JOURNAL ASMAC No 5 - octobre 2018

POINT DE MIRE ÉNERGIE
Du «doping» pour le réseau
électrique
Les énergies renouvelables peuvent amener le réseau électrique à la limite de ses capacités:
les fluctuations de la capacité d’injection des installations éoliennes et centrales photovoltaïques
doivent être continuellement compensées, faute de quoi on risque le blackout. Cependant,
il est aujourd’hui très difficile d’obtenir des concessions pour la construction de centrales
de pompage- turbinage, raison pour laquelle l’EPF Zurich oriente ses recherches sur les systèmes
d’accumulateurs.
André Hillers, docteur ingénieur, Simon Fuchs, ingénieur diplômé, Prof. Jürgen Biela, Institut für Hochleistungselektronik (HPE)
de l’EPF Zurich
Pour atteindre des performances physiques
de pointe, l’homme dispose d’une
cascade complexe de stocks biologiques
d’énergie: l’énergie immédiatement disponible
se trouve dans les cellules musculaires,
sa quantité est toutefois fortement
limitée. A moyen terme, l’organisme
peut faire usage du glycogène et de la
graisse, mais ici aussi, il faut à un moment
donné fournir de la nourriture à
l’organisme pour la transformer en énergie
exploitable. Les plus importantes réserves
se trouvent donc dans le sac à dos,
dans le frigo ou sur les champs de nos
paysans.
Pour l’utilisation de l’énergie électrique
aussi, on dépend d’une cascade d’accumulateurs.
Comme le réseau ne fait que
conduire le courant électrique, il faut
systématiquement produire ce qui est
consommé, et cela au même moment.
L’accumulateur à court terme fonctionne,
même si cela peut paraître curieux, selon
le principe d’un volant d’inertie tel que
nous le connaissons de l’enseignement de
la physique à l’école secondaire. Etant
donné que la plus grande partie de l’énergie
électrique est de nos jours fabriquée
par des grandes turbines, la lumière ne
cesse pas de fonctionner lorsqu’une centrale
nucléaire ou à charbon tombe en
panne. En cas de dérangements, les générateurs
des centrales restantes ralentissent
dans un premier temps. Les exploitants
ont évidemment prévu ce cas, car il
suffit de quelques secondes pour solliciter
des capacités disponibles dans le réseau
et donc pour compenser la consommation
et la production d’énergie. Normalement,
cette régulation est rapide et précise
à tel point que le consommateur ne remarque
rien.
Un avenir avec ou sans
élan
Certes, les cellules photovoltaïques ne possèdent
pas de masse en rotation et ne présentent,
en raison de leurs propriétés aérodynamiques,
un moment d’inertie
seulement limité. A l’Institut pour la
transmission énergétique et haute-tension
(Institut für Energieübertragung und
Hochspannung, EEH) de l’EPF Zurich, on
a calculé qu’un remplacement progressif
des centrales à charbon et nucléaires par
des énergies renouvelables pouvait entraver
le comportement du réseau en cas de
défaillance. Dans cette situation, les systèmes
d’accumulateurs peuvent contribuer
à améliorer la situation. Contrairement
aux centrales hydroélectriques, ils
peuvent mettre à disposition l’énergie accumulée
en l’espace de quelques fractions
de secondes et ainsi fortement contribuer
à la stabilité du réseau [1].
Même si les durées sont différentes, ce
principe est comparable à celui du métabolisme
glucidique et lipidique dans l’organisme
humain: une centrale de pompage-turbinage
peut accumuler beaucoup
d’énergie, mais a besoin d’un certain
temps pour démarrer, un peu comme
pour la combustion des graisses lors d’un
effort physique plus ou moins long. Les
réserves de glycogène dans les muscles et
le foie mettent par contre l’énergie à disposition
immédiate après le début de l’effort,
mais sont relativement vite épuisées
après un entraînement physique intense.
Un accumulateur doit généralement directement
être rempli après emploi.
Une application prometteuse des accumulateurs
dans le réseau électrique est la
mise à disposition d’énergie (régulatrice)
rapidement disponible pour une durée
limitée – l’exploitation du réseau parle
alors de régulation primaire et secondaire.
Un prototype développé par l’entreprise
technologique ABB et mis en service
en 2011 par les services industriels de
Zurich (EWZ) confirme cette hypothèse.
Une étude de cas réalisée sur la base des
données d’exploitation obtenues atteste un
bilan économique positif à un futur système
gradué [2]. Cela revêt une importance
particulière, vu que les conditions
géologiques et régulatrices en Suisse s’opposent
à l’octroi de concessions pour la
construction de nouvelles centrales de
pompage-turbinage. Même si en Suisse
plus de 50% du besoin en énergie est aujourd’hui
couvert par l’énergie hydraulique,
des accumulateurs compétitifs
constituent ici aussi une technologie-clé
pour l’utilisation d’énergies renouvelables.
Une optimisation globale
Un défi important est la connexion de la
batterie au réseau électrique. La chimie
permet à certaines cellules de batterie de
ne mettre à disposition que du courant
continu à faible tension. Les réseaux actuels
opèrent cependant avec le courant
alternatif, dont la tension est généralement
très élevée pour permettre un transport
efficace. Pour intégrer une batterie
dans le réseau, il faut donc convertir le
courant continu en courant alternatif et
fortement augmenter la tension. Un secteur
entier du génie électrique se consacre
à la construction de ces convertisseurs:
l’électronique de puissance.
Comme la quasi-totalité des cas d’application
nécessitent une approche et optimisation
globales, les systèmes pour l’électronique
de puissance peuvent dans leur
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