Le courant continu sur le devant de la scène: vers une infrastructure énergétique plus efficace

La révolution silencieuse de l'énergie, du courant alternatif au courant continu

Notre quotidien repose sur l'utilisation du courant alternatif (CA) depuis près d'un siècle et demi, mais ce système commence à atteindre ses limites. À l'heure où les véhicules électriques, les panneaux solaires et le stockage de l'énergie deviennent la norme, une révolution tranquille semble s'annoncer: celle du courant continu (CC).

La guerre des courants

À la fin du XIXe siècle, une bataille féroce faisait rage entre deux visions de l'électricité, plus connue sous le nom de 'guerre des courants'. D'un côté, il y avait le courant continu de Thomas Edison, qui était simple et fiable sur de courtes distances, mais qui souffrait de pertes importantes lors de la transmission sur de longues distances. De l'autre, le courant alternatif de Nikola Tesla, qui s'est avéré adapté à la distribution à grande échelle grâce aux transformateurs. La possibilité d'augmenter et de diminuer facilement la tension a fait du courant alternatif le facteur décisif de l'époque: il est devenu l'épine dorsale de nos réseaux électriques et l'est resté pendant plus d'un siècle.

Aujourd'hui, les règles du jeu changent à nouveau. Le secteur de l'énergie se numérise et s'électrifie rapidement, sous l'impulsion des panneaux solaires, du stockage en batterie et des véhicules électriques. Ces applications fonctionnent naturellement en courant continu. La question se pose de plus en plus de savoir s'il est encore judicieux de convertir continuellement l'énergie du courant alternatif au courant continu et vice-versa. Les nouvelles technologies et l'électronique de puissance font du courant continu une option réaliste, efficace et durable dans les bâtiments modernes et les environnements industriels.

Pourquoi passer au courant continu?

Le regain d'intérêt pour le courant continu est aujourd'hui lié à l'efficacité des systèmes énergétiques modernes. Les systèmes à courant alternatif actuels nécessitent de nombreuses conversions entre le courant alternatif et le courant continu, ce qui entraîne des pertes d'énergie pouvant aller jusqu'à 20%. Un réseau à courant continu, en revanche, supprime ces nombreuses conversions CA/CC, ce qui réduit les pertes d'énergie et la consommation.

Comme il y a moins de conversions dans un système à courant continu, il faut aussi moins de matériel: la pratique montre qu'il faut 50% de cuivre en moins dans le câblage des réseaux à courant continu. Cela réduit à la fois le coût des matériaux et l'empreinte carbone, car la production de cuivre est très énergivore. En outre, le courant continu est souvent distribué à une tension plus élevée (650 volts) que le courant alternatif (généralement 400 volts). La tension plus élevée permet d'envoyer la même quantité d'énergie dans un câble dont la section est beaucoup plus petite.

Le nombre de composants électriques diminue également de manière significative. Les onduleurs et les convecteurs peuvent être supprimés dans de nombreux endroits, car les appareils sont directement connectés aux réseaux à courant continu. Au total, cela permet de réduire de 25% le nombre de composants dans l'armoire de commande, ce qui se traduit par une réduction des coûts, une diminution de la maintenance et des installations plus compactes.

À l'heure où nous nous efforçons massivement d'atteindre la neutralité climatique, l'utilisation de sources d'énergie renouvelables est indispensable. Les panneaux solaires, les batteries de stockage et les véhicules électriques forment ensemble une chaîne de courant continu dans laquelle l'énergie peut être échangée directement sans devoir être convertie à chaque fois. C'est là qu'intervient la charge bidirectionnelle - également connue sous le nom de 'vehicle-to-grid' (V2G) - où les véhicules électriques ne se contentent pas d'absorber de l'énergie mais la réinjectent également dans le réseau. Cela crée une sorte de cycle énergétique qui maximise la consommation propre et réduit la charge externe du réseau. Mais la technologie V2G n'en est qu'à ses débuts: seule une poignée de voitures électriques en sont déjà équipées et il n'existe pas encore de cadre juridique.

Problèmes de démarrage

L'adoption généralisée de la technologie à courant continu n'en est qu'à ses débuts. Outre les avantages qu'elle présente en termes d'efficacité énergétique et de coût des matériaux, il existe encore des obstacles évidents qu'il convient d'abord de surmonter. Les principaux défis se situent aujourd'hui dans les domaines de la sécurité, de la normalisation et de la formation.

