Nouvelles

Aug 14, 2023

Black Starts : comment le réseau est redémarré

Saisis que nous sommes au moment d'écrire ces lignes par une canicule historique, il est difficile

Au moment d'écrire ces lignes, saisis 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 tout le pays. Mais en réalité, il y a seulement quatre mois environ, un autre temps bizarre a été visité dans la majeure partie du pays, y compris des endroits mal équipés pour faire face aux conséquences. Le désormais légendaire "February Freeze" a laissé des millions de personnes, principalement au Texas, se débattre dans le noir et le froid alors qu'une série de pannes techniques en cascade a détruit 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 d'entre elles 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 l'empêcher de se reproduire, ou du moins pour en atténuer quelque peu les effets. Une partie de cela est compréhensible, étant donné les situations perturbatrices et souvent mortelles auxquelles la catastrophe a soudainement forcé les gens à 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 rendre la discussion actuelle un peu plus facile, 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 mois à restaurer s'il avait pu s'éclipser. 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 également à la manière de tout redémarrer si cela se produit, en effectuant ce que l'on appelle un "Black Start".

Selon certaines mesures, 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; aux États-Unis et au Canada seulement, le réseau de transmission compte plus de 120 000 milles (190 000 km) de lignes qui s'étendent sur tout le continent. Et ce n'est que 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.

Avec tout l'équipement 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 de tirer parti des connaissances durement acquises sur ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas lors du câblage et de la connexion des clients, mais également de fournir l'énergie nécessaire à leurs nouvelles installations de production. Le simple fait est qu'il faut du pouvoir pour produire du pouvoir, et c'est le cœur du problème du démarrage au noir.

La production d'énergie 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 les détails sont là où réside la complexité. Par exemple, dans une centrale électrique au charbon, le broyage du charbon brut à la bonne taille pour être utilisé comme combustible dans les chaudières consomme 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 centrale peut produire 700 mégawatts ou plus, la charge aérienne nécessaire pour faire fonctionner - ou redémarrer - une centrale 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'ils produisent est utilisée pour alimenter les bobines de champ du générateur, créant ainsi 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 les pannes de courte durée, 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 alors 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 "faire clignoter" 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 sortir et l'utiliser occasionnellement. Gardez simplement à l'esprit que pour une centrale électrique, il faudra bien plus qu'une perceuse à main pour flasher les enroulements.

En supposant qu'une centrale électrique inactive est toujours connectée au système de transmission, et en supposant que d'autres centrales de la région fonctionnent toujours, le processus de démarrage à noir est assez simple - il suffit de prendre l'alimentation du réseau à l'aide de l'appareillage de commutation et des transformateurs que la centrale a 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 lignes alimentant les centrales électriques a gelé, privant de carburant 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 à froid de la centrale électrique.

Les services publics sont naturellement réticents à partager les détails publiquement, mais les démarrages au noir des centrales îlotées sont généralement une cascade d'opérations où des générateurs de secours de plus en plus grands sont mis en ligne, jusqu'à ce qu'une puissance suffisante soit disponible pour démarrer le générateur principal au noir. Le processus commence généralement avec 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 grand, peut-être un cogénérateur à turbine à gaz, qui fournira alors 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 de ceux-ci tourne, le reste des générateurs de l'usine peut démarrer et le service peut être rétabli.

Toutes les procédures de démarrage noir d'une centrale électrique îlotée 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 îlotées, le processus de démarrage à noir a été tout sauf fluide. Un rapport indique que neuf des treize générateurs désignés comme unités primaires de démarrage au noir se sont avérés ne pas fonctionner, tandis que six des quinze générateurs désignés pour sauvegarder les générateurs principaux de démarrage au noir 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 les routes verglacées.

Au risque de simplifier à l'excès une série d'événements complexes et lointains, faute d'un ensemble de chaînes de pneus, le Texas a étonnamment failli perdre son pouvoir non seulement pendant quelques jours, mais pendant des semaines, voire des mois. Cela ne s'est pas produit dans ce cas, mais seulement de justesse et par plusieurs coups de chance. Nous ne doutons pas que beaucoup de compétences et d'ingéniosité en ingénierie 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 que l'on réfléchira à la manière de mieux concevoir l'ensemble du système de démarrage noir, non seulement au Texas, mais dans toutes les centrales électriques du monde.