Dans cette série de quatre articles de blog, nous aborderons le mode de vie durable et la manière dont il sera possible d'économiser davantage d'énergie à l'avenir grâce aux nouvelles méthodes de production d'énergie, aux nouvelles technologies des matériaux et aux techniques de conception les plus récentes.

La volonté de recourir aux énergies renouvelables pour atteindre la productivité et l'efficacité

Comment répondre à la demande pour une véritable durabilité :
L’électrification est un élément essentiel de l’objectif mondial d’abandonner les combustibles fossiles pour des activités telles que le chauffage et les transports ; or, ces derniers devraient accroître la demande d’électricité dans les années à venir. Le secteur de l’énergie s’efforce de supprimer progressivement les centrales électriques conventionnelles fonctionnant aux combustibles fossiles et de les remplacer par des générateurs d’énergie renouvelable, généralement des parcs éoliens ou solaires. L’énergie des vagues (figure 1) peut accroître la capacité du mix énergétique, bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour déterminer son impact sur les courants de marée.

Les sources d’énergie renouvelables sont moins prévisibles que celles issues des combustibles fossiles. Pour parvenir à une véritable durabilité, l’énergie doit être extraite plus efficacement et les pertes d’efficacité lors de la conversion et du transport doivent être minimisées.

Production efficace :
Certaines études visant à améliorer le rendement des cellules photovoltaïques ont porté sur l’utilisation de matériaux avancés, tels que l’arséniure de gallium (GaAs), et de structures performantes, comme les cellules multijonctions. Ces dernières optimisent le rendement car elles captent l’énergie d’une plus grande proportion de photons absorbés, y compris les photons de faible énergie que les cellules à simple jonction ne peuvent exploiter. Elles sont composées de couches de cellules à simple jonction, chacune présentant une bande interdite distincte. Ces cellules sont empilées par ordre décroissant de bande interdite, de sorte que les photons de faible énergie créent des paires électron-trou dans les cellules des niveaux inférieurs.

Selon le tableau des meilleures cellules de recherche en termes d'efficacité, publié par le Laboratoire national américain des énergies renouvelables (NREL), la cellule photovoltaïque la plus efficace actuellement disponible est un concentrateur à quatre jonctions qui a atteint une efficacité de 47,3 % en juin 2022. Ce niveau est 20 % supérieur à celui des cellules en silicium cristallin et des cellules à jonction unique couramment utilisées dans les panneaux photovoltaïques.

La différence entre les cellules disponibles sur le marché et celles utilisées en recherche met en évidence le potentiel d'amélioration de la technologie solaire, mais souligne également l'importance du coût. Les technologies photovoltaïques plus récentes et plus complexes doivent offrir un prix au watt compétitif pour être adoptées par l'industrie.

De manière générale, toutes les étapes de la conversion solaire doivent améliorer leur rendement, notamment la conversion CC-CC, les onduleurs CC-CA et même les interconnexions électriques (figure 2). Ces interconnexions doivent être robustes et capables de résister à des conditions de manipulation et climatiques difficiles, comme la corrosion, sans augmentation excessive de la résistance ohmique.

Image : Les interconnexions des convertisseurs solaires, telles que les connecteurs SOLARLOK 2.0 de TE Connectivity (TE), doivent être robustes pour garantir leur durabilité et éviter toute détérioration susceptible de réduire la production d’énergie (source : TE Connectivity)

Si les cellules disponibles sur le marché atteignent un rendement supérieur à 40 %, elles atteindront le rendement théorique maximal des éoliennes (figure 3). Selon la loi de Betz, ce niveau maximal est de 59,3 %, bien que certains estiment que cette valeur devrait être interprétée comme un coefficient énergétique et non comme un coefficient de rendement. Cependant, les recherches de Betz et les travaux similaires ont été menés avant 1920. Les recherches du XXIe siècle, qui prennent en compte des facteurs tels que l'écoulement de l'air et la distribution de la pression et qui appliquent la dynamique des fluides numérique, suggèrent une limite comprise entre 30 % et 59,3 % (ceci exclut d'autres sources de pertes, comme le frottement des paliers).

