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Nouvelles énergies 25/10/2021

La révolution des réseaux d’énergie - Episode 1

Électricité, gaz, chaleur, climatisation... les réseaux de transport et de distribution d’énergie, souvent souterrains, doivent s’adapter et s’intégrer pour favoriser une transition énergétique optimale. Qu'ils soient aériens ou enterrés, les réseaux de distribution d’énergie sont en pleine mutation. 

Cet article a été écrit par Murès Zarea - ENGIE Research, Wouter Vancoetsem - ENGIE Laborelec, Isabelle Alliat et Cristian Muresan - ENGIE Lab Crigen

Aux États-Unis, une démonstration   aux   chutes   du   Niagara mit fin à la « Guerre des  courants  »  qui  opposa  Thomas Edison, partisan du courant continu (CC) pour le transport et la distribution d’électricité, à Nikola Tesla, promoteur du courant alternatif (CA).

Nikola TESLA a gagné la partie et aujourd’hui, nos réseaux électriques sont parcourus de courant alternatif (CA). Cependant, l’avènement des énergies renouvelables pourrait changer la donne et  offrir  une  seconde  chance  au  courant  continu.  Et  par-delà  l’électricité,  tous  les  réseaux  d’énergie,  y  compris  ceux  de  gaz  ou  de  chaleur,  sont  concernés  par  la  révolution  imposée par la transition énergétique.  De  fait,  aujourd’hui,  ces  réseaux  d'énergie relient  les  utilisateurs  aux  unités  productrices  d’énergie,  majoritairement  centralisées.  Souvent hors de notre vue, car enterrées, ces infrastructures vitales doivent s’adapter pour accompagner  le  monde  de  l’énergie  vers  la  neutralité carbone.

Quelques questions soulevées par cette évolution révèlent le besoin pressant  d’innovations  technologiques au niveau des réseaux d'énergie :

  • Puisque  les  fermes  éoliennes  et  solaires  produisent  de  plus  en  plus  de  CC,  est-ce intéressant de continuer à transporter l’électricité en CA
  • L’hydrogène ayant le vent en poupe parmi les gaz verts, peut-on l’injecter dans les réseaux de gaz existants ?
  • Peut-on verdir davantage les réseaux urbains de chauffage et de climatisation ?
On ne peut répondre à ces questions que par des  approches  nuancées,  car  il  s’agit  de  systèmes complexes, souvent constitués d’infrastructures  développées  durant  de  nombreuses  décennies.  Toutefois,  des  solutions  existent. Citons quelques exemples à propos des questions précédentes.

Nikola  Tesla  a  gagné  la  « Guerre  des  courants », car le CA permet de changer simplement de tension pour répondre aux besoins grâce à des transformateurs. De la sorte, on peut transporter sur de longues distances l’électricité, sous forme de  courant  alternatif  à  haute  tension  (CAHT),  sans trop de pertes. Cependant, le paysage de la production a changé. En effet, les cellules photovoltaïques produisent directement du  CC. Quant  aux  génératrices  des  éoliennes,  dont  la  vitesse de rotation varie, elles ne fournissent pas un  CA  stable  et  conforme  aux  standards  des  réseaux  (en  l’occurrence  à  une  fréquence  de  50 hertz). Pour corriger ce défaut, l’énergie passe par un dispositif (un redresseur/onduleur) dont une étape est en CC.

LA REVANCHE DU COURANT CONTINU

Les batteries stockant l’électricité pour la mobilité, les usages nomades et les services aux réseaux électriques fonctionnent également en CC. De même pour les appareils électroniques. Parallèlement à cette expansion de l’offre et de la demande en CC, l’électronique de puissance, c’est-à-dire  l’« électronique  de  conversion  d’énergie  »  a  atteint  sa  maturité  et  permet  aujourd’hui de transformer facilement le voltage des courants continus, de passer du CC au CA... En fin de compte, la principale raison du choix original du CA est obsolète.

L’éloignement des installations de production et de stockage d’électricité renouvelable des centres  de consommation rend nécessaires de nouvelles liaisons électriques, idéalement enterrées plutôt qu’aériennes, si c’est techniquement possible,  même quand cela représente des coûts supplémentaires.

