Maîtres chez nous

Guide de l’élève
« Maîtres chez nous » :
Incursion chez Hydro-Québec
Alexandre April
Olivier Tardif-Paradis
Mathieu Riopel
Cégep Garneau
Source : Alexandre April
Hydroélectricité au Québec : un projet émancipateur
pour les Québécois francophones
On le sait, l’hydroélectricité est la principale source d’énergie des Québécois. Ce qu’on sait peut-être
moins, c’est que l’exploitation de l’hydroélectricité est au cœur de l’affirmation du savoir-faire
technologique des Québécois francophones. Hydro-Québec, société d’État de la province depuis 1944, a
grandement contribué à la Révolution tranquille dans les années 1960. C’est à cette époque que les
mentalités changent au Québec et que les Québécois francophones, qui décrochaient jusqu’alors des
postes de simples exécutants, occupent maintenant des postes de dirigeants, et ce, en imposant sans
ménagement leur langue de travail : le français. Il ne fait aucun doute que le projet de la Manic-Outardes,
amorcé en 1959, reste le symbole de l’éveil du peuple québécois.
Au début des années 1950, Hydro-Québec est une petite société d’État dont les activités se limitent à la
grande région de Montréal. Dans les autres régions du Québec, l’électricité est distribuée par quelques
entreprises privées (la Shawinigan Water and Power et la Quebec Power, par exemple) qui sont plus
occupées à maximiser les profits de leurs actionnaires qu’à collaborer pour desservir l’ensemble des
Québécois en électricité. En 1952, le gouvernement de Maurice Duplessis annonce qu’Hydro-Québec se
dotera de deux nouvelles centrales hydroélectriques, installées sur la Côte-Nord. Toutefois, la réalisation
de ces imposantes constructions est sous la responsabilité d’experts ontariens et américains; en effet, les
Canadiens français de l’époque sont absents du monde de la technologie et ils n’ont pas les
compétences requises pour occuper des postes importants à Hydro-Québec.
Une fois ces deux projets d’importance complétés, les besoins énergétiques au Québec sont comblés, mais
pas pour longtemps. La demande en énergie devient encore plus grande, dans un Québec en train de se bâtir.
Face à ce Québec en expansion, de plus en plus industrialisé, mais en retard du point de vue énergétique, il
devient évident qu’il faut construire de nouveaux ouvrages hydroélectriques pour répondre à la demande en
électricité. En 1959, le premier ministre Daniel Johnson annonce que la production d’électricité au Québec sera
doublée grâce au projet Manic-Outardes, ouvrage dont Hydro-Québec a le plein contrôle. Ce projet sera
l’occasion pour les Québécois francophones d’amorcer un changement de mentalités et de s’affirmer en tant
que spécialistes en technologie. En effet, la société d’État commence à faire confiance à de jeunes ingénieurs
québécois francophones novices, qui commenceront également à occuper des postes de dirigeants,
remplaçant ainsi une génération plus âgée d’anglophones plus expérimentés.
Le vent de changement s’amorce. Le Québec entre dans une décennie
cruciale pour son développement : c’est le début de la Révolution tranquille.
D’une hauteur correspondant à celle d’un édifice de 42 étages, le projet de la
Manic-5 est à l’époque le plus grand barrage à voûtes multiples au monde
(fig. 1) : un défi colossal pour les jeunes ingénieurs québécois francophones!
Pour bon nombre d’entre eux, ce grand chantier est une école où ils
apprendront leur métier. En ce sens, on peut affirmer qu’Hydro-Québec a été
un acteur majeur dans l’émancipation du peuple québécois francophone qui a
compris que, lui aussi, il peut réaliser des prouesses inégalées et multiplier
les premières mondiales. En matière d’hydroélectricité, le génie québécois se
hisse au rang de référence planétaire.
Fig. 1.
Source : Barrage Daniel-Johnson
de Manic 5. Pierre cb. (Wikimedia
Commons)
A-t-on raison d’être fiers du génie québécois en matière d’hydroélectricité? Apprécie-t-on à sa juste
valeur la complexité du réseau électrique québécois? Quels sont les enjeux techniques et les
problématiques technologiques rencontrés dans la production, le transport et la distribution de
l’électricité? Plus fondamentalement, comment l’hydroélectricité est-elle produite? Pour quelle raison la
transporte-t-on sur des lignes dites à haute tension? Si elle nous parvient à haute tension, pourquoi
l’électricité qui entre dans nos maisons ne représente-t-elle pas un danger pour les usagers? Pour
répondre à ces questions, il faut comprendre comment l’hydroélectricité est générée, transportée et
distribuée au Québec. À la manière d’une visite guidée chez Hydro-Québec, ce problème vous propose
une incursion dans la société d’État à travers différents thèmes (la génératrice, les lignes de transmission
et le transformateur), laquelle vous permettra de répondre à ces questions qui, en tant que citoyen et
élève en sciences de la nature, qui plus est, sont importantes et pertinentes.
