Les circuits d'alimentation ont toujours joué un rôle essentiel en électronique, mais l'utilisation croissante des énergies renouvelables et le besoin de solutions de stockage d'énergie contribuent à accélérer le développement des dispositifs de puissance existants. Pourquoi les énergies renouvelables sont-elles confrontées à des défis en matière de stockage, comment ces défis pourraient-ils être résolus avec les véhicules électriques, et comment cela dynamiserait le secteur des dispositifs de puissance ?
Pourquoi le stockage de l'énergie est-il un gros problème pour les sources d'énergie renouvelables ?
Au cours des dernières décennies, les gouvernements ont été soumis à une pression croissante pour éliminer progressivement les combustibles fossiles au profit des sources d'énergie renouvelables, notamment l'énergie solaire, éolienne et hydroélectrique. À l'origine, cet élan vers les combustibles renouvelables s'expliquait principalement par le souhait de réduire les émissions mondiales de CO2, liées au réchauffement climatique. Toutefois, ces deux dernières années ont vu l'apparition de deux nouveaux facteurs dont l'impact est sans doute bien plus important que celui du réchauffement climatique : l'argent et la guerre.
La pandémie de COVID de 2020 a fait trembler l'économie mondiale et a entraîné une hausse du coût de la vie, une augmentation des taux d'intérêt et des défis logistiques. Ensuite, au début de l'année 2022, dans le contexte de la guerre entre la Russie et l'Ukraine, de nombreux pays se sont vus couper leur approvisionnement en pétrole de la Russie, provoquant une augmentation massive du prix de l'énergie (en particulier pour les habitants des pays européens qui étaient dépendants du carburant russe).
Ainsi, l'idée de l'indépendance énergétique s'est imposée dans les pays occidentaux et les sources d'énergie renouvelables constituent une option viable. Bien que le prix des panneaux solaires ait considérablement diminué et que le rendement énergétique des systèmes renouvelables ait augmenté de façon spectaculaire, ces derniers posent un défi majeur : la disponibilité de l'énergie.
Les panneaux solaires fonctionnent au maximum de leur efficacité quand le soleil brille, et les éoliennes fonctionnent mieux les jours de vent, ce qui signifie que l'énergie provenant des ressources renouvelables varie considérablement de jour en jour. Pire encore, la consommation d'énergie dans les régions nordiques (Canada, Royaume-Uni, etc.) est souvent au plus bas à la mi-journée et à son apogée pendant la nuit (surtout en hiver, lorsqu'il faut chauffer). Or les panneaux solaires produisent leur puissance de crête à des moments exactement opposés.
Actuellement, les réseaux d'énergie ne peuvent pas stocker l'énergie, ce qui signifie que l'énergie supplémentaire générée est gaspillée, et c'est ce qui rend les sources d'énergie renouvelables très peu fiables, et coûteuses à exploiter. Pire encore, le manque de fiabilité des énergies renouvelables signifie qu'aucun réseau énergétique ne peut exister avec une source 100 % renouvelable. Une réserve substantielle de combustibles fossiles est donc nécessaire pour répondre aux demandes d'énergie soudaines.
Pour relever ce défi, les chercheurs étudient des méthodes permettant de créer des solutions de stockage d'énergie capables de retenir l'excédent d'énergie renouvelable pendant les pics de production et de réinjecter cette énergie dans le réseau pendant les périodes de faible production. Une solution prometteuse consiste à utiliser des batteries massives, car elles présentent des densités énergétiques élevées (ce qui signifie qu'elles prennent peu de place par rapport aux autres solutions de stockage d'énergie) et peuvent libérer rapidement des quantités importantes d'énergie. Mais le coût élevé de ces systèmes de batteries, combiné à leur inflammabilité, continue de poser des problèmes aux ingénieurs.
