Il est clair que le moment est venu de s'attaquer au « droit à la réparation », en commençant par les produits de consommation, qui ne représentent que la partie émergée de l'iceberg et s'inscrivent dans un problème bien plus vaste : la nécessité de repenser nos modes de travail et de trouver des solutions pour prolonger la durée de vie des équipements tout en développant une économie circulaire. De nombreux secteurs d'activité seront fortement impactés par les nouvelles directives européennes et devront trouver de nouvelles approches pour gérer l'obsolescence programmée.
Comment le secteur de l'énergie électrique va-t-il s'adapter à ce changement, et comment pourrait-il contribuer à prolonger la durée de vie des équipements et à réduire les déchets ?
Nouvelles règles européennes pour faire des produits durables la norme.
Comme annoncé dans le plan d'action de l'UE pour l'économie circulaire, la Commission a proposé de nouvelles règles visant à rendre la quasi-totalité des biens matériels sur le marché européen plus respectueux de l'environnement, plus circulaires et plus économes en énergie tout au long de leur cycle de vie, de la conception à l'utilisation quotidienne, en passant par la réutilisation et la fin de vie. Dans le cadre du plan d'action de juin 2023, la commission de l'environnement a présenté une proposition visant à préparer les produits européens à ces nouvelles exigences en élaborant une stratégie pour prolonger la durée de vie des équipements et protéger les consommateurs. Un élément clé de cette proposition consiste à établir des règles communes encourageant la réparation des biens, contribuant ainsi à l'objectif de consommation durable du Pacte vert pour l'Europe (figure 1).
Figure 01 - Cadre politique du « Pacte vert » concernant la REP (en vert) et la relation entre la REP et la directive sur l'écoconception (en bleu). (Source : PRBX/Ecochain)
Développer une approche axée sur la réparation permettra de réduire les déchets électroniques et l'impact environnemental, générant ainsi des économies substantielles pour les consommateurs et la société dans son ensemble. Dans cette optique, et à l'instar de l'étiquetage énergétique utilisé en écoconception, la France a proposé un label similaire, doté d'un indice de réparabilité, afin d'informer les consommateurs sur la réparabilité d'un produit et de leur donner accès à des guides de réparation.
Conformément aux termes du projet, le Parlement européen et le Conseil ont provisoirement convenu, le 4 décembre 2023, d'une mise à jour des règles d'« écoconception », dans le but d'améliorer divers aspects des produits tout au long de leur cycle de vie afin de les rendre plus durables, fiables, faciles à réutiliser, à moderniser, à réparer et à recycler, et de consommer moins de ressources, d'énergie et d'eau.
La proposition concerne les biens de consommation et prend en compte leurs éventuels défauts, qu'ils soient ou non sous garantie. Les fabricants seront tenus de réparer les produits entre cinq et dix ans après l'achat. Parmi les biens actuellement soumis à cette obligation de réparation figurent les appareils électroménagers tels que les lave-linge, les lave-linge séchants, les lave-vaisselle, les réfrigérateurs, les écrans électroniques, le matériel de soudage, les aspirateurs, ainsi que les serveurs et les dispositifs de stockage de données. Les téléphones portables, les téléphones sans fil et les tablettes sont également inclus dans le projet de loi, et les chargeurs pour véhicules électriques ont été abordés lors de récentes discussions. Tous ces produits consomment de l'énergie, et les fabricants doivent se tenir informés des futures législations et réglementations et suivre leur évolution.
Figure 03 - Les sources d'alimentation nécessaires aux compagnies ferroviaires pour le renouvellement de leurs trains sont nombreuses et vont des modules basse puissance aux convertisseurs haute puissance pouvant atteindre plusieurs centaines de kilowatts. (Source : PRBX/Shutterstock/ECO LENS)
Pourquoi les nouvelles règles d'écoconception seront importantes pour le secteur de l'énergie.
Cette introduction pourrait laisser croire que la future législation concernera principalement les consommateurs, mais en réalité, inspirées par le groupe de travail sur l'écoconception, de nombreuses initiatives sont menées au sein du secteur pour prolonger la durée de vie des équipements, ce qui représente un enjeu majeur pour le secteur de la production et de la distribution d'électricité.
