1 avril 2014 Par : Dr Paul Héroux, PhD

ndlr : Le Dr Paul Héroux est une sommité dans son domaine, scientifique bénéficiant d’une expérience peu commune équilibrée entre la physique et en ingénierie (15 ans) et en sciences de la santé (25 ans). Il a travaillé pendant 10 ans à l’IREQ, en transmission d’énergie, après quoi il a continué ses études en biologie et en médecine. Le Dr Héroux a obtenu son PhD de l’INRS-Énergie dans une recherche faite à l’IREQ (effet couronne des lignes de transport). Il a par la suite enseigné la toxicologie ainsi que les effets de l’électromagnétisme sur la santé, à l’Université McGill, de Montréal. Il est aujourd’hui directeur du programme de santé au travail du département d’épidémiologie, de la biostatistique et de la santé au travail, toujours à l’Université McGill, et scientifique médical au département de chirurgie esthétique de l’hôpital Royal Victoria.

Un nouveau réseau électrique à courant continu

Principe

Le contexte actuel est propice pour amorcer le remplacement de notre réseau électrique à courant alternatif (ca) par un nouveau réseau à courant continu (cc) pour la transmission, la distribution et la consommation de l’énergie électrique.

Le système actuel à ca a depuis longtemps souffert de plusieurs difficultés fondamentales. Sur de longues distances, les câbles doivent compenser leur capacité, alors que les lignes aériennes doivent compenser leur inductance, rendant la transmission d’énergie inefficace, ou plus chère. Un autre problème du système à ca, est que les générateurs d’énergie et les machines électriques doivent être synchronisés pour que le transfert d’énergie soit efficace. Cette synchronisation obligatoire crée une instabilité qui rend difficile la remise sous tension des grands réseaux à la suite d’une panne, et rend difficile leur interconnexion.

Un autre problème sérieux est que les champs magnétiques alternatifs on été liés au cancer, particulièrement à la leucémie chez l’enfant, ce qui rend l’implantation de nouveaux corridors de transport d’énergie difficile. Les données épidémiologiques donnent aux opposants des projets de ligne des arguments puissants pour les arrêter.

Notre propre recherche à l’hôpital Royal Victoria à Montréal a récemment produit des données qui supportent le rôle cancérigène des champs magnétiques de très basse fréquence dans le cas de la leucémie, et aussi pour les autres cancers, données disponibles en cliquant ici http://www.invitroplus.mcgill.ca/. L’effet est basé sur une perturbation du métabolisme par les champs magnétiques. Nous avons également fourni un mécanisme physique expliquant cette action, neutralisant du coup l’argument le plus ancien qui visait à discréditer les observations épidémiologiques sur les impacts biologiques des champs magnétiques. Nos données confirment que les champs magnétiques de très basse fréquence sont biologiquement actifs, et nous croyons qu’il n’est pas prudent d’exposer la population à de tels champs. Pendant des années, on a argué que l’ionisation moléculaire était nécessaire à toute action biologique, alors qu’en fait, des niveaux de champ très bas peuvent agir sur des particules électriques (électrons et protons) libérées dans des réactions enzymatiques.

Nous proposons dans cet article que l’industrie électrique peut éviter une implication désagréable dans les impacts sur la santé de ses installations si elle accélère la mise en place d’un système d’énergie électrique à cc. Si le passé est garant de l’avenir, la communauté scientifique n’atteint un consensus sur des questions complexes de ce genre que très lentement. Il a fallu 21 ans pour que les observations initiales de Wertheimer liant la leucémie chez l’enfant au cancer en 1979 soient confirmées par l’Agence Internationale de Recherche sur le Cancer en 2001 – Pour consulter le rapport, cliquer ici. La science est riche en diversité, mais pauvre en unanimité. L’incertitude sur ces questions est néfaste pour l’industrie.

La communauté électrotechnique peut agir de manière décisive pour éliminer les risques sanitaires des champs alternatifs, tout en accélérant son propre développement technique, et la modernisation de son réseau électrique. L’élimination des champs magnétiques de très basse fréquence à des niveaux  de 10 ou 20 nanoTesla (tel que recommandé par l’Association Médicale Autrichienne) pour éviter les effets biologiques n’est pas pratique à grande échelle, et particulièrement pas en industrie. Les lignes de haute tension auraient besoin de droits de passage de 2 km pour réduire les champs à des valeurs acceptables. Le système de distribution électrique produit des champs de centaines de nanoTesla, comparable aux contributions domestiques. Bien que des câbles coaxiaux puissent être utilisés pour réduire les émissions magnétiques, l’alternative, la distribution et la consommation de l’électricité sous forme de cc est beaucoup plus pratique. Déjà, des segments de l’industrie électrique se préparent à une transition vers le cc, sur le simple motif de la conservation d’énergie.