Plus de 125 ans après la victoire du courant alternatif au niveau des réseaux, les technologies  d’électronique de puissance rendent aujourd’hui possible le transport efficace de l’électricité sous la forme de courant continu à haute tension (CCHT), offrant une alternative au CAHT.

En matière de transport souterrain de  l’électricité  sur  de  longues  distances,  le  CCHT présente d’ailleurs plusieurs avantages, et  pour  les  raccordements  d’installations  off-shore, il serait même la seule solution.

  • Premier avantage en  termes  de  coût.  Si  le  CCHT  nécessite  en  bout  de  ligne  des  stations  de conversion  plus  chères  que  les  transformateurs pour le CA, le coût de la ligne est néanmoins inférieur pour la même capacité. Ainsi, le  CCHT  devient  moins  cher  que  le  CAHT  à  partir d’une distance critique (voir la figure ci-contre).  Pour  les  connexions  souterraines,  le  seuil de rentabilité du CCHT serait autour de 50 kilomètres. La ligne est moins chère pour le CCHT, car elle ne requiert que deux cables conducteurs,  voire  un  seul  dans  certaines  architectures  réseau  d’éoliennes  offshore  au  lieu de trois, voire quatre en CAHT. De plus, pour un câble donné, la capacité de transport d’énergie est supérieure, nous y reviendrons. 
  • Un  deuxième  avantage  concerne  la  puissance  réactive. De  quoi  s’agit-il  ?  L’énergie électrique  distribuée  sous  forme  de  courant alternatif  par  les  réseaux  de  distribution  est  composée d’une puissance « active », convertie en mouvement ou en chaleur (c’est en quelque sorte la puissance utile), et d’une partie « réactive » utilisée par les équipements électriques composés de circuits magnétiques. 
    La consommation excessive d’énergie « réactive » entraîne un échauffement des câbles d’alimentation, des pertes supplémentaires, des chutes de tension importantes,  des  surcharges  au  niveau  des  transformateurs, et oblige à un surdimensionnement  des  installations.  Or  les  longs  câbles  CAHT souterrains représentent une source de puissance réactive élevée qui doit être compensée  par  des  dispositifs  ad  hoc  comme  des  condensateurs, des bobines... Uniquement liée au CC, la puissance réactive n’est pas un problème pour le CCHT.
  • Enfin, dernier atout, le CCHT a des pertes plus  élevées  dans  les  stations  de  conversion,  mais  des  pertes  plus  faibles  en  ligne,  ce  qui  l’avantage  là  encore  sur  les  plus  longues  distances. En effet, pour un même câble, la tension moyenne est plus élevée en CC qu’en CA, donc  l’intensité  est  moindre,  ainsi  que  les  pertes  en  CC.  En  conséquence,  par  un  câble  donné  peut  passer  une  puissance  plus  élevée  en  CC  qu’en  CA,  ou  encore,  pour  acheminer  une  même  puissance,  on  a  besoin  d’un  câble  moins épais en CC qu’en CA. Ces  avantages  du  CCHT  ne  doivent  pas  occulter  quelques  inconvénients.  Par  exemple,  un convertisseur est un élément actif, piloté par logiciel, forcément plus complexe qu’un transformateur, qui est  un composant passif.

 

Les coûts d’investissements pour le courant continu (CC en bleu) et l’alternatif (CA en vert) varient en fonction de la distance. Au-delà d’une distance critique, le CC est plus compétitif.

Quoi qu’il en  soit,  les  vertus  du  CCHT  vont  se  renforcer,  notamment par l’amélioration de l’efficacité des convertisseurs  et  par  l’exploitation  optimale  de  ses capacités par le pilotage pointu des convertisseurs  pour  un  échange  contrôlé  des  puissances  active  et  réactive  et  une  meilleure  stabilité  du  réseau. Cependant, le CCHT ne remplacera pas le CAHT, qui garde ses avantages. Le CCHT est une solution technique complémentaire pour les nouvelles lignes électriques enterrées de transport sur de grandes distances.

(à  suivre ...)

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