En route vers l'électrification de tout

Notre société observe un effort concerté pour l'électrification de tout, dans le cadre d'une vision plus large visant à passer des combustibles fossiles à des sources d'énergie renouvelables. L'électrification englobe des véhicules alimentés par batteries à la substitution des cuisinières à gaz par des plaques de cuisson électriques, soutenue par des mises à jour des infrastructures et des technologies de réseaux intelligents. À noter tout particulièrement, des dispositifs tels que les transistors à base de carbure de silicium (SiC) qui permettent une commutation efficace, ainsi que des appareils de mesure qui facilitent les réseaux intelligents d'énergie.

De manière générale, l'électrification de tout a commencé il y a des décennies, davantage pour ses avantages inhérents que pour des préoccupations environnementales. L'entretien des pelouses, par exemple, était autrefois une tâche essentiellement alimentée par du carburant ou effectuée manuellement. Aujourd'hui, les consommateurs peuvent acheter une tondeuse électrique qu'ils n'ont jamais besoin de remplir d'essence et qui est beaucoup plus silencieuse que son équivalent à combustion. Cette même technologie nous permet d'utiliser des outils électriques sans les brancher, ainsi que des tondeuses robotiques encore plus avancées qui prennent soin de la pelouse pour nous.

Dans le cas du smartphone, on pourrait avancer que l'électrification de tout permet une unification de, sinon tout, de nombreuses choses. Ce tout-en-un inclut un appareil photo, un caméscope, une calculatrice, un localisateur GPS et une bibliothèque, comme rien de ce que le monde a connu auparavant. Les smartphones et l'informatique miniaturisée, en général, influencent presque tous les aspects de nos vies électrifiées.

Considérez ces domaines où l'électrification est sur le point d'étendre son influence :

Il y a environ 4 millions de véhicules électriques (VE) sur les routes aux États-Unis aujourd'hui, un chiffre qui devrait atteindre 33 millions d'ici 2030. Nous avons également observé une prolifération généralisée des vélos électriques (e-bikes), offrant une option de transport personnel efficace dans de nombreuses circonstances. L'Administration américaine d'information sur l'énergie (EIA) rapporte que, en 2022, 27 % de la consommation d'énergie primaire des États-Unis était destinée aux transports. Une électrification accrue dans ce domaine pourrait représenter un changement majeur dans la consommation de combustibles fossiles.

On peut également observer l'électrification dans le secteur public, des bus électriques aux trains à grande vitesse fonctionnant à l’électricité. Ceci, associé à la prolifération des vélos électriques, pourrait aider à réduire le trafic et à consommer moins d'énergie globale par personne-mile par rapport aux automobiles traditionnelles. Comme avantage actuel lié à l'électrification, notre dépendance accrue au télétravail entraîne un besoin réduit de « se déplacer » en personne. Cela ne peut pas être strictement classé comme un « transport électrifié », mais cela élimine une grande partie du besoin de mouvement individuel, produisant ainsi le même effet.

La gestion des bâtiments est prévue pour devenir plus électrifiée dans les années à venir, notamment le chauffage des bâtiments. Traditionnellement, la chaleur provient de la combustion de combustibles fossiles sur place pour chauffer directement ou indirectement une zone. Cela peut être une cheminée et un foyer, un système de chauffage domestique alimenté au gaz naturel ou une installation de radiateurs pour tout le bâtiment utilisant de la vapeur.

L'apport de chaleur électrique est une alternative efficace. Le processus de chauffage électrique de base consiste à appliquer de l'électricité à une résistance, qui dissipe l'excès d'énergie sous forme de chaleur. Ce qui est généralement une inefficacité et une nuisance (la chaleur dans les appareils électroniques comme un ordinateur nécessitant un refroidissement) devient le résultat souhaité. En même temps, l'utilisation de l'électricité pour le chauffage direct par résistance coûte généralement plus cher que la combustion de gaz ou d'autres combustibles fossiles.

Comme expliqué en détail ici, une option de chauffage électrique plus efficace consiste à utiliser une pompe à chaleur. Celle-ci transfère indirectement la chaleur dans une maison via un cycle de compression et fonctionne de manière opposée à un climatiseur. Bien que cette méthode de chauffage ne soit pas idéale pour des températures extérieures extrêmement basses, elle peut bien fonctionner pour le chauffage des bâtiments dans la plupart des climats.

