Auteur: Dr Diego Robalino
L'énergie électrique, composante fondamentale de la vie humaine aujourd'hui, n'est pas encore accessible à toutes les sociétés. La nécessité d'une croissance technologique pour garantir un approvisionnement énergétique sûr et fiable fait l'objet de discussions à l'échelle mondiale, mais le changement climatique et l'effet du réchauffement de la planète suscitent également de vives inquiétudes. Certes, il est presque impossible d'envisager un équilibre parfait entre la croissance technologique et la protection de l'environnement, mais toutes les personnes impliquées dans la production, le transport, la distribution et la consommation d'énergie ont un rôle actif à jouer pour rendre la vie aussi durable que possible. L'effet net de l'électrification dépend surtout des progrès futurs en matière de coût et d'efficacité des technologies d'utilisation finale de l'électricité et de leur impact social.
La fiabilité des réseaux électriques est une autre préoccupation mondiale. La North American Electric Reliability Corporation (NERC) définit un réseau électrique fiable comme un réseau capable de répondre aux besoins en électricité des utilisateurs finaux même lorsque des pannes d'équipement inattendues ou d'autres facteurs réduisent la quantité d'électricité disponible. La NERC s'appuie sur un ensemble de politiques conçues pour assurer un fonctionnement adéquat du réseau afin de maintenir un équilibre constant entre l'offre et la demande, ainsi qu'une sécurité permettant de répondre et de résister à des perturbations soudaines et inattendues, ou à des pertes imprévues d'éléments du système dues à des causes naturelles, ainsi qu'à des perturbations causées par des attaques physiques ou cybernétiques d'origine humaine.
Le réseau électrique est censé être non seulement fiable, mais aussi sûr et efficace. Le réseau évolue pour offrir un avenir énergétique plus résistant et plus propre où les méthodes de production et de distribution d'énergie changent et, par conséquent, la conception et la fabrication des équipements électriques évoluent pour s'adapter à la demande technologique actuelle, réduisant ainsi les pertes et améliorant les performances. La recherche et le développement, les essais et la coopération mondiale sont nécessaires pour encourager l'évaluation et l'adoption de nouvelles conceptions, technologies et approches qui soutiennent cette évolution continue.
Technologie des transformateurs de puissance et de distribution
Aux États-Unis d'Amérique, l'Office of Electricity gère le programme Transformer Resilience and Advanced Components (TRAC) afin d'accélérer la modernisation du réseau en relevant les défis posés par les grands transformateurs électriques et d'autres équipements essentiels du réseau. Les lecteurs intéressés sont invités à visiter le site web de l'Office de l'électricité pour plus d'informations.
Le programme TRAC veille à la coordination des efforts visant à accroître l'efficacité énergétique, à améliorer les opérations, à renforcer l'utilisation et la gestion des actifs, à accroître la résilience du système et à soutenir l'augmentation de la production nationale.
TRAC envisage que les transformateurs de puissance soient flexibles et adaptables à des applications avancées dans le futur réseau électrique. Les objectifs sont, entre autres, les suivants :
- Un coût comparable à celui des unités conventionnelles
- Efficacité > 99 % à tous les niveaux de charge
- Réduction de 25 % de la taille et du poids
- Plage d'impédance contrôlable 5 - 21 %.
Un transformateur flexible peut s'adapter à une gamme de rapports de tension et de niveaux d'impédance, ce qui permet de réduire les délais et les coûts de fabrication par rapport aux transformateurs actuels. Un avantage important est que les transformateurs flexibles seront disponibles pour remplacer les transformateurs endommagés en quelques jours au lieu de plusieurs mois comme c'est le cas actuellement.
Le ministère américain de l'énergie (DOE) réglemente le niveau d'efficacité énergétique des transformateurs de distribution à sec à basse tension depuis 2007 et a publié une nouvelle réglementation sur les niveaux d'efficacité des transformateurs de distribution à sec à basse tension. Les nouveaux niveaux d'efficacité, qui sont entrés en vigueur le 1er janvier 2016, sont communément appelés "niveaux d'efficacité DOE 2016". En raison de cette nouvelle réglementation, les fabricants ont dû revoir la conception de leurs produits afin d'en améliorer l'efficacité.
Le 14 septembre 2021, un nouveau registre fédéral a été publié par le DOE : 10 CFR Part 431 "Energy Conservation Program : Test Procedure for Distribution Transformers". Ce document présente les analyses techniques et les résultats qui soutiennent l'évaluation des normes de conservation de l'énergie pour les transformateurs de distribution. Les changements dans les procédures de test sont en ligne avec les changements dans les normes IEEE mises à jour, y compris C57.12.00-2015 ; C57.12.01-2020 ; C57.12.90-2015 ; C57.12.91-2020.
Figure 1 : Population sans accès à l'électricité (source AIE [1])
L'efficacité des transformateurs n'est pas seulement un sujet d'actualité dans la région nord-américaine. En juillet 2015, la norme de performance énergétique minimale produite par le CENELEC (Comité européen de normalisation électrotechnique) a spécifié les pertes maximales pour le noyau et les enroulements des transformateurs de distribution et le rendement de crête minimal pour les transformateurs de puissance.
