Comment l’intelligence artificielle, l’Internet des objets et l’électronique de puissance transforment l’énergie

Des transformateurs à semi-conducteurs au carbure de silicium et au stockage à l’échelle commerciale, l’avenir du réseau électrique est connecté, prédictif et efficace.

Plongez-vous dans l’article pour en savoir plus.

Introduction

Le réseau électrique est en pleine mutation. Les énergies renouvelables intermittentes, l’essor des véhicules électriques et la demande de résilience en temps réel incitent les fournisseurs d’énergie à adopter des stratégies prédictives et fondées sur les données plutôt qu’une gestion réactive. Lors de notre récente table ronde, les ingénieurs Cody Tudor, John Parker et Riccardo Collura, accompagnés de la modératrice Lazina Rahman, ont exploré les technologies qui sous-tendent un réseau connecté, intelligent et durable.

Cet article s’appuie sur les idées explorées lors de la table ronde.

Panélistes

Pourquoi le réseau électrique doit-il évoluer ?

Le réseau électrique traditionnel a été conçu pour un flux d’énergie unidirectionnel, une offre prévisible et une demande stable.

Elle servait un monde où les modes de consommation étaient faciles à prévoir et où la production d’électricité était alimentée par des combustibles fossiles, ce qui simplifiait le contrôle de l’offre mais était extrêmement néfaste pour l’environnement.

Aujourd’hui, ce monde est de plus en plus rare.

La consommation d’énergie ne cesse d’augmenter et devient de moins en moins prévisible, les logements et les appareils étant de plus en plus énergivores. La demande ne cesse de croître. Parallèlement, le changement climatique nous oblige à trouver des sources d’énergie plus propres.

Les énergies renouvelables ont tout changé. L’énergie solaire et éolienne offrent une énergie propre et efficace et permettent aux consommateurs de produire leur propre énergie à domicile. Le réseau électrique devient ainsi un système bidirectionnel, et non plus à sens unique.

Au lieu d’adapter la production à la demande, les fournisseurs d’énergie adaptent désormais la demande à une production variable, car la production solaire et éolienne fluctue en fonction des conditions météorologiques.

Ajoutez les véhicules électriques à l’équation, et…

La recharge d’un véhicule électrique peut doubler la consommation d’un foyer. À grande échelle, des millions de recharges incontrôlées sollicitent fortement les transformateurs et les lignes de distribution.

Les énergies renouvelables et les véhicules électriques offrent donc des alternatives plus propres, certes, mais ils soulèvent aussi de nouveaux défis. Or, le retour aux énergies fossiles n’est pas envisageable. Et la demande ne faiblit pas de sitôt. Comment s’adapter, alors ? Nous évoluons.

Cela signifie que les réseaux ont besoin de technologies intelligentes : capteurs, automatisation et programmes de gestion de la demande pour gérer l’offre et la demande imprévisibles.

En bref:

Le réseau électrique doit évoluer d’un système rigide et unidirectionnel vers un réseau flexible et bidirectionnel capable de :

• Gérer l’énergie provenant de nombreuses sources (y compris les habitations).

• Gérer la demande imprévisible (comme la recharge des véhicules électriques ).

• Soutenir les objectifs en matière d’énergie propre.

C’est possible aujourd’hui. Voici comment.

Transformateurs à semi-conducteurs (SST)

Les transformateurs à semi-conducteurs (SST) constituent une tendance technologique majeure et l’un des développements les plus passionnants dans le domaine de l’ingénierie électrique.

Les transformateurs traditionnels utilisaient de lourds noyaux de fer et des enroulements de cuivre pour élever ou abaisser la tension. Un système lourd, lent et encombrant, peu intelligent.

SSTs could change that. Remplacez les noyaux de fer par des composants électroniques et des semi-conducteurs avancés comme le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) , et vous pourrez désormais convertir l’énergie plus efficacement et avec une intelligence intégrée.

Cette tendance émergente n’en est encore qu’à ses balbutiements et son adoption reste limitée par les coûts, les normes et les compromis nécessaires à une efficacité énergétique élevée. Toutefois, son fort potentiel ouvre des perspectives prometteuses pour l’avenir proche.

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Qu’est-ce qui rend les SST si spéciaux ?

• Les capteurs et le système de contrôle sont désormais intégrés directement au transformateur. Les fournisseurs d’énergie peuvent ainsi surveiller la tension, la charge et le rendement en temps réel, sans avoir recours à des dispositifs de surveillance supplémentaires.

