Par Jeremy Cook
Notre société connaît une poussée concertée en faveur de l'électrification de tout, dans le cadre d'un objectif plus large visant à passer des combustibles fossiles aux sources d'énergie renouvelables. L'électrification va des voitures alimentées par batterie au remplacement des cuisinières à gaz par des tables de cuisson électriques, soutenue par la mise à jour des infrastructures et des technologies de réseaux intelligents. Des dispositifs tels que les transistors au carbure de silicium (SiC) se distinguent par le fait qu'ils permettent une commutation efficace, de même que les dispositifs de mesure qui permettent la mise en place de réseaux énergétiques intelligents.
Applications d'électrification
De manière générale, l'électrification de tout a commencé il y a plusieurs décennies, plus pour ses avantages inhérents que pour des préoccupations environnementales. L'entretien des pelouses, par exemple, était autrefois une entreprise essentiellement alimentée au gaz ou à l'énergie humaine. Aujourd'hui, les consommateurs peuvent acheter une tondeuse à gazon électrique qui ne nécessite aucun appoint de carburant et qui est beaucoup plus silencieuse que son homologue à combustion. Cette même technologie nous permet d'utiliser des outils électriques sans fil ainsi que des tondeuses robots encore plus sophistiquées qui entretiennent la pelouse à notre place.
Dans le cas du smartphone, on peut supposer que l'électrification de tout permet d'unifier si ce n'est tout, au moins beaucoup de choses. Ce smartphone tout-en-un comprend un appareil photo, un enregistreur vidéo, une calculatrice, un localisateur GPS et une bibliothèque, comme on n'en a jamais vu auparavant dans le monde. Les smartphones et l'informatique miniaturisée, en général, affectent presque tous les aspects de nos vies électrifiées.
Considérez ces domaines dans lesquels l'électrification est appelée à prendre de l'ampleur :
Application n°1 : transport personnel
Actuellement, il y a environ 4 millions de véhicules électriques (VE) qui circulent sur les roues aux États-Unis et, selon les estimations, ce nombre atteindra 33 millions d'ici 2030. Nous avons également assisté à la prolifération généralisée des vélos électriques (e-bikes), qui constituent une option de transport personnel efficace dans de nombreuses circonstances. L'US Energy Information Administration rapporte qu'en 2022, les transports représentaient 27 % de la consommation d'énergie primaire. Une électrification supplémentaire dans ce secteur pourrait représenter un changement majeur dans la consommation de combustibles fossiles.
L'électrification s'applique également au secteur public, qu'il s'agisse de bus électrifiés ou de trains à grande vitesse fonctionnant à l'électricité. Ceci, associé à la prolifération des vélos électriques, pourrait contribuer à réduire le trafic et la consommation d'énergie globale par personne au km par rapport aux automobiles traditionnelles. En tant que victoire actuelle de l'électrification, notre recours accru au télétravail se traduit par une réduction de la nécessité d'être « présent » en personne. Bien que cela ne puisse pas être classifié comme « transport électrifié » au sens strict, cela élimine une grande partie de la nécessité de se déplacer personnellement, ce qui engendre le même effet.
Application n°2 : gestion des bâtiments
La gestion des bâtiments devrait s'électrifier davantage au cours des prochaines années, en particulier au niveau du chauffage des bâtiments. Traditionnellement, la chaleur provient de la combustion de combustibles fossiles sur place pour chauffer directement ou indirectement une zone. Cela peut être un foyer et une cheminée, un système de chauffage domestique alimenté au gaz naturel ou le réseau de radiateurs de tout un immeuble qui utilise de la vapeur.
L'apport de chaleur électrique constitue une solution de remplacement efficace. Le processus de chauffage électrique de base consiste à appliquer de l'électricité à une résistance, qui évacue l'excès d'énergie via la chaleur. Ce qui est typiquement une inefficacité et une nuisance (la chaleur dans les appareils électroniques tels que les ordinateurs qui doit être refroidie) est le résultat souhaité. Par ailleurs, l'utilisation de l'électricité pour le chauffage par résistance directe est généralement plus coûteuse que la combustion de gaz ou d'autres combustibles fossiles.
Comme nous l'expliquons en détail ici, une solution de chauffage électrique plus efficace consiste à utiliser une pompe à chaleur. Cette dernière transfère indirectement la chaleur dans une maison via un cycle de compression et fonctionne de manière inverse comme un climatiseur. Bien que ce système de chauffage ne soit pas idéal à des températures extérieures extrêmement basses, il est efficace pour chauffer les bâtiments dans la plupart des climats.
