence de devises mais aussi de la disparition des organes de décision et des structures traditionnelles d’achat.

Cette atomisation du marché a, en outre, rendu toute prospection commerciale très difficile pour les grands groupes internationaux, ceux-ci laissant les petites firmes locales d’électrotechnique démarcher les usines voisines, soudain promues centres de décision mais dépourvues de moyens financiers.

Dans le domaine du nucléaire, le souvenir de Tchernobyl faisait également espérer une modernisation urgente du parc, composé, en particulier, d’une cinquantaine de centrales jugées «à risque», dont près d’une vingtaine construites sur le même modèle que celle de Tchernobyl. La fermeture des unes et la modification des autres n’a guère été suivie d’effets, pour les mêmes raisons organisationnelles et financières.

Malgré les projets de la Banque européenne pour la reconstruction et le développement (B.E.R.D.) et les démarches entreprises par les grands producteurs occidentaux d’électricité comme Électricité de France, les études sont souvent restées lettre morte, le seul électromécanicien de l’Ouest acceptant d’investir intensivement à l’Est demeurant A.B.B., très vite présent en Pologne, en Tchécoslovaquie et en Hongrie, avec des effectifs atteignant rapidement quelque 60 000 salariés, tandis que l’allemand Siemens privilégiait les sites des provinces orientales d’Allemagne ainsi que le dossier électromécanique du tchèque Skoda, laissant le nucléaire à l’américain Westinghouse.

3. Les évolutions techniques

Les apports mais aussi les dangers de l’électricité dans la maison sont bien connus. Toutefois, de nouveaux champs d’application s’ouvrent grâce à la réflexion sur la maison intelligente. En fait, la possibilité de combiner courants forts et courants faibles offre de nouvelles possibilités dans l’automatisation des fonctions domestiques. La commande par téléphone des principaux équipements ménagers n’est plus du domaine de la science-fiction, et la mise au point d’un même câble véhiculant l’ordre et sa réalisation est désormais à l’étude. Appliqué à des immeubles tertiaires ou industriels, ce câblage complet du bâtiment fait déjà ses preuves et offre à la fois une sécurité renforcée et une gestion des énergies plus économique.

L’importance des fonctions électriques dans l’habitat débute par le rattachement au réseau de distribution et le disjoncteur, l’installation étant ensuite reliée aux divers équipements de la maison. Ceux-ci vont de la sonnette à l’éclairage, en passant par le chauffage et la climatisation-ventilation; l’électricité s’impose partout, et en particulier dans la cuisine (équipements électroménagers), la salle de bains (matériel d’hygiène et de beauté) et le salon (appareils de loisirs). Mais les produits de bricolage et les jouets n’échappent plus à l’emprise de l’électricité. Reste à bien gérer cette précieuse énergie.

Dans l’usine, la gestion de l’électricité trouve son application optimale, la commande électrique des équipements offrant d’importants potentiels d’automatisation et de gros gisements de productivité. Cet apport est d’autant plus stratégique que les produits d’électrotechnique demeurent l’interface obligée de toute utilisation de l’électricité, qu’il s’agisse d’un simple robot ou d’ensembles mécaniques plus complexes, d’usines pétrochimiques ou de moyens de transport aéronautiques ou ferroviaires. De plus en plus modulables, ces constituants électriques industriels – contacteurs, disjoncteurs, auxiliaires de commande, automates programmables et relais – ont beaucoup progressé ces dernières années, leur poids ayant, en particulier, été réduit d’un facteur 10 en moins d’une décennie. Dans le même temps, leurs performances ont considérablement augmenté, la précision moyenne d’un variateur électronique de vitesse étant désormais inférieure à 0,2 p. 100, contre 5 p. 100 pour un variateur mécanique. L’amélioration des performances s’est faite grâce à l’électricité, qu’il s’agisse de faciliter les tâches manuelles ou d’assurer la régularité d’une fabrication, d’améliorer la flexibilité d’une chaîne ou d’optimiser l’enchaînement des opérations industrielles, et ce par l’utilisation de commandes numériques de machines-outils, d’automates programmables permettant un dialogue entre machines, d’un système de contrôle-commande supervisant l’ensemble d’un cycle de production.