Image : La limite de Betz décrit la proportion maximale d'énergie éolienne pouvant être obtenue (source : Mouser Electronics)

Il est clair qu'augmenter la capacité installée totale permettra de produire davantage d'électricité, puisque l'énergie éolienne et solaire est accessible quasiment partout. Au Royaume-Uni, les éoliennes ont récemment fait la une des journaux, fournissant une puissance record de 21,6 GW et couvrant plus de 50 % de la demande énergétique du pays en soirée.

Conversion efficace :
La puissance générée par les turbines et les cellules solaires étant relativement faible, il est crucial de minimiser les pertes d’énergie dans les systèmes de conditionnement associés. Une technique courante consiste à augmenter la tension du bus principal (par exemple, de 1 000 à 1 500 V), ce qui présente plusieurs avantages : elle permet d’utiliser des chaînes de panneaux solaires plus importantes, réduisant ainsi le nombre de boîtes de jonction et de câbles ; dans les générateurs solaires et éoliens, le passage à des tensions de bus plus élevées contribue à réduire les pertes par effet Joule (I²R).
Les technologies de semi-conducteurs à large bande interdite, telles que le carbure de silicium (SiC), sont essentielles à la mise en œuvre de ces améliorations. Les MOSFET en SiC peuvent présenter une tension de claquage beaucoup plus élevée par rapport à leur taille physique que les dispositifs en silicium conventionnels. De plus, les performances de commutation supérieures du SiC permettent d’utiliser des composants passifs plus petits pour stabiliser le flux de puissance au sein du système. Ceci contribue à réduire les coûts, à minimiser la taille des circuits et à diminuer les pertes dues aux effets parasites des composants, tels que les résistances ohmiques indésirables.

En optant pour des topologies de conversion plus efficaces, nous disposons de davantage de possibilités d'amélioration. Le redressement synchrone accroît le rendement de l'alimentation en éliminant les pertes liées à la diode de polarisation directe ; un MOSFET aux caractéristiques similaires est utilisé à la place, mais avec des pertes RDS(on) bien moindres.
Par ailleurs, l'utilisation de topologies de commutation résonante se généralise. Outre l'élimination des pertes associées aux circuits de commutation forcée classiques, la commutation résonante améliore également la fiabilité. Les économies potentielles sur la maintenance et le remplacement des équipements contribuent à réduire le coût global par watt d'électricité verte.

La concurrence accélère le progrès.
L'accès à une source d'électricité durable et abordable est un impératif mondial. Or, la concurrence stimule l'innovation, comme l'a démontré le Little Box Challenge de Google entre 2014 et 2016. L'objectif était de réduire de 90 % la taille d'un onduleur de 2 kW, le faisant passer de celle d'une glacière à celle d'un ordinateur portable. La miniaturisation des onduleurs ouvre la voie à de nombreuses améliorations, telles que les micro-réseaux et l'énergie photovoltaïque accessible au grand public. Le défi de Google imposait une taille maximale de 40 pouces cubes et un rendement supérieur à 95 %. Certaines équipes ont atteint cet objectif, et celle qui a obtenu les meilleurs résultats, avec notamment une densité de puissance de 145 watts par centimètre cube, a remporté un prix d'un million de dollars. Le moment est-il venu de lancer un nouveau défi similaire pour réaliser de nouvelles avancées ?

Conclusion : Nous n’en sommes plus très loin.
L’effet cumulatif de toutes ces améliorations – un rendement photovoltaïque accru, des topologies de conversion de puissance avancées et des semi-conducteurs à large bande interdite offrant des tensions de bus et une densité de puissance plus élevées – augmente significativement la production mondiale d’énergie ambiante. Selon le Forum économique mondial, les énergies renouvelables pourraient satisfaire tous nos besoins d’ici 2050, bien que cette prévision soit soumise à de nombreuses conditions, telles que la coopération interrégionale et l’interconnexion des réseaux. Pour atteindre cet objectif et surmonter tous les défis pratiques et climatiques, nous devrons poursuivre le développement technologique afin d’améliorer la productivité, l’efficacité et l’accessibilité financière.