Les champs magnétiques continus et alternatifs  dans l’environnement

Le champ magnétique alternatif préindustriel était minuscule comparé à l’environnement actuel, et d’autant plus par comparaison avec le 1000 nanoTesla typiquement trouvé à la bordure d’une ligne de transmission. Si une telle ligne était convertie au cc, le champ continu correspondant serait seulement 1/50ème du champ magnétique terrestre.

Tous les systèmes vivants ont évolué pour tolérer les variations du champ magnétique statique. La rotation du corps humain à la surface de la terre change la direction du champ magnétique dans les tissus. La proximité de tout objet métallique ferromagnétique,  tel une automobile, perturbe l’amplitude du champ magnétique. Par exemple, le champ magnétique statique dans mon laboratoire est environ 37,000 nanoTesla, mais à proximité d’un évier, le champ augmente par un facteur de 4. L’impact magnétique d’un réseau électrique utilisant des courants statiques serait donc comparable à celui de la terre, assimilable à des perturbations magnétiques qui nous accompagnent au moins depuis l’âge du fer.

Avantages pour l’industrie électrique des transformateurs à l’électronique de puissance

L’industrie électrique a adopté le ca parce que les transformateurs présentaient une manière efficace d’altérer les niveaux de tension sans substantielles pertes d’énergie, ce qui, à l’époque, n’était pas possible pour le cc. Le transformateur a rendu la transmission de l’énergie électrique possible sur de longues distances. Mais les transformateurs présentent plusieurs problèmes pratiques. Ils sont gros et lourds, chers, contiennent des matières inflammables, et ne sont pas modulaires. Les délais de livraison pour des unités de grande puissance sont d’un an ou plus. Tout comme le moteur à combustion interne, les transformateurs nous ont bien servi, mais il est temps de passer à autre chose.

Depuis le développement des semi-conducteurs, spécifiquement des thyristors de haute puissance, des thyristors intégrés à grille commutée, des thyristors contrôlés à oxyde métallique et des transistors bipolaires à grille isolée, il est devenu possible d’altérer le niveau de tension du cc avec une efficacité énergétique comparable à celle des transformateurs. Les semi-conducteurs agissent comme interrupteurs pour charger des groupes de condensateurs en série, et les décharger en parallèle, pour réduire la tension. La tension de sortie peut être ajustée en altérant le temps de charge. Les semi-conducteurs de puissance présentent également la capacité supplémentaire de gérer la grandeur et la direction des flux d’énergie.

Les convertisseurs à cc sont assemblables à partir de composantes et de circuits modulaires, comme un ordinateur. Cette modularité signifie que des unités fonctionnelles peuvent être rapidement bâties à partir de composantes ou de modules, ce qui veut dire qu’ils sont incomparablement plus faciles à réparer, ce qui réduit la durée des pannes. Par comparaison, les transformateurs consistent d’une unité monobloc entourée d’une cuve remplie d’huile, très difficile à réparer.

Pour les longues lignes de transmission, le courant continu est déjà là

L’industrie électrique, pour suivre l’expansion économique, cherche des alternatives au ca pour renforcir son réseau. La plupart des nouvelles techniques en vogue sont basées sur le cc, qui offre un impact environnemental électromagnétique plus petit (champs magnétiques continus vs alternatifs) et un impact visuel réduit (structures plus compactes).

L’industrie électrique assiste à une expansion mondiale sans précédent des installations à cc. De courts segments à cc ont permis la connexion de grands réseaux à ca, tout en évitant les problèmes d’instabilité. Le cc est utilisé depuis 40 ans pour couvrir de longues distances, pour alimenter des îles, et pour les connections nord-sud (différences climatiques) et est-ouest (fuseaux horaires), ce qui permet d’atténuer les crêtes de la demande. En 2008, 8% de l’énergie consommée a transité des frontières, mais on s’attend à ce que cela augmente rapidement dans l’avenir. L’Europe à besoin de l’énergie éolienne et hydro-électrique du nord, et de l’énergie solaire de l’Afrique du Nord, par des lignes et câbles à cc. Un réseau à cc est, en quelque sorte, prêt pour l’exportation.

