Histoire des compteurs d'életricité

L’électricité est apparue il y a un peu plus d’un siècle et a bouleverser considérablement nos conditions de vie. Son arrivée dans la vie quotidienne, dans l'industrie et le commerce a été assez rapide pour que la question de la tarification et donc du « Comptage de l'énergie» soit soulevée dès l’apparition des premières installations électriques.

Au cours de l'Exposition Internationale de 1900, l'Electricité et de nombreux équipements liés à son utilisation ont été présentés (Applications, Eclairage, Distribution,...).

Une grandes parties des informations utilisées pour la rédaction de cette page proviennent d'un catalogue "L'Electricité à l'Exposition de 1900" et en particulier du fascicule n°14 "Compteurs Electriques".

Ce document est disponible en téléchargement sur le site du CNAM : http://cnum.cnam.fr/CGI/fpage.cgi?4XAE68.14/3/100/62/0/0

Premier mode de facturation : le Forfait

La "Bougie" était une ancienne unité de mesure de l'intensité lumineuse, dont la valeur variait en fonction de normes nationales établies en mesurant l'intensité d'une flamme d'un modèle spécifique de bougie. Chaque étalon était caractérisé par la nature de sa mèche et la composition de son corps gras, ce qui aboutissait à des divergences importantes encore augmentées par l'instabilité relative de la combustion ; ces unités avoisinaient souvent une candela, aujourd'hui unité de base du système international d'unités (SI).

Une lampe à incandescence classique (à filament de tungstène) de 60 watts avait un rendement lumineux (parfois abusivement appelé efficacité lumineuse) proche de 1 watt de puissance électrique consommée par bougie (l'unité de mesure), soit l'éclairage d'environ 60 bougies. Il existait des lampes électriques de puissances très différentes, de une à mille bougies, qui s'allumaient sous une tension de 110 volts et exigeaient jusqu’à 25 ampères. Dans les logements, les modèles les plus employés par les ménages étaient la lampe dite de 10 bougies (environ 35 watts) recommandée pour chaque volume de 20 m3 d'une salle remise, vestibule, chambre à coucher), et la lampe dite de 16 bougies (environ 55 watts) recommandée pour chaque volume de 25 m2 d'une salle de séjour, à manger, cuisine13.

Compte tenu du nombre réduit d'utilisateurs et de la taille des installation individuelles (quelques lampes par logement), la toute première méthode utilisée pour facturée l'énergie électrique consommée est le forfait. Chaque contrat était établi en fonction des besoins du client et du matériel raccordé à l'installation.

Le Forfait comprend alors une redevance mensuelle calculée sur le nombre et/ou la puissance des lampes installées. Le prix d'achat élevé des lampes ainsi que leur faible durée de vie incitait le consommateur à une utilisation réduite. Toutefois, pour éviter l'installation d'un nombre de lampes supérieur au contrat souscrit, les sociétés de distribution utilisait des fusibles calibrés ou des limiteurs de courant (ancêtres du disjoncteur) placés en tête de l'installation.

L'extrême division des sociétés de distribution, le manque de normalisation des unités de mesure et la non fiabilité des premiers compteurs, ont conduit à l'utilisation d'un grand nombre d'unités de facturation forfaitaire.

- La lampe-an de 16 ou 16 bougies

- Le Carcel-an

- Le Carcel-heur

- La lampe-heure

- La lampe-mois

- Le Kilowatt-heure (utilisé de nos jours)

A la fin du 19ème siècle, de nombreux inventeurs ont apporté , à peu près simultanément, de nouvelles solutions au problème de comptage de l'énergie électrique. Les phénomènes physiques les plus divers sont exploités pour mesurer la quantité d'électricité consommée, proportionnellement à l'énergie lorsque la tension est constante.

Durant cette période quatre types d'appareils ont été inventés et utilisés depuis la fin du XIXème siècles.

Les compteurs de temps

Ces appareils totalisent le nombre d'heures pendant lequel l'installation électrique à fonctionné. Ce système à permis de faire évoluer les forfaits en apportant une mesure plus précise du temps d'utilisation pour un nombre de lampes défini au contrat.