L'augmentation du rendement des transformateurs de distribution repose sur la réduction des pertes, qui sont principalement de deux types : les pertes à vide et les pertes en charge. Les pertes à vide se produisent principalement dans le noyau du transformateur, c'est pourquoi les termes "pertes à vide" et "pertes dans le noyau" sont parfois interchangés. Les "pertes de charge" se produisent principalement dans les enroulements. Les mesures prises pour réduire un type de perte augmentent généralement l'autre type. Voici quelques exemples d'options permettant d'améliorer l'efficacité : aciers pour noyaux électriques de qualité supérieure, différents types et matériaux de conducteurs, et ajustements des configurations des noyaux et des bobines.
Les changements dans la conception et la construction ne sont pas faciles à mettre en œuvre. Par exemple, l'utilisation d'acier amorphe pose un certain nombre de problèmes. Tout d'abord, les fournisseurs sont peu nombreux : un seul aux États-Unis, avec une production internationale en Chine, au Japon, en Allemagne et en Corée du Sud. Deuxièmement, le coût par livre de l'acier électrique amorphe est environ 1,5 fois supérieur à celui d'un acier électrique typique à grains orientés M3. Par conséquent, les noyaux amorphes ont une très faible pénétration sur le marché actuel, l'acier à grains orientés prédominant dans la fabrication des transformateurs de distribution.
L'utilisation des transformateurs de distribution varie considérablement en fonction du type - à bain d'huile ou sec - et de la propriété. Les compagnies d'électricité possèdent environ 95 % des transformateurs de distribution à bain d'huile, tandis que les entités commerciales/industrielles utilisent principalement des transformateurs secs.
Le marché des énergies renouvelables
Le laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) fournit une analyse des possibilités d'intégration au réseau, des défis et des implications de la production d'électricité à partir de sources renouvelables pour le système électrique américain. Les rapports du NREL mettent en évidence les principaux facteurs qui influencent les prévisions de consommation d'énergie, à savoir :
- L'électrification des véhicules domine la croissance progressive de la demande annuelle d'électricité, le véhicule électrique moyen étant conduit sur 12 à 14 000 miles par an.
- L'ajout de l'énergie solaire photovoltaïque, qui alimente les bâtiments commerciaux et résidentiels, ainsi que les systèmes de transport.
- Les changements climatiques mondiaux tendent à augmenter l'utilisation de la climatisation et du chauffage des locaux.
Comme l'indique le World Energy Outlook 2021 publié par l'Agence internationale de l'énergie (AIE [1]), une nouvelle économie de l'énergie est en train d'émerger. La manière dont le processus émergent va évoluer n'est pas tout à fait claire, mais il sera différent à bien des égards. Les ventes de systèmes photovoltaïques et de véhicules électriques ont atteint de nouveaux records en 2020. Certaines des études présentées au comité des transformateurs de l'IEEE montrent que la charge est susceptible d'augmenter de 10 à 40 %. Il est donc important d'envisager un scénario dans lequel la charge équivalente moyenne est proche de 50 % de la capacité nominale du transformateur, mais où la charge de pointe peut dépasser 100 % de cette capacité. L'un des moyens de faire face à cette augmentation potentielle de la charge est d'adopter un système d'isolation amélioré composé d'esters fluides naturels ou synthétiques utilisés conjointement avec du papier kraft thermiquement amélioré.
Dans le cadre de cette évolution du réseau électrique et de l'intégration des sources renouvelables, de la production distribuée et des micro-réseaux, les progrès de l'électronique de puissance ouvrent la voie aux transformateurs à semi-conducteurs (SST). Ceux-ci promettent de gérer le flux bidirectionnel très variable de l'électricité entre, par exemple, un micro-réseau et le réseau principal. Les transformateurs à semi-conducteurs peuvent être nettement plus petits qu'un transformateur conventionnel équivalent, soit environ la moitié du poids et un tiers du volume, mais il existe des limites liées au coût et aux niveaux de tension. On peut s'attendre à ce que les recherches futures nous en apprennent davantage sur les SST.
Amélioration des technologies d'essai et de diagnostic
De temps en temps, une nouvelle terminologie apparaît, qui peut sembler assez déconcertante. Par exemple, les transformateurs de puissance numérisés. Dans ce contexte, la numérisation implique que des capteurs sont intégrés dans le transformateur de puissance afin de surveiller en permanence ses performances ou son état. Les capteurs peuvent prendre en charge l'analyse des gaz dissous (DGA), la mesure de la température et de l'humidité, le contrôle du refroidissement du profil de charge, etc. Les objectifs sont de faciliter la gestion prédictive des actifs, de minimiser les pertes et d'améliorer l'efficacité.
La durée de vie d'un transformateur de puissance correspond en réalité à la durée de vie de son système d'isolation. En raison de leur prix abordable et de leurs propriétés avantageuses, les matériaux à base de cellulose sont de loin le type d'isolation solide le plus utilisé dans les transformateurs de puissance, souvent en association avec des fluides isolants. Fabriqués à partir de cellulose pure, ces matériaux présentent d'excellentes caractéristiques électriques et d'imprégnation d'huile, ainsi que de bonnes propriétés mécaniques.
