La réduction des émissions de CO₂ est devenue un objectif mondial, ce qui a entraîné la recherche et le développement de nombreuses nouvelles technologies. Cet article examine les défis et les solutions.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Les possibilités sont infinies dans la quête de remplacement des combustibles fossiles par des sources d’énergie renouvelable : soleil, vent, eau, biomasse, géothermie, etc. Alors que la biomasse et la géothermie fournissent un rendement énergétique constant, ce n’est pas le cas de l’énergie générée par le soleil, le vent ou les vagues. L’énergie solaire produite pendant la journée doit être stockée pour une utilisation nocturne. L’énergie éolienne doit également être stockée, car les turbines ne peuvent pas fournir d’énergie lorsque les vents sont calmes.
Toutes ces technologies nécessitent des circuits de commande électroniques, qui doivent être alimentés par différentes sources. L’un des marchés en pleine croissance est la mobilité électrique, où l’UE a décidé qu’aucun nouveau véhicule avec un moteur à combustion classique ne pourra être vendu après 2035. D’autres régions ont convenu de l’interdiction similaire et le passage aux véhicules électriques nécessitera de nombreuses stations de recharge publiques et privées alimentées par les différents réseaux électriques mondiaux (Figure 1).
Figure 1. Niveaux mondiaux de tension et de fréquence en courant alternatif monophasé sans tolérances. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les tensions mondiales du réseau alternatif varient de 85 Vca à 264 Vca, et de nombreux blocs d’alimentation peuvent aujourd’hui fonctionner dans cette plage complète.
Un défi supplémentaire dans les applications énergétiques est que les équipements tels que les chargeurs ou les bornes de recharge murales sont directement câblés au panneau de fusibles. Cela signifie qu’ils sont plus exposés aux transitoires du réseau que les équipements connectés à une prise par des câbles et des fiches. Par conséquent, ils doivent être conformes à la troisième catégorie de surtension (OVC III) avec des barrières d’isolation de 4 kVca (Figure 2). Cela s’applique aux alimentations auxiliaires à l’intérieur des chargeurs ou des bornes de recharge murales.
Figure 2. Catégories de surtension. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Ces systèmes doivent également être tolérants aux défauts du câblage du réseau ou du neutre. Une phase branchée accidentellement de manière incorrecte lors de l’installation ou une coupure du neutre, même dans le quartier, peut entraîner des systèmes déséquilibrés et des tensions plus élevées. Par conséquent, les tensions d’entrée principales sont surveillées pour déconnecter les étages de puissance élevée coûteux en cas de défaillance de ce type.
Ces circuits de surveillance doivent fonctionner en toutes circonstances. P-Duke propose une série de petits convertisseurs CA/CC conformes à l’OVC III et fonctionnant dans la plage extrêmement large de 85 à 530 Vca. Même si une phase est connectée au neutre par erreur, l’alimentation auxiliaire et le circuit de surveillance fonctionnent et peuvent protéger l’étage de puissance.
Les systèmes modernes doivent être prêts à s’intégrer à un réseau intelligent ou à un environnement domestique intelligent. Cela permet de contrôler le système pour correspondre à la disponibilité d’énergie réelle dans un réseau. Les batteries de voiture peuvent être chargées lorsque l’excès d’énergie est disponible et fonctionner comme des tampons d’énergie stabilisant le réseau. Les appareils ménagers à forte consommation d’énergie seront allumés uniquement lorsque suffisamment d’énergie est disponible.
Cela signifie plus d’interconnexions pour communiquer avec le réseau ou le contrôleur domotique. Les tensions d’alimentation pour les interfaces, les écrans, les panneaux tactiles ou les relais peuvent varier de 3,3 V à 24 V. Elles peuvent être générées à partir du bus de tension d’alimentation auxiliaire à l’aide de petits convertisseurs isolés ou non isolés (Figure 3).