Le compteur Aubert - Lausanne

Ce type de compteur se compose d'un mouvement d'horlogerie dont le déclenchement et l'enclenchement du rouage sont commandés par un électro-aimant (différents suivant si le réseau est continu ou alternatif) que traverse  le courant de l'installation située en aval. Ce mouvement d'horlogerie actionne un enregistreur-totalisateur dont les indication lues sur quatres cadrans indiquant le minutes, les heures, les dizaines et les centaines d'heures d'utilisation. L'instrument peut fonctionner pendant 300 heures sans être remontéDans ce type de compteur, le courant principal traverse l'enroulement de l'électro-aimant, l'instrument ne peut donc être employé que pour des intensités déterminées (de 0,1 jusqu'à 30A).

Le compteur Richard

Ce compteur fonctionne sur le même principe que le compteur Aubert, mais il se remonte automatiquement toutes les 20 secondes. Le système de remontage automatique est réalisé à l'aide d'un électro-aimant prévu pour ne fonctionner qu'avec une différence de potentiel donnée, c'est à dire avec la tension normale de distribution. Lorsque la tension aux borne de l'électro-aimant est inférieure à la tension normale, le remontage ne se fait plus.

Tous ces compteurs fonctionnent globalement sur le même principe et sur les différents type de réseaux (continu / alternatif). Dans les compteurs pour courant alternatif, les noyaux fixe et mobiles de l'électro-aimant sont constitués de tôles minces isolées l'une de l'autre.

Les compteurs chimiques

Edison propose l'emploi d'un compteur chimique dont le principe est l'application des lois de l'électrolyse. Deux voltamètres à zinc sont placés en dérivation sur le circuit de l'abonné; on relève tous les quinze jours le poids de zinc déposé sur la cathode. L'électrolyte est réchauffé par une lampe commandée par un bilame pour l'empêcher de geler pendant les grands froids.

Edison perfectionne sont dispositif en utilisant un voltamètre double; lorsque le déséquilibre est suffisant le basculement du fléau de la balance inverse le sens du courant et le dépot se fait dans l'autre sens; de sorte que le courant consommé est défini par le nombre d'inversion du fléau de la balance. Cet appareil est gradué en "Pieds-cube de gaz" pour ne pas dérouter la clientèle habituée depuis longtemps à la tarification du gaz d'éclairage. Ce compteur ne fut jamais mis en service !

La relève de ces compteurs électrolytiques était relativement complexe. Périodiquement, un releveur déposait les plaques et en reposait de nouvelles. Les plaques déposées était pesée pour calculer la consommation. La pesée de la cathode devait avec une extrême précision car la quantité de courant réelle traversant le compteur était mille fois plus grande que la partie dérivée dans le voltamètre. Les électrodes devaient être lavées en laboratoire à l'eau pure et essuyer afin de retirer les sels de zinc adhérant au métal.

Bien entendu, ces compteurs ne pouvait fonctionner que sur des réseaux à courant continu (principe de l'électrolyse).

Les compteurs de quantité d'électricité

Ces compteurs intègrent l'intensité du courant fourni en fonction du temps, lorsque la distribution est réalisée à potentiel constant. Un compteur qui connut un vif succès, puisqu'il faisait encore l'objet d'étalonnage en 1927 est le compteur américain O'Keenan, dit compteur O'K, présenté à la Société internationale des électricien en 1899. C'est un compteur de quantité d'électricité qui doit sa sensibilité à l'emploi d'un aimant produisant un flux inducteur beaucoup plus élevé que celui du compteur Thomson (voir compteurs d'énergie), le couple résistant étant produit de la même manière dans les deux appareils.

Le compteur O'K est constitué par une machine magnéto-électrique fonctionnant en réceptrice. le travail qui lui est demandé consiste uniquement à vaincre les frottements des pivots et à entraîner les rouages d'un totalisateur. Garce à une construction soignée, ce travail est assez faible pour que le rendement du moteur atteigne 0,99.