D’après un article de février 2011 dans IEEE Spectrum, les coûts d’investissement sont à peu près identiques pour le cc et le ca, mais les composantes plus simples des réseaux à cc résultent en une solution plus économique et plus fiable. La transition vers le cc est possible sans compromettre les structures actuelles. Les corridors à ca peuvent accommoder les lignes à cc, dans une configuration hydride. Une ligne à ca, quand reconfigurée pour le cc avec des investissements mineurs, peut accommoder plus de puissance. Pour comprendre pourquoi, on considère qu’une ligne à cc (1) opère toujours à sa tension maximale (un gain de 30%), ne présente pas d’effet de peau (la tendance du ca à former un beigne de densité sur un conducteur), et (3) n’a pas besoin de compensation réactive. Dans une conversion de ligne, une configuration à cc tripolaire peut utiliser les trois phases, sans besoin de retour de terre. La conversion de l’alternatif vers le continu bipolaire est simple, et une solution bien connue. Des convertisseurs monopoles et dipôles sont utilisés en parallèle, de telle sorte que la capacité thermique totale de toutes les phases du ca est utilisée pour la transmission en cc. Tout ceci en utilisant des équipements parfaitement conventionnels. Pendant la conversion, il est même possible de garder la ligne alternative en opération pendant que les isolateurs dimensionnés pour la tension continue sont installés.

À mesure que les besoins de capacité de transmission augmentent, le cc devient plus populaire, puisque le cc est la seule méthode efficace pour augmenter le flux d’énergie à travers un corridor conçu pour le ca.

Il y a, bien sûr, un aspect où le ca est supérieur : l’activation d’un interrupteur sur un circuit alternatif bénéficie d’un passage périodique du courant à zéro. En continu, le disjoncteur doit diffuser l’arc à tension maximale pour interrompre le courant. Bien que cela ne soit pas un problème pour les basses tensions, il est difficile de construire des disjoncteurs pour le cc, parce qu’il faut y inclure un système qui force le courant à zéro. En novembre 2012, la compagnie Asea Brown Boveri  (ndlr : ABB) a annoncé le développement du premier disjoncteur en cc au monde (voir l’article publié par Électricité Plus en décembre 2012). Jusqu’à ce que ces disjoncteurs baissent de prix, il sera plus économique de s’appuyer sur les structures du ca pour l’interruption. Mais l’industrie est prête à accepter le défi, plusieurs compagnies étant intéressées à développer des disjoncteurs.

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Le cc augmenterait également l’utilisation des câbles souterrains. Le coût de ceux-ci a traditionnellement été dix fois plus élevé que celui d’une ligne aérienne. On dit cependant que le coût d’un câble en cc est comparable au coût d’une ligne aérienne, si tous les facteurs sont pris en compte. Un câble en cc a un impact environnemental de 64.5 kg d’équivalents CO2 par mètre, alors qu’une ligne en ca a un impact de 365.4 kg d’équivalents CO2 par mètre. En d’autres termes, le matériel utilisé par le câble en cc n’a que 17.6% de l’impact environnemental de la ligne en ca. Le droit de passage du câble enfoui peut être aussi peu que 4 m, comparé à 60 m pour une ligne aérienne: un trottoir comparé à une autoroute (voir l’illustration).

Bien que traditionnellement on utilise le cc pour le transport massif d’énergie entre des points éloignés, de nouvelles techniques ont étendu les applications à des dizaines de mégawatts (environ 1000 foyers) et à des distances aussi courtes que 40 km. Il y a plusieurs de ces systèmes déjà disponibles commercialement: HVDC Light (Groupe ABB), HVDC PLUS (Siemens) and HVDC MaxSine (Alstom).

Le cc facilite les échanges d’énergie non seulement au niveau des grands réseaux, mais aussi entre une grande diversité de sources d’énergie, puisque seule la tension a besoin d’être ajustée, plutôt que la tension et la phase, dans le cas du ca. L’amplitude et la direction des échanges d’énergie peuvent être directement contrôlées, ce qui incite plusieurs opérateurs de réseaux à graviter vers le cc spécifiquement pour ses bénéfices de stabilité et de simplicité.

