Pris comme nous le sommes au moment d’écrire ces lignes par une vague de chaleur historique, il est difficile pour ceux d’entre nous dans l’ouest des États-Unis d’imaginer une époque où le froid et la glace régnaient sur le pays. Mais en réalité, il y a seulement quatre mois environ, une autre météo capricieuse a été observée dans la majeure partie du pays, y compris dans des endroits mal équipés pour faire face aux conséquences. Le désormais légendaire «gel de février» a laissé des millions de personnes, principalement au Texas, se débattant dans le noir et le froid alors qu’une série de défaillances techniques en cascade détruisaient leur réseau électrique, pièce par pièce, comté par comté.

L’événement a été beaucoup discuté et disséqué, comme devrait l’être un événement d’une telle portée. Comme beaucoup de discussions ces jours-ci, très peu de choses sont informées ou civiles, et ce n’est pas une bonne nouvelle pour ceux qui cherchent à comprendre ce qui s’est passé et comment éviter que cela ne se reproduise, ou du moins en atténuer quelque peu les effets. Cela est en partie compréhensible, étant donné les situations perturbatrices et souvent mortelles auxquelles la catastrophe a soudainement dû faire face. Il est également difficile pour les gens de discuter d’un événement si répandu dans sa portée et son impact – il y a tout simplement trop de choses à comprendre pour quiconque.

Pour faciliter un peu la présente discussion, nous allons nous concentrer sur un aspect du crash de la grille de février qui est souvent évoqué mais rarement expliqué : que la grille du Texas n’était qu’à quelques minutes de s’effondrer complètement, et qu’il aurait fallu des semaines ou des mois à restaurer s’il avait pu s’échapper. Est-ce vraiment possible ? Le réseau électrique peut-il simplement « disparaître » complètement et soudainement ? La réponse, malheureusement, est oui, mais heureusement, beaucoup de réflexion a été consacrée non seulement à l’empêcher de se produire, mais aussi à la façon de tout redémarrer si cela se produit, en effectuant ce qu’on appelle un « Black Start ».

Tous ces frais généraux

À certains égards, le réseau électrique de la planète est la machine la plus grande et la plus complexe que nous ayons jamais construite. Cela semble une réclamation juste; rien qu’aux États-Unis et au Canada, le réseau de transport compte plus de 120 000 milles (190 000 km) de lignes qui s’étendent sur tout le continent. Et c’est juste le système pour déplacer l’électricité en vrac de l’endroit où elle est produite vers les sous-stations situées à proximité des centres de population ; ajoutez les millions de kilomètres de câble qui forment le système de distribution qui relie les clients individuels, et vous commencez à voir la taille du système. Considérez ensuite que ce système compte plus de 10 000 centrales de production, dont chacune doit être synchronisée avec toutes les autres centrales quelle que soit la demande, et la complexité impliquée commence à se révéler.

C’est une grosse machine. Chaque centrale électrique et ligne de transmission aux États-Unis contigus. Tout dans cette carte doit fonctionner à l’unisson, indépendamment de la charge ou des conditions locales. Source : Agence d’information sur l’énergie des États-Unis

Avec tous les équipements en place pour faire fonctionner le réseau électrique sur une zone aussi étendue, il est difficile de se rappeler que cela n’a pas toujours été le cas. Le réseau nord-américain d’aujourd’hui s’est développé petit à petit, commençant principalement dans les centres de population de l’est et du centre-ouest, électrifiant d’abord les villes et s’étendant plus tard dans les zones rurales. S’appuyer sur les systèmes existants a permis aux compagnies d’électricité non seulement d’exploiter la connaissance durement acquise de ce qui fonctionne et de ce qui ne fonctionne pas lors de l’enfilage des câbles et de la connexion des clients, mais également de fournir l’énergie nécessaire à leurs installations de nouvelle génération.  .                                                                                                                                                                                                                                  . Le simple fait est qu’il faut de l’énergie pour produire de l’énergie, et c’est le cœur du problème du démarrage noir.

La production d’électricité est simple en théorie, et nous avons tous appris les bases à un moment ou à un autre : transformer l’énergie potentielle en énergie cinétique pour faire tourner un aimant à l’intérieur d’une grosse bobine de fil. Mais c’est dans les détails que réside la complexité. Par exemple, dans une centrale électrique au charbon, le broyage du charbon brut à la taille appropriée pour être utilisé comme combustible dans les chaudières prend de l’énergie, tout comme les convoyeurs qui alimentent les chaudières, les actionneurs qui contrôlent les vannes, les capteurs et les systèmes de contrôle qui réguler la vitesse des turbines et l’appareillage qui relie les générateurs au réseau. Il faut de l’énergie pour produire de l’énergie, et une centrale électrique peut utiliser une fraction importante de sa propre énergie. Lorsqu’une usine peut produire 700 mégawatts ou plus, la charge aérienne nécessaire pour faire fonctionner – ou redémarrer – une usine peut être énorme.