Les compteurs d'énergie électrique

Ces compteurs effectuent l'intégration du produit UI (Tension/Intensité), ils peuvent être à intégration continue ou discontinue.

Le compteur oscillant

Le compteur pendulaire développé par l'Allemand Aron fait usage de deux pendules, synchrones en l'absence de courant mais de périodes différentes lorsqu'une bobine auxiliaire parcourue par le courant à mesurer vient modifier le poids apparent de l'un d'entre eux qui supporte un petit aimant.

La différence des fréquence, qui fait l'objet de la mesure, est pratiquement proportionelle au courant qui a traversé la bobine. Les pendules entraînent des roues dentées coniques couplées à un différentiel dont la vitesse est proportionnelle à la différence des pendules. L'appareil peut donc être gradué en Ampère-heure.

Le compteur à moteur

Il est frappant de constater que dès l'origine, les compteurs moteurs (appareils électromagnétiques à disque tournant) ont été développés par de nombreux constructeurs; les appareils dont un grand nombres sont encore en place aujourd'hui ne sont que des modèles améliorés des wattmètres et wattheuremètres des années 1880. Il y en a eu d'innombrable versions. Sur le principe du wattmètre à deux bobines, utilisable en courant continu et en courant alternatif, on trouve le compteur Elibu Thomson (Compteur Desroziers).

Cet appareil comporte un moteur sans fer, un inducteur fixe parcouru par le courant, un induit ayant la forme d'un tambour à fil fin qui supporte la tension. Le couple moteur est proportionnel à la puissance et le couple résistant, proportionnel à la vitesse, est dû aux courants de Foucault engendrés dans un disque de cuivre disposé entre des aimants. Cet appareil simple et robuste possède de nombreuse variantes : Compteur Lux (allemagne), Vulcain,...
 
On comprends facilement le souci des constructeurs de réaliser des compteurs "Universels" ou du moins des versions très voisines de compteurs adaptés soit au courant continu, soit au courant alternatif.

Il semble que ce soit l'italien Ferrarïs qui est proposé, le premier (ou l'un des premiers) l'idée de faire reposer la mesure d'une puissance ou plutôt d'une énergie électrique en courant alternatif sur le principe d'induction. Ces types de compteurs sont des appareils électrodynamiques dans lesquels les courants portés par la partie mobile, au lieu d'être amenés par des resorts, des balais ou des contacts à mercure, sont induits dans le roro; ce dernier est généralement massif et constitué par un disque de cuivre ou d'aluminium. Le couple moteur est proportionnel au produit de deux flux indicteurs produits par une bobine tension et une bobine traversée par le courant.

Quoiqu'il soit relativement sensible aux variations de température, le compteur à induction s'est imposé par sa simplicité, sa robustesse, et surtout l'absence de frottement et de contacts qui lui permet d'obtenir un bon fonctionnement à faible charge. Sont usage s'est généralisé, il représente aujourd'hui le type de compteurs le plus présent ches les clients.

Le compteur à pré-paiement

Ce type d'appareil se compose d'un compteur ordinaire (Thomson, Vucain,...), auquel on adjoint un mécanisme dit de pré-paiement. ce mécanisme à pour mission de fermer le circuit du client, puis de permettre à l'induit du compteur d'exécuter un certain nombre de tours. A la fin du dernier tour permis, l'énergie payée d'avance est consommée et le circuit s'ouvre automatiquement.  lorsqu'on introduit une pièce  dans l'ouverture ménagée à cet effet, elle tombe dans un conduit. On fait alors tourner à la main une manette disposée extérieurement, cette manoeuvre à pour objet de remonter le mécanisme, la pièce servant en sorte de pêne à la serrure. LA pièce de moniae dse dégage et vient tomber dans un tiroir caisse.

Lorsque le nombre de tours que doit effectuer le moteur du compteur est terminé, le mécanisme de pré-paiement est déclenché et tout revint dans la position initiale, l'alimentation du client étant coupée. On peut faire pénétrer successivement plusieurs pièce de monnaie dans l'appareil, ce qui permet d'armer d'autant plus le système et de dépenser une plus grande quantité d'énergie. Un cadran indique constamment au client à quel moment il en est de sa dépense d'énergie et ce qui lui reste de disponible.