Stockage connecté : un pilier du réseau vert

Lorsqu'on pense à un réseau électrique alimenté par des énergies renouvelables, on imagine souvent un parc éolien (image 1) et une centrale solaire. Dans ces cas, contrairement aux centrales conventionnelles, la disponibilité de l'électricité ne peut être ni contrôlée ni prévue. Pour gérer l'incertitude liée à la quantité et au moment de la production, un système de stockage d'énergie connecté au réseau est indispensable pour équilibrer l'offre et la demande, tant sur le plan temporel que quantitatif. Ce système doit pouvoir stocker l'énergie excédentaire lorsque les conditions sont favorables, et compenser les déficits lors de conditions moins optimales, notamment la nuit en l'absence d'ensoleillement. Il doit pouvoir gérer les pics de consommation ponctuels et les fortes charges, comme celles des bornes de recharge rapide pour véhicules électriques. Pour répondre aux attentes des consommateurs, ce système de stockage massif et connecté au réseau doit être installé sur les sites de production et à d'autres points stratégiques de l'infrastructure.

Image : Le stockage d’énergie d’un volume adapté à l’approvisionnement public devra inclure des installations de batteries dans les centrales de production (source : Mouser Electronics)

D'un autre côté, on trouve ce que l'on pourrait appeler des « prosommateurs » (combinaison de producteur et de consommateur), qui possèdent des générateurs privés pour leurs besoins locaux et qui injectent le surplus dans le réseau ; ceux-ci ont également besoin d'un stockage au sein de leurs propres installations ou à domicile pour équilibrer l'offre et la demande disponibles.

Emplacement, taille et technologie :
pour être efficace, le stockage d’énergie raccordé au réseau doit offrir une grande capacité ; il doit également être fiable, abordable et avoir une longue durée de vie. La planification du stockage d’énergie raccordé au réseau est une discipline relativement nouvelle. Le choix de l’emplacement et de la taille permettant un stockage adéquat aux endroits appropriés dépendra des profils de consommation, des charges environnantes et des performances des batteries (figure 2). L’évaluation de la capacité cubique de charge effective (ELCC) a été proposée comme une méthode utile pour calculer le niveau de stockage nécessaire à un réseau donné.

Image : Le stockage d’énergie par batterie sera connecté à de nombreux points du réseau (source : Mouser Electronics)

En matière de performance des batteries, la recherche de pointe a permis d'identifier des améliorations au niveau des matériaux, de la structure et de la conception des composants internes, tels que les électrodes. L'émergence des batteries lithium-soufre haute capacité en est un exemple : elles tirent parti de l'abondance du soufre pour compenser la demande mondiale de lithium. Ces batteries promettent une capacité de stockage d'énergie supérieure à celle des batteries lithium-ion (Li-ion) traditionnelles.

Les nanotechnologies peuvent également contribuer à résoudre les problèmes de stockage d'énergie. Des chercheurs ont démontré que les nanotubes de carbone peuvent stopper la croissance des dendrites — des filaments conducteurs indésirables qui se forment à l'intérieur de la batterie et provoquent des courts-circuits, entraînant à terme une panne — et ainsi améliorer la fiabilité et la durée de vie des batteries.

La technologie des batteries à l'état solide offre une densité énergétique supérieure à celle des batteries lithium-ion et améliore la sécurité grâce à l'élimination des électrolytes liquides. Bien que son développement ait été freiné par sa durabilité limitée, des recherches récentes sur des électrodes composées d'un mélange de titanate de lithium et de dioxyde de vanadium et de lithium pourraient permettre d'étendre l'utilisation commerciale des batteries à l'état solide.

Les prosummateurs utilisent généralement des batteries lithium-ion ou plomb-acide pour le stockage d'énergie à domicile. La technologie des batteries plomb-acide est éprouvée et fiable, mais elle est moins compacte et légère que les batteries lithium-ion et nécessite plus d'entretien. Cependant, leur prix plus abordable explique leur popularité persistante pour les installations résidentielles des prosummateurs. Outre l'aspect économique, la facilité d'utilisation joue également un rôle important pour inciter les propriétaires à privilégier les énergies renouvelables.

