Section 08 Micro et nano-technologies, micro et nanosystèmes, électronique, photonique, électromagnétisme, énergie électrique

V. Énergie électrique

Parmi toutes les formes d'énergie, la part de l'énergie électrique est incontestablement en forte croissance. Forme idéale d'énergie dans le sens où elle peut satisfaire tous les services énergétiques avec des performances inégalées, elle a cependant un défaut de taille : au plan mondial, elle est issue à près de 80 % de ressources primaires non renouvelables et souvent très polluantes avec un rendement de conversion relativement faible. Mais elle est, dans le même temps, la forme d'énergie finale qui a le plus grand potentiel de génération à partir de ressources renouvelables et ainsi, l'énergie électrique a la capacité de constituer un puissant moteur de développement durable. Pour ces raisons, les recherches en génie électrique au niveau mondial sont très largement orientées par les fortes préoccupations sociétales actuelles.

La flexibilité, la contrôlabilité et l'efficacité des dispositifs de conversion électrique rendent le vecteur électricité incontournable dans presque tous les domaines. Les recherches se situent à tous les niveaux de la chaîne et concernent les dispositifs de production, de stockage et de conversion finale. Ainsi, transports électriques, bâtiments intelligents et quartiers autonomes sont devenus des terrains de recherche majeurs de la communauté scientifique. Dans ce contexte, les infrastructures électriques vivent un profond changement de paradigme, avec notamment l'arrivée massive de sources peu prévisibles et à haute variabilité, la bidirectionnalité des flux dans les réseaux et de nouveaux jeux d'acteurs.

Le vecteur électricité, dont la pénétration s'accélère également dans les applications embarquées, est soumis à de sévères contraintes, comme celles de masse, de fiabilité, d'efficacité... L'alimentation autonome en énergie de dispositifs électroniques, comme les capteurs communicants, conduit à rechercher de nouvelles solutions de « grappillage énergétique ». Le secteur des procédés constitue un autre terrain applicatif riche pour la modélisation de phénomènes complexes : c'est par exemple le cas des systèmes de dépollution par plasma, des ozoneurs... Enfin, à l'interface du vivant, un champ important de recherche a émergé il y a quelques années, avec notamment la modélisation et l'étude des interactions des champs électromagnétiques avec la « matière vivante ». La plupart de ces travaux aux interfaces avec d'autres domaines scientifiques se déroulent en collaboration étroite avec des équipes aux spécialités complémentaires (biologie, chimie...).

Outre les traditionnelles voies de conversion électromécanique (magnétique, piézoélectrique...) ou de conversion par électronique de puissance, l'électrochimie pénètre fortement le génie électrique, avec des travaux sur les accumulateurs électrochimiques, les piles à combustibles, les électrolyseurs, etc.

La convergence des technologies de l'information, de la communication et de l'énergie électrique (« smart grids ») est en œuvre partout dans le monde. Associée à la très grande complexité et à des données stochastiques, plus ou moins bien prédictibles, de nouvelles questions fondamentales émergent et sont largement traitées, notamment en collaboration avec les domaines des mathématiques appliquées et des STIC, par les chercheurs du génie électrique.

Et bien sûr, comme dans l'ensemble des sciences de l'ingénieur, les évolutions des contraintes nécessitent d'introduire de nouveaux concepts et d'optimiser les dimensionnements des chaînes de conversion pour réduire encombrement, masse, coûts, échauffements tout en améliorant encore les performances d'efficacité énergétique, de réduction des pollutions (électromagnétiques, acoustiques, vibratoires, environnementales...) ou encore de tenue aux environnements extrêmes. Dans ce contexte, il est fondamental