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Êtes-vous déjà passé devant une usine remplie du bourdonnement de machinerie Ou un supermarché ouvert 24h/24 ? Si oui, vous avez découvert l'essence même de l'industrie moderne : un flux d'électricité constant et fiable.
Mais réfléchissez à ceci : que se passe-t-il lorsque des panneaux solaires produisent trop d'énergie par une journée ensoleillée, ou lorsque le réseau électrique s'effondre lors d'une violente tempête ? C'est là qu'intervient le système de conversion d'énergie (PCS).
Cela peut paraître insignifiant, mais cette merveille technologique transforme discrètement mais significativement la façon dont les industries stockent, gèrent et valorisent l'énergie. Examinons de plus près pourquoi ce dispositif apparemment banal est si crucial pour les entreprises et l'environnement.
Le PCS expliqué : bien plus qu'un simple adaptateur
À son niveau le plus élémentaire, un système de conversion d'énergie fonctionne à double sens. Imaginez-le comme un traducteur hautement qualifié, servant d'intermédiaire entre trois entités principales : les sources d'énergie comme les panneaux solaires, les éoliennes et le réseau électrique ; les systèmes de stockage comme les batteries lithium-ion et les réservoirs d'hydrogène ; et les charges industrielles, notamment les robots de chaîne de montage et les unités de réfrigération.
Les systèmes de conversion d'énergie modernes sont bien loin des simples onduleurs. Ils sont équipés de logiciels sophistiqués capables d'effectuer des calculs complexes en temps réel. Ils gèrent par exemple la conversion entre courant continu (CC) et courant alternatif (CA).
Ils récupèrent l'énergie brute des batteries (CC) et la convertissent en courant alternatif utilisable par le réseau électrique, et inversement. De plus, ils régulent la fréquence pour qu'elle corresponde à la norme du réseau (60 Hz aux États-Unis, 50 Hz en Europe) afin de protéger les équipements contre les dommages. Ils peuvent également stocker l'énergie pendant les heures creuses, lorsque celle-ci est moins chère, puis l'utiliser pendant les périodes de forte demande, réduisant ainsi efficacement les coûts des services publics.
Prenons l'exemple de la Gigafactory Tesla au Nevada. Les clusters PCS jouent ici un rôle essentiel. Pendant la journée, lorsque la production d'énergie solaire atteint son pic à midi, l'excédent d'énergie est stocké. La nuit, cette énergie stockée est utilisée pour alimenter l'usine, ce qui a permis une réduction remarquable de 37 % des coûts énergétiques, selon les documents déposés auprès de la SEC en 2023.
Les sources d'énergie renouvelables comme le solaire et l'éolien sont connues pour leur imprévisibilité. Un instant, le soleil brille intensément, puis se cache derrière les nuages ; le vent peut souffler fort un instant, puis faiblir. C'est là que le PCS prend tout son sens.
Les jours où l'énergie solaire est abondante, le surplus est utilisé pour recharger les batteries au lieu de surcharger le réseau électrique. Et lorsque le soleil se couche ou qu'il y a une panne de courant, l'énergie stockée peut être déployée sans problème.
Un bon exemple est ce qui s'est passé dans une usine BMW en Caroline du Sud en 2022. Lorsqu'un ouragan a frappé, l'usine risquait une interruption de service importante. Mais grâce à son système de batterie de secours PCS, elle a évité 2,1 millions de dollars de pertes. Le système est passé en mode îlot en moins de 10 millisecondes – c'est-à-dire en un éclair !
Partout dans le monde, les gouvernements incitent les industries à réduire leurs émissions de carbone. Aux États-Unis, par exemple, l'Inflation Reduction Act (IRA) offre un crédit d'impôt substantiel de 30 % pour les systèmes de stockage d'énergie industriels intégrant des systèmes de stockage d'énergie à cycle combiné (PCS). Cela encourage non seulement les entreprises à adopter des solutions énergétiques plus durables, mais rend également l'investissement dans les PCS plus viable financièrement.