Dans les années 90, une version "électronique" de ce type de compteur a été utilisée pendant quelques temps puis abandonnée.

Le compteur à tarifs variables

Dès 1900, lors des pics de consommation (souvent enregistrés en début de soirée), de coûteux moyens de production doivent être mis en œuvre pour assurer de bonnes conditions d'exploitation des réseaux électriques dans tout le pays. Les courbes re^présentant la puissance électrique fournie au réseau de distribution ont une allure bien connue.

Pendant la majeure partie du temps, la consommation est faible; elle augmente brusquement entre 16h et 20h, principalement en hiver; l'été, les variations sont moins importantes. Toutefois, dans les eux cas, la consommation moyenne est toujours très faible par rapport à la puissance maximum de l'usine génératrice. Cette disproportion entre ma puissance maximum et la consommation moyenne existait également dans la distribution du gaz d'éclairage. Dans les usines à gaz, le gazomètre joue exactement le rôle d'un accumulateur parfait, ce qui permet de dimensionner l'usine de production en fonction de la puissance moyenne à fournir, ses équipements fonctionnant constamment à pleine charge. 

Dans les usines de production d'énergie électrique, le pris de revient du kilowatt-heure est relativement élevé, à cause des frais généraux qui sont proportionnels à la puissance de la station génératrice. Une seule solution permet de diminuer ce prix de revient : c'est de vendre l'énergie électrique à des tarifs variables suivant les heures de consommation; c'est à dire d'établir un prix de vente plus bas aux heures de faible consommation qu'aux heures heures ou l'usine fonctionne à pleine charge. Les consommateurs sont ainsi amenés à modifier leurs horaires de consommation et à profiter des heures ou elle est vendue moins cher. Grace à ce dispositif, les usines peuvent relever leur moyenne de puissance consommée et obtenir un prix de revient plus bas pour chaque kilowatt-heur.

C'est pour mettre en pratique ce mode d'exploitation que l'on a été amené à créer les compteurs à tarifs variables. Ce type de compteurs ont été présentés à l'exposition de 1900. Les premiers appareils étaient des compteurs standard équipés de une ou plusieurs horloges permettant de comptabiliser l'énergie en fonction des plages horaires programmées.

Une solution plus complète aux problème de la tarification apportée par les compteurs à double tarifs est ensuite données par des compteurs spéciaux qui permettent d'enregistrer l'énergie consommée en la comptant à des tarifs que la centrale peut modifier elle même, à chaque instant, en agissant sur tous les compteurs à la fois et en suivant constamment la consommation du réseau. La base de ce système consiste à commander le mécanisme d'intégration des compteurs à l'aide d'une "horloge mère", installée dans la station, et a utiliser le réseau alimentant les abonnés pour transmettre aux compteurs les ordres de l'horloge mère.

Des émissions plus ou moins fréquentes d'un différents de celui distribué. Si le courant fourni aux abonnés est continu, celui destiné à n'agir que sur  les horloges des compteurs sera alternatif. Au contraire, ce dernier sera continu si le réseau de distribution est alternatif.

Depuis des dizaines d'années EDF utilise un système de télécommande appelé PULSADIS qui permet depuis les postes sources de déclencher le changement de tarif des compteurs à l'heure voulue, et facultativement d'autres services comme l'éclairage public, etc.

Ce système repose sur l'injection dans le secteur de signaux selon un code que les récepteurs reconnaissent et qui leur donne l'ordre d'effectuer les commutations correspondant aux signaux qu'ils sont censés reconnaître. Le signal porteur est à 175 Hz avec une amplitude minimum de 0,9% de la tension nominale du secteur, soit 2,3V.

Chaque emplacement d'impulsion se compose d'une durée de 1 seconde pendant laquelle il peut y avoir ou non émission de la porteuse à 175 Hz, et d'un silence de 1,5 secondes servant de séparateur avec l'emplacement suivant. Si le top est présent, il déclenche dans les récepteurs un basculement.

