Transformateur intelligent pour la transition énergétique
Un nouveau transformateur moyenne tension "intelligent", développé à l'ETH Zurich, est extrêmement compact et efficace sur le plan énergétique gr?ce à une technologie de semi-conducteurs de pointe. Ses applications vont des locomotives aux stations de recharge rapide pour véhicules électriques, en passant par l'alimentation électrique des centres de calcul et l'utilisation dans les futurs réseaux énergétiques.
Les électrotechniciens de l'ETH ont développé un transformateur électronique "intelligent" qui convertit la moyenne tension en basse tension de manière extrêmement efficace. De tels transformateurs intelligents sont en outre nettement plus petits que les transformateurs traditionnels. Ils présentent notamment un avantage lorsque l'espace est limité ou que le poids est faible, comme par exemple dans les véhicules de traction ferroviaire.
Les caténaires ferroviaires transportent généralement un courant alternatif de tension moyenne. Dans les engins moteurs, la tension est abaissée à une valeur plus faible. "Pour des raisons techniques, les transformateurs utilisés à cet effet sont d'autant plus grands que la fréquence du courant alternatif est basse, et celle-ci est relativement faible dans le trafic ferroviaire en Suisse et dans plusieurs autres pays européens (16,7 hertz)", explique Daniel Rothmund. Il est l'un des deux doctorants du groupe du professeur de l'ETH Johann Kolar qui ont construit le transformateur.
"Les transformateurs intelligents" utilisent donc une astuce : Dans un convertisseur placé en amont, la fréquence du courant alternatif est multipliée par plusieurs. Le transformateur lui-même peut alors être construit à petite échelle. Un convertisseur placé en aval produit ensuite à nouveau une tension alternative à la fréquence souhaitée.
Commutation à très haute fréquence
Rothmund et son collègue Thomas Guillod ont d? développer eux-mêmes de nombreux composants pour leur transformateur électronique, car il n'existe que peu de composants disponibles en barre pour la moyenne tension de 10'000 volts utilisée. Ce sont surtout les composants en carbure de silicium - des prototypes fabriqués par une entreprise américaine - qui ont été importants, car ils permettent une commutation extrêmement rapide. C'est ainsi que les doctorants de l'ETH ont réussi à convertir la moyenne tension en une très haute fréquence allant jusqu'à 75'000 hertz et qu'ils ont pu construire un système de transformateur qui, à puissance comparable, n'est qu'un tiers plus grand que les "transformateurs intelligents" existants. Alors que l'efficacité énergétique des systèmes existants est d'environ 96 pour cent, Rothmund et Guillod ont atteint une efficacité de 98 pour cent - en d'autres termes, ils ont pu réduire de moitié les pertes d'énergie de 4 à 2 pour cent.
Le développement a eu lieu dans le cadre du Programme national de recherche 70 sur la transition énergétique, dans lequel des technologies sont étudiées pour la mise en ?uvre de la Stratégie énergétique 2050.
Redressement de courant alternatif
Les véhicules de traction ferroviaire ne sont qu'une des nombreuses applications des nouveaux transformateurs. "Contrairement aux transformateurs traditionnels, les transformateurs intelligents sont contr?lables", explique Daniel Rothmund. Dans les futurs réseaux d'énergie, appelés smart grids, on pourra les utiliser pour contr?ler activement la puissance transmise et l'adapter aux fluctuations de la production et de la consommation d'électricité.
Le nouveau système peut non seulement modifier la fréquence du courant alternatif du réseau, mais aussi transformer le courant alternatif en courant continu. Une application serait de futures grandes stations de recharge rapide permettant de recharger simultanément de nombreux véhicules électriques. De telles stations de recharge pourraient être directement raccordées au réseau de courant alternatif à moyenne tension existant, les petits transformateurs efficaces abaissant la moyenne tension à la tension souhaitée. "Pour charger les batteries, on utilise une tension continue relativement faible", explique Rothmund. "Par rapport à la technologie conventionnelle, les transformateurs intelligents ont un avantage lorsque cette tension continue doit être générée à partir d'un réseau de courant alternatif moyenne tension".
Les centres de calcul sont un autre type de gros consommateurs qui pourraient profiter de cette évolution. Gr?ce à des systèmes d'alimentation électrique plus efficaces, on pourrait non seulement y économiser des co?ts d'électricité, mais aussi minimiser les pertes de chaleur et, par conséquent, les dépenses de refroidissement.
Ironiquement, cette nouvelle technologie pourrait non seulement faciliter la transition énergétique vers une économie énergétique décarbonée et électrifiée, mais aussi l'exploitation de sources d'énergie fossile difficiles à exploiter : l'industrie développe actuellement des possibilités d'extraction de pétrole et de gaz en eaux profondes sans utiliser de plateformes de forage. Dans ces applications, des pompes, des compresseurs et des robots de maintenance se trouvent au fond de la mer et doivent être alimentés en énergie électrique depuis la terre via un "cordon ombilical" de plusieurs kilomètres. La nouvelle technologie permet de transmettre du courant continu dans ces c?bles, ce qui est plus efficace que le courant alternatif en raison des longues distances, et de le convertir au fond de la mer, dans un convertisseur relativement petit, en courant alternatif utilisé par les machines.