Concernant les applications grand public des alimentations, celles-ci sont soit intégrées à l'équipement et font partie intégrante du système, soit externes, comme les chargeurs USB. Les législateurs travaillent à un système de classification des niveaux de réparation afin de privilégier la réparation au remplacement, d'un point de vue à la fois environnemental et économique. Ce projet s'inscrit dans le cadre du groupe de travail 2024, qui collabore avec l'industrie pour définir des classifications pertinentes, bénéfiques aux utilisateurs finaux et à l'environnement.
Compte tenu du haut niveau d'intégration et des pratiques de fabrication actuelles, comme l'utilisation de composants en plastique scellés tels que les adaptateurs externes, ces composants pourraient ne pas être considérés comme réparables. Toutefois, les fabricants pourraient être tenus de garantir l'assistance et le service après-vente pendant dix ans. De même, pour les alimentations intégrées aux équipements répertoriés, les fabricants devront garantir la disponibilité des pièces de rechange pendant toute la durée de vie de ces équipements.
Aux niveaux de puissance les plus élevés, en ce qui concerne la réglementation sur l'écoconception relative à la consommation d'énergie, les serveurs et le stockage de données sont déjà inclus dans la proposition, et les fabricants d'alimentations électriques travaillent en étroite collaboration avec les représentants européens pour développer des solutions d'alimentation qui répondent aux besoins de réparation, mais qui garantissent également une durée de vie opérationnelle plus longue.
Dans une perspective d'économie circulaire, jusqu'à 80 % de l'impact environnemental d'un produit peut être déterminé dès sa conception. Lors de la conception d'une alimentation électrique pour un centre de données, l'efficacité énergétique est une priorité absolue, et les concepteurs utilisent les technologies les plus récentes, telles que les semi-conducteurs à large bande, pour garantir des performances optimales. Concernant la durée de vie, d'importants efforts sont déployés pour sélectionner des composants capables de conserver leurs performances initiales pendant plus de dix ans en conditions d'utilisation normales. Toutefois, les concepteurs doivent également intégrer la réparabilité dans la conception mécanique, ce qui peut impliquer une approche modulaire facilitant la maintenance et, en fin de vie, le recyclage.
Pour de nombreux concepteurs, ce sera une nouvelle façon de travailler, mais pour ceux qui ont l'habitude de développer des solutions énergétiques pour le renouvellement et la modernisation des systèmes, ce n'est rien de vraiment nouveau et bon nombre des meilleures pratiques mises en œuvre dans ce secteur sont déjà conformes à la future réglementation en matière d'écoconception.
Avant même les réglementations en matière d'écoconception, la réutilisation, la réparation et l'allongement de la durée de vie étaient déjà la norme dans le secteur ferroviaire.
Au-delà des objectifs de l'écoconception dans les segments de consommation, de nombreuses applications industrielles exigent des fabricants de systèmes d'alimentation électrique qu'ils fournissent des solutions énergétiques pour le renouvellement et la modernisation des installations. Parmi tant d'autres, le secteur des transports, et en particulier le secteur ferroviaire, illustre parfaitement ce qui pourrait être appliqué à d'autres secteurs en matière de réutilisation, de réparation et d'allongement de la durée de vie.
Un bon exemple est celui de la Société Nationale des Chemins de Fer (SNCF), l’opérateur ferroviaire public français, qui a annoncé en septembre 2023 que, dans le cadre de son engagement en faveur du développement durable, SNCF Voyageurs et sa Direction du Matériel Roulant s’engageaient à optimiser l’utilisation et la durée de vie de leurs trains à toutes les étapes de leur cycle de vie : rénovation en milieu et en fin de vie pour prolonger leur durée de vie et lutter contre l’obsolescence, recyclage et réutilisation des pièces détachées, etc. Pour atteindre cet objectif, la SNCF a annoncé le lancement d’un important projet de rénovation et de modernisation de 104 trains à grande vitesse (TGV) afin de lutter contre l’obsolescence (Figure 02).