Parfois, du fait des modifications apportées aux méthodes de production, les diverses familles d’équipements électriques entrent en concurrence. Ainsi en est-il des automates programmables et des systèmes de contrôle-commande. Les premiers, mieux adaptés aux industries manufacturières, sont parfois concurrencés par des systèmes de supervision du fait des méthodes de production en flux tendu étendues aux industries manufacturières. Inversement, dans les stades discontinus d’un process, au moment d’un mélange, d’une opération d’emballage, c’est au tour de l’automate de prendre le relais du superviseur. De cette juxtaposition des techniques va ainsi naître la productique, véritable science du savoir-produire.

Conséquences pour la physique

Les sciences physiques ont tout gagné du bon usage de l’électricité. Si les physiciens se sont engagés, depuis près d’un siècle, dans l’approfondissement des connaissances de la matière, ils ont obtenu, depuis quelques décennies seulement, les preuves d’interactions entre particules en étudiant leurs collisions. Les accélérateurs de particules leur confèrent l’énergie nécessaire, et les détecteurs permettant l’étude de ces collisions ont permis de passer d’énergies de l’ordre du mégaélectronvolt, obtenu en 1930, au teraélectronvolt, soit un facteur de 106 en un bon demi-siècle.

Le L.E.P. du C.E.R.N. est un accélérateur composé par mille deux cents aimants de focalisation et de trois mille quatre cents aimants de courbure, le tout étant logé dans un tunnel de 3,8 m de diamètre. L’accélération des électrons et positrons est effectuée dans des cavités résonantes initialement en cuivre, puis supraconductrices, comme c’est déjà le cas dans le tévatron américain, pour augmenter encore les énergies des faisceaux tout en limitant la consommation d’énergie électrique et le gigantisme des installations. De grands aimants supraconducteurs jouent, ensuite, le rôle de détecteurs de particules, comme celui de la Big European Bubble Chamber du C.E.R.N. Cette chambre à bulles ne comprend pas moins de 200 t de bobines supraconductrices et autant de cryostats en acier inoxydable. Pour parvenir à la fusion thermonucléaire contrôlée, les physiciens français se sont employés à confiner dans une enceinte magnétique fermée un plasma dont on tente d’augmenter la température et la concentration ionique, jusqu’à apparition d’une réaction exothermique de fusion. L’installation, baptisée Tokamak, consiste en une bobine torique qui crée un champ toroïdal, Tore Supra, qui met en œuvre près de 5 t de supraconducteurs.

Applications au matériel médical

Une fois prouvée la fiabilité de la cryoélectricité, celle-ci a été utilisée dans le domaine médical. Parmi les divers équipements cryogéniques développés, le plus important demeure le matériel d’imagerie médicale par résonance magnétique, utilisant, pour engendrer le champ principal, une bobine supraconductrice en court-circuit.

Parmi les autres matériels ont été mis au point des systèmes de guidage de cathéters par bobine supraconductrice, ainsi que des équipements permettant d’analyser l’activité magnétique du cerveau grâce à des capteurs quantiques supraconducteurs, qui mesurent les plus infimes variations de champ.

Utilisation pour les transports

En France, le train à grande vitesse, initialement mis en service sur la ligne Paris-Lyon, met en œuvre des équipements électriques de traction qui évoluent d’un T.G.V. à l’autre. Ainsi, la ligne Atlantique a vu disparaître le moteur à courant continu mis au point pour la ligne Paris-Sud-Est, au profit d’un moteur synchrone autopiloté, alimenté par des convertisseurs électroniques. Chaque essieu est ainsi entraîné par un moteur presque deux fois plus puissant, d’où un équipement réduit à quatre bogies moteurs, contre six précédemment.

Les transports suburbains étudient un autre dossier, techniquement stratégique, celui du moteur électrique linéaire. Développés dès le début des années soixante-dix, ces moteurs linéaires à induction (ou asynchrones, ou encore à stator court) disposaient d’induits plats, d’où de médiocres facteurs de puissance à vitesse élevée et la quasi-impossibilité de dimensionner des onduleurs embarqués. Le choix d’un moteur en U a finalement était fait pour une application aux transports, à condition de contrôler l’entrefer par un guidage magnétique par électroaimants, et la fréquence par un onduleur. Un premier moteur a ainsi vu le jour, avec une puissance initiale de 1 000 kW.

