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Conversion d’énergie – Comment produire de l’électricité à partir des mouvements d’un solide ou d’un fluide en 3 questions à Bernard Multon (partie 2/2)

Bernard Multon

Laboratoire SATIE-CNRS, Antenne de Bretagne de l'Ecole Normale Supérieure Cachan (Ecole Normale Supérieure de Rennes, à partir du 1er janvier 2014)

Delphine Chareyron

23/09/2013

Résumé

Cet article présente les développements récents dans le domaine de la production d'électricité et les modifications sur le réseau électrique dues à l'intégration des systèmes de production d'énergie renouvelable (éolien, solaire,...)

Article précédent : « Conversion d’énergie – Comment produire de l’électricité à partir des mouvements d’un solide ou d’un fluide en 3 questions à Bernard Multon (partie 1/2) ».

Cet article appartient au dossier : " 3 Questions à ..."


Bernard Multon est Professeur des universités au « Laboratoire SATIE », à l'antenne de Bretagne de l'Ecole Normale Supérieure Cachan.

Il travaille en particulier sur les systèmes de production d’énergie électrique exploitant les ressources renouvelables et la conception de machines électriques.

2. Quelles sont les perspectives du futur ?

2.1 Dans le domaine de la conversion électromécanique

Bien que la conversion électromécanique, notamment pour transformer des ressources primaires mécaniques en énergie électrique, ait près de 180 ans d’histoire, elle progresse toujours ! Les facteurs de progrès se trouvent à la fois dans les matériaux mais également dans les outils numériques et l’imagination des concepteurs.

Les matériaux

Si les supraconducteurs sont généralement les premiers matériaux révolutionnaires auxquels on pense, ils sont cependant encore loin d’inonder les applications de la conversion électromécanique. En effet, les exigences de densité de courant et de champ magnétique requises nécessitent toujours de très basses températurestempératures (bien en dessous de -200°C), y compris avec les supraconducteurs dits à haute température critique. Dans ces conditions, les contraintes de refroidissement restent très difficiles et, si la recherche progresse, les applications en génération d’énergie semblent encore lointaines. Des génératrices supraconductrices dans des éoliennes offshore géantes font rêver, elles permettraient de réaliser des entraînements directs à des niveaux inégalés de puissance à basse vitesse, mais il faut atteindre des niveaux de performance supérieurs à ceux actuels, notamment en termes de fiabilité des cryostats (les réfrigérateurs des zones supraconductrices).

Les aimants permanents (figure 1) constituent un autre vecteur de progrès, ils permettent d’alléger considérablement les parties magnétiques actives mais les plus performants nécessitent des terres rares, à la fois coûteuses et dont l’extraction est très impactante pour l’environnement. Des recherches sont actuellement focalisées vers la réalisation d’aimants faisant appel à des matériaux moins sensibles. Les matériaux de structure mécanique ont également un rôle stratégique à jouer, car une machine électrique n’est pas constituée que de « matières actives » (conducteurs électriques, ferromagnétiques et aimants), il lui faut des structures porteuses, dont la masse et le coût peuvent être très significatifs, c’est le cas à nouveau dans les applications offshore (éoliennes, hydroliennes, hologénérateurs directs) où l’on souhaite éviter les parties vulnérables, telles que les engrenages, et où il faut des machines à très fort couple.

   Figure 1 : Moteurs à aimants permanents : (a) générateur de petite eolienne 400 W (B. Multon), (b) moteur Lavet utilisé dans les montres, (c) micromoteur smoovy™ (Suisse), (d) générateur de grande eolienne 6MW (Alstom).  

Enfin, l’électronique de puissance est devenue indispensable, essentiellement fondée sur le silicium depuis les années 1960, de nouveaux matériaux, dits « grand gap » offrent de nouvelles perspectives en accroissant considérablement le potentiel de densité de puissance commutée, il s’agit actuellement du SiC (carbure de silicium), du GaN (nitrure de gallium) et, plus tard, du diamant.