Une autre impulsion est prévue pour produire le basculement inverse. Si aucune de ce deux impulsions n'est présente, le récepteur ne change pas d'état. Les impulsions étant associées par paires (l'une démarre, l'autre arrête), 20 canaux sont disponibles pour autant de types différents de télécommande.

Chez l'abonné, les ordres sont réceptionnés par un relais fixé sur le tableau de comptage à côté du compteur et raccordé à celui-ci. A réception des ordres, le relais ferme ou ouvre un contact permettant l'alimentation d'un électro-aimant situé dans le compteur qui enclenche le totalisateur correspondant.

Le compteur électronique

L'arrivée du compteur électronique a révolutionné les techniques de comptage. Désormais, la mesure de l'énergie traversant le compteur est confiée à un circuit spécialisé réalisant la mesure de l'énergie active et du courant, et d'un micro contrôleur réalisant les fonctions nécessaire à la métrologie (mesure de la tension, ventilation des index d'énergie). L'information de courant est prélevée au travers d'un shunt de puissance et l'information de tension à travers un pont diviseur.

Ce type d'appareil offre les fonctions suivantes :

- Le comptage de l'énergie électrique active délivrée pour des puissances souscrites sur six périodes tarifaires différentes,

- La mesure de l'intensité instantanée, effectuée en permanance avec une précision similaire à celle d'un disjoncteur,

- La réception et l'interprétation des ordes de télécommande centralisée 175Hz issus des réseaux de distribution,

- L'affichage des informations disponibles,

- La lecture et la programmation à distance à travers un bus local de téléreport,

- La programmation en local des différents paramètres de fonctionnement,

- Un dispositif de sécurité gardant en mémoire l'ouverture frauduleuse du compteur.

Enfin, il offre à l'utilisateur une aide à la gestion de la consommation d'énergie, au moyen de deux relais intégrés et d'une liaison série de télé-information client sur laquelle le compteur envoie en permanence des données internes.

Le compteur communicant

Un compteur communicant est un compteur disposant de technologies dites AMR (Automated Meter Reading) qui mesure de manière détaillée et précise, et éventuellement en temps réel, une consommation d'électricité, de gaz ou d’eau. La transmission des données s'effectue par ondes radio ou par courants porteurs en ligne (CPL) vers le  gestionnaire du réseau de distribution chargé du comptage.

Les compteurs communicants servent à produire des factures sur la consommation réelle. Si le compteur est en outre « programmable à distance » et équipé d'un appareil de coupure à distance, il est dit « AMM » (Advanced Meter Management). Ces fonctions sont à la base de l'évolution des réseaux (d'électricité, d'eau ou de gaz) vers les SmartGrid « réseaux intelligents ».

Linky est l’interface communicante d’ERDF qui va permettre les échanges de données entre les 35 millions de points de comptage et les fournissuers d’électricité pour créer un réseau électrique intelligent.

Imposé par une directive européenne, l'objectif de ce projet est de permettre la connaissance en temps réel des consommations d'électricité, et de pouvoir adapter et donc optimiser la mise à disposition d’électricité en conséquence, pour réaliser des économies. Tout ceci sans le déplacement des techniciens, mais en utilisant les techniques de CPL (courant porteur) et de GPRS (réseau télécom) entre le compteur Linky, les postes de transformation et le centre de supervision d’ERDF. Outre le bénéfice de factures calculées sur la consommation réelle ou la possibilité de changer de contrat à distance, Linky regroupera la mesure de la consommation mais aussi celle de la production d'énergie dans le cas par exemple d’une installation photovoltaïque.

L'installation du compteur électrique intelligent Linky à grande échelle, pour couvrir in fine tout le territoire, a démarré fin 2014. 

ERDF a prévu, quant à lui, d’opérer un déploiement progressif par secteurs prédéfinis, sur l’ensemble des départements, à raison de 7 millions de compteurs Linky par an. Des appels d’offres ont été lancés auprès d’entreprises de toutes tailles et devraient favoriser jusqu’à 10 000 emplois d’ici 2020. Le projet Linky nécessitera un budget de quelques 4,5 milliards d’Euros.

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