Outre l’équipement nécessaire pour alimenter et contrôler la centrale électrique, il y a une autre pièce du puzzle du démarrage noir qui peut entrer en jeu : le courant d’excitation. La plupart des centrales électriques utilisent des générateurs auto-excités, ce qui signifie qu’une petite quantité du courant qu’elles produisent est utilisée pour alimenter les bobines de champ du générateur, créant le puissant champ magnétique nécessaire pour générer de l’électricité. Une fois qu’un générateur auto-excité s’arrête, il n’y a plus de courant disponible pour exciter les bobines de champ. Pour de courtes pannes, ce n’est généralement pas un problème, car le magnétisme résiduel du fer dans le rotor du générateur sera suffisant pour démarrer un faible flux de courant, qui excitera ensuite les bobines de champ et permettra au générateur d’atteindre sa pleine capacité.

Cependant, des pannes prolongées peuvent affaiblir suffisamment le champ magnétique d’un rotor pour qu’il ait besoin d’un peu d’aide pour démarrer. Les procédures de démarrage au noir doivent tenir compte de cette éventualité en fournissant un moyen de « flasher » les enroulements de champ avec une alimentation externe. Le processus pour les petits générateurs est très similaire, et il convient de le garder à l’esprit pour quiconque stocke un générateur sans le retirer et l’utiliser occasionnellement. Gardez simplement à l’esprit que pour une centrale électrique, il faudra beaucoup plus qu’une perceuse à main pour flasher les enroulements.

Générateurs? Quels générateurs ?

En supposant qu’une centrale électrique au ralenti soit toujours connectée au système de transmission, et en supposant que d’autres centrales de la région fonctionnent toujours, le processus de démarrage au noir est assez simple – il suffit de prendre l’électricité du réseau à l’aide d’un appareillage de commutation et des transformateurs dont la centrale dispose à cette fin. . Mais dans le cas d’une catastrophe régionale – comme la tempête hivernale au Texas, où le condensat aux têtes de puits de gaz naturel et dans les conduites d’alimentation des centrales électriques a gelé solidement, pinçant le carburant pour des dizaines d’opérateurs – les usines sur une vaste zone peuvent toutes tomber ensemble, rendant impossible l’importation de la puissance nécessaire au redémarrage. Cette condition est appelée « îlotage », et c’est là qu’intervient la procédure de démarrage au noir de la centrale.

Les services publics sont naturellement réticents à partager des détails publiquement, mais les démarrages au noir des centrales insulaires sont généralement une cascade d’opérations où des générateurs d’urgence de plus en plus gros sont mis en ligne, jusqu’à ce que suffisamment de puissance soit disponible pour démarrer le générateur principal au noir. Le processus commence généralement par des générateurs diesel, qui produisent suffisamment d’énergie pour maintenir les lumières et les systèmes de contrôle de la centrale allumés. Cela permettra aux opérateurs de démarrer un générateur plus gros, peut-être un cogénérateur à turbine à gaz, qui fournira ensuite suffisamment de puissance pour faire fonctionner les pompes, les vannes, les alimentations et l’appareillage de commutation de l’un des principaux générateurs de l’usine. Une fois que l’un d’entre eux tourne, le reste des générateurs de l’usine peut démarrer et le service peut être rétabli.

Toutes les procédures de démarrage au noir d’une centrale électrique insulaire sont soigneusement documentées et les plans sont censés être pratiqués à intervalles réguliers pour s’assurer que tout fonctionne. Malheureusement, lorsque le moment critique est arrivé au Texas en février dernier et que plusieurs centrales électriques ont été isolées, le processus de démarrage au noir était tout sauf fluide. Un rapport a indiqué que neuf des treize générateurs désignés comme unités de démarrage au noir primaires ne fonctionnaient pas, tandis que six des quinze générateurs désignés pour soutenir les générateurs de démarrage au noir primaires étaient également en panne. Les problèmes avec les générateurs allaient des dommages causés par le gel aux problèmes de carburant, y compris l’incapacité des camions à livrer du mazout sur des routes verglacées.

Au risque de simplifier à l’extrême une série d’événements complexes et lointains, faute d’un jeu de chaînes à pneus, le Texas a été étonnamment proche de perdre sa puissance non seulement pendant quelques jours, mais pendant des semaines, voire des mois. Cela ne s’est pas produit dans ce cas, mais de justesse et par plusieurs coups de chance. Nous ne doutons pas que beaucoup de compétences en ingénierie et d’ingéniosité ont été nécessaires pour remettre en ligne les générateurs de démarrage noir réticents, alors chapeau à tous ceux qui ont travaillé dur pour éviter la catastrophe. Espérons que cela servira de signal d’alarme et qu’une réflexion soit menée sur la manière de mieux concevoir l’ensemble du système de démarrage à froid, non seulement au Texas mais dans toutes les centrales électriques du monde.