Notre réseau électrique fonctionne sur la base d'un courant alternatif (AC) 50 ou 60 Hz depuis de nombreuses années. Historiquement, c'était le bon choix, mais à mesure que nous utilisons, produisons et stockons plus d'électricité localement, les chercheurs remettent de plus en plus en question ce paradigme. Cette conférence d'experts, écrite par Giel Van den Broeck, Johan Driesen et Kris Baert (EnergyVille / KU Leuven), explique les défis et les possibilités que cette technologie a à offrir dans notre système énergétique.
Le réseau électrique tel que nous le connaissons aujourd'hui a ses origines à la fin du 19ème siècle, lancé par Thomas Edison et Nikola Tesla. Thomas Edison a commencé sur Pearl Street au cœur de Manhattan, à New York, avec le premier réseau électrique à vendre ses ampoules tant convoitées [1]. La technologie que son entreprise utilisait pour cela était le courant continu. La tension continue signifie que la tension est presque constante dans le temps, sans fluctuations importantes. Aujourd'hui, cependant, notre réseau électrique est dominé par le courant alternatif, développé par Nikola Tesla. La tension augmente et diminue périodiquement à 50 Hz. La tension et le courant passent par zéro cent fois par seconde.
Bien que le courant alternatif semble plus complexe que le courant continu à première vue, il offrait et offre des avantages fondamentaux. Le principal avantage est que la tension alternative peut être augmentée et diminuée avec des transformateurs. Une tension plus élevée signifie que moins de câblage est nécessaire pour transférer la même quantité d'énergie de A à B et des pertes de transmission plus faibles. Le transfert économique d'électricité sur des dizaines de kilomètres ne pouvait se faire qu'à une tension plus élevée, ce qui faisait de la tension alternative le choix technologique approprié. Un homologue de transformateur CC n'existait pas à l'époque, ce qui signifiait que seulement 1 mile pouvait être ponté et plusieurs petites centrales électriques devaient être installées. L'installation de nombreux petits générateurs dispersés dans le réseau électrique est exactement ce vers quoi nous nous dirigeons de plus en plus. À l'époque, il s'agissait de générateurs alimentés par des moteurs à vapeur, aujourd'hui il s'agit de panneaux solaires et d'éoliennes.
Au début, l'électricité servait à alimenter les ampoules et les moteurs. Une petite offre par rapport à l'offre électroménager d'aujourd'hui et de demain :électronique (téléviseurs, ordinateurs…), électroménager, éclairage, pompes à chaleur, véhicules électriques et stockage sur batterie. La caractéristique de tous nos appareils est que la majorité utilise en interne une tension continue, à partir de la tension alternative avec laquelle ils sont connectés au réseau électrique. Pensez à l'adaptateur pour recharger les smartphones et les ordinateurs portables. Pensez à l'électronique dans les luminaires à LED. Pensez aux pompes et compresseurs avec contrôle de fréquence pour pouvoir travailler à des vitesses variables. Toutes ces applications utilisent une tension continue en interne et la première étape consiste généralement à convertir la tension alternative en tension continue. Ce qui se passe dans les adaptateurs est ce que nous appelons la rectification. Le mot adaptateur porte en fait le sens :la tension secteur (AC) est adaptée à l'appareil (DC).
On retrouve également des adaptateurs dans les panneaux solaires, les éoliennes, mais aussi dans les batteries de stockage et les piles à combustible, plus connues sous le nom d'onduleurs ou de convertisseurs de puissance. Leur fonction est de convertir la tension continue générée en tension alternative. Même dans les éoliennes, l'électricité générée est d'abord convertie en tension continue, car l'éolienne doit pouvoir fonctionner à des vitesses variables, ce qui conduit à une plus grande efficacité.
Tous les adaptateurs et convertisseurs ont vu le jour grâce au développement de l'électronique de puissance, l'électronique qui convertit l'électricité d'une forme à une autre en utilisant la technologie des semi-conducteurs, introduite dans les années 1950. L'électronique de puissance est utilisée depuis de nombreuses années dans les adaptateurs ("alimentations à découpage"), mais au cours des 20 dernières années, elle est devenue un produit de masse dans la production et l'utilisation de l'électricité. Globalement, en 2018, nous avions 480 GW de capacité installée de panneaux solaires et 564 GW de capacité installée d'éoliennes [2]. Au total, cela représente environ 75 % de la consommation d'électricité de pointe en Belgique. Étant donné que tous les panneaux solaires avec onduleurs sont connectés au réseau, ces chiffres signifient que 480 GW d'onduleurs sont également installés. L'électricité produite à partir du vent passe également (en partie) par un convertisseur. Notre système électrique contient donc un grand nombre de blocs qui convertissent la tension alternative en tension continue et inversement. C'était loin d'être le cas à l'époque de la fin du XIXe siècle.