Les « prosommateurs » doivent avoir l'assurance que leur investissement sera suffisamment rentable sans qu'ils aient à devenir des experts en énergie ni à consacrer d'innombrables heures à la gestion de leur propre centrale de production. Un logiciel de gestion de système sophistiqué et convivial est essentiel pour garantir que le foyer utilise toujours la source d'énergie la plus économique et assure fiabilité et stabilité. Par exemple, le microgénérateur local pourrait servir à recharger les batteries, à alimenter les appareils ménagers ou à réinjecter de l'énergie dans le réseau, afin que celui-ci ne soit prélevé qu'en cas de besoin. Idéalement, tout cela se ferait au meilleur tarif possible.
Stockage pour les systèmes intégrés :
si nous voulons que l'électrification contribue au développement durable, un meilleur stockage est nécessaire à tous les niveaux, de la production d'électricité aux circuits imprimés tels que les points de connexion ou les passerelles IoT. Les petites batteries à semi-conducteurs, fabriquées par des procédés à couches minces, promettent une densité énergétique et une fiabilité supérieures aux technologies lithium-ion traditionnelles. La capacité de recyclage est également un facteur important, afin de réduire la pression sur les ressources minérales de notre planète et d'assurer un avenir meilleur.

Conclusion :
Nous aurons besoin d’importantes capacités de stockage d’énergie par batteries pour garantir la stabilité et la disponibilité de l’énergie, répondre aux exigences de la vie moderne et contribuer à un réseau électrique durable capable de soutenir l’électrification. Pour y parvenir, la technologie doit progresser. De nombreux projets de recherche prometteurs sont en cours, mais nous nous heurtons toujours au même obstacle : la fabricabilité et le coût des batteries. Les technologies de batteries pour véhicules électriques (VE) pourraient ouvrir la voie à de nouveaux développements : leur rentabilité et leurs exigences de performance pour une production de masse sont sans doute supérieures à celles de toute autre technologie. Si les batteries fonctionnent bien dans un VE, elles peuvent fonctionner partout ; de fait, les batteries de VE usagées semblent constituer une solution efficace et économique pour les applications connectées au réseau. Un logiciel de gestion peut faciliter la gestion des différentes sources d’énergie et des tarifs afin d’obtenir le meilleur équilibre possible entre valeur et stabilité.

Produire plus, consommer moins

Bien avant la crise climatique actuelle, les ingénieurs en électronique cherchaient depuis longtemps à réduire la consommation d'énergie grâce à la conception des produits. Une consommation d'énergie réduite se traduit par moins de chaleur, des dissipateurs thermiques plus petits, des composants d'alimentation plus compacts, un encombrement réduit pour la batterie et une durée de vie de celle-ci prolongée. De manière générale, il en résulte un produit plus attractif et plus commercialisable, offrant de meilleures performances sur le marché qu'un produit de conception moins sophistiquée.

L'amélioration de la conception de la batterie, en termes de capacité nominale, est motivée par la volonté de contribuer à la dépollution de la planète, mais elle constitue également un argument de vente très important pour les consommateurs soucieux de l'environnement.

Il est nécessaire de promouvoir l'innovation en matière d'économie d'énergie, depuis les circuits de conversion de puissance jusqu'aux systèmes intégrés qui exécutent l'application.

Conception basse consommation pour les adaptateurs :
Les normes d’écoconception imposent des objectifs de puissance et d’efficacité très ambitieux, notamment pour les chargeurs et les adaptateurs. Récemment, les États-Unis, l’Union européenne et la Chine ont étendu les exigences applicables à ce type d’équipement. Actuellement, la réglementation de niveau VI du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) et le règlement (UE) 2019/1782 relatif à l’écoconception imposent des exigences similaires en matière d’efficacité moyenne et de consommation à vide. Pour répondre à ces exigences, les principaux distributeurs se tournent vers la technologie des semi-conducteurs à large bande interdite (figure 1), en particulier le nitrure de gallium (GaN). Les transistors GaN constituent une option intéressante pour les niveaux de puissance inférieurs à 250 W spécifiés par les normes d’écoconception. Parmi leurs avantages par rapport aux transistors en silicium traditionnels, on peut citer de faibles pertes par conduction par rapport à la tension nominale, de faibles pertes de commutation à haute fréquence, une conductivité thermique élevée et une grande fiabilité à haute température de fonctionnement. De plus, ils offrent une combinaison plus avantageuse de tension nominale et de RDS(ON) que les MOSFET en carbure de silicium actuels. Grâce à ces transistors, les concepteurs d'alimentations atteignent des niveaux d'efficacité maximaux supérieurs à 96 %, le tout avec des unités plus légères et 30 % plus petites que les modèles précédents de même puissance.