Risques pour la sécurité

L'un des problèmes les plus discutés avec le courant continu est l'arc électrique qui peut se produire lorsqu'un réseau de courant continu est mis hors tension. Contrairement au courant alternatif, le courant continu n'a pas de passage à zéro. L'arc peut endommager l'équipement et, dans le pire des cas, les utilisateurs. Ce risque de sécurité était également l'une des raisons pour lesquelles Tesla avait remporté la bataille contre Edison dans la 'guerre des courants' avec son courant alternatif.

Cependant, cette bataille est loin derrière nous. L'électronique de puissance moderne et les nouveaux types de connecteurs peuvent réduire considérablement ces risques. Par exemple, des connecteurs novateurs dotés de technologies d'extinction ont été développés pour protéger les installateurs des dangers de l'arc électrique. Néanmoins, il est essentiel que cette technologie soit largement normalisée et testée afin que les installateurs puissent compter sur des niveaux de sécurité prévisibles.

La normalisation est à la traîne

Alors que la distribution en courant alternatif s'appuie sur plus d'un siècle de réglementations - inscrites en Belgique dans le RGIE - la normalisation des réseaux en courant continu n'en est qu'à ses balbutiements. Grâce aux 'early adopters', la demande de normalisation est apparue: en effet, plusieurs projets pilotes de courant continu en Europe n'ont pas pu être certifiés, simplement parce qu'il n'existait pas de règles. Ces projets ont donc représenté un point de basculement. Entre-temps, des normes sont discrètement élaborées, mais le processus est loin d'être achevé. Les règlements sont élaborés au niveau européen, et de nombreuses normes ne sont pour l'instant qu'à l'état d'avant-projet. Elles doivent ensuite être approuvées par les comités, où les 27 États membres doivent voter, et c'est justement là que les choses sont encore un peu laborieuses.

L'Open Direct Current Alliance (ODCA)
Pour accélérer le déploiement des systèmes à courant continu, la coopération entre les différentes parties est cruciale. C'est pourquoi l'Open Direct Current Alliance (ODCA) a été créée: un groupe de travail composé de 33 entreprises issues de l'industrie, du monde universitaire et de la recherche, qui souhaite développer la technologie du courant continu dans le monde entier et la mettre en œuvre dans diverses applications - dans le but d'économiser les ressources et de créer un monde neutre en termes de CO₂. Cette organisation internationale à but non lucratif compte aujourd'hui plus de 80 membres issus de 17 pays répartis sur trois continents.

Pénurie de profils spécialisés

L'émergence du courant continu nécessite non seulement des techniques innovantes et une normalisation des règles, mais aussi une nouvelle compétence de la part des installateurs, des concepteurs et des ingénieurs.

Le fossé se creuse encore davantage, car les projets énergétiques modernes nécessitent souvent des connaissances en matière de logiciels, en plus d'une formation en génie électrique. Par exemple, un informaticien peut programmer un excellent système énergétique, mais il doit aussi comprendre l'impact d'une batterie de cinq mégawatts sur le réseau.

Aujourd'hui, la demande de personnel techniquement compétent dans les deux domaines est très élevée. Avec le temps, la formation peut assurer le recyclage du personnel, mais pour cela, il faut d'abord que la normalisation soit au rendez-vous.

L'industrie et les ports passent au courant continu

Actuellement, la plupart des projets pilotes sont mis en œuvre dans le secteur industriel: lignes de production, industries de transformation et de transport, centres de données, immeubles de bureaux et bâtiments commerciaux. À chaque fois, les résultats sont les mêmes: une production plus efficace sur le plan énergétique, avec d'importantes économies d'énergie (jusqu'à 75%) et de matériaux (25%), ainsi qu'une meilleure intégration des sources d'énergie renouvelables.

Bien que les applications résidentielles ne fassent pas encore partie des domaines d'intérêt pour l'instant, les experts soulignent que les maisons pourraient éventuellement évoluer vers des réseaux à courant continu. De nombreux appareils ménagers fonctionnent déjà en interne avec du courant continu, comme nos machines à laver, nos pompes à chaleur et même nos smartphones. Les micro-réseaux à courant continu pourraient également être mis en œuvre au niveau municipal, mais pour l'instant, cela reste du domaine de l'avenir: il n'existe pas encore de normes spécifiques ni de lignes directrices en matière de sécurité. C'est pourquoi la plupart des initiatives se concentrent aujourd'hui sur les bâtiments commerciaux et industriels, dont l'échelle et le profil énergétique offrent davantage de potentiel.

