Pour la lecture de ce court article, je suggère d’écouter en même temps cette chanson mythique Thunderstruck du légendaire groupe de Hard Rock AC/DC, (bien que High Voltage puisse être plus approprié à l’article de par son titre, le riff d’introduction de Thunderstruck est de loin le meilleur de ce que le groupe à pu produire et de plus, ses paroles mentionnent un réveil par une énergie irrésistible).
Alors voilà, en 2025 plusieurs initiatives parlent et militent pour l’introduction massive des microréseaux DC, parlons de Open DC Alliance (ODCA), Shift2DC ou encore la Current/OS Foundation. Il ne s’agit pas là de raviver la guerre des courants menée par Thomas Edison et Nikola Tesla, qui a été conclu par l’adoption du standard alternatif, mais de proposer un mode de distribution hybride qui profite des avantages des deux côtés. Aujourd’hui il y a déjà un fort établissement des réseaux de distribution à haute tension (HVDC), notamment dans le transport sous-marin, mais qu’en est-il de la moyenne tension (MVDC) et basse tension (LVDC)? Qu’en est-il aussi de la très basse tension (ELVDC) largement utilisée par les chargeurs USB et éclairages LED? Pourquoi ne pas se passer des transformateurs qui s’empilent dans un carton car offerts à nouveau avec chaque nouvel appareil acheté. Nous parlons donc de réduction des coûts liés aux matériaux, d’augmentation de l’efficacité énergétique et de fiabilité des appareils.
Par contre cet article de discute pas des réseaux ELVDC, mais des installations plus importantes, typiquement dans l’industrie ou le boom des stations de recharges des véhicules électriques. Cet article propose trois étapes simples à considérer pour atteindre un niveau d’efficience qui sera dans un futur proche, un standard à suivre.
La première étape consiste en un rattrapage pour se raccrocher à ce qu’on appelle l’état de l’art aujourd’hui, à savoir une connexion au réseau de distribution AC, plusieurs types de charges moyenne ou basse tension, mais surtout des éléments de production énergétique et de stockage intermédiaire fonctionnant comme tampons énergétiques. Toute surface disponible sur les toits est bonne à prendre pour installer des panneaux solaires typiquement. Il est avéré aussi que les fluctuations de production peuvent être lissées par un stockage intermédiaire, appelée communément « réduction des pointes de charge » (Peak Shaving). Les charges discontinues fonctionnant par intermittences, typiquement des chargeurs de véhicules électriques, posent déjà un problème aux réseaux de distribution par le faite que tout écart de consommation par rapport à celle prévue coûte beaucoup d’argent. L’installation d’un tampon énergétique permet de résoudre le problème de ces intermittences en se chargeant des variations de puissance tout en assurant une consommation continue et stable au réseau. Ces installations n’ont rien d’expérimental, il s’agit de l’état de l’art qui donne un avantage financier vérifié, simplement en considérant les coût de consommation d’énergie électrique.
La seconde étape consiste en la considération d’un bus DC commun permettant de diviser par deux le nombre de convertisseurs de puissance. En effet, dans les réseaux industriels typiques, les moteurs ont un étage redresseur connecté au réseau AC, puis un nouvel onduleur pour la fonction d’entraînement. L’idée déjà bien établie est de connecter ces bus DC ensemble sous la forme d’un microréseau intermédiaire LVDC qui connecterait génération et stockage directement aux charges. De cette manière, les pertes semi-conducteurs dans les convertisseurs de puissance seraient divisées par deux, boostant l’efficacité et la fiabilité du système. Le contrepoint viens dans l’introduction d’un système de protection DC, ceux-ci étant bien établi dans le réseaux DC ferroviaires, mais néanmoins plus onéreux que les disjoncteurs AC. Il semblerait qu’en ce moment le coût de départ d’un microréseau DC soit plus haut que le AC, par contre ces coûts seraient compensés par les bénéfices liés à l’exploitation. Pour un bilan précis, il faut établir des balances au cas par cas, et évaluer chaque système séparément, mais la bonne nouvelle est qu’il existe de plus en plus d’exemple prouvant cette hypothèse.
Finalement, comme troisième étape, il faudrait faire de même avec le côté MVDC afin de tirer les même avantages que dans l’établissement d’un réseaux LVDC. Un des problèmes à ces niveaux-là vient du fait que les systèmes de protection deviennent trop onéreux pour une exploitation intéressante économiquement parlant. Par contre, un espoir vient du côté des convertisseurs de puissances. En effet, les convertisseurs de type « transformateur à semiconducteurs » (SST – Solid-state Transformers) sont composés d’éléments modulaires à plusieurs étages, permettant de se déconnecter en cas de faute dans le réseau, voire même de contrôler/limiter des courant de court-circuit, même lors de fautes venants du convertisseur lui-même. Cette technologie existe depuis des décennies, sous différentes dénominations dont notamment le « pont actif double » (DAB – Dual Active Bridge), elle permet la transformation DC/DC isolé avec une étage moyenne fréquence permettant une réduction drastique des matériaux ferromagnétiques. Plus efficients et moins volumineux, son coût par contre reste encore prohibitif par manque de production à large échelle.
Je pourrais m’arrêter là en disant « Qu’attendez-vous, allez-y vu que c’est si simple », mais non rien n’est simple lorsque l’on parle de modifier des standards industriels ou de certifier de nouveaux composants. Rien que pour les niveaux de tensions, il n’y a pas encore de consensus. L’Europe semble proposer 650V pour le LVDC, les US et la Chine vont pour 750V, tout cela est dû aux différents niveaux de tensions AC pour les entraînements de moteurs. On entend aussi parler de 800V, sortant tout d’un coup comme ça de la part des grands acteurices des centres de données et autres hébergeurices d’intelligences artificielles. En ce qui concerne les niveaux MVDC, on entend des ±2kV ou ±4kV qui sortent un peu de nulle part, alors que d’autres suggèrent, ±1.5kV, ±3kV et ±4.5kV pour s’adapter aux capacités des semiconducteurs existants, pour autant que l’on veuille bien considérer les convertisseurs de puissance dans les discussions. Il apparaît aussi des ±10kV ou ±12kV, voire même ±20kV ou ±27kV, mais peut-être que ce n’est pas si important de trop s’avancer à ce point, car l’esprit du convertisseur modulaire est justement de pouvoir s’adapter à tous ses niveaux.
Plus d’info sur la modélisation de microréseaux DC avec convertisseurs type transformateurs à semiconducteurs dans ce tutoriel: https://pesc.blog/fr/system-level-level-modeling-ans-simulation-of-mvdc-microgrids-featuring-solid-state-transformers/