Figure 02 - La SNCF renouvelle 104 rames TGV afin de prolonger la durée de vie de sa flotte actuelle. (Source : PRBX/SNCF)
Ces 104 rames participantes ont été évaluées au cours du quatrième trimestre 2023 et du premier trimestre 2024. Plusieurs critères seront pris en compte pour décider du sort de chaque rame, notamment l'état de sa structure, de ses composants métalliques, de sa chaudière, de ses bogies et de ses installations électriques, y compris les alimentations. Sur la base de ces critères, les rames seront classées en trois catégories :
1. Celles en parfait état resteront en service mais feront l'objet d'une rénovation pour améliorer le confort des passagers.
2. Celles nécessitant une fiabilité accrue et des travaux de rénovation en raison de leur ancienneté.
3. Celles qui seront retirées du service en raison de l'obsolescence de certaines pièces (composants électroniques ou état du châssis). Ces rames mises hors service serviront de banque de pièces détachées, car elles contiennent jusqu'à 3 000 composants potentiellement récupérables qui pourront être réutilisés pour réparer d'autres rames.
Le projet de rénovation de la SNCF illustre parfaitement les principes de l'écoconception : réutilisation, réparation et prolongation de la durée de vie, appliqués au secteur industriel. La réutilisation des pièces pour réduire les déchets et optimiser les ressources fait partie intégrante du processus de gestion du cycle de vie des équipements de la SNCF depuis longtemps. Au lieu d'acheter des pièces neuves, la rénovation et la réparation de 500 000 pièces détachées de TGV chaque année permettent de réaliser une économie annuelle de 500 millions d'euros.
Conception des alimentations électriques pour le renouvellement du matériel roulant : le paradoxe des nouvelles technologies.
La gamme d’alimentations électriques nécessaires aux compagnies ferroviaires lors du renouvellement de leurs trains est très vaste, englobant aussi bien les modules basse consommation que les convertisseurs haute puissance pouvant atteindre plusieurs centaines de kilowatts (Figure 03). À bord d’un train, de nombreuses alimentations sont intégrées à des sous-ensembles, comme l’éclairage LED avec alimentations et contrôleurs intégrés. Cependant, plusieurs systèmes requièrent des solutions d’alimentation indépendantes conformes aux dernières réglementations.
En général, les entreprises de rénovation utilisent des références approuvées par les constructeurs ferroviaires, et environ 80 % des composants requis sont disponibles sur étagère (COTS) auprès de fabricants d'alimentations électriques certifiés, conformes aux normes ferroviaires. Cependant, lors de la rénovation et de la modernisation de trains construits il y a plusieurs décennies, 20 % des alimentations électriques nécessitent des fonctionnalités supplémentaires, une densité de puissance plus élevée, une consommation d'énergie réduite et de nombreuses autres spécifications, souvent avec la nécessité de les intégrer dans un boîtier existant conçu spécifiquement pour l'application (Figure 04).
Figure 04 - Chargeur de batterie nickel-cadmium PRBX 110 V CC, 10 kW pour la modernisation des batteries au plomb-acide dans les applications ferroviaires. (Source : PRBX)
En matière de renouvellement ou de modernisation, l'industrie ferroviaire suit le même modèle que les autres et, face à la demande croissante de densité de puissance plus élevée et de consommation plus faible, les concepteurs de systèmes électriques étudient désormais l'application de semi-conducteurs à commutation à large bande (WBG), de nitrure de gallium (GaN) et de carbure de silicium (SiC).
Les diodes SiC sont utilisées depuis des décennies dans l'alimentation électrique des réseaux ferroviaires, mais les transistors de puissance à commutation sont relativement nouveaux dans ce domaine. Étant donné que la durée de vie des équipements ferroviaires peut dépasser 20 ans, la fiabilité et la pérennité de la chaîne d'approvisionnement sont primordiales. La mise en œuvre d'une nouvelle technologie exige donc une évaluation technique approfondie et la garantie que la chaîne d'approvisionnement puisse assurer le support produit pendant plus de 20 ans.