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Réseau électrique : une vue d’ensemble
Une fois produite, l’énergie électrique effectue un long parcours, de la centrale aux habitations, aux commerces
et aux industries (fig. 2). L’électricité est générée dans la centrale et elle est transportée aux consommateurs
par des lignes de transmission. Durant le parcours de l’électricité dans le réseau électrique, la valeur de la
différence de potentiel est modifiée grâce à des transformateurs (survolteurs ou dévolteurs).
Fig. 2 – Réseau électrique. La tension électrique générée dans la centrale électrique est d’abord élevée dans le transformateur
de transport, puis l’électricité est transportée dans les lignes à haute tension. Enfin, ta tension électrique est abaissée une
première fois dans le transformateur de répartition, puis une seconde fois dans le transformateur de distribution avant de l’être,
une dernière fois, aux abords des maisons dans les transformateurs qu’on retrouve juchés au sommet de certains poteaux
d’électricité.
Source : Alexandre April
Une centrale hydroélectrique utilise la force motrice de l’eau pour faire tourner une turbine, ce qui permet
ultimement la rotation d’un générateur au sein duquel est générée l’électricité en exploitant le phénomène
de l’induction électromagnétique. L’énergie potentielle gravitationnelle de l’eau au niveau de la prise
d’eau est convertie, au fur et à mesure que l’eau s’écoule dans la conduite forcée, en énergie cinétique
au niveau du canal de fuite. En rencontrant les pales de la turbine, l’eau exerce une force sur elles, ce qui
met la turbine en rotation (fig. 3). La construction de barrages permet d’augmenter la hauteur de la chute
d’eau, ce qui augmente par le fait même la force motrice de l’eau sur la turbine.
Fig. 3 – Centrale hydroélectrique. À partir de la prise d’eau, l’eau s’écoule le long de la conduite forcée pour finalement exercer
une force sur les pales de la turbine. La rotation de cette dernière entraîne le mouvement du générateur, où l’électricité est
produite et dirigée par le transformateur de transport (non illustré).
Source : Alexandre April
Ce problème se divise en trois parties. Dans un premier temps, on étudiera la production de l’électricité à
l’aide du générateur. Ensuite, on examinera le transport de l’électricité au moyen de lignes à haute
tension. Enfin, on explorera le fonctionnement du transformateur, qui permet d’élever ou d’abaisser la
valeur de la différence de potentiel en différents points le long des lignes de transmission.
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Cycle en trois étapes
Énumérez toutes les informations pertinentes que vous avez recueillies en lisant le problème. D’après
ces informations, indiquez ce que vous devez savoir pour le résoudre. À mesure que vous découvrirez de
nouvelles informations, vous voudrez résumer et mettre à jour les informations pertinentes que vous avez
recueillies et poser de nouvelles questions.
Énumérez les éléments suivants :
Ce que nous savons
À déterminer
Résumé
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1. Génératrice
Comment la force motrice de l’eau est-elle convertie en électricité que nous pouvons utiliser pour
alimenter nos appareils électriques? Les centrales hydroélectriques actuelles sont extrêmement
performantes avec un rendement de plus de 98 % et, cela, à très haute puissance. On comprend donc
que les génératrices ont connu une grande évolution technologique depuis la découverte de l'induction
électromagnétique par Faraday en 1831. Malgré tout, l’ancêtre des génératrices actuelles, la machine de
Pixii, utilisait déjà les principes à la base de la production d'électricité. En 1832, le fabricant d'instruments
Hippolyte Pixii (1808-1835) a mis au point une machine où un aimant tournait devant deux bobines fixes :
ce dispositif produisait dans les bobines un courant alternatif, qui changeait de sens à une fréquence liée
à la vitesse de rotation. Ainsi, analyser le mouvement de rotation d’un aimant à proximité d’une bobine
permet de comprendre le principe de base du fonctionnement des immenses génératrices des centrales
hydroélectriques d'Hydro-Québec (qui sont en pratique bien plus sophistiquées, avec l’utilisation de
multiples bobines et de nombreux pôles magnétiques, la production d’un courant dit triphasé, etc.).
Modélisons une génératrice géante (du même type que la machine de
Pixii) par un système plus simple et plus facile à analyser (fig. 4).
Supposons que le rotor (c’est-à-dire l’aimant en rotation) produit un
champ magnétique
uniforme dont le module vaut 0,1 T et dont
l’orientation varie dans le temps t avec une vitesse angulaire
ω = 120π rad/s constante. Représentons le stator (c’est-à-dire la bobine
de fil statique) par un cadre métallique rectangulaire constitué de
N = 259 spires de longueur a = 2 m et de largeur b = 1 m. En général, le
champ magnétique fait un angle θ avec la normale au cadre métallique.
