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)

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.

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).

Source - © 2010 V. Debusschère

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.

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.

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.

Source - © 2003 J. Ruer, B. Multon

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

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.