Véhicules électriques : une solution potentielle à ce problème
Une idée radicale que les chercheurs expérimentent actuellement serait d'utiliser les véhicules électriques comme une grande et unique batterie de réseau virtuelle à la place de grandes installations dédiées. En termes simples, les véhicules électriques branchés sur le secteur pourraient être conçus pour ne pas seulement consommer de l'énergie pour recharger leurs batteries, mais pour restituer de l'énergie au réseau électrique pendant les pics de demande. En supposant que les points de charge électrique se développent dans nos sociétés et qu'un véhicule électrique (VE) en stationnement passe la plupart de son temps branché sur le réseau, cette technique pourrait résoudre le problème du stockage de l'énergie sans nécessiter d'investissements supplémentaires dans les technologies des réseaux ni les grandes installations de stockage.
Pour inciter les propriétaires de VE, les véhicules enregistrés avec un numéro de série unique mesureraient la quantité d'énergie entrant et sortant de leurs batteries pour être utilisée par le réseau électrique, ce qui se traduirait par une rémunération versée au propriétaire du VE. En outre, des tarifs en temps réel de l'énergie permettraient aux véhicules de se recharger pendant les pics de production d'électricité, quand cette dernière est la moins chère, et de réinjecter de l'énergie dans le réseau quand les prix de l'énergie sont au plus haut.
Si cette idée peut sembler prometteuse, la mise en œuvre d'un tel système présente une multitude de défis auxquels les ingénieurs vont devoir faire face. Tout d'abord, un système de tarification en temps réel de l'énergie nécessite des API permettant aux petits appareils IoT de demander les prix en temps réel de l'énergie, dont la valeur est déterminée en fonction de la production d'énergie en temps réel. Cela signifierait que les appareils qui stockent et génèrent de l'énergie devraient enregistrer leur production avec un horodatage pour prouver qu'ils ont bien produit cette énergie à ce moment-là.
Le deuxième défi tient au fait qu'un système de charge dans un tel véhicule serait complexe en raison du besoin de capacités bidirectionnelles (extraction et restitution d'énergie). En outre, les VE branchés sur le système ne doivent pas abaisser leur niveau d'énergie stockée sous un niveau défini par l'utilisateur, auquel cas l'autonomie du VE serait sacrifiée et la durée de vie de la batterie également réduite (en supposant qu'elle présente un nombre limité de cycles de charge).
Outre les énergies de remplacement, les batteries deviennent monnaie courante
Même si les véhicules électriques et le stockage d'énergie pour les réseaux électriques permettent de réaliser de grandes avancées dans le développement de la technologie des batteries, l'intégration continue de l'électronique dans les appareils de tous les jours offre également de nouvelles opportunités pour les batteries et les solutions de gestion des batteries. Le besoin de réduire la taille des appareils représente un défi particulier pour les ingénieurs, car les batteries sont souvent l'un des composants les plus lourds et les plus volumineux d'un appareil, et la réduction de leur taille s'avérerait stratégique. Mais cela réduirait leur capacité globale, entraînant directement une diminution de leur durée de vie. Les ingénieurs devront donc souvent développer des techniques d'économie d'énergie pour tenter de minimiser la consommation d'énergie et utiliser des composants spécifiquement conçus pour fonctionner sur batteries (par exemple, en utilisant un processeur mobile plutôt qu'un processeur de bureau).
Les ordinateurs portables et les smartphones en sont un exemple notable. Leur taille diminue et ils consomment moins d'énergie, mais l'autonomie de leurs batteries et les performances de leurs processeurs continuent d'augmenter. Cela n'est possible que grâce aux progrès de la technologie des semi-conducteurs, où la diminution de la taille des transistors et la réduction des tensions de grille entraînent une baisse de la consommation d'énergie.
Quels sont les défis à relever pour faire progresser le stockage de l'énergie ?
Jusqu'ici, nous avons vu comment les sources d'énergie renouvelables souffrent du manque de solutions de stockage d'énergie, comment les véhicules électriques pourraient être la solution au problème du stockage des énergies renouvelables et comment l'électronique de tous les jours contribue à améliorer les technologies des batteries. Mais quels sont les défis auxquels les solutions de stockage de l'énergie sont confrontées en matière d'implantation technique ?