L'éco-conception

Un autre facteur de progrès réside dans l’optimisation du dimensionnement à l’échelle des systèmes. L’ultra-spécialisation, en particulier des chercheurs, a parfois fait oublier que l’échelle du système était essentielle. Les chaînes de conversion peuvent être considérées comme des systèmes qui incluent, de façon caricaturale, une partie électromagnétique (le générateur ou le moteur), une partie électronique de puissance (le convertisseur statique), des capteurs et circuits de contrôle, ainsi que des organes mécaniques (transmissions, guidages…) ainsi que des systèmes de refroidissement.

Des gains significatifs de coûts, d’encombrement et/ou de masse, ainsi que de fiabilité, peuvent être obtenus par une optimisation intelligente. D’ailleurs de nouveaux critères sont apparus depuis la fin des années 1990, il s’agit de ceux associés à l’environnement : les impacts environnementaux. Une nouvelle dimension, dans l’optimisation des systèmes est ainsi apparue, l’éco-conception (figure 2).

Figure 2 : Principales étapes de la vie d'un produit, thèse V. Debusschère, 2010. (http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00443702/fr/).

Dans notre équipe de recherche, nous avons été parmi les premiers à introduire le concept d’éco-dimensionnement en Génie Electrique, avec un critère dominant, celui de minimisation de la consommation totale d’énergie primaire non renouvelable sur l’ensemble du cycle de vie (figure 3). Cette approche, qui nécessite de considérer l’énergie grise ainsi que les processus de vieillissement, a fortement bouleversé les raisonnements qui prévalaient jusqu’alors. Notons qu’elle peut d’ailleurs s’appliquer à des critères purement économiques. Introduire les lois de vieillissement des matériaux et composants les plus sollicités ou les plus vulnérables est devenu pour nous une nécessité. Cela engendre un besoin beaucoup plus fort de modèles de dégradation et une meilleure connaissance des processus de vieillissement et donc des recherches associées.

Nous avons ainsi introduit la notion de « rendement sur cycle de vie » (Life cycle efficiency) qui est le rapport de l’énergie utile transformée par le convertisseur durant toute sa vie sur l’énergie primaire totale qu’il a consommée (somme de l’énergie grise, qui a servi à extraire ses matières premières, à les transformer, à le fabriquer et à le recycler, et de l’énergie primaire consommée sur sa vie, autrement dit s’il est alimenté à l’électricité, il faut tenir compte des pertes à la production et au transport, en France le coefficient est de l’ordre de 3,5).

Illustration de l'éco-dimensionnement appliqué à un moteur de volet roulant

La figure 3 présente des résultats correspondant à un moteur de volet roulant, dont la particularité est de fonctionner sur une durée cumulée faible durant toute sa vie (un cycle de montée-descente dure de l’ordre de la minute). Ainsi, il apparaît que maximiser le rendement sur cycle de vie se traduit par un relativement faible rendement en fonctionnement. Pour 1 seul cycle de montée-descente durant 20 ans, l’optimum du rendement sur cycle de vie (environ 5 %) se traduit ici pour une masse d’environ 0,3 kg et un rendement sur cycle de l’ordre de 9 % (courbe verte). Un si faible rendement (environ 5 %) se traduit par une dissipation thermique importante, qui peut rapidement devenir une contrainte majeure de dimensionnement, mais qui est rendue possible ici par la très courte durée de fonctionnement, ce moteur serait bien sûr incapable de faire plusieurs cycles de montée-descente d’affilée. On peut également constater que si l’usage envisagé est plutôt de 5 cycles par jour (ce cas correspond à des systèmes automatiques permettant de réguler les apports solaires pour limiter par exemple les besoins de climatisation), l’optimum se situe pour une masse plus élevée, de l’ordre de 0,7 kg et donc pour un rendement sur cycle un peu meilleur (de l’ordre de 14 %).