En ce qui concerne les matériaux d'isolation, les objectifs de recherche établis par des groupes tels que le TRAC sont les suivants :
- Rigidité diélectrique > 300 V/mil
- Angle de perte diélectrique (tan delta) < 0,05 % à 60 Hz
- Propriétés améliorées des matériaux qui restent stables pendant la durée de vie utile des biens (20 à 40 ans)
- Résistance à la température > 130 ºC en fonctionnement continu
Les essais sont fondamentaux. De plus en plus de matériaux sont aujourd'hui en cours de recherche et de développement et leur comportement doit être bien compris, non seulement par les chercheurs, mais aussi par les utilisateurs finaux. Au cours des deux dernières décennies, nous avons davantage entendu parler de l'utilisation des esters fluides dans les transformateurs de puissance et de distribution. Les transformateurs dont l'isolation solide est immergée dans de l'huile minérale représentent le principal risque d'incendie dans les sous-stations électriques. Les esters liquides présentent toutefois moins de risques d'incendie que les huiles minérales, car ils ont non seulement des points d'éclair et d'incendie plus élevés, mais aussi un pouvoir calorifique inférieur. En utilisant un fluide moins inflammable que l'huile traditionnelle comme réfrigérant et isolant diélectrique, les risques associés aux incendies potentiels de transformateurs sont considérablement réduits.
En outre, les fluides esters synthétiques et naturels sont facilement biodégradables, ils présentent une très faible toxicité orale et ne sont pas classés comme toxiques pour la vie aquatique. Ces facteurs peuvent permettre une utilisation plus facile dans des installations situées dans des environnements sensibles tels que les zones de captage d'eau et les parcs éoliens en mer.
En ce qui concerne l'isolation solide, les transformateurs à haute température sont aujourd'hui très répandus dans le monde. L'isolation à haute température, y compris l'émail et le ruban pour les conducteurs, les entretoises d'enroulement et les matériaux de support mécanique, est couramment utilisée dans les transformateurs mobiles, les transformateurs de locomotive et les transformateurs de redressement. Ces applications bénéficient d'un poids plus léger, d'une fiabilité accrue et d'une durée de vie plus longue grâce à l'utilisation de matériaux haute température. Depuis de nombreuses années, ces matériaux permettent également aux fabricants de proposer des solutions pour les applications de réparation et les transformateurs mobiles.
Des transformateurs à haute température pour les applications de traction sont produits depuis de nombreuses années, mais plus récemment, cette technologie est devenue de plus en plus courante dans les transformateurs de distribution sur poteaux et les transformateurs pour éoliennes. Il est recommandé aux personnes intéressées par l'utilisation de matériaux isolants à haute température dans les transformateurs de puissance de lire la CEI 60076-14.
En bref
La demande dans les économies émergentes et en développement reste sur la trajectoire de croissance qui a repris dans la seconde moitié de 2020, et il est probable que la forte reprise économique prévue pour la Chine et l'Inde accélérera encore cette trajectoire. Cela signifie que la fiabilité de l'approvisionnement et le caractère abordable de l'électricité sont appelés à devenir encore plus critiques dans tous les aspects de la vie des gens.
L'énergie solaire photovoltaïque et l'énergie éolienne représentent déjà des sources de production d'électricité qui évoluent rapidement. Le marché des énergies renouvelables, s'il suit le plan vers le scénario d'émissions nettes nulles de 2050 (NZE), sera beaucoup plus important que l'industrie pétrolière d'aujourd'hui.
La numérisation, la surveillance et le contrôle des performances des transformateurs sont de plus en plus accessibles et abordables. La maintenance prédictive basée sur des algorithmes avancés de traitement des données progresse avec enthousiasme et la principale préoccupation n'est plus de savoir comment gérer le volume de données impliquées, mais comment avoir confiance dans la qualité des données.
L'introduction de nouveaux types de fluides isolants contribuera au développement des transformateurs pour répondre aux exigences futures, mais elle peut également constituer un défi pour l'industrie des transformateurs lorsque le comportement des nouveaux fluides n'est pas entièrement compris. Les performances d'un fluide isolant dépendent fortement de sa chimie et les fluides isolants alternatifs tels que les esters se comportent différemment de l'huile minérale bien connue.
Quels que soient les défis à relever et l'évolution du réseau électrique, une chose est sûre : les transformateurs de puissance continueront à jouer un rôle crucial dans la transmission et la distribution pour les années à venir. Comme nous l'avons vu, même si les transformateurs existent depuis près d'un siècle et demi, les progrès dans leur conception et leur construction se poursuivent à un rythme soutenu, ce qui signifie que l'avenir apportera certainement des développements à la fois intéressants et passionnants.
Références
[1] IEA, Population without access to electricity in the Stated Policies and Net Zero by 2050 scenarios, 2000-2030, IEA, Paris https://www. iea.org/data-and-statistics/charts/population-without-access-to-electricity-in-the-stated-policies-and-net-zero-by-2050-scenarios-2000-2030