Le cc améliore la compatibilité des réseaux électriques avec un grand nombre de petites sources “vertes” telles les éoliennes et les panneaux solaires. Le réseau de demain dépendra toujours de grandes stations génératrices d’énergie, mais il intègrera les énergies renouvelables, qu’elles soient commerciales ou privées.

Le stockage d’énergie est essentiel pour plusieurs clients, tels les aéroports, la radiodiffusion, les hôpitaux, les services financiers, les centres de données et de télécommunications, et plusieurs procédés industriels délicats. Ces organisations gardent des génératrices prêtes à prendre la relève lorsque la qualité et la fiabilité de l’alimentation sont compromises. Tous ces systèmes d’appoint deviendraient plus économiques en cc. Plus d’unités de stockage seraient déployées par les entreprises d’électricité, les commerces et par les utilisateurs privés, à cause d’une chute du prix des systèmes de stockage. Les systèmes commerciaux et industriels actuels d’appoint peuvent supporter des besoins en énergie pendant 8 heures avec une efficacité de 75%, et pour plus de 5000 cycles de charge et décharge. Les systèmes résidentiels, typiquement, sont de deux heures, avec la même efficacité énergétique de 75%.

Les entreprises d’électricité pourraient déployer en réseau des contrôleurs rapides utilisant de l’électronique de puissance et des convertisseurs cc/cc bidirectionnels pour stabiliser leur réseau à l’aide de systèmes de stockage basés sur les super conducteurs, les super-condensateurs et les volants d’inertie.

Plutôt que de gérer la charge dans les maisons privées par des compteurs intelligents, il serait peut-être préférable d’offrir aux consommateurs la possibilité d’éviter les coûts élevés de l’électricité et même de contribuer de l’énergie au réseau pendant les crêtes de consommation, à travers leur propre système de gestion d’énergie domestique. Des systèmes sont déjà mis sur le marché par Comcast, AT&T and ADT. Dans cette configuration, le consommateur pourrait revendre à profit au réseau de l’énergie à certains moments, ce qui incite les consommateurs à contribuer collectivement. Les domiciles équipés de batteries ou d’automobiles électriques pourraient supporter le réseau durant les périodes de demande élevée, et une généralisation de ces systèmes simplifierait l’entretien du réseau électrique en permettant plusieurs heures d’entretien hors tension, sans inconvénients pour les consommateurs.

Le courant continu pour la distribution

Les transformateurs de distribution conventionnels gaspillent l’énergie lorsqu’ils ne sont que partiellement chargés, utilisent de l’huile difficile à nettoyer en cas de déversements, et ne fournissent qu’un changement de rapport de tension fixe. Ils sont, en particulier, incapables de régulariser la tension en temps réel. Plusieurs modèles différents doivent être disponibles pour couvrir les diverses gammes de puissance, ils ne peuvent fournir trois phases à partir d’une alimentation monophasée, et ils ne contiennent pas de pièces échangeables. Par comparaison, les équivalents basés sur l’électronique de puissance éliminent la majorité de l’inductance, et toute l’huile utilisée pour le refroidissement, ce qui réduit substantiellement les pertes d’énergie. Ils sont également beaucoup plus flexibles pour contrôler la tension.

Aux États-Unis, l’Electric Power Research Institute a développé une première génération d’unités de remplacement des transformateurs de distribution conventionnels. Ces appareils incluent une interface de puissance bidirectionnelle qui permet l’intégration directe des systèmes photovoltaïques, des systèmes de stockage d’énergie, et de charge des véhicules électriques. Ils contribuent une architecture qui permet une opération fiable des réseaux d’énergie locaux. Le déploiement sera rapide, de 10,000 unités de 25-kW en 2015 à 1 million en 2030.

Le courant continu pour la consommation

La plupart des appareils électriques préfèrent le cc. L’éclairage, le chauffage et l’informatique utilisent le cc. Les moteurs de grande taille devraient (et la plupart le font déjà) utiliser le cc, et les plus petits moteurs à ca peuvent être économiquement améliorés en moteurs à vitesse variable à efficacité accrue en utilisant des onduleurs. Le cc permet d’envisager de l’équipement plus simple et des économies d’énergie significatives. Après plus d’une douzaine d’installations de démonstration à travers le monde, la consommation du cc est sur le point d’entrer dans le commerce, alors que les manufacturiers vendent déjà les premiers produits défiant la domination de 120 ans du ca.