Bien sûr, la gestion de la température n’est pas le seul aspect pour maintenir un bâtiment dans son état optimal. Les systèmes de sécurité incendie et de protection sont également importants, et l’entretien global peut être assisté par des techniques de machine learning et prédictives. La fonctionnalité de l’interface utilisateur peut généralement être accessible via un ordinateur standard ou un smartphone, en utilisant efficacement des dispositifs polyvalents pour tout, plutôt que des terminaux dédiés.

Le chauffage industriel est une application remarquable où l'électrification rencontre les mêmes défis fondamentaux que les scénarios de gestion des bâtiments. De nouvelles technologies adaptées à l'industrie sont en cours de développement, comme des kits de modernisation qui permettent de remplacer efficacement les brûleurs à gaz par des éléments chauffants électriques. En plus de passer des combustibles fossiles au chauffage électrique, des efforts sont en cours pour rendre les installations de chauffage existantes plus efficaces, réduisant potentiellement certains besoins énergétiques complètement.

Au-delà du chauffage, les industries peuvent examiner d'autres inefficacités énergétiques des procédés, telles que la réduction de l'utilisation de l'air comprimé ou le passage à l'éclairage LED au lieu des ampoules incandescentes moins efficaces. De tels projets peuvent offrir un retour sur investissement immédiat et facilement mesurable—un avantage tant au niveau de l'entreprise qu'au niveau environnemental global.

Alors que l'électrification de tout semble être un objectif noble, le problème majeur réside dans le fait que notre infrastructure est conçue pour répondre aux besoins actuels. Une électrification accrue entraîne une demande électrique plus élevée et nécessite une robustesse et une flexibilité de l'approvisionnement. Un concept innovant est celui de la « centrale électrique virtuelle », où les ressources renouvelables et les entités de stockage sur le réseau sont amalgamées et gérées soigneusement pour utiliser correctement des sources d'énergie disparates. Ce concept requiert des capacités telles que la mesure bidirectionnelle et une structure de contrôle sophistiquée pour permettre aux concepts de réseau énergétique intelligent de fonctionner de manière optimale.

Les composants de réseau intelligent tels que les transistors en carbure de silicium, les IGBTs de haute qualité, et les MOSFETs en silicium plus traditionnels peuvent permettre une gestion de l'énergie avec des pertes minimales entre les sources d'énergie et les consommateurs d'énergie (chacun pouvant changer de rôle en fonction de la situation). Les technologies de détection de courant seront cruciales pour savoir quand fournir de l'électricité ou consommer de l'électricité à partir des ressources d'un réseau électrique intelligent et comment facturer ces situations changeantes.

Bien que le chauffage de procédé soit indéniablement une affaire branchée, de nombreux « objets » électrifiés sont portables et nécessitent donc des sources d'alimentation autonomes (batteries). Les avancées relativement récentes des batteries, notamment les technologies lithium-ion (Li-ion) et lithium-polymère (Li-Po), rendent possibles des appareils portables tels que les voitures électriques et les smartphones.

Du point de vue des appareils portables, on peut s'attendre à un développement supplémentaire des technologies de batteries Li-Po/Li-ion, ainsi que des infrastructures de fabrication associées pour permettre une production de cellules accrue. En même temps, les technologies de batteries actuelles présentent des limitations. Il est possible que nous voyions apparaître un paradigme de batterie fondamentalement nouveau dans un avenir pas si éloigné. Comme exploré ici, les chercheurs expérimentent le graphène pour le stockage d'énergie électrique, ce qui pourrait permettre des cycles de charge et de décharge électrique beaucoup plus rapides que ceux actuellement possibles.

Le rythme et la méthodologie de l'électrification restent une question ouverte. À moins de circonstances imprévues majeures, la tendance est certainement à une électrification accrue. Une puissance de calcul accrue à la périphérie et dans le cloud via des dispositifs IoT contribuera à faire avancer cette tendance du point de vue des infrastructures, en parallèle des avancées dans les technologies SiC et autres technologies connexes.

Cependant, quelle que soit l'évolution de l'électrification au cours des prochaines décennies, elle pourrait, comme la prolifération des smartphones, passer inaperçue sans une attention consciente. À un certain moment, ces voitures électriques, vélos électriques et autres technologies récemment électrifiées seront parmi nous, tacitement acceptés et (espérons-le) rendront notre monde meilleur. D'un autre côté, davantage de travail est nécessaire pour rendre ces technologies viables et pour mettre en œuvre les améliorations de l'infrastructure du réseau intelligent qui alimenteront notre monde encore plus électrifié.