Figure 3. Schéma-bloc simplifié d’un chargeur de voiture électrique typique. P-Duke propose des convertisseurs AC/CC auxiliaires à faible puissance et divers convertisseurs CC/CC. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
L’intégration des énergies renouvelables nécessite une expansion des options de stockage d’énergie en raison du flux d’énergie non constant. Les centrales hydroélectriques sont déjà utilisées aujourd’hui en pompant de l’eau dans le réservoir lorsqu’il y a un excès d’énergie. Cependant, leur capacité est limitée, et la façon la plus évidente de stocker l’énergie serait d’utiliser des batteries.
Les batteries au plomb sont utilisées depuis des décennies, mais elles sont lourdes, leur densité énergétique est relativement faible, le processus de charge est lent et elles ne peuvent être chargées que 300 à 600 fois environ.
Batteries au lithium
Les batteries au lithium présentent plusieurs avantages par rapport aux batteries au plomb. Par exemple, elles sont beaucoup plus légères et plus petites que les batteries au plomb et peuvent également être rechargées plus rapidement et atteindre plusieurs milliers de cycles de charge. Cela les rend idéales pour une utilisation dans les appareils mobiles ainsi que dans les véhicules électriques.
Cependant, elles nécessitent des matériaux dont la disponibilité est limitée et dont certains sont obtenus dans des conditions problématiques. Par kilowattheure de capacité, une batterie de véhicule électrique typique nécessite de 120 à 180 grammes de lithium ainsi que d’autres matériaux à disponibilité limitée. Selon une étude de l’ADAC, un club automobile allemand, la batterie de 50 kWh d’une voiture contient environ 4 kg de lithium, 11 kg de manganèse, 12 kg de cobalt, 12 kg de nickel et 33 kg de graphite.
Pour changer la mobilité des moteurs à combustion vers les moteurs électriques, des centaines de milliers de tonnes de ces matériaux seront nécessaires. Selon les experts, les méthodes de recyclage de ces matériaux sont complexes et encore en phase de développement ou de test. Par conséquent, des alternatives sont recherchées, non seulement dans les technologies de batterie, mais aussi dans le stockage de l’énergie électrique.
Vous avez peut-être entendu parler de batteries à base d’aluminium (soufre, ions sodium, carbone), de cuivre ou de fer et d’oxygène. Non disponibles sur le marché de masse pour le moment, ces options utilisent des matériaux disponibles en grande quantité et moins problématiques à extraire.
La taille et le poids des batteries ne sont pas non plus importants pour une application non mobile. Il y a suffisamment d’espace dans la base d’une éolienne, même pour de plus grandes batteries. Lorsqu’il y a un excès d’énergie dans le réseau, la puissance générée par la turbine pourrait y être stockée et injectée dans le réseau lorsqu’il y a une pénurie d’énergie. Souvent, l’énergie doit simplement être stockée temporairement dans un réseau pendant 12 à 24 heures.
Chaque technologie de batterie a des tensions différentes, un vrai défi si quelqu’un veut concevoir des systèmes évolutifs compatibles avec les autres technologies de batterie et le nombre de cellules utilisées dans une application. Les fabricants d’alimentation électrique comme P-Duke proposent des convertisseurs avec des plages de tension d’entrée de 2:1 à 12:1. Avec ces convertisseurs, il est possible de couvrir de nombreuses technologies de batterie différentes.
Supercondensateurs
Les supercondensateurs sont une alternative intéressante aux batteries, offrant une durée de vie plus longue, jusqu’à 1 million de cycles de charge, et des courants de charge très élevés. Contrairement aux batteries, les supercondensateurs ne sont pas endommagés par une décharge profonde. Ils sont idéaux pour les applications ayant des demandes de puissance inférieures à 1 à 2 minutes mais un très grand nombre de cycles de charge. Pourquoi ne pas utiliser des supercondensateurs sur un robot de transport dans un entrepôt qui ne parcoure que de courtes distances et peut être rechargé en quelques secondes ? Contrairement aux batteries, la tension de sortie des supercondensateurs dépend beaucoup de l’état de charge. Comme la plupart des charges électroniques ont besoin d’une tension stable, il faut des convertisseurs CC/CC avec de larges plages d’entrée.
