un réseau en courant continu est possible,
à condition que la sécurité soit adaptée
Le courant continu présente certains avantages frappants par rapport au courant alternatif, tels que des pertes limitées et moins de câbles. Toutefois, la mise en place d'un tel réseau doit se faire avec prudence car la sécurité exige une approche totalement différente. En outre, la réglementation est encore très à la traîne.
L'évolution vers le CC est claire. Dans les véhicules électriques, l'électronique de puissance assure le lien entre la batterie à courant continu et le réseau. Dans de plus en plus de maisons et de bâtiments, le mazout et le gaz naturel sont remplacés par une pompe à chaleur, dans laquelle l'électronique de puissance assure l'entraînement variable de la pompe à eau et du compresseur via un circuit intermédiaire à courant continu. Nous retrouvons également ce circuit intermédiaire à courant continu dans les lave-linge, les sèche-linge, les aspirateurs, etc., où la fréquence du secteur est convertie en une fréquence variable pour entraîner les moteurs électriques ou en un champ magnétique dans les plaques de cuisson à induction.
électronique de puissance
Les réseaux à courant continu sont donc inextricablement liés à l'émergence de l'électronique de puissance dans le matériel pour notre production, notre stockage et notre consommation d'électricité. L'énorme potentiel de contrôle de l'électronique de puissance est un facteur favorable à cet égard, car il permet l'autorégulation. Pourquoi cela est-il nécessaire? Parce que la production d'électricité est aujourd'hui de plus en plus décentralisée et très fluctuante. Une réglementation est donc absolument nécessaire. Travailler avec des réseaux à courant continu autorégulés nécessite également une protection active pour des raisons de sécurité. Les fusibles ou les disjoncteurs sur les réseaux à courant alternatif ne sont pas assez rapides et doivent être remplacés par une protection électronique qui mesure en permanence l'intensité du courant. En cas de court-circuit au niveau d'un consommateur ou d'un câble, le courant augmente fortement, comme dans le cas du courant alternatif. Avec le courant continu, cette augmentation est détectée par la protection active et la tension est coupée avant qu'un courant énorme ne circule.
Des choix historiques basés sur la simplicité
A l'époque, le CA était le bon choix. Le réseau n'était pas encore aussi étendu qu'aujourd'hui et il servait principalement aux services publics (éclairage des rues) et aux applications industrielles. Depuis les années 1970, cependant, des dizaines d'applications ont été développées sur la base de la technologie des semi-conducteurs. Cette technologie fonctionne en courant continu. A l'époque, on a opté pour le courant alternatif car il était alors plus facile à transporter que le courant continu. Ceci était principalement dû à la simplicité du réseau. La production était assurée par de grandes centrales fossiles, hydrauliques et nucléaires dotées de générateurs synchrones de centaines de MW, tandis que du côté des consommateurs, la majeure partie était constituée de moteurs à induction et de simples résistances telles que les ampoules électriques et les fers à repasser. Toutefois, en raison de l'évolution de la technologie des semi-conducteurs, cette situation est en train de basculer. Pour l'éclairage aussi, le courant continu peut être une innovation. Pensez, par exemple, à l'éclairage LED sans les ballasts qui chauffent.
Transition énergétique
Cependant, la chaîne énergétique subit des changements importants sous l'impulsion de deux piliers principaux. La première est la transition énergétique, motivée par la disparition des combustibles fossiles. C'est ce qui explique l'apparition des panneaux solaires et des éoliennes. Un deuxième moteur est la croissance sans précédent de l'électronique de puissance. La technologie des semi-conducteurs a évolué si rapidement que des applications auparavant impossibles ont été créées à la vitesse de l'éclair, pensez à l'éclairage LED, par exemple.
Nouvelle situation, nouvelles règles
Dans le réseau actuel, la structure traditionnelle descendante greffée sur la production à grande échelle dans plusieurs centrales électriques est alternée avec une structure distribuée où la production renouvelable, comme les éoliennes et les cogénérations, est connectée au réseau moyenne tension et où les centrales photovoltaïques résidentielles sont connectées au réseau basse tension. Ici, les générateurs synchrones à 50 Hz n'existent plus, car les panneaux solaires sont une source d'énergie en courant continu et les éoliennes fonctionnent avec un générateur connecté à un circuit intermédiaire en courant continu avant la conversion au réseau. En même temps, ces sources apportent de nouveaux défis. Faire coïncider la production intermittente de ces sources avec une demande d'électricité croissante exige une approche différente et de nouvelles solutions.
le réseau sous pression
Alors que l'on s'est beaucoup intéressé à la transition en matière de production d'électricité et aux nouveaux consommateurs tels que les voitures électriques et les pompes à chaleur, on s'est moins penché sur le rôle du réseau électrique dans cette transition. En effet, c'est le réseau électrique qui doit être capable de transmettre la production changeante d'énergie solaire et éolienne à un nombre croissant de consommateurs différents. Dans le même temps, le réseau électrique doit s'adapter à l'évolution de la structure avec une production connectée à la moyenne et à la basse tension, mais aussi un stockage d'énergie situé à ces niveaux. Le réseau électrique est donc l'épine dorsale de la transition énergétique et mérite donc toute l'attention nécessaire. Nous devons oser nous interroger sur la transition que le réseau électrique lui-même doit entreprendre pour être prêt à accueillir ces nouvelles solutions et la structure changeante de la production et de l'achat.