C'est toutefois dans le secteur du transport maritime que le courant continu est solidement implanté. De nombreux navires sont alimentés en interne par du courant continu, ce qui fait de la distribution à courant continu une solution parfaitement adaptée à leur modèle énergétique existant. Plusieurs ports européens mettent actuellement en œuvre des projets qui relient directement les navires à une station de recharge à courant continu, ce qui accroît l'efficacité et accélère le passage à une chaîne logistique à faible émission de carbone.

Câblage plus simple, moins de maintenance

Installation plus compacte

L'installation d'un réseau à courant continu présente de nombreuses similitudes avec celle d'un réseau à courant alternatif classique, mais diffère techniquement sur certains aspects cruciaux. Comme les réseaux industriels à courant continu fonctionnent souvent à 650 volts - plus élevés que les 400 volts CA habituels - la même puissance peut être acheminée par des câbles de plus petite section. Cela permet de réduire la quantité de cuivre et de rendre le câblage plus compact. Le nombre de composants est également réduit: de nombreux onduleurs et modules de conversion sont supprimés dès lors que les machines, les points de charge, les systèmes photovoltaïques ou les batteries peuvent être connectés directement au rail de courant continu.

Un réseau à courant alternatif nécessite généralement 3 à 5 câbles, tandis qu'un réseau à courant continu ne comporte généralement que 2 conducteurs (plus et moins) et parfois un conducteur de terre supplémentaire. Par conséquent, le courant continu peut se contenter de moins de câbles, ce qui simplifie les installations et les rend potentiellement moins coûteuses.

Détection des défauts

Dans un réseau à courant continu, les disjoncteurs permettent de détecter rapidement les courants de défaut, tels que les surintensités ou les courts-circuits, et de déconnecter automatiquement le circuit concerné. Comme le courant continu n'a pas de passage à zéro, ces disjoncteurs doivent être capables d'interrompre en toute sécurité un courant permanent. Les 'interrupteurs intelligents' sont de plus en plus utilisés: il s'agit de dispositifs de protection rapides situés entre la barre de bus CC et les secteurs CC individuels. Spécialement conçus pour les réseaux à courant continu, ils réagissent plus rapidement que les disjoncteurs classiques et mesurent en permanence toutes les valeurs telles que le courant, la tension et l'isolation. En cas de défaillance (surintensité, court-circuit ou défaut de mise à la terre), ils ne coupent que le secteur concerné, de sorte que le reste du réseau CC reste opérationnel.

Pour les machines ou les installations, un arrêt d'urgence peut également mettre automatiquement hors tension le secteur CC concerné. En outre, les systèmes de gestion de l'énergie sont progressivement rendus compatibles avec les réseaux à courant continu.

Maintenance

La maintenance d'un réseau à courant continu n'est pas fondamentalement différente de celle d'un système à courant alternatif, mais dans la pratique, elle est souvent plus simple. Comme de nombreux composants sont éliminés dans les systèmes à courant continu, il y a également moins de composants susceptibles de s'user ou de tomber en panne. La durée de vie des composants critiques d'un système à courant continu est encore une question de conjecture, mais la durée de vie prévue est comparable à celle des systèmes à courant alternatif.

Le meilleur des deux mondes

Bien que le courant continu soit une alternative durable et efficace aux réseaux à courant alternatif, les experts n'envisagent pas la disparition immédiate du courant alternatif. Le courant alternatif et le courant continu continueront à coexister. Il y a trop de courant alternatif dans le monde pour qu'il puisse être éliminé en peu de temps. C'est pourquoi l'accent est mis sur l'application du courant continu là où les pertes matérielles et énergétiques peuvent être éliminées. Le courant continu offre la possibilité d'économiser de l'énergie et de réduire les émissions de CO₂, en particulier dans les industries à forte consommation. Ainsi, la recharge bidirectionnelle peut être un catalyseur lorsque les réglementations le permettent. L'avenir de l'électricité n'est plus le courant alternatif ou le courant continu, mais une interaction intelligente entre les deux.

En collaboration avec Phoenix Contact et Weidmüller