Ce changement fondamental – la décentralisation de la production d'électricité – modifie le fonctionnement des réseaux électriques nationaux et les relations entre les ménages, les entreprises et les fournisseurs d'électricité. Bien que cette transition soit déjà en cours, l'Agence internationale de l'énergie (AIE) estime que plus de 100 millions de foyers seront équipés de toitures photovoltaïques d'ici 2030, contre 25 millions actuellement.[1]
La décentralisation de l'électricité ne fait donc que commencer et les ingénieurs électriciens sont confrontés à de nouveaux défis et de nouvelles opportunités. Dans cet article, nous explorerons l'évolution des réseaux électriques nationaux et analyserons ses implications techniques et sociales.
Facteurs à l'origine de l'évolution des réseaux électriques :
Plusieurs facteurs ont favorisé la décentralisation croissante des réseaux électriques. Il s'agit principalement des limites inhérentes aux réseaux centralisés et des avantages uniques de l'électricité décentralisée.
Le développement de sources d'électricité renouvelables à petite échelle a été un moteur essentiel de cette décentralisation. Avant l'essor des panneaux solaires et des petites éoliennes, l'indépendance énergétique impliquait la mise en place d'un générateur électrique à dynamo, par exemple une turbine à gaz, à charbon ou hydraulique. Ces turbines nécessitent d'importantes ressources matérielles et peuvent engendrer des défis considérables en matière de sécurité, de technique et de société.
Un autre facteur clé du développement de la production d'électricité décentralisée est le besoin croissant en électricité. Répondre à cette demande croissante par de grandes centrales électriques centralisées exige une planification rigoureuse, des ressources considérables et un temps important ; la construction et la mise en service d'une centrale nucléaire prennent par exemple entre six et huit ans [2]
Les ressources énergétiques décentralisées, à plus petite échelle, peuvent être déployées beaucoup plus rapidement : les grandes centrales solaires mettent généralement entre un et trois ans à alimenter le réseau électrique[3] , tandis que les installations solaires résidentielles et industrielles de plus petite taille (figure 1) sont opérationnelles en moyenne en six à dix-huit semaines[4] Dans de nombreux cas, il est plus simple et plus rentable de répondre aux besoins énergétiques croissants grâce à de nombreuses sources distribuées de petite taille plutôt qu'avec une seule source centralisée.
Image 1 : Les petites installations solaires commerciales, comme celle illustrée, peuvent être installées en quelques jours seulement. (Source : anatoliy_gleb/stock.adobe.com)
La baisse des coûts et l'amélioration de l'efficacité des énergies renouvelables, conjuguées à la hausse des prix de l'électricité, ont rendu l'énergie solaire photovoltaïque et l'énergie éolienne de plus en plus accessibles. Les progrès réalisés dans les technologies de stockage et de gestion de l'énergie renforcent également la viabilité des énergies renouvelables distribuées.
L'essor de l'électricité décentralisée :
La demande croissante d'électricité décentralisée découle des grandes tendances et des progrès réalisés dans les domaines des énergies renouvelables, de l'électronique de puissance et des systèmes de stockage d'énergie par batteries (BESS). L'innovation en électronique contribue à créer de nouvelles opportunités pour les ressources énergétiques décentralisées en améliorant l'efficacité, l'intelligence et la sécurité des systèmes, tout en réduisant les coûts et les problèmes d'intégration.
Développement des panneaux solaires photovoltaïques et des éoliennes.
Au début des années 2000, les panneaux solaires photovoltaïques résidentiels et commerciaux classiques affichaient un rendement d'environ 15 %[5]. Depuis, les progrès réalisés dans la conception des cellules photovoltaïques et les changements essentiels apportés à la composition des matériaux ont permis d'accroître ce rendement, qui atteint aujourd'hui généralement environ 20 %[6].
Oxford PV, filiale de l'Université d'Oxford, a récemment établi un record mondial avec sa cellule solaire tandem pérovskite-silicium de taille commerciale, en atteignant un rendement de 28,6 %, une avancée significative qui laisse entrevoir la possibilité d'améliorations encore plus importantes[7] L'amélioration du rendement des panneaux peut favoriser l'adoption des énergies renouvelables décentralisées en réduisant la surface nécessaire à une installation solaire viable (à coût de panneaux constant).
Les éoliennes connaissent également un développement important, et les nouvelles éoliennes sans pales (Figure 2) permettent de surmonter plusieurs obstacles rencontrés jusqu'à présent. L'absence de pales rotatives traditionnelles simplifie l'intégration du système dans les bâtiments et améliore la sécurité d'exploitation, tout en réduisant les coûts de maintenance et les risques de collision avec des oiseaux. Ces avantages peuvent aider les entreprises à installer des éoliennes dans de nouvelles zones, notamment à proximité de panneaux solaires ou dans des zones résidentielles plus petites, où les restrictions d'urbanisme empêchent généralement l'installation de turbines à pales rotatives.