"Les réseaux CC sont plus compatibles avec les charges et les ressources que nous utilisons aujourd'hui. Moins de composants, des coûts réduits, une fiabilité accrue et moins de pertes d'énergie.
Il est évident que les réseaux électriques à courant continu font leur retour. Les réseaux CC sont plus compatibles avec les charges et les ressources que nous utilisons aujourd'hui. Une compatibilité accrue signifie que les adaptateurs et convertisseurs de puissance susmentionnés peuvent être simplifiés ou même omis complètement. Cet avantage de compatibilité signifie :moins de composants, des coûts réduits, une fiabilité accrue et moins de pertes d'énergie. L'avantage numéro deux est que plus de puissance peut être transférée sur le même câblage. Lisez :plus de puissance avec moins de matériau conducteur (coûteux) (cuivre).
DC joue un rôle important dans les centres de données. Les centres de données stockent toutes nos données, consommant ainsi de grandes quantités d'électricité. La puissance électrique d'un centre de données est généralement supérieure à 1 MW. Le plus grand centre de données de Google en Finlande consomme 40 MW [3]. Aux États-Unis, les centres de données représentent déjà 2 % de la consommation totale d'électricité [4]. En raison de la fiabilité requise, les centres de données sont équipés d'une alimentation de secours sous forme de stockage sur batterie, fonctionnant en tension continue. De plus, tous les racks de serveurs (gros ordinateurs qui stockent les données) fonctionnent également sur tension continue. En convertissant l'infrastructure électrique des centres de données en courant continu, les adaptateurs sont économisés, ce qui entraîne 20% de pertes d'énergie en moins, l'installation occupe un tiers d'espace en moins et le temps d'inutilisation de l'installation est réduit, entre autres grâce à entretien réduit [5 ]. Moins de pertes d'énergie signifie également que le système de refroidissement doit travailler moins. En bref :le DC permet de réaliser des économies substantielles.
L'électronique de puissance est en plein essor depuis des années dans l'industrie. Aujourd'hui, on estime que 30 % de la puissance totale des transmissions électriques est déjà équipée d'un contrôle de fréquence pour économiser de l'énergie ou rendre le processus de production plus flexible [6]. En interne, chaque convertisseur de fréquence fonctionne en courant continu. Aujourd'hui déjà, plusieurs commandes de fréquence sont connectées à une tension continue commune. À l'avenir, un tel système offrira la possibilité d'ajouter une batterie pour augmenter la fiabilité opérationnelle, rendant les lignes de production moins sensibles aux pannes de réseau. Dans les pays où la qualité du réseau est médiocre, un tel système est d'autant plus lucratif. De plus, plusieurs systèmes, qui sont aujourd'hui séparés les uns des autres du côté DC, peuvent être connectés les uns aux autres à l'avenir, réduisant ainsi la quantité de stockage de batterie nécessaire. Un tel réseau CC industriel peut donc être étendu avec une production d'énergie CC locale telle que des panneaux solaires, des piles à combustible et des éoliennes. Selon le niveau de tension choisi, la quantité de câblage requise diminue également. Encore une fois :le DC entraîne des économies de coûts.
Divers consommateurs et sources de courant continu sont présents dans les bâtiments tertiaires et tertiaires, dont le bâtiment EnergyVille. Dans le bâtiment EnergyVille, par exemple, nous avons une production locale (panneaux solaires), une infrastructure de recharge pour les véhicules électriques dans le parking, un éclairage LED, une salle de serveurs, des ascenseurs, des systèmes de ventilation, de refroidissement et de chauffage basés sur des pompes à chaleur. Tous les appareils sont actuellement connectés à l'installation électrique à tension alternative via un convertisseur de puissance. Certaines des conversions CC à CA peuvent être évitées. Par exemple, les véhicules électriques pourraient être chargés directement via DC à partir des panneaux solaires. C'est ce que nous appliquons en pratique dans le réseau de test EnergyVille LVDC, pour démontrer que le LVDC est effectivement faisable en pratique. A terme, nous prévoirons également entre les bâtiments du campus de pouvoir échanger de l'énergie en tension continue. La motivation derrière cela est à nouveau :le courant continu entraîne des économies de coûts, dans ce cas estimées à 30 % du coût total de l'installation.