Tout d'abord, tout système de batterie composé de plusieurs cellules doit garantir la répartition égale de la charge. Ce n'est pas un problème pour les batteries comportant quelques cellules, mais les systèmes de plus grande taille qui équipent généralement les VE et les installations de stockage à grande échelle peuvent comporter des centaines (voire des milliers) de cellules individuelles. Le nombre de connecteurs de cellules, de circuits intégrés requis pour lire chaque cellule, et d'algorithmes de gestion qui en résulte peut rendre ces systèmes extrêmement complexes à construire et à entretenir.
Deuxièmement, les batteries stockent l'énergie sous forme de tension continue, par opposition à la tension alternative qui pose problème pour la charge et la décharge. La conversion du courant alternatif en courant continu et vice versa doit être effectuée de la manière la plus efficace possible pour minimiser les pertes d'énergie. Le besoin d'un système de conversion bidirectionnel introduit également des problèmes de sécurité et des complexités au niveau des circuits, notamment avec des systèmes électriques capables d'alimenter un circuit depuis plusieurs sources (cela nécessite généralement des notifications au niveau des tableaux de fusibles et des interrupteurs pour une isolation correcte).
Troisièmement, les grands systèmes de batteries utilisés dans les applications du réseau électrique seront sans aucun doute confrontés à de hautes tensions et intensités. En outre, la grande quantité d'énergie stockée nécessitera non seulement des composants capables de tolérer de telles conditions, mais aussi des mesures de sécurité intégrées pour éviter l'endommagement des batteries. Par exemple, un excès de courant extrait d'une batterie entraîne la surchauffe de cette dernière, et une batterie qui surchauffe présente un risque sérieux de déclencher un incendie. Comme la plupart des batteries à haute énergie sont à base de lithium, un tel incendie pourrait rapidement tourner en catastrophe et provoquer un effet d'emballement avec la détérioration des batteries voisines.
Quatrièmement, les systèmes de batterie les plus récents appliquent des temps de charge plus courts en augmentant considérablement l'intensité de charge, ce qui nécessite des circuits de puissance capables de gérer de plus hautes intensités. La taille d'un composant est proportionnelle à l'intensité qu'il peut gérer, si bien que des chargeurs rapides nécessitent certainement des circuits physiquement plus grands. De plus, la hausse d'intensité produit un effet de chauffage plus important, et cette chaleur supplémentaire doit être traitée de manière appropriée, sans quoi elle peut induire un risque d'incendie.
Comment l'industrie du stockage de l'énergie va-t-elle dynamiser l'industrie des dispositifs de puissance ?
En matière de stockage d'énergie, les dispositifs de puissance jouent un rôle essentiel, que ce soit pour la charge, la commutation de courant ou la surveillance de la tension de cuve. Les problèmes abordés jusqu'à présent offriront au secteur des dispositifs de puissance des opportunités clés de progrès et d'intégration.
La première, et sans doute la plus importante, est la nécessité d'accroître les rendements des convertisseurs de puissance. Même avec un rendement de 95 %, les valeurs étant très élevées, les 5 % restants constituent encore une perte d'énergie très importante, qui se traduit presque toujours par un dégagement de chaleur. Par exemple, une installation de stockage par batteries de 1 GW avec un rendement de 95 % génère encore une perte d'énergie totale de 50 MW via les fils, les composants et les unités de stockage. Une augmentation de 1 % seulement du rendement peut fournir de l'énergie à 20 000 foyers supplémentaires.
En outre, partout dans le monde, les gouvernements légifèrent sur les exigences en matière d'efficacité énergétique des appareils grand public et des appareils ménagers. En conséquence, la demande en amplificateurs et en convertisseurs de puissance plus efficaces va également augmenter, car les ingénieurs sont contraints d'extraire chaque watt d'énergie supplémentaire qu'ils peuvent tirer d'une conception.