Des efforts de standardisation en cours vont accélérer l’adoption commerciale. L’Emerge Alliance, représentant plus de 100 manufacturiers d’équipement de puissance, électronique et d’équipements commerciaux, a certifié les premiers équipements rencontrant son standard de 24-volts en cc, qui vise initialement les systèmes d’éclairage – On peut consulter le site de l’Emerge Alliance en cliquant ici. Les lampes à diodes électroluminescentes utilisant le 24-volt utiliseront 15% moins d’énergie que les mêmes unités sur courant rectifié. Le 24-volt est approprié pour les courtes distances (10 m), sous le seuil de sécurité électrique, ce qui réduit les risques, et un second niveau de 380 V est planifié pour les grands édifices commerciaux. Même l’industrie des télécommunications (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) se joindra à cet effort, publiant des standards préliminaires de 380-V pour la distribution dans les édifices commerciaux, ce qui en ferait potentiellement un standard mondial.

Le courant continu pour les ordinateurs

Les firmes de télécommunications et les centres de données sont susceptibles d’adopter le 380-V immédiatement. Actuellement, les centres de données utilisent du 480-V alternatif, et le convertissent en cc pour charger la batterie d’une alimentation sans coupure. Ce cc sécurisé est ensuite reconverti en alternatif et distribué à 208-V pour être subséquemment rectifié en 380-V continu destiné à l’étage primaire de chaque serveur informatique, alimentant ainsi les condensateurs de filtration.

L’utilisation du cc offre une simplification parce que le 380-V continu peut charger la batterie d’alimentation sans coupure, et alimenter le serveur. Un centre de données à Charlotte, en Caroline du Nord, a mesuré une réduction de consommation de 15% dans l’évaluation d’un système basé sur le 380-V continu. Les économies d’énergie pourraient être doublées si on tient compte du fait que les pertes réduites impliquent des systèmes de refroidissement plus modestes. La distribution du cc permet le remplacement de convertisseurs alternatifs-continus dans des systèmes individuels par un nombre réduit de convertisseurs plus gros et plus efficaces. En fait, les pertes d’énergie sont susceptibles d’être réduites par un facteur de 5.

Les avantages du cc pour alimenter l’explosion du nombre d’ordinateurs dans le monde, et l’Internet, signifient que malgré toutes les améliorations possibles des systèmes en ca, le cc restera toujours la source d’énergie la moins chère et la plus fiable.  Au niveau domestique, un réseau local basé sur un seul câble coaxial pourrait permettre de brancher un ordinateur sans aucun problème de compatibilité électromagnétique (sans émissions) avec une seule connexion agissant comme conduit de données et d’énergie.

Mise en place du nouveau réseau

Étant donné la tendance naturelle de l’industrie à maintenir ses habitudes, il est impressionnant qu’un mouvement faisant la promotion du cc gagne déjà spontanément en crédibilité. Il est probable que les groupes qui anticiperont ce changement, et investiront dans l’avenir plutôt que dans des méthodes dépassées, jouiront ultimement d’un avantage stratégique.

En considérant la longue vie des infrastructures électriques, nous proposons que pour des raisons de santé publique, de conservation d’énergie (une réduction globale de consommation de 20%) et de positionnement industriel stratégique, on impose un moratoire sur la construction de tous les systèmes à ca (valide pour tous les niveaux de tension), et demande des investissements dans un nouveau réseau à cc.

Cette solution est extrêmement efficace pour réduire l’exposition aux champs magnétiques de très basse fréquence, et mènerait à une perte de poids et de dimension pour la plupart des appareils électriques en éliminant les lourds transformateurs qui nous ont servi jusqu’à maintenant. Le réseau serait plus efficace, fiable, et sûr, au bénéfice de tous.

P.S. on peut consulter les publications du Dr Héroux en cliquant ici.

Paul Héroux, PhD

Source originale intégrale: https://electricite-plus.com/2014/04/01/selon-dr-heroux-reseau-electrique-etre-en-cc

http://www.invitroplus.mcgill.ca

https://publications.iarc.fr/98