• Ils sont plus petits, plus légers et chauffent moins grâce aux semi-conducteurs à large bande interdite, qui commutent plus rapidement et gaspillent moins d’énergie.

• Elles permettent des fonctions de réseau intelligent telles que le contrôle dynamique de la tension, l’intégration des énergies renouvelables et la gestion de la recharge des véhicules électriques.

Pourquoi est-ce important ?

• Les entreprises de services publics bénéficient d’une visibilité granulaire à chaque nœud (sous-station, point de distribution).

• Les SST rendent le réseau plus flexible et plus efficace, permettant ainsi son évolution.

Comptage intelligent et disjoncteurs statiques

Les compteurs intelligents ont beaucoup évolué. Des relevés manuels aux balayages radio effectués depuis les véhicules, et maintenant aux nœuds sans fil installés sur les poteaux.

Alors, quelle est la prochaine étape ?

Qu’en est-il de la capacité à surveiller les données en temps réel par circuit (par exemple, comprendre la consommation d’énergie de votre système de chauffage, ventilation et climatisation par rapport à celle de vos éclairages) ?

Well, but you would have to be plugged into each and every appliance in a home, right? Et qu’est-ce que cela signifie pour la vie privée… personne ne souhaite que la compagnie d’électricité sache précisément quand il fait griller du pain.

En associant des compteurs intelligents à des disjoncteurs statiques (SSCB), vos habitudes de consommation de pain grillé peuvent rester confidentielles tout en fournissant les données précises nécessaires à la gestion de la demande et à l’analyse prédictive.

Imaginez les SSCB comme des feux de circulation intelligents pour l’électricité. Ils surveillent chaque circuit et transmettent les données de consommation sans accéder à vos appareils. Cela résout les problèmes de confidentialité tout en fournissant aux fournisseurs d’énergie les données nécessaires au maintien d’un réseau stable et efficace.

Cette technologie n’est toutefois pas encore largement répandue. Les disjoncteurs SSCB sont bien plus fréquents dans les centres de données, les panneaux industriels ou certains cas d’utilisation résidentielle. Mais à mesure que la technologie évolue, le nombre d’applications concernées ne cessera de croître.

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Pourquoi est-ce important ?

• Des données plus précises pour la planification et la gestion de la demande.

• La confidentialité est préservée. Aucune surveillance au niveau des appareils.

• Des réseaux plus intelligents signifient moins de pannes et une meilleure gestion de l’énergie.

Systèmes de stockage d’énergie (ESS)

When renewables came into the conversation decades and decades ago, sceptics were quick to ask, “How do we keep the power on when the sun isn’t shining?” Well, we store it, of course. Non pas le soleil et le vent, mais l’énergie qu’ils produisent.

Bien sûr, à l’époque, c’était un défi, car cela nécessitait de repenser les possibilités et de se poser la question de savoir quelle quantité de données on pouvait réellement stocker.

Aujourd’hui, nous avons quelques réponses.

Les systèmes de stockage d’énergie connaissent une croissance exponentielle à travers le monde. Littéralement. Aujourd’hui, on trouve sur le marché des solutions sous forme d’immenses remorques de 10 mètres de long, semblables à celles que l’on voit à l’arrière d’un camion. Chacune d’elles est capable d’alimenter des milliers de foyers pendant des heures (en fonction du profil de charge et de la durée).

Ces systèmes sont installés à proximité des centres de données et des usines, fournissant une alimentation de secours et absorbant l’énergie renouvelable supplémentaire lorsqu’elle est disponible.

Les systèmes modernes peuvent stocker et fournir jusqu’à 10 à 50 MWh, et cette tendance continue de s’accentuer.

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Il existe deux types principaux :

• Systèmes à batteries (BESS) : Lithium-ion et autres chimies.

• Stockage alternatif : comme le stockage de chaleur au sodium fondu pour les installations de grande envergure.

Pourquoi est-ce important ?

• Le stockage de l’énergie est essentiel pour garantir la fiabilité des énergies renouvelables.

• Les semi-conducteurs à large bande interdite (SiC, GaN) rendent la conversion de puissance efficace et réactive, permettant à ces systèmes de se coupler de manière transparente au réseau.