Avantages Réseau CC
Comme de plus en plus d'éléments fonctionnent directement ou via un circuit intermédiaire sur tension continue, l'onduleur peut être limité à une seule étape de conversion entre la tension continue du réseau et sa propre tension. Dans les réseaux à courant alternatif, cette opération doit être complétée par une deuxième étape de conversion reliant le circuit intermédiaire à courant continu au réseau à courant alternatif. Concrètement, cela permet de diviser par deux la quantité d'électronique de puissance dans l'onduleur, ce qui offre la perspective à long terme d'onduleurs moins chers et plus efficaces sur le plan énergétique en raison de la réduction des pertes de conversion dans le circuit de puissance, tandis que l'onduleur utilise les ressources de manière plus durable (moins d'électronique de puissance). Le coût d'investissement de l'onduleur diminue donc à long terme, mais n'est pas encore visible à court terme en raison de l'absence d'économies d'échelle par rapport à l'onduleur CA produit en série. On retrouve ces onduleurs dans les appareils électroniques grand public tels que les téléviseurs et les ordinateurs portables, les lave-vaisselle, les réfrigérateurs, les climatiseurs et les pompes à chaleur, mais aussi pour le raccordement des panneaux photovoltaïques et dans le chargeur des voitures électriques. Toutefois, cet avantage nécessite une réflexion au niveau du système, car il ne peut être pleinement exploité que si l'on considère l'ensemble du système, de la production et du stockage à la distribution et à la consommation.
L'utilisation de réseaux en courant continu permet de distribuer 35% de puissance en plus par mm2 de câble qu'avec des réseaux en courant alternatif (triphasé). Cet avantage augmente sur les longues distances. Pour illustrer la basse tension: ici, les réseaux bipolaires ±350 Vdc sont comparés aux réseaux triphasés 400 Vac parce que les deux réseaux sont capables de connecter des dispositifs avec un circuit intermédiaire de 700 Vdc, ce qui maintient la comparaison équitable. De plus, les courants réactifs n'ont pas besoin d'être transportés dans les réseaux à courant continu, ce qui augmente encore l'avantage.
Dans le scénario où l'énergie renouvelable est en partie utilisée directement et en partie stockée, par exemple dans des batteries, pour une consommation ultérieure, de nombreuses étapes de conversion se produisent entre la production, le stockage et le consommateur. Dans ce scénario, l'avantage en termes d'efficacité énergétique des réseaux en courant continu par rapport aux réseaux en courant alternatif peut atteindre 10%. Toutefois, il ne faut pas en sous-estimer l'impact, car cela signifie également que nous avons besoin de 10% d'énergie renouvelable en moins pour couvrir la consommation et que nous avons besoin d'un peu moins de 10% de stockage en moins. Cela illustre pourquoi les réseaux à courant continu vont bien au-delà de la simple distribution, mais ont un impact au niveau du système, car ils permettent de réaliser des économies importantes dans la production et le stockage de l'énergie (renouvelable).
Dans les réseaux à courant continu, la tension n'a qu'une amplitude, alors que dans les réseaux à courant alternatif, la tension a une amplitude, une fréquence et une phase. Cela simplifie la connexion au réseau dans les réseaux à courant continu, car un seul paramètre de tension doit être contrôlé. Cela facilite également l'exploitation du réseau en mode îloté.
Le dernier avantage est en fait distinct de la discussion sur le courant continu et le courant alternatif, mais il s'agit purement d'un avantage de la protection active. Les réseaux équipés d'une protection active peuvent couvrir de plus grandes distances que les réseaux équipés d'une protection passive comme les fusibles (à la même tension). En effet, dans ces derniers réseaux, la longueur du câble doit être limitée pour fournir un courant de court-circuit suffisant en cas de fermeture à l'extrémité du câble. Avec les réseaux à protection active (DC), cette restriction ne s'applique pas et on regarde surtout la chute de tension à travers le câble.
Inconvénients
Bien entendu, les réseaux à courant continu présentent également des inconvénients. La principale pierre d'achoppement reste l'offre limitée de composants disponibles et la production à petite échelle de ces composants. Il ne s'agit pas d'un obstacle technique et il peut être résolu par la demande croissante et la production plus importante correspondante de ces composants. Ainsi, au niveau des composants, il existe toujours un désavantage, mais au niveau du système, ce désavantage est moins présent. Au niveau résidentiel, les choses ne vont pas mal du tout. Les facteurs les plus inhibiteurs dans ce domaine sont le manque de normes, de réglementations et de disponibilité des produits et des applications.
pertes DE JOULEs ET épaisseur de câble en CA et CC
épaisseur de CÂBLE
Avec la tension continue, on peut envoyer plus de puissance dans le même câble qu'avec la tension alternative. Chaque câble a une tension maximale. Avec une tension alternative sinusoïdale, la valeur maximale est égale à l'amplitude de la tension. Cela limite la valeur effective de la tension à Vmax/√2. Une tension continue dans un câble de même section peut simplement être réglée à sa valeur maximale. De nos cours à l'école, nous nous souvenons que la puissance P est égale au produit de la tension et du courant. Le courant étant égal à épaisseur de câble égale, la puissance est donc √2 ou 1,4 fois supérieure avec une tension continue. Pour transporter la même puissance, il est donc possible de fabriquer un support de courant continu de plus petit diamètre. Cela permet d'économiser sur le coût du matériel de câblage.
PERTES DE JOULEs
Pour les besoins de cet article, il serait un peu trop long d'afficher la formule de calcul complète, mais elle montre que les pertes en joules dans un réseau en courant continu ne représentent que 67% des pertes en joules dans un réseau comparable en courant alternatif triphasé. Ce dernier point explique pourquoi un réseau à courant continu est parfois utilisé pour transporter de grandes quantités d'énergie sur une longue distance (plus de 750 km).
