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Les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie recherchent un juste milieu pour permettre le réseau du futur, comblant le fossé entre les hautes et basses tensions pour la technologie électronique de puissance qui sous-tend le réseau électrique américain moderne.

L'électronique de puissance d'aujourd'hui, qui prend une fraction de seconde pour effectuer des tâches telles que la conversion du sens du courant ou l'ajustement des tensions, a tendance à fonctionner aux extrêmes. Charger des véhicules personnels ou stocker l'énergie d'un panneau solaire commercial nécessite une basse tension, tandis que la haute tension est utilisée pour des projets à grande échelle tels que des parcs éoliens et solaires ou des systèmes de distribution et de transmission d'énergie interconnectés.

Mais il existe un écart en matière d’électronique de puissance entre 1,500 50,000 et XNUMX XNUMX volts – la plage « moyenne tension » – qui est essentiel pour les projets d’énergie renouvelable à plus grande échelle, les équipements plus gros tels que les éoliennes et les véhicules électriques plus gros comme les trains et les avions à décollage vertical.

Combler cet écart aidera les États-Unis à atteindre leurs objectifs en matière d’énergie propre et à accroître leur capacité dans un réseau électrique surchargé – sans ériger des milliers de kilomètres de nouvelles lignes de transmission.

« De nombreuses applications peuvent s'adapter ici, mais la technologie destinée à cet espace intermédiaire ne s'est pas révélée fiable ou rentable », a déclaré Prasad Kandula, responsable du groupe Grid Systems Hardware d'ORNL.

Pour répondre à ce besoin, l'ORNL guidera le nouveau programme technologique d'intégration des ressources moyenne tension du DOE, ou MERIT, qui associe quatre laboratoires nationaux et cinq universités pour développer des dispositifs fonctionnant efficacement dans cette gamme moyenne.

Kandula note que l'électronique de puissance moyenne tension est devenue plus abordable et que le changement pourrait réduire la taille, le poids et le volume d'un système. "La conversion de puissance utilisant l'électronique de puissance moyenne tension devrait être plus efficace, en plus de stocker plus de puissance dans un espace plus petit", a-t-il déclaré.

Avantages pour la fiabilité du réseau et l’énergie propre

Combler ce fossé technologique pourrait également répondre à un besoin urgent d'étendre la capacité du réseau électrique pour répondre aux demandes d'aujourd'hui et offrir les opportunités de développement économique de demain.

La majeure partie du réseau électrique nord-américain utilise le courant alternatif, ou CA. Mais la production d’énergie renouvelable et les voitures électriques nécessitent du courant continu, ou DC. L'électronique de puissance est utilisée pour basculer entre ces flux et pour relier des systèmes distincts. L’extension de ces capacités à la moyenne tension ouvrirait de nouvelles options en matière de fiabilité électrique.

Par exemple, l’électronique de puissance moyenne tension pourrait être utilisée pour alimenter en électricité une région disposant d’un approvisionnement supplémentaire vers un système voisin qui peine à répondre à la demande. Cela pourrait empêcher des pannes d’électricité récurrentes, des flambées de prix et l’activation de centrales électriques de secours polluantes. Dans un autre scénario, l’électronique de puissance moyenne tension pourrait aider à convertir des parties clés du réseau de distribution du courant alternatif au courant continu, car le courant continu est plus efficace pour transporter l’énergie sur de longues distances. Cela augmenterait essentiellement la capacité de livraison utilisant les mêmes lignes électriques.

Kandula a déclaré que l'électronique de puissance moyenne tension pourrait également permettre un fonctionnement complet en courant continu pour des projets tels qu'un micro-réseau doté de sa propre énergie solaire et de ses propres batteries. "Au départ, un écosystème DC serait très probablement utilisé sur des systèmes isolés comme un campus", a déclaré Kandula. "Le prochain niveau pourrait être un réseau de distribution de quelques kilomètres, comme une ferme solaire en bordure du réseau."

Un système uniquement CC nécessite moins d’équipement de conversion de puissance et élimine les pertes d’énergie qui se produisent pendant le processus de conversion. Cela pourrait rendre l’énergie propre plus efficace et plus économique, d’autant plus que les grands parcs solaires et éoliens sont de plus en plus construits loin des centres de population où se concentre la demande d’électricité.

Leadership et capacités en matière de recherche moyenne tension

Les chercheurs de l'ORNL ont développé un menu de composants de base moyenne tension, tels que des modules de conversion, des composants magnétiques spécialisés et des mécanismes de protection qui isolent les problèmes électriques.

"Avec MERIT, nous développerons des blocs de construction de différents types pour augmenter la fiabilité, puis empilerons plusieurs blocs pour atteindre des tensions plus élevées", a déclaré Kandula. La possibilité de brancher une variété de modules dans une architecture plus grande facilitera l’exploration de nouvelles applications énergétiques, de la recharge des camions électriques longue distance à la production d’hydrogène vert pour l’industrie sidérurgique.

Cet effort s'appuie sur l'expérience et les capacités du Grid Research Integration and Development Center de l'ORNL, ou GRID-C, où les chercheurs peuvent simuler différentes architectures, construire un convertisseur et le tester jusqu'à 13,000 XNUMX volts.

« Nous développons une matrice technologique composée de composants pouvant être utilisés dans de nombreuses applications », a déclaré Madhu Chintavali, responsable de la section d'intégration et de contrôle des systèmes énergétiques de l'ORNL. «Le GRID-C d'ORNL est doté de manière unique de la compétence en matière de construction de composants, des bancs d'essai et de l'expertise nécessaires pour développer et tester pleinement ces composants électroniques de puissance.»

Pour MERIT, ORNL élargira les relations existantes avec les services publics pour identifier les besoins en moyenne tension. Cela s’appuie sur le Consortium des accélérateurs d’électronique de puissance pour l’électrification, ou APCE, initiative créée en 2022 pour accroître la collaboration entre les instituts de recherche, les compagnies d’électricité et les fabricants. Initiative du Bureau de l'électricité du DOE, PACE ajoute des partenaires pour faire passer rapidement les innovations du laboratoire au réseau électrique.

Les laboratoires individuels peuvent unir leurs forces à celles de l’industrie pour poursuivre des avancées spécifiques dans le domaine de l’électronique de puissance moyenne tension. "L'objectif final pour nous est de choisir un cas d'utilisation, de travailler avec un partenaire, de construire un système complet, de l'installer, de le montrer opérationnel sur le terrain et de montrer les implications financières", a déclaré Kandula.

Les autres partenaires de recherche MERIT comprennent le National Renewable Energy Laboratory, les Sandia National Laboratories, le Pacific Northwest National Laboratory, l'Université de l'Arkansas, le Virginia Polytechnic Institute and State University et la Florida State University. Le projet MERIT est financé dans le cadre de l'Initiative de modernisation du réseau du DOE par l'intermédiaire du Grid Modernization Laboratory Consortium.

UT-Battelle gère ORNL pour l'Office of Science du ministère de l'Énergie, le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis. L'Office of Science s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d'informations, s'il vous plaît visitez énergie.gov/science.

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• La source: https://cleantechnica.com/2024/02/03/grid-electronics-research-to-bridge-gap-to-cleaner-more-reliable-power/