L'augmentation du prix du gaz, les restrictions sur les livraisons de pétrole et la nécessité permanente de financer les énergies renouvelables contribuent à faire grimper les factures énergétiques à des niveaux inédits. Si l'on ajoute le renforcement constant des réglementations sur l'efficacité énergétique des nouveaux logements et que l'on saupoudre le tout de quelques pompes à chaleur pour le chauffage, on obtient un marché prêt à accueillir une nouvelle génération d'appareils électriques. Quels défis les logements doivent-ils relever en matière d'efficacité énergétique ? Où perdent-ils en général de l'énergie ? Et en quoi les appareils électriques peuvent-ils aider ?
À quelles difficultés les logements sont-ils confrontés ?
Bien que la troisième année de pandémie de COVID soit déjà bien entamée, les effets des confinements mis en place à travers le monde pour tenter d'endiguer la propagation du virus se font encore sentir. Sans aller trop en profondeur, ces multiples confinements ont entraîné la fermeture de milliers d'entreprises, désorganisé les chaînes logistiques, étranglé la fourniture de semi-conducteurs et fait chuter les performances économiques tandis que les gouvernements empruntaient de fortes sommes pour tenter de compenser la perte de revenus de citoyens qui ne pouvaient plus travailler.
À présent, l'augmentation du coût de la vie combinée à l'inflation réduit le pouvoir d'achat de la plupart des gens et joindre les deux bouts devient plus difficile avec la stagnation des salaires. Pour compliquer encore les choses, la hausse des coûts de l'énergie due à la guerre russo-ukrainienne pèse lourdement sur les foyers, dont un grand nombre doit faire des sacrifices sur le chauffage.
Enfin, des contraintes réglementaires sur les rendements énergétiques continuent d'être promulguées et restreignent ce qui peut ou ne peut pas être vendu. Bien que ces législations contribuent à réduire les factures énergétiques et les rejets de carbone au niveau des pays, elles posent aux ingénieurs des problèmes de conception qui ne sont pas si faciles à résoudre.
Où les logements perdent-ils en général de l'énergie ?
Pour améliorer l'efficacité énergétique d'un logement, il faut absolument commencer par identifier toutes les sources de déperdition d'énergie. La plus importante est de loin la perte de chaleur due à une isolation insuffisante. C'est pourquoi tous les logements modernes sont tenus d'être fortement isolés au niveau des toits et des murs (on notera avec intérêt l'existence d'un vif débat pour savoir s'il faut laisser des cavités dans les murs face aux risques d'accumulation d'humidité).
Sous les climats froids, la perte thermique se traduit par un échappement d'air chaud de la maison, directement ou par transfert thermique de l'air chaud intérieur qui chauffe les extrémités de la maison, laquelle se refroidit alors. Sous les climats chauds, cette perte thermique est identique, mais opposée : l'air chaud s'échappe au-dehors et/ou les extrémités chaudes du bâtiment réchauffent l'air intérieur. Dans les deux cas, il faut de l'énergie pour maintenir une température intérieure stable, et une mauvaise isolation se traduira par de lourdes factures énergétiques dues à ce transfert thermique.
L'éclairage est une autre source importante de consommation d'énergie dans les logements modernes. Les ampoules à filament de tungstène classiques ont été éliminées sur la plupart des marchés du monde, notamment aux États-Unis et au Royaume-Uni, en raison de leur rendement très médiocre mais, même avec des ampoules LED ou fluorescentes, l'éclairage reste très gourmand en énergie. C'est pourquoi éteindre la lumière dans les pièces non utilisées est un bon moyen de réduire les factures énergétiques.
Les appareils en mode veille peuvent également contribuer à la consommation d'énergie, même s'ils sont techniquement « inactifs ». Des circuits d'alimentation électrique bien conçus ne devraient tirer que peu, voire pas, de courant dans ce mode, mais les adaptateurs électriques bon marché peuvent chauffer, y compris lorsqu'ils ne sont pas utilisés (en général à cause de l'emploi de régulateurs linéaires et d'une mauvaise gestion de la puissance).
Les appareils à forte consommation électrique comme les lave-linge, les aspirateurs et les lave-vaisselle, peuvent également gaspiller de l'électricité à travers leur fonctionnalité de conversion d'énergie. Ces appareils électriques peuvent parfois nécessiter une tension CC pour entraîner des équipements inductifs (moteurs, bobines, etc.). Cette conversion peut provoquer d'intenses déperditions.
Enfin, les logements dotés de sources d'énergie renouvelables (comme le solaire ou l'éolien) peuvent gaspiller de l'énergie s'ils ne sont pas équipés de systèmes de stockage à batteries. Lors des pics de production d'énergie, si l'électricité générée par les sources renouvelables n'est pas utilisée, elle est perdue.
Quelles sont les solutions énergétiques qui s'offrent pour les logements ?
Lorsqu'une porte se ferme, une autre s'ouvre. Cela ne pourrait pas être plus vrai dans le domaine de l'efficacité énergétique. Le renforcement des réglementations sur le rendement énergétique des appareils, auquel s'ajoute la hausse des prix de l'énergie, fait que le moment est idéal pour que les ingénieurs se penchent sur les toutes dernières méthodes visant à améliorer ce rendement.
Puisque la chaleur est le principal facteur de déperdition, les gradients de température fournissent à ces ingénieurs une excellente occasion d'extraire et de récupérer de l'énergie. Par exemple, les pompes à chaleur commencent à remplacer les chaudières à gaz. En effet, elles ne dépendent que de l'électricité, leur installation est plus sûre et elles peuvent déplacer l'énergie thermique plus efficacement (les pompes à chaleur pouvant servir à la fois au chauffage et au refroidissement).