4. Les recherches

Avec des budgets de recherche-développement de l’ordre de 7 à 14 p. 100 du chiffre d’affaires, mais qui passent souvent à des nombres à deux chiffres, la construction électrique a un défi permanent à relever en termes d’évolution, car elle est, en fait, un véritable carrefour technologique (fig. 2). Ce que l’on appelle, à juste titre, le génie électrique est un ensemble multidisciplinaire de connaissances et de techniques complémentaires qui ne se limite pas à la seule électrotechnique. Outre l’électromagnétisme, il est à la jonction de la mécanique, de la métallurgie, de l’hydrodynamique et de l’aérodynamique, de la chimie, de l’informatique et de l’énergie thermique. Il comprend donc les machines électromagnétiques, l’électronique industrielle de commande et de conversion de l’énergie électrique, le transport et la distribution de l’électricité, l’électrochimie et l’éclairage.

Le génie électrique est apparu vers la fin du XIXe siècle. Après des progrès rapides jusqu’en 1945, un essoufflement s’est produit, faute de pouvoir puiser des éléments neufs dans les autres disciplines. L’essor a repris en 1960 avec l’apparition, sur le marché, des premiers semi-conducteurs de puissance, puis, après quelques années, avec l’arrivée de nouveaux matériaux et le développement des techniques numériques.

Aujourd’hui, ce génie électrique est lié à la découverte des divers matériaux qui constituent les systèmes, conducteurs, isolants, matériaux magnétiques et mécaniques, supraconducteurs, etc., ainsi qu’aux progrès dans le domaine de la conversion d’énergie par l’électronique de puissance. Ses avancées tiennent également aux méthodes de calcul de principes, de structures et de performances, ainsi qu’à la bonne utilisation de ces méthodes pour la conception globale des systèmes et la gestion de fabrication.

L’amélioration viendra également de la naissance ou de la modernisation de machines telles les moteurs asynchrones et à réluctance variable, les transformateurs et les équipements cryotechniques.

Cryoélectricité et surpraconductivité

La supraconductivité a été découverte dès 1911, mais la compréhension de ses propriétés physiques et la théorie n’ont pas cessé d’évoluer. L’aspect le plus spectaculaire des matériaux supraconducteurs est l’absence de résistance électrique lorsqu’ils sont refroidis à des températures voisines du zéro absolu, d’où son usage pour la production d’aimants dipôles ou quadripôles destinés aux installations d’accélération et de détection des particules.

Du rotor cryogénique de 1,5 t susceptible de tourner à 3 000 tours par minute jusqu’au filament d’un diamètre inférieur au micromètre permettant l’usage d’un courant alternatif de fréquence industrielle, ces matériaux conducteurs sont au cœur du génie électrique.

Électrotechnique et électronique

L’association des semi-conducteurs de puissances aux machines tournantes permet d’associer la commande électrique à des machines asynchrones à aimants permanents (ferrites, terres rares, néodyme-fer-bore), d’où des machines contrôlables en couple, d’une vitesse nulle à une rapidité maximale dans les quatre quadrants. Ces machines autosynchrones – ou autopilotées à commutation électronique – peuvent ainsi se substituer aux moteurs à courant continu, parfois handicapés par l’ensemble collecteur-balais.

Électrotechnique et informatique

La complexité des phénomènes électromagnétiques et le haut niveau d’analyse physique et de formulation mathématique de la saturation et de l’hystérésis des matériaux ou des courants de Foucault trouvent dans l’ordinateur un précieux complice. Au lieu de nombreuses années d’expérience, la modélisation permet désormais l’étude rapide des performances électriques. La conception assistée par ordinateur a ainsi offert des temps de mise au point cinq à dix fois plus courts que jadis, avec, en sus, une maîtrise de la qualité et de la fiabilité des nouveaux matériels.

Les matériaux

Les matériaux occupent une place stratégique dans l’évolution des équipements électriques et donnent lieu aujourd’hui à des études pour la création de nouveaux matériaux de contacts, d’isolants et de composites. Il s’agit également d’améliorer les caractéristiques magnétiques des tôles et des aimants. Et, bien sûr, de poursuivre le développement des supraconducteurs.