Si nous avions eu à faire à un moteur de VMC (ventilation mécanique contrôlée) fonctionnant plusieurs milliers d’heures par an, l’optimum sur cycle de vie se serait déplacé vers un rendement significativement plus élevé (plus de 90 %) avec une quantité de matières premières également plus importante.

Figure 3 : Optimisation de la masse pour maximiser le rendement sur cycle de vie, application à un actionneur à courte durée d'usage cumulée sur sa vie : un actionneur de volet roulant. Comparaison des rendements : la courbe en vert correspond au rendement sur un cycle de montée-descente, les deux autres courbes étant les rendements sur cycle de vie. Source : thèse V. Debusschère, 2010.

2.2 Dans le domaine du réseau électrique

Tout d’abord, il faut avoir en tête ce chiffre : les ressources renouvelables primaires disponibles à la surface des terres et des mers représentent un flux annuel d’environ 8 000 fois notre consommation actuelle. Les ressources renouvelables, de loin les plus abondantes, sont le rayonnement solaire et l’un de ses sous-produits, le vent. Mais ce sont aussi celles qui subissent la plus grande variabilité temporelle. C’est sans doute la raison pour laquelle nous avons commencé par exploiter celles que la nature stockait le mieux pour nous, c’est le cas de l’énergie hydraulique, de la biomasse, mais aussi, des non renouvelables que sont les énergies fossiles (charbons, gaz naturel, pétroles) et qui ne sont rien d’autre que de l’énergie solaire fossilisée sur quelques centaines de millions d’années.

Le problème de l'intermittence

Les technologies récentes nous permettent de transformer le soleil et le vent en électricité avec des bilans environnementaux qui, s’ils ne sont malheureusement pas totalement neutres, sont d’un niveau infiniment meilleur que ceux des solutions du passé (fossiles et fissiles). Mais, l’électricité produite est variable, on parle d’intermittence, de haute variabilité, voire de fatalité ! Or, nous avons été habitués, en exploitant des ressources en stock dans la nature, mais épuisables, à adapter aisément la production à la consommation. L’exploitation de ces nouvelles ressources constitue un profond changement de paradigme dans le domaine de l’énergie électrique. Il y a de nombreuses voies pour résoudre ce problème, mais tout dépend du taux de renouvelables à haute variabilité que l’on souhaite atteindre. Aujourd’hui, un taux de 30 % (en puissance) est considéré comme une limite critique, bien que très arbitraire, au-delà de laquelle des changements profonds sont nécessaires. C’est dans ce contexte que nous menons des travaux de recherche.

Les solutions énergétiques

La première voie à suivre est celle du meilleur mix solaire – éolien compte tenu des ressources régionales. En Europe, par exemple, il existe une forte complémentarité saisonnière entre le rayonnement solaire et le vent qui permet d’envisager un très haut taux de production électrique à partir de ces deux ressources. Mais il faut également prévoir les inévitables trous et excès de production. Pour ces derniers, il est facile de dégrader la productivité, voire de trouver des débouchés flexibles, comme la production d’hydrogène ou de méthane de synthèse (méthanation), autrement dit produire des combustibles gazeux et profiter des infrastructures de gaz pour les mettre à disposition (notamment pour les transports). Mais pour les manques de production, il est nécessaire soit d’exploiter des moyens de production flexibles, dimensionnés pour des puissances de pointe suffisantes, ces moyens sont bien connus, il s’agit des centrales hydrauliques de barrage et des centrales thermiques qui pourront utiliser des combustibles fossiles, durant un régime transitoire de quelques décennies, puis du gaz de synthèse ou d’autres combustibles s’inscrivant dans les cycles naturels du carbone. Le stockage (réversible) d’électricité, déjà largement exploité dans le monde avec les centrales de pompage – turbinage, constitue également une voie très prisée, mais également coûteuse. Le recours au stockage devra, sans aucun doute, être encore intensifié, mais pas autant qu’on le pense généralement, car il existe suffisamment d’autres moyens de flexibilité moins coûteux.