Bien entendu, la gestion de la température n'est pas le seul aspect à prendre en compte pour maintenir un bâtiment dans son état optimal. Les systèmes d'incendie et de sécurité sont également importants, et la maintenance globale peut être facilitée par l'apprentissage automatique et les techniques prédictives. Les fonctionnalités de l'interface utilisateur sont généralement accessibles à partir d'un ordinateur ou d'un smartphone standard, ce qui permet d'utiliser efficacement des appareils polyvalents pour tout, plutôt que des terminaux dédiés.
Application n°3 : processus industriels
Le chauffage industriel est une application notable où l'électrification est confrontée aux mêmes défis fondamentaux que les scénarios de gestion des bâtiments. De nouvelles technologies adaptées à l'industrie sont en cours de développement, telles que des kits de modernisation permettant de remplacer efficacement les brûleurs à gaz par des éléments chauffants électriques. Outre le passage des combustibles fossiles au chauffage électrique, des efforts sont en cours pour rendre les installations de chauffage existantes plus efficaces, ce qui pourrait alléger les besoins en énergie en général.
Au-delà du chauffage, les industries peuvent s'intéresser à d'autres inefficacités énergétiques des procédés, comme la réduction de l'utilisation de l'air comprimé ou le remplacement des ampoules à incandescence par des éclairages LED plus efficaces. De tels projets peuvent avoir un retour sur investissement immédiat et facilement mesurable et constituer une victoire au niveau de l'entreprise et de l'environnement en général.
Technologie habilitante n°1 : technologies de réseaux intelligents
Si l'électrification de tout semble être un objectif noble, la pierre d'achoppement est le fait que nos infrastructures sont construites pour les besoins d'aujourd'hui. Une électrification plus poussée implique une demande électrique accrue et nécessite une fourniture robuste et flexible. Un concept innovant est celui d'une « centrale électrique virtuelle » où les ressources renouvelables et les entités de stockage sur réseau sont fusionnées et soigneusement gérées pour utiliser correctement des sources d'énergie disparates. Ce concept nécessite des capacités telles que le comptage bidirectionnel et une structure de contrôle sophistiquée pour assurer le fonctionnement optimal des réseaux énergétiques intelligents.
Les composants de réseau intelligent tels que les transistors au carbure de silicium, les IGBT de haute qualité et les MOSFET en silicium plus traditionnels permettent de gérer l'énergie avec un minimum de perte entre les sources et les consommateurs d'énergie (l'un ou l'autre pouvant changer de rôle en fonction de la situation). Les technologies de mesure du courant seront essentielles pour savoir quand fournir de l'électricité aux ressources ou en consommer dans un réseau électrique intelligent et comment facturer ces situations changeantes.
Technologie habilitante n°2 : avancées dans la technologie des batteries portables
Alors que le chauffage de processus nécessite incontestablement des branchements, de nombreux « objets » électrifiés sont portables et nécessitent donc des alimentations électriques autonomes (batteries). Les récentes avancées dans le domaine des batteries, en particulier les technologies d'ions au lithium (Li-ion) et de lithium-polymère (Li-Po) rendent possible l'utilisation de dispositifs portables tels que les voitures électriques et les smartphones.
Du point de vue des appareils portables, il faut s'attendre à de nouveaux développements dans la technologie des batteries Li-Po/Li-ion, ainsi que dans l'infrastructure de fabrication associée, qui permettent de produire davantage de cellules. Parallèlement, la technologie actuelle des batteries présente des limites. Il est possible que nous assistions dans un avenir relativement proche à un paradigme de batterie fondamentalement nouveau. Comme expliqué ici, des chercheurs expérimentent le graphène pour stocker l'énergie électrique, qui permettrait des cycles de charge et de décharge électriques nettement plus rapides que ceux qu'il est possible d'obtenir actuellement.
Progrès futurs, électrification plus poussée
La question du rythme et de la méthodologie de l'électrification reste ouverte Sauf circonstances imprévues massives, la tendance est certainement à davantage d'électrification. L'augmentation de la puissance de calcul à la périphérie et dans le cloud via les dispositifs IoT contribuera à faire avancer les choses du point de vue de l'infrastructure, de même que les progrès réalisés dans le domaine du SiC et d'autres technologies connexes.
Cependant, quelle que soit l'évolution de l'électrification au cours des prochaines décennies, elle pourrait, à l'instar de la prolifération des smartphones, passer inaperçue et ne pas être prise en compte de manière consciente. À un moment donné, ces voitures électriques, vélos électriques et autres technologies nouvellement électrifiées seront à nos portes, tacitement acceptées et (espérons-le) rendront notre monde meilleur. D'autre part, des efforts supplémentaires sont nécessaires pour rendre ces technologies viables et mettre en œuvre les améliorations de l'infrastructure des réseaux intelligents qui alimenteront notre monde de plus en plus électrifié.
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