La demande constante en dispositifs plus petits, dotés d'une autonomie prolongée et de meilleures performances, contribuera également à accélérer le développement de nouveaux amplificateurs et convertisseurs de puissance. Comme nous l'avons vu précédemment, la réduction de la taille de la batterie est l'un des meilleurs moyens de réduire le poids d'un produit, mais cela a comme contrepartie de réduire la capacité de la batterie. Les processeurs à haut rendement énergétique peuvent contribuer à prolonger la durée de vie d'une batterie, mais cela se fait au détriment d'une dégradation des performances. Ainsi, l'utilisation de convertisseurs et d'amplificateurs de puissance à haut rendement permet à une conception d'utiliser un processeur plus puissant, car l'énergie qui serait autrement gaspillée dans le cadre de la conversion d'énergie peut être utilisée pour le traitement.
Un autre domaine qui pourrait contribuer à accélérer le développement des convertisseurs et amplificateurs de puissance est celui des collecteurs d'énergie. L'essor des appareils IoT dans des zones reculées où les sources d'énergie sont inexistantes impose à ces appareils de générer leur propre énergie. Les collecteurs d'énergie peuvent fournir cette énergie, mais les petites quantités d'énergie impliquées signifient que les convertisseurs de puissance dans les collecteurs d'énergie doivent être aussi efficaces que possible pour minimiser les pertes.
Les dispositifs énergétiques utilisés sur les réseaux électriques seront sans aucun doute confrontés à des tensions et des intensités extrêmement élevées. Si les semi-conducteurs traditionnels ont pu fonctionner dans de tels environnements, l'introduction de nouvelles technologies de puissance telles que les semi-conducteurs SiC et GaN offre aux ingénieurs des conceptions modernes révolutionnaires avec des tensions de fonctionnement nettement supérieures, des rendements supérieurs et des tailles inférieures. La combinaison de plus grandes tolérances de tension et d'une plus petite empreinte physique offre également des possibilités pour les véhicules électriques et d'autres dispositifs portables à haute tension, grâce à la réduction du poids et à l'augmentation de la puissance admissible.
Enfin, les dispositifs de puissance impliqués dans des scénarios à haute fiabilité (comme les batteries de réseau à grande échelle) peuvent même intégrer des solutions intelligentes pour la surveillance avancée de la puissance et la protection des dispositifs. Par exemple, un petit microcontrôleur équipé d'un processeur d'IA incorporé pourrait être intégré dans un amplificateur de puissance et assurer une surveillance en direct de l'intensité et de la tension. Contrairement aux méthodes traditionnelles de protection des dispositifs, un tel système pourrait fournir une protection prédictive et une défense contre les comportements anormaux. Il pourrait également signaler à un hôte central un problème potentiel avant que tout dommage en découle.
Conclusion
L'importance du stockage de l'énergie et de l'efficacité énergétique ne cesse de croître, tout comme l'importance des amplificateurs et des convertisseurs de puissance. Le secteur des énergies renouvelables se heurte à un problème majeur avec le stockage de l'énergie et, à moins de pouvoir construire des batteries à grande échelle, les ingénieurs devront peut-être se tourner vers l'utilisation des véhicules électriques connectés au réseau comme une grande batterie virtuelle. Bien entendu, de tels systèmes de puissance nécessitent des systèmes avancés de distribution d'énergie capables de transférer de l'énergie de manière bidirectionnelle à des rendements élevés, tout en minimisant l'impact sur la durée de vie de la batterie.
Les appareils portables devront continuer à améliorer leur efficacité énergétique afin que la taille des batteries puisse être réduite, tandis que les collecteurs d'énergie intégrés dans les conceptions IoT pourraient offrir aux amplificateurs et convertisseurs de puissance de réelles possibilités de croissance.
Enfin, le développement de grands systèmes de batteries utilisés par les réseaux électriques nécessitera sans aucun doute de nouvelles technologies de semi-conducteurs telles que SiC et GaN, et le coût élevé de ces systèmes pourrait encourager l'utilisation d'amplificateurs intelligents capables de fournir des capacités prédictives pour prévoir les dommages potentiels avant même qu'ils se produisent.