Les matériaux organiques thermostatiques utilisés en isolants fonctionnent dès à présent à des températures supérieures à 300 0C, par exemple sur des machines tournantes. Les céramiques à haute permitivité, utilisées, notamment, sur des condensateurs, offrent désormais un champ élevé de claquage. Utilisés sur transformateurs, les matériaux magnétiques nouveaux permettent une réduction des pertes et un accroissement de la perméabilité. Le but recherché dans le domaine des composites est de leur faire assurer différentes fonctions, soit mécanique et isolante à la fois, ou, simultanément, isolante et conductrice de chaleur. Les supraconducteurs font l’objet d’études sur de nouveaux matériaux supportant mieux les phénomènes variables à fréquence industrielle et permettant une élévation de la température critique en même temps que du courant critique. Pour limiter l’usage des métaux précieux, on tente de mettre au point des alliages moins chers et mieux adaptés aux contraintes subies par les contacts électriques. D’autres études ont pour but de développer une famille de thermoéléments susceptibles de constituer des couples thermoélectriques à facteur de mérite élevé, par exemple pour les dispositifs de refroidissement de semiconducteurs.

Les machines

Les études portent sur la mise au point de structures adaptées aux nouvelles fonctions et aux nouvelles contraintes demandées, comme les machines à fort couple ou les équipements à grande vitesse de rotation.

Les systèmes électriques

Les systèmes électriques peuvent constituer un substitut aux équipements mécaniques, hydrauliques ou pneumatiques, en particulier pour la motorisation des robots ou la propulsion des navires. De tels systèmes sont à même également de satisfaire à une utilisation plus rationnelle de l’électricité dans des domaines comme l’électrochimie, l’électrométallurgie ou l’électrothermie. Il s’agit, en fait, de diminuer les dépenses d’énergie grâce à l’usage performant de l’électricité en remplacement de combustibles plus onéreux, ou de développer des procédés eux-mêmes économes en énergie.

Les phénomènes d’interruption

Les phénomènes d’interruption font l’objet de recherches tendant à concevoir un modèle mathématique décrivant le comportement de l’arc d’un disjoncteur, à appréhender les propriétés et les paramètres de l’arc dans un gaz comme l’hexafluorure de soufre. Ce dernier, permettant une coupure à extinction de l’arc, est fortement utilisé dans les postes à haute et à moyenne tension, et cela sans conséquences pour l’environnement.

Les méthodes et outils

Les recherches s’orientent vers la modélisation des phénomènes d’hystérésis et celle des phénomènes thermiques des composants et des circuits électroniques hybridés, ainsi que vers la recherche de solutions aux problèmes tridimensionnels en dynamique et à la réalisation d’outils globaux comme les machines-convertisseurs, qui permettraient de réduire le temps de définition d’un produit.

L’électronique industrielle: les composants de puissance

On tente désormais d’augmenter la tension bloquée ainsi que le courant admissible et la fréquence de fonctionnement des composants de puissance. D’autres études sont faites pour l’amélioration des aires de sécurité.

L’électrochimie

On est loin des années 1799-1800, quand Volta, suivi, en 1866, par Leclanché, mettait au point la première pile. Depuis le premier accumulateur au plomb, puis la première batterie alcaline composée d’accumulateurs zinc-cuivre, les couples électrochimiques se sont succédé. Après le tandem zinc-argent, la première pile au lithium avec une cathode chromate d’argent est apparue dans les années soixante-dix. Depuis lors, les études sur le lithium se poursuivent, tant à cathode solide qu’à cathode liquide. Le lithium est un oxydoréducteur puissant, mais délicat à manipuler, d’où des recherches pour mettre au point des composés organiques complexes ou faire appel à la micro-ionique. Dans le domaine des accumulateurs, c’est la batterie plomb-acide qui retient l’attention des chercheurs, mais aussi un nouveau couple nickel-fer permettant d’augmenter progressivement l’autonomie et la vitesse des futures automobiles électriques. Le spatial a déjà largement profité des atouts des couples nickel-hydrogène ou argent-cadmium. Le problème demeure toujours le même: réussir à stocker davantage d’électricité. Le couple électrochimique sodium-soufre devrait permettre une meilleure alimentation d’engins mobiles. Les grands axes de la recherche en électrochimie demeurent donc l’augmentation de l’énergie massique, mais aussi la miniaturisation, grâce à la possibilité de réaliser des dépôts en couche mince et le développement d’électrolytes solides. Enfin, on tente d’éviter les interventions ultérieures de maintenance avec de nouvelles structures d’électrodes comme les polymères dopés ou les mousses.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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