Image 2 : L’énergie éolienne sans pales utilise les oscillations du vent et des alternateurs pour produire de l’électricité sans pales. (Source : VectorMine/stock.adobe.com)
L'usine BMW Mini d'Oxford vient d'installer le premier système de production d'énergie stationnaire au monde, fourni par Aeromine Technologies, en complément de ses installations solaires.[8] En modifiant le flux d'air grâce à ses profils aérodynamiques, la turbine crée une zone de basse pression à l'arrière de l'unité, qui propulse l'air via sa pompe interne, convertissant ainsi l'énergie éolienne en électricité.[9]
Vortex Bladeless, une start-up espagnole, développe un système sans turbine pour produire de l'électricité à partir de l'énergie éolienne. Ce système exploite le détachement de tourbillons (la création de tourbillons par le vent circulant autour d'un cylindre) pour induire une oscillation qui est convertie en électricité par un alternateur électromagnétique interne.[10]
Progrès dans la technologie des onduleurs :
Les progrès réalisés dans le domaine de l’électronique de puissance, notamment l’adoption des semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC), améliorent le rendement des onduleurs en réduisant les pertes de puissance et les besoins en gestion thermique. Comparés aux dispositifs en silicium traditionnels, les semi-conducteurs SiC à large bande interdite présentent des pertes de commutation plus faibles, une conductivité thermique et une densité énergétique supérieures.
Alors que les onduleurs en silicium les plus récents peuvent atteindre un rendement de 98 %, les onduleurs en SiC peuvent atteindre environ 99 % de rendement sur une large plage de puissance, ce qui représente une réduction de 50 % des pertes de puissance [11]. Une augmentation théorique de 1 % appliquée à la capacité solaire totale de l’Union européenne, qui s’élève à 259,99 GW, ajouterait environ 2,6 GW à la production totale : l’équivalent de 6,5 millions de panneaux solaires de 400 W[12]
Les performances thermiques améliorées du SiC réduisent les besoins en refroidissement, permettant aux fabricants de concevoir des onduleurs plus petits, plus légers et plus fiables. Cette miniaturisation permet l’installation de ressources énergétiques décentralisées dans les environnements résidentiels et commerciaux, même avec un espace réduit. Ces caractéristiques, combinées aux économies d'échelle accrues dans la fabrication du SiC, qui réduisent les coûts, contribuent à stimuler le développement d'onduleurs solaires plus petits et plus efficaces, ce qui pourrait potentiellement déclencher une nouvelle vague d'adoption de l'énergie solaire.
L'évolution des systèmes BESS
Dans les systèmes de stockage d'énergie par batteries (BESS), le passage aux batteries lithium-fer-phosphate (LFP) a permis d'accroître la stabilité thermique et la durée de vie par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles. De plus, les nouvelles conceptions modulaires, telles que les batteries montées en rack, permettent des installations plus économiques et évolutives, offrant ainsi aux utilisateurs résidentiels et commerciaux la possibilité d'optimiser la capacité du système en fonction de leurs besoins énergétiques.
Les systèmes de gestion de batteries commencent également à intégrer l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique, ce qui peut encore améliorer la fiabilité et l'efficacité des BESS. Les fonctionnalités basées sur l'IA peuvent améliorer la prédiction de la dégradation des batteries, optimiser les cycles de charge en fonction des conditions environnementales et gérer dynamiquement le flux d'énergie afin de maximiser à la fois la durée de vie et les performances des batteries.
En conclusion
, les ressources énergétiques décentralisées offrent aux entreprises comme aux ménages la possibilité d'atteindre l'indépendance énergétique tout en améliorant leur durabilité. Toutefois, face à l'augmentation des besoins énergétiques et à la complexification des réseaux électriques nationaux, le marché doit proposer des solutions d'énergie solaire et éolienne performantes et fiables, s'intégrant parfaitement aux habitations, aux entreprises et au réseau électrique.
Sources
[1]https://www.iea.org/reports/approximately-100-million-households-rely-on-rooftop-solar-pv-by-2030
[2]https://www.sustainabilitybynumbers.com/p/nuclear-construction-time
[3]https://www.theecoexperts.co.uk/solar-panels/complete-guide-solar-farms
[4]https://www.susenergy.co.uk/how-long-does-it-take-to-install-solar-panels.html
[5]https://www.forbes.com/sites/peterdetwiler/2013/07/16/as-solar-panel-efficiencies-keep-improving-its-time-to-adopt-some-new-metrics/
[6]https://corporate.enelx.com/en/question-and-answers/are-solar-panels-energy-efficient
[7]https://www.oxfordpv.com/news/oxford-pv-sets-new-solar-panel-efficiency-world-record-0
[8]https://www.bbc.co.uk/news/articles/c07ngp4yz7jo
[9]https://aerominetechnologies.com/
[10]https://vortexbladeless.com/technology/
[11]https://www.energy.gov/eere/solar/silicon-carbide-solar-energy
[12]https://energy.ec.europa.eu/topics/renewable-energy/solar-energy_en
À propos de l'auteur :
Mark, membre de l'équipe EMEA de Mouser en Europe, a rejoint Mouser Electronics en juillet 2014 après avoir occupé des postes de direction marketing chez RS Components. Auparavant, il a passé huit ans chez Texas Instruments, où il a travaillé dans le support applicatif et la vente technique. Il est diplômé avec mention en génie électrique de l'université de Coventry.