La progression rapide de l'IoT et des appareils basse consommation devrait aussi stimuler l'utilisation de collecteurs d'énergie. Les ingénieurs pourront ainsi étudier des sources d'énergie moins usuelles, comme les revêtements de sols piézoélectriques qui produisent de l'électricité quand on marche dessus ou les générateurs thermoélectriques qui peuvent être fixés à des conduites chaudes pour produire de l'énergie.
Le développement des logements intelligents présente, lui aussi, de nouvelles occasions d'améliorer le rendement énergétique. Avec l'augmentation du nombre d'appareils dans les foyers, trouver des sources d'énergie permanentes pourrait devenir impossible, ce qui obligera à utiliser des techniques de collecte.
L'adoption croissante des véhicules électriques offre également des occasions remarquables dans le domaine de l'énergie renouvelable pour les réseaux électriques. Puisqu'il est impossible de stocker les énergies renouvelables lorsqu'elles sont à leur pic de production, il est difficile de se reposer entièrement sur ces sources d'énergie. Mais des véhicules électriques connectés au réseau pourraient se comporter comme des batteries virtuelles qui se chargent et se déchargent pour stabiliser la puissance. Les propriétaires de véhicules contribuant à ce système pourraient se voir attribuer des crédits leur permettant de recharger gratuitement leur voiture ou bénéficier d'incitations financières.
Les futurs logements intelligents pourraient même combiner les tarifs de l'énergie en temps réel avec des appareils connectés pour déterminer le meilleur moment auquel faire fonctionner des équipements comme les lave-linge et les lave-vaisselle. Les propriétaires de logements pourraient charger le lave-vaisselle et programmer des modes de démarrage économique. Plus tard, au moment où l'énergie atteindrait son pic de production (et donc, serait la moins chère), le logement intelligent pourrait faire démarrer l'appareil.
Comment les logements à haut rendement énergétique pourraient-ils être le prochain grand marché pour les appareils électriques ?
Il est évident que le besoin d'améliorer l'efficacité énergétique dans la vie de tous les jours, que ce soit pour des raisons environnementales, gouvernementales ou économiques, est devenu crucial. Heureusement pour les ingénieurs électroniques, la plupart des appareils font appel à l'électricité comme principale source d'alimentation. Par ailleurs, les logements du futur se passeront peut-être totalement de raccordement aux réseaux de gaz. Les équipements électriques seront alors vitaux à toutes les étapes de la production et de l'utilisation de l'énergie.
Tous les appareils utilisés par les propriétaires de logements devront être aussi efficaces que possible, depuis les plus faibles consommateurs d'énergie comme les capteurs IoT à faible consommation et sans batterie jusqu'aux puissants moteurs utilisés dans les pompes à chaleur et les lave-linge. Les appareils à faible consommation qui utilisent des collecteurs d'énergie devront être capables d'extraire des nanowatts d'énergie des sources de vibrations et des fréquences radio parasites. Cela nécessitera des convertisseurs CC-CC efficaces pouvant se loger dans les espaces les plus réduits. Les appareils à consommation élevée nécessiteront, eux, de nouvelles solutions pour traiter efficacement de forts niveaux de courant et de tension. Dans ce domaine, les technologies SiC et GaN se montrent très prometteuses.
Bien que les véhicules électriques soient bons pour l'environnement, les courants et les tensions extrêmement élevés utilisés pour les charger peuvent provoquer de lourdes pertes. De ce point de vue, les chargeurs de VE peuvent représenter un marché privilégié pour les équipements électriques visant à améliorer l'efficacité énergétique. Si l'utilisation de batteries virtuelles se répand effectivement, ces équipements devront aussi être bidirectionnels et occasionner très peu de pertes de conversion.
Les prises électriques et les commutateurs d'éclairage présents dans les logements représentent également un marché potentiel pour les dispositifs d'alimentation. Puisque les coupures d'alimentation dans les espaces inutilisés des logements peuvent être une source sensible d'économies d'énergie, des prises et des commutateurs intelligents pourraient servir à désactiver automatiquement l'arrivée d'électricité dans les pièces inoccupées. En ajoutant à ces solutions des capteurs intelligents et une infrastructure cloud, les logements pourraient même prévoir les habitudes de comportement des occupants pour savoir à quel moment l'énergie sera nécessaire et donc prendre des décisions susceptibles d'en optimiser la fourniture, ce qui en réduira l'utilisation.
Conclusion
L'efficacité énergétique a toujours eu son importance, mais l'augmentation du coût de la vie, la hausse du prix des carburants et le renforcement des réglementations publiques en font un facteur fondamental de la conception des produits. Cependant, rien n'est jamais tout noir et ce besoin d'augmenter les rendements énergétiques représente une fantastique occasion pour les amplificateurs de puissance et les convertisseurs. Le remplacement des chaudières à gaz par des pompes à chaleur permet aux ingénieurs électroniques d'influer sensiblement sur l'efficacité des systèmes de chauffage. L'utilisation d'appareils IoT dans les logements fait naître le besoin de systèmes de collecte de l'énergie capables d'extraire celle-ci depuis les plus petites sources. Enfin, l'introduction des véhicules électriques à grande échelle oblige maintenant à équiper les logements de systèmes de chargement à même de tirer le maximum du moindre watt.