Autres options de stockage d’énergie
Et il existe de nombreuses autres façons de stocker de l’énergie. Par électrolyse, on peut obtenir de l’hydrogène à partir de l’air. Dans une étape ultérieure du processus, on peut produire du méthane, le composant principal du gaz naturel. Les gaz peuvent être stockés, transportés et utilisés comme carburant, par exemple, dans une pile à combustible, une autre technologie en forte émergence. Même les drones utilisent des piles à combustible. Les dispositifs de stockage d’énergie par pression gazeuse et par volant d’inertie sont une autre façon de stocker l’énergie mécanique pour une utilisation ultérieure. Il y a plus de 15 ans, une start-up aux États-Unis voulait utiliser de l’air comprimé pour les éoliennes, mais cela n’a jamais été réalisé car la solution était trop complexe et inefficace. Cependant, il existe encore des projets qui cherchent à stocker l’excès d’énergie des éoliennes dans de l’air comprimé.
Les premiers bus gyroscopiques sont arrivés sur le marché en 1950. Ils étaient capables de récupérer l’énergie du freinage, mais avaient besoin d’une station de recharge tous les 4-6 kilomètres, ce qui n’était pas adapté aux transports publics modernes. Les dispositifs de stockage d’énergie par volant d’inertie sont principalement utilisés pour fournir une puissance élevée pendant une courte durée, par exemple, pour stabiliser un réseau.
Ce ne sont là que quelques exemples. Le marché de l’énergie est complexe, il existe des milliers d’options et de nouvelles idées et technologies apparaissent presque quotidiennement, ce qui impose des exigences différentes aux alimentations électriques nécessaires. De plus, pour une utilisation énergétiquement efficace et généralisée, les systèmes modernes doivent communiquer les uns avec les autres. Tous ces systèmes ont besoin de tensions d’alimentation régulées générées à partir de sources diverses. Les niveaux de tensions du réseau en courant alternatif et les spécifications transitoires ont été fixés depuis de nombreuses années, et des sociétés comme P-Duke proposent différentes solutions d’alimentation CA/CC répondant aux diverses exigences (Figure 4).
Figure 4. Gamme d’alimentations électriques CA/CC hautement efficaces/compactes de P-Duke, de 6 W à 500 W. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La situation est plus complexe pour les sources CC car de nouveaux systèmes devraient arriver sur le marché. Mais des solutions sont déjà disponibles aujourd’hui. Dans les marchés des télécommunications et du ferroviaire, différentes tensions de batterie sont utilisées depuis des décennies. Les fabricants de systèmes dans ces marchés veulent offrir une solution unique, et les fabricants d’alimentation électrique comme P-Duke conçoivent des familles de convertisseurs couvrant même les larges plages d’entrée allant de 16 V à 160 V dans les applications ferroviaires et atteignant des niveaux de puissance allant jusqu’à 200 W. Avec des tensions de sortie standard de 5 V à 53 V, ces convertisseurs peuvent être utilisés pour de nombreuses tensions de batterie différentes dans tous les types d’applications du marché de l’énergie.
Figure 5. Modules de convertisseurs CC/CC de P-Duke disponibles dans différents boîtiers. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Réseaux LAN, WLAN, GSM et autres modules de communication, dispositifs de sécurité et de surveillance, écrans, panneaux tactiles ou relais, tous nécessitent des tensions d’alimentation régulées, avec ou sans isolation par rapport au circuit de commande interne. Dans la large gamme de convertisseurs, il devrait être facile pour un concepteur de trouver une solution prête à l’emploi (Figure 6).
Figure 6. Schéma-bloc simplifié de la chaîne d’alimentation électrique d’un véhicule autonome pour des applications d’entrepôt. Deux convertisseurs isolés à large plage sont utilisés pour couvrir la large plage de tension de l’ensemble de supercaps et protéger l’électronique sensible du bruit électrique provenant des entraînements moteurs. Les autres tensions faibles sont générées par des régulateurs non isolés. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Tous ces modules convertisseurs sont faciles à déployer et, par conséquent, des solutions plug-and-play non seulement pendant la phase de conception, mais aussi en cas de modifications ultérieures des spécifications d’entrée, de sortie ou de puissance du système. Cela rend chaque conception évolutive et prête pour un marché émergent avec de nombreuses nouvelles opportunités mais encore de nombreuses inconnues.
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].