Dans le cadre de la validation d'une nouvelle technologie pour les applications ferroviaires exigeantes, l'électrification parallèle d'autres applications de transport et de machines contribue à accélérer l'adoption par le marché et à renforcer la confiance dans le WBG et, en particulier, dans le SiC. L'industrie automobile a mené des recherches approfondies pour valider la technologie WBG et l'adoption du SiC et du GaN dans les groupes motopropulseurs et les chargeurs de batteries, ouvrant ainsi la voie à l'adoption de cette technologie par d'autres secteurs.
Dans le domaine de la conversion de puissance par découpage, de nombreux projets utilisent des MOSFET en carbure de silicium (SiC) au lieu d'IGBT. Le projet de recherche MUSiCel, mené à l'Institut Fraunhofer d'économie de l'énergie et de technologie des systèmes électriques, mérite d'être mentionné. Grâce à l'utilisation de semi-conducteurs SiC à large bande innovants, ce projet a permis d'atteindre une puissance de 250 kW à une fréquence de commutation de 50 kHz, avec un rendement supérieur à 98 % sur toute la plage de puissance (un rendement de 98,8 % a même été mesuré à 100 kW) (Figure 5). Initialement conçu pour l'électrification des machines agricoles et de construction, le projet MUSiCel peut également être appliqué aux systèmes de conversion ferroviaires de forte puissance. Ces travaux contribueront sans aucun doute à l'adoption du SiC dans les conceptions futures.
Figure 05 - Convertisseur CC-CC SiC de 250 kW développé dans le cadre du projet Fraunhofer IEE MUSiCel (Source : PRBX/Fraunhofer IEE)
Il est essentiel d'étudier la faisabilité, la fiabilité et les avantages par rapport aux technologies précédentes, mais pour les constructeurs ferroviaires, il est crucial de garantir la pérennité de la chaîne d'approvisionnement tout au long du cycle de vie des équipements. À l'instar de la technologie MOSFET, les fabricants de semi-conducteurs WBG ont investi dans des sites de production à grande échelle ou des partenariats, et l'on observe également plusieurs acquisitions, comme celle de GaN Systems par Infineon et celle de Transphorm par Renesas. La chaîne d'approvisionnement WBG pour le SiC et le GaN atteint désormais sa maturité, assurant ainsi la disponibilité à long terme indispensable des composants.
En conclusion :
à la question « Écoconception, réutilisation, réparation, durée de vie prolongée et nouvelles technologies : un nouveau paradoxe ? », la réponse n’est ni « oui », ni « non ». En réalité, comme dans le secteur ferroviaire que nous avons pris comme exemple, l’industrie dans son ensemble devra prendre en compte tous ces aspects lors de la conception de nouveaux produits. L’écoconception de l’UE instaure une nouvelle méthode de travail, et de l’amélioration de l’efficacité énergétique à l’allongement de la durée de vie des équipements finaux, l’électronique de puissance jouera un rôle prépondérant. Une chose est sûre : c’est une formidable opportunité pour les concepteurs de systèmes de puissance d’explorer de nouvelles pistes.
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Références :
Powerbox (PRBX) :
https://www.prbx.com/
Chaîne écologique
https://ecochain.com/
SNCF
https://www.sncf.com/fr
Fraunhofer IEE
https://www.iee.fraunhofer.de/en.html
À propos de l'auteur :
Patrick Le Fèvre, directeur marketing et communication chez Powerbox, est un expert en communication et ingénieur qualifié, fort de 40 ans d'expérience dans le secteur de l'électronique de puissance. Pionnier dans la commercialisation de nouvelles technologies telles que l'énergie numérique et dans les initiatives techniques visant à réduire la consommation d'énergie, il a rédigé et présenté de nombreux livres blancs et articles lors de conférences internationales majeures sur l'électronique de puissance. Ces publications ont été reprises plus de 450 fois dans la presse internationale. Il participe également à divers forums environnementaux, où il partage son expertise et ses connaissances en matière d'énergies propres.