Les usines trouvent désormais de nouvelles façons de générer des profits grâce au négoce d'énergie. Elles peuvent recharger leurs batteries lorsque les prix de l'électricité sont bas, par exemple à 0,03 $ le kWh lors des nuits venteuses au Texas. Puis, aux heures de pointe, lorsque les prix grimpent à 0,18 $ le kWh, elles peuvent revendre l'énergie stockée au réseau. Certains logiciels PCS avancés utilisent même les données météorologiques et les tendances boursières pour prédire les pics de prix, ce qui confère aux entreprises un avantage sur ce marché énergétique émergent.
Une étude menée par le MIT en 2023 a démontré la puissance de l'IA dans les systèmes de contrôle de production (PCS). Grâce à l'apprentissage automatique, le PCS a pu prédire les moments où les machines consommeraient beaucoup d'énergie, comme le démarrage du four à arc d'une aciérie. En préchargeant les condensateurs, il a pu éviter les baisses de tension. Dans des usines automobiles simulées, cela a entraîné une diminution de 22 % des erreurs de production.
Après une panne de courant, le redémarrage du réseau électrique peut s'avérer complexe. La plupart des réseaux ont besoin d'une alimentation externe pour redémarrer, ce qui crée un problème de type « poule et œuf ». Mais les unités PCS avancées peuvent utiliser l'énergie résiduelle des batteries pour démarrer de manière autonome et contribuer ainsi au redémarrage du réseau.
Les charges et décharges fréquentes des batteries lithium-ion peuvent entraîner leur dégradation au fil du temps. Pour y remédier, des entreprises comme Fluence intègrent des algorithmes adaptatifs aux systèmes PCS. Ces algorithmes privilégient le maintien de l'état de la batterie plutôt que les économies à court terme, garantissant ainsi une durée de vie prolongée des batteries.
La menace de cyberattaques sur les systèmes de contrôle d'accès (PCS) est une réelle préoccupation. Un PCS piraté pourrait perturber le réseau électrique ou entraîner la fuite de données de production sensibles. Une étude menée à Stanford en 2023 a révélé que 80 % des micrologiciels des PCS industriels présentaient des vulnérabilités. Cependant, de nouvelles technologies de chiffrement basées sur la blockchain émergent, offrant l'espoir d'une sécurité renforcée.
La production de puces SiC nécessite des matériaux comme le gallium et les terres rares, souvent extraits dans des régions aux situations géopolitiques complexes. Il est donc difficile pour les États-Unis, par exemple, de concrétiser pleinement la vision du président Biden de produire des PCS sur leur territoire.
Siemens Energy teste actuellement des unités PCS capables de basculer entre le stockage d'hydrogène sur batterie et le stockage d'hydrogène vert. Cette solution est particulièrement prometteuse pour des secteurs comme la sidérurgie, qui nécessitent un approvisionnement continu en énergie à haute température 24 heures sur 24.
À l'avenir, nous pourrions voir des unités PCS capables de négocier directement des échanges d'énergie avec les usines voisines grâce à la technologie 5G, éliminant ainsi l'intermédiaire des fournisseurs d'énergie. Des projets pilotes dans la vallée de la Ruhr, en Allemagne, explorent déjà cette possibilité.
L'Agence américaine pour les projets de recherche avancée en défense (DARPA) a inclus des recherches sur les systèmes quantiques de communication (PCS) dans son cycle de financement de 2024. L'objectif est d'utiliser des qubits pour gérer les fluctuations du réseau qui se produisent en microsecondes, un exploit que la technologie actuelle peine à réaliser.
Pour les étudiants en ingénierie, les passionnés de politique publique ou les futurs chefs d'entreprise, le système de conversion d'énergie est crucial. Il peut réduire drastiquement les émissions industrielles de CO₂ (l'industrie lourde contribue à environ 30 % des émissions mondiales), transformer les marchés de l'énergie et les finances des entreprises, et réduire la dépendance aux approvisionnements volatiles en pétrole et en charbon.
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