Le courant continu est indispensable dans les applications mobiles et des économies de coûts sont possibles. Il existe des prototypes de navires avec lesquels il a été démontré que 60% de carburant peut être économisé [7]. Les générateurs diesel sont réglés en permanence sur un point de fonctionnement efficace, un stockage à bord est fourni et les hélices sont entraînées par des moteurs électriques qui délivrent efficacement la vitesse variable. La tension continue est le facilitateur pour rendre ce concept possible avec le moins de blocs électroniques de puissance possible. En conséquence, les pertes de poids et de conversion sont réduites au minimum.
Enfin, les kits solaires domestiques DC sont déployés en masse dans les régions où il y a peu ou pas d'accès au réseau électrique. Cela concerne 1,1 milliard de personnes sur notre planète [8]. Pour réduire ce nombre, de petits systèmes à courant continu de quelques 100 W de puissance, fonctionnant à 48 V, alimentés par un panneau solaire, tamponnés par une batterie, existent. Cela permet aux utilisateurs d'alimenter une lumière LED, un ventilateur, un smartphone et des appareils électroménagers. Parce que tous ces appareils fonctionnent sur courant continu, les gens n'envisagent même pas d'utiliser une tension alternative. De cette manière, DC peut contribuer à améliorer la qualité de vie d'un grand groupe de personnes.
Cependant, d'importants défis techniques restent à relever pour permettre les installations électriques à courant continu qu'EnergyVille s'attaque avec divers partenaires au niveau national et international.
Un premier enjeu technique est d'assurer la stabilité de la tension, afin que les appareils ne s'éteignent pas inutilement ou ne soient endommagés par une surtension ou une surintensité. Dans un système à plusieurs convertisseurs d'électronique de puissance, dans lequel plusieurs contrôleurs interagissent entre eux, ce n'est pas une mince affaire. De plus, le niveau de tension nominal n'a pas encore fait l'objet d'un accord international. Cela inclut 350, 380 mais aussi 750 V, tous en dessous de la limite de basse tension de 1500 V.
Un deuxième enjeu technique est la sécurité, d'une part pour les personnes et d'autre part pour les appareils. Une différence importante dans une installation CC par rapport à une installation CA est l'absence de passage par zéro de la tension et du courant, ce qui rend difficile l'interruption mécanique d'un courant en raison de l'arc qui se produit entre les contacts. Comme solution, des disjoncteurs sont proposés qui s'appuient sur la technologie des semi-conducteurs pour faciliter l'interruption opportune du courant. Dans les convertisseurs de puissance, la technologie des semi-conducteurs a déjà prouvé sa capacité à interrompre et rediriger le courant continu haute fréquence. Une interruption mécanique est toujours exigée par la loi. Un deuxième point d'attention est qu'une installation à courant continu est dominée par des convertisseurs de puissance qui peuvent limiter activement le courant, de sorte que le courant reste limité en cas de court-circuit. Un courant limité permet de dé-dimensionner les disjoncteurs, mais rend également plus difficile la distinction entre un court-circuit et une surintensité passagère en fonctionnement normal.
Outre les problèmes techniques, il existe également des défis réglementaires. En Belgique, le Règlement Général des Installations Electriques (AREI) a force de loi. Dans le cadre d'une étude de faisabilité, nous avons analysé si l'AREI pour DC est suffisant. L'AREI précise la courbe de sécurité pour le courant continu et décrit les mesures de sécurité à prendre, qu'il s'agisse de courant alternatif ou de courant continu. En ce qui concerne la protection différentielle DC requise, il reste des incertitudes qu'il faudra tôt ou tard lever, car elles existent également pour les véhicules électriques et les systèmes de stockage par batterie. EnergyVille contribue activement aux solutions en collaboration avec les commissions de normalisation et les fédérations sectorielles.
[1] J. Joness, Empires of Light :Edison, Tesla, Westinghouse et la course pour électrifier le monde † 2003.
[2] Agence internationale pour les énergies renouvelables, "Statistiques IRENA", 2018. .
[3] Bergmann, "Investissements dans les centres de données en Finlande", 2019.
[4] A. Shehabi et al. , "Rapport sur l'utilisation de l'énergie des centres de données aux États-Unis", 2016.
[5] G. Allee et W. Tschudi, "Edison Redux :380 Vdc apporte fiabilité et efficacité aux centres de données durables", IEEE Power Energy Mag. , plein. 10, n° 6, p. 50–59, nov. 2012.
[6] M. Doppelbauer, "Efficacité énergétique et variateurs de vitesse." p. 27, 2017.
[7] ABB, "La technologie ABB aide les navires de pose de câbles avancés à réaliser jusqu'à 60 % d'économies de carburant." [En ligne]. Disponible :https://new.abb.com/marine/articles-and-highlights/abb-technology-helps….
[8] A. Jhunjhunwala, "The people's grid", IEEE Spectr. , plein. 54, n° 2, p. 44-50, fév. 2017.