Figure 4 : Schéma d'une centrale de pompage - turbinage.

Impliquer les consommateurs

Enfin, la dernière voie de flexibilité se trouve du côté de la consommation et c’est sans doute à ce niveau que le changement de paradigme sera le plus fort. En France, nous connaissons déjà le tarif heures pleines/heures creuses dont le rôle était de piloter la consommation par des signaux prix et largement utilisé pour la production d’eau chaude. Aujourd’hui, nous imaginons différentes voies.

L’une d’elle a déjà commencé en Allemagne où depuis 2011, à l’échelle domestique, le prix de revente de l’électricité photovoltaïque est inférieur à celui d’achat de l’électricité venant du réseau. L’intérêt du consommateur est alors d’autoconsommer d’abord sa propre production et de ne faire appel au réseau que lorsqu’il ne peut pas faire autrement. Le consommateur devient donc un consommacteur, ce qui est assez nouveau dans ce domaine où la passivité a été de mise trop longtemps. A partir de là, de nombreuses voies sont possibles, on peut en particulier imaginer que les futures voitures électriques urbaines se rechargent intelligemment via des contrats directs avec des producteurs éoliens ou solaires.

Au centre de ce système complexe, le traitement de l’information jouera un rôle majeur, avec une exploitation fine des prévisions météorologiques (déjà aujourd’hui extrêmement utiles pour permettre le bon fonctionnement du réseau électrique) et de toutes sortes de signaux transmis entre producteurs, transporteurs et consommateurs d’électricité. Le « smart grid » (défini dans l'article précédent), expression bien souvent galvaudée, doit assurer un fonctionnement sûr et robuste du système tout en permettant de satisfaire la demande au meilleur prix (et aux plus faibles impacts environnementaux).

Tous ces travaux contribuent ainsi à mieux exploiter les ressources renouvelables, qu’elles soient d’origine mécanique ou non d’ailleurs. En outre, en réduisant les impacts d’environnementaux, il s’avère que l’on est aussi gagnant sur le plan économique, et cela sera d’autant plus vrai que les coûts environnementaux seront de plus en plus considérés dans l’économie mondiale. Ainsi, ils s’inscrivent pleinement dans le nécessaire développement durable de l’humanité.

3. Où en est la recherche sur la conversion d’énergie mécanique-électrique ? Une illustration avec le houlogénérateur SEAREV

3.1 introduction sur la course à l’énergie actuelle et notamment « l’énergie verte ».

L’énergie solaire et éolienne est a priori largement suffisante pour subvenir à nos besoins, alors pourquoi aller chercher de l’énergie renouvelable ailleurs (courants de marée, houle, par exemple) ? Il y a plusieurs raisons à cela. Tout d’abord, l’électricité est le vecteur énergétique qui progresse le plus et il y a de bonnes raisons à cela : il peut satisfaire avec une qualité extrême quasiment tous les services énergétiques, il ne lui manque que la possibilité de le stocker avec une faible masse… En dehors des applications embarquées qui produisent leur électricité localement à partir de combustible (navires, trains sans caténaire, automobiles hybrides…), la production mondiale d’électricité est actuellement d’environ 22 000 TWh (1 TWh = 1 milliard de kWh) et devrait dépasser les 30 000 TWh en 2030. Les besoins vont donc être très élevés et aucune ressource disponible ne doit être négligée, tout particulièrement si elle est rentable, comme ce fut le cas avec l’usine marémotrice de La Rance (entre Dinard et Saint Malo). .