On considère que θ = 0° lorsque t = 0.
Comment de l’électricité peut-elle être produite à l’aide du système
illustré ci-contre? Examinons de plus près ce système avec les lois de
l’électromagnétisme.
Fig. 4
Source : Alexandre April
Questions
1) Qu'est-ce qu'un flux magnétique? Nommez trois situations dans lesquelles on pourrait faire varier
le flux magnétique.
2) Dans le système illustré ci-dessus, le flux magnétique traversant le cadre métallique varie-t-il
dans le temps? Si oui, quel facteur provoque une variation temporelle du flux magnétique?
3) Écrivez l’expression du flux magnétique traversant le cadre métallique en fonction du temps.
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4) Donnez la relation mathématique entre le taux de variation du flux magnétique (attribuable à la
rotation du rotor) et la f.é.m. induite (production d'électricité dans le stator).
5) Calculez la f.é.m. induite, en fonction du temps t, lorsque le champ magnétique tourne autour du
cadre métallique.
Le saviez-vous?
Les phénomènes périodiques, comme les tensions et les courants alternatifs sinusoïdaux, sont
caractérisés par leur période T et leur fréquence f. La période (exprimée en secondes) est la durée
d’un cycle complet, alors que la fréquence (exprimée en hertz) correspond au nombre de cycles par
unité de temps. La relation entre la fréquence et la période est la suivante :
f=
Ainsi, un hertz = 1
1
.
T
Hz = 1 s–1. La fréquence angulaire ω (exprimée en rad/s) est définie par :
w = 2p f .
Les appareils consommant de l'électricité sont conçus pour être alimentés par un courant alternatif
dont la fréquence est bien déterminée. En Amérique du Nord, la fréquence du courant alternatif est
de 60 Hz (alors qu'en Europe, elle est de 50 Hz). C’est pour cette raison que la vitesse angulaire de
rotation du champ magnétique dans ce problème est de w = 2p f = 2p (60 Hz) = 120p rad s .
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Les valeurs efficaces
La valeur efficace Feff d’une fonction périodique F(t) est définie par la racine carrée de sa moyenne
quadratique, c’est-à-dire par la relation suivante :
Feff =
1 T
[F(t)]2 dt ,
T ò0
où T est la période de la fonction F(t). L’intérêt de cette définition découle du fait que la puissance
électrique moyenne Pmoy est donnée par le produit des valeurs efficaces de différence de potentiel
ΔVeff et de courant Ieff :
Pmoy = DVeff I eff .
Cette relation a exactement la même forme que l’expression de la puissance électrique dans le
contexte de circuits alimentés en courant continu. De plus, les multimètres réglés en mode alternatif
affichent les valeurs efficaces des quantités mesurées. Notons finalement que la loi d’Ohm a la
même forme que précédemment lorsque les valeurs efficaces de courant et de tension sont
employées :
DVeff = RI eff ,
où R est la résistance du composant résistif ohmique.
6) Calculez la valeur efficace de la f.é.m. induite obtenue à la question 5. Indice : l’identité
trigonométrique suivante pourrait vous être utile.
sin 2 q = 12 [1- cos(2q )]
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2. Lignes de transmission
Une fois que l’électricité est produite, un transformateur à proximité de la centrale
électrique élève la différence de potentiel générée dans la centrale jusqu’à une
valeur qui atteint plusieurs centaines de kilovolts. Ensuite, l’énergie électrique est
acheminée jusqu’aux agglomérations pour être utilisée par les consommateurs.
Prenons l’exemple du défi technologique que représentait le transport de l’électricité,
en 1962 au Québec, de la Manic-5 jusqu’à une ville comme Montréal. Les lignes de
transmission (fig. 5) doivent mesurer jusqu’à 1000 km et transporter une grande
quantité d’électricité. Pour ce faire, il aurait fallu une douzaine de lignes de
transmission les unes à côté des autres pour transporter l’électricité… Il s’agit d’une
solution peu viable sur le plan technique, sans compter l’aspect esthétique : qui
Fig. 5
voudrait d’un territoire du Québec couvert de pylônes et bariolé de fils électriques?
Source :Alexandre April
À l’époque de la conception de la centrale Manic-Outardes décrite dans la mise en contexte de ce
problème, Jean-Jacques Archambault (1919–2001), un ingénieur québécois œuvrant chez HydroQuébec, a étudié la problématique jusqu’à arriver à la conclusion qu’il fallait inventer le réseau électrique
de l’avenir. Il a proposé une solution audacieuse : au lieu de douze lignes de transmission transportant
l’électricité à une tension de 315 kV, il a suggéré trois lignes seulement de 735 kV. Un bond de géant!