IoT

Dans le processus de création de ce réseau amélioré, l’Internet des objets (IoT) devient notre meilleur allié. Il en est le système nerveux. Capteurs et connexions sont omniprésents, des transformateurs aux bornes de recharge pour véhicules électriques. Ces capteurs surveillent :

• variations de tension et de courant

• Surchauffe ou vibrations

• changements météorologiques

• Même des fuites d’hydrogène se produisent, par exemple, dans des applications de stockage industrielles ou à grande échelle.

Pourquoi est-ce important ?

• Les capteurs et la connectivité permettent de détecter les problèmes au plus tôt, et la détection précoce des problèmes contribue à prévenir les catastrophes.

Cependant,

Pour que l’Internet des objets (IoT) fonctionne, les capteurs doivent communiquer entre eux. Ils y parviennent grâce à des réseaux Ethernet ou cellulaires avec des liaisons de secours et une synchronisation précise.

Mais la connectivité comporte des risques, la sécurité est donc primordiale. Les garanties minimales comprennent :

• Authentification et chiffrement robustes.

• Architectures renforcées et mises à jour de firmware sécurisées.

• Systèmes fermés pour les infrastructures critiques afin de prévenir les brèches catastrophiques.

Lorsque les pannes à grande échelle sont inacceptables, la sécurité intégrée dès la conception est obligatoire.

Jumeaux numériques et analyse de l'IA

Repenser le réseau électrique nous ouvre un champ des possibles infini. Viser les étoiles, ou un monde où le réseau est si intelligent qu’il prédit et prévient les problèmes avant même qu’ils ne surviennent, et où les pannes sont facilement évitables. Bien sûr, c’est trop beau pour être vrai. Un simple exercice d’imagination, n’est-ce pas ?

Sauf…

Nous avons parlé des technologies qui rendent le réseau électrique plus intelligent et plus connecté. Comment elles contribuent à une efficacité propre, résiliente et durable.

Un réseau intelligent et connecté permet également de rendre possibles deux technologies clés :

1. jumeaux numériques

• Un jumeau numérique est une copie virtuelle d’un actif ou d’un réseau physique (comme une sous-station ou un transformateur).

• Il simule le comportement du système réel, permettant ainsi aux entreprises de services publics de tester des scénarios et de planifier la maintenance sans toucher à l’équipement réel.

2. Analyse de l’IA

• L’IA surveille les données du réseau pour repérer les anomalies, prévoir la demande et déclencher les systèmes de secours avant toute panne.

• Cela se traduit par moins de pannes et une meilleure efficacité.

Qu’est-ce qui fait que cela fonctionne ?

• Synchronisation en temps réel entre les sous-stations (à l’aide de protocoles de synchronisation précis comme PTP).

• Connectivité moderne (Ethernet et réseau cellulaire pour la redondance).

• Conception conjointe matériel et logiciel :

• Choisir les bons processeurs.

• Utilisation de puces dotées d’accélérateurs d’IA pour un traitement rapide en périphérie.

• Des outils de développement et des kits de développement logiciel (SDK) qui facilitent l’entraînement et le déploiement de modèles, des périphériques périphériques au cloud.

En bref:

• La modernisation ne se résume pas à l’acquisition de nouveaux matériels ; il s’agit aussi d’ajouter de l’intelligence au réseau.

• Jumeaux numériques = modèles virtuels pour la planification et la maintenance prédictive.

• L’analyse par IA = surveillance et prévision en temps réel.

• Ensemble, ils rendent le réseau électrique proactif plutôt que réactif.

Imaginez ça .

La Grille, réinventée

Le réseau électrique du futur est possible dès aujourd’hui.

Un réseau auto-optimisé, propre, fiable, résilient et sécurisé qui achemine l’énergie de manière dynamique, équilibre les charges et minimise l’intervention des opérateurs. Un réseau conçu pour le monde d’aujourd’hui et prêt pour celui de demain.

Ce réseau repensé repose sur trois piliers :

• Edge intelligent : les SST, les SSCB et les capteurs fournissent des données fiables en temps réel.

• Intelligence prédictive : les jumeaux numériques et l’analyse par IA transforment les données en prévisions.

• Électronique de puissance efficace : le SiC et le GaN de nouvelle génération permettent une conversion dense, froide et fiable.

Les incitations, l’éducation et la collaboration au sein de l’écosystème accéléreront l’adoption. Comme l’a conclu notre panel, la transformation du réseau est déjà en cours ; les gagnants seront ceux qui intègrent le matériel et les logiciels, sécurisent l’ensemble de l’infrastructure et conçoivent des systèmes flexibles et évolutifs dans un monde où la production et la demande évoluent constamment.

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