En outre, si l’on observe les mouvements de population au niveau mondial, on assiste à un inexorable déplacement vers les côtes maritimes. Produire l’énergie à partir des ressources marines constitue donc une façon d’alimenter plus localement les populations côtières et leurs diverses activités. Enfin, la complémentarité des différentes ressources permet d’atténuer les vulnérabilités et de contribuer au traitement de l’intermittence. Dans ce contexte, la houle, dont l’origine est l’interaction mécanique entre le vent et les surfaces océaniques, offre un potentiel considérable (beaucoup plus faible que celui du vent, mais néanmoins très élevé).

3.2 Qu’est-ce que c’est que le houlogénérateur

Amortir les mouvements des ondes de houle pour disposer d’une énergie utilisable est une vieille idée (brevet 18ème siècle) mais vouloir produire de l’électricité est un peu plus récent. Les difficultés sont cependant nombreuses dans cette zone d’interface entre air et eau où la violence des tempêtes, la corrosion et le biofouling (développement d’organismes vivants) constituent des contraintes particulièrement sévères. La récupération de l’énergie houlomotrice pour produire de l’électricité a stimulé l’imagination des ingénieurs et des chercheurs et ceux-ci ont produit quantité de solutions techniques dont beaucoup ont déjà fait l’objet de prototypes ou de démonstrateurs, mais peu d’entre elles survivront à cet environnement extrême.

Figure 5 : Mécanisme de création de la houle, thèse J. Aubry (http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00662488/).

C’est sur la base de cette idée qu’Alain Clément, chercheur CNRS à l’Ecole Centrale de Nantes, imagina le SEAREV au début des années 2000. Le principe du SEAREV (figure 6) était fondé à l’origine sur un navire (que nous appellerons bouée) totalement clôt, d’une vingtaine de mètres de dimension caractéristique à l’intérieur duquel se trouve un volant pendulaire (roue à masse excentrée) oscillant au rythme des mouvements imposés par la houle à la bouée. Dans l’idée initiale, le volant pendulaire était amorti par un système de vérins hydrauliques pilotés intelligemment par un contrôle en latching (pour obtenir des oscillations paramétriques) et chargeant des accumulateurs hydropneumatiques. Les accumulateurs envoyaient de l’huile sous pression dans des moteurs hydrauliques qui entraînaient des génératrices électriques. En 2002, je rencontrais Alain Clément dans le cadre d’un groupe de travail sur les énergies marines de l’association ECRIN et je fis connaissance avec le principe du SEAREV

Figure 6 : Vue d’artiste d’une ferme de houlogénérateurs SEAREV. Image de synthèse (Michel Saemann) pour « Science & Vie Junior », juillet 2006

Electrotechnicien, spécialiste de machines électriques, je trouvai rapidement la chaîne de conversion hydropneumatique d’un autre âge et surtout avec un potentiel de fiabilité insuffisant eu égard au potentiel du concept global de bouée totalement étanche, mettant à l’abri toutes les parties sensibles, notamment insensible au biofouling.

  Figure 7 : Schéma de principe de la chaîne de conversion directe d’un houlogénérateur SEAREV, J. Aubry et al., 2010 . Génératrice directe produisant un amortissement du volant pendulaire par contrôle électronique et lissage de production par batterie de supercondensateurs.  

C’est ainsi qu’est née une collaboration avec le laboratoire SATIE et que nous avons proposé de travailler sur des chaînes totalement électriques et directes possédant un très haut potentiel de fiabilité. Deux thèses ont été soutenues (M. Ruellan et J. Aubry) et une troisième est en cours (T. Kovaltchouk), cette problématique soulevant de nombreux problèmes scientifiques d’une grande richesse et dont la portée dépasse le cadre des seuls houlogénérateurs.

Remerciements : Bernard Multon tient à associer son collègue enseignant-chercheur Hamid Ben Ahmed avec lequel il a mené la plupart des travaux de recherche mentionnés ici et encadré les docteurs dont les travaux ont été cités.

Publication : Energies marines renouvelables : aspects généraux, éolien, marémoteur et hydrolien, Bernard Multon. Editions Hermès science publications et Lavoisier, 2009.