Image : Les fabricants de semi-conducteurs ont commercialisé les technologies à large bande interdite et encouragent leur utilisation avec des conceptions de référence et des cartes d'évaluation (source : Texas Instruments)

Économies d'énergie en informatique :
les microcontrôleurs intégrés (MCU) sont depuis longtemps au cœur des technologies à très faible consommation et des techniques de conception de composants visant à optimiser les performances et la durée de vie des plus petits éléments de l'Internet des objets (IoT). Ces facteurs sont devenus essentiels ces dernières années, avec le déploiement massif de capteurs et d'actionneurs connectés à distance pour diverses applications de contrôle et de surveillance dans les bâtiments, les villes, les infrastructures et les usines intelligentes. Le remplacement de ces batteries sur site étant souvent impossible, la seule solution consiste à concevoir ces composants pour qu'ils fonctionnent sur toute leur durée de vie avec une petite batterie ou à intégrer les circuits nécessaires pour puiser l'énergie dans l'environnement. Travailler avec une source d'énergie aussi limitée exige une gestion rigoureuse du budget alloué à l'alimentation des équipements.

Les fabricants de processeurs et de microcontrôleurs ont développé des fonctionnalités d'économie d'énergie pour aider les concepteurs d'applications à atteindre les objectifs de performance et de consommation. La mise à l'échelle dynamique de la tension permet au dispositif d'ajuster sa fréquence et sa tension de fonctionnement afin de gérer les pics rapides de la demande de calcul, tout en maintenant une tension et une fréquence basses, minimisant ainsi la consommation d'énergie en période de faible demande. Les microcontrôleurs ultra basse consommation actuels offrent divers modes d'économie d'énergie permettant de désactiver les sous-systèmes et les périphériques, d'arrêter les horloges inutiles, de maintenir ou de réduire l'utilisation de la mémoire dynamique et d'optimiser le temps de reprise après la sortie de l'un de ces modes. Grâce à cette flexibilité, une application basse consommation peut activer rapidement uniquement les sous-systèmes nécessaires à une tâche donnée, effectuer le traitement correspondant à haute vitesse et remettre les circuits en veille le plus rapidement possible. D'autres innovations, telles que les accélérateurs d'accès mémoire pour le graphisme et l'exécution en temps réel, permettent d'économiser l'énergie habituellement perdue lorsqu'un processus doit attendre la fin d'un cycle d'accès complet. Il existe également des modes autonomes qui permettent aux périphériques de fonctionner lorsque le cœur est éteint, ainsi que des temporisateurs basse consommation qui permettent à certaines tâches simples de continuer à s'exécuter alors que la plupart des signaux de l'appareil et de l'horloge sont désactivés.

L’effet IA :
Par définition, accomplir plus de travail en moins de temps exige plus d’énergie ; pour inverser cette tendance, nous devons repenser nos méthodes de travail. L’intelligence artificielle (IA) ouvre la voie à cet égard, en gérant des tâches telles que l’analyse de formes pour la reconnaissance d’images et la détection d’anomalies plus efficacement que les techniques informatiques conventionnelles. Les fabricants de microcontrôleurs aident les développeurs à utiliser des réseaux neuronaux miniatures et d’autres frameworks d’apprentissage automatique (comme les arbres de décision) dans des systèmes embarqués, afin d’offrir des capacités avancées et une compréhension du contexte à très faible consommation, souvent avec une réponse en temps réel. Ceci a donné naissance à une nouvelle branche de la conception embarquée : l’apprentissage automatique miniature, qui utilise des frameworks légers tels que TensorFlow Lite et TinyML. Des frameworks similaires sont intégrés à des dispositifs tels que les capteurs inertiels afin qu’ils puissent effectuer de manière autonome des tâches comme la reconnaissance d’activité de base, permettant ainsi au système de fonctionner hors ligne et d’économiser de l’énergie.

En conclusion
, l'électrification, conjuguée au désir humain naturel de créer des machines plus performantes – plus rapides et plus efficaces – accroît la demande en électricité pour les appareils électroménagers et la recharge des batteries des appareils mobiles et sans fil. La conception de systèmes à très faible consommation peut favoriser l'émergence de la prochaine génération de machines, des dispositifs nous permettant de mieux contrôler nos vies et notre environnement ; toutefois, cette conception doit trouver le juste équilibre entre performance et consommation énergétique.

Auteur : Mark Patrick

Distributeur agréé
Mouser Electronics
www.mouser.com