Cela a représenté un défi technologique inédit pour les ingénieurs québécois, gonflés à bloc pour le
relever! Les lignes de transmission 735 kV n’existaient pas encore : il a fallu carrément les inventer! Ce
que les Québécois francophones ont fait avec brio! Un tour de force! Lors de l’inauguration de la première
ligne de transmission de 735 kV, en novembre 1965, tous les experts internationaux ont été ébahis. Les
Québécois étaient dès lors perçus comme des experts mondiaux dans le domaine de l’hydroélectricité.
Par étonnant que l'Ordre des ingénieurs du Québec a décerné à la ligne de 735 kV le titre d'innovation
technologique du 20e siècle au Québec.
Pourquoi prend-on la peine d’élever la tension électrique à plusieurs centaines de kilovolts pour
transporter l’électricité sur de grandes distances? Pourquoi est-il pertinent de relever le défi de construire
des lignes à haute tension de 735 kV qui n’existaient même pas auparavant? Pour répondre à ces
questions, examinons la situation suivante qui modélise le transport de l’électricité par des lignes de
transmission. Un poste électrique se trouvant dans une ville est relié à une longue ligne de transmission
de 1000 km et reçoit une puissance électrique moyenne de 30 MW. Considérons que la résistance par
unité de longueur de la ligne de transmission est de 0,01 Ω/km.
Questions
7) Imaginons que la différence de potentiel au poste électrique a une valeur efficace de 315 kV
(comme la technologie le permettait avant l’invention de Jean-Jacques Archambault). Quelle est
la puissance électrique moyenne perdue dans la ligne de transmission? Indice : calculez d’abord
le courant électrique efficace circulant dans la ligne de transmission.
8) Considérons maintenant que la différence de potentiel au poste électrique est élevée à une
valeur efficace de 735 kV (comme c’est le cas en réalité depuis l’invention de Jean-Jacques
Archambault). Quelle est la puissance moyenne perdue dans la ligne de transmission?
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9) Si le kilowattheure d’électricité coûte 0,07 $, quelle économie Hydro-Québec fait-elle en
une année en utilisant sur cette ligne de transmission une tension de 735 kV, au lieu de 315 kV?
10) Quel effet la longueur de la ligne de transmission a-t-elle sur la puissance moyenne perdue dans
la ligne?
11) À la lumière des réponses aux dernières questions, expliquez pourquoi des lignes à haute
tension sont employées pour transporter de l’électricité sur de grandes distances.
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3. Transformateur
Fig. 6
Source : Neuer Leistungstransformator. Dr. Maik
Koch (Wikimedia Commons)
Pour transporter l’électricité à haute tension dans les lignes de
transmission, on élève la tension électrique générée dans la
centrale à une valeur efficace de 735 kV au moyen d’un
transformateur situé près de la centrale. Si la haute tension
présente des avantages incontestables pour transporter
l’électricité, une si haute tension dans nos maisons serait
extrêmement dangereuse pour notre sécurité. Il importe donc
d’abaisser la tension à proximité des agglomérations et près de
nos maisons. Pour ce faire, un transformateur de répartition fait
passer la valeur efficace de la tension de 735 kV à 120 kV
(fig. 6) et, plus loin, un transformateur de distribution la fait
passer de 120 kV à 25 kV. Mais cette valeur de tension
représente encore un sérieux risque pour les consommateurs,
sans compter le fait que les appareils électriques ne sont pas
conçus pour fonctionner à haute tension.
Vous avez sans doute déjà remarqué la présence de boîtiers cylindriques
accrochés à certains poteaux d’électricité (fig. 7). Ces boîtiers contiennent
des transformateurs qui abaissent la tension efficace de 25 kV à 120 V. Cette
tension électrique peut enfin être utilisée pour alimenter la plupart de nos
appareils électriques à la maison. (Mentionnons toutefois que certains
électroménagers qui utilisent un courant de forte intensité, comme la
sécheuse et la cuisinière, requièrent plutôt une tension efficace de 240 V.)
Qu’est-ce qu’un transformateur, au juste? Sur quel principe physique
fonctionne-t-il? Sous quelle condition un transformateur élève-t-il ou abaisset-il une tension alternative? Nous allons explorer ces questions dans cette
dernière partie du problème.
Fig. 7
Questions
12) Décrivez la structure d’un transformateur. Accompagnez votre
réponse d’un schéma clair.
Source : Alexandre April
13) Expliquez le fonctionnement d’un transformateur. Un transformateur peut-il fonctionner si la
tension à modifier est continue?
14) Quel est le rapport du nombre de tours entre les enroulements primaire et secondaire (le rapport
de transformation) dans le transformateur qui permet d’abaisser la tension d’une valeur efficace
de 25 kV à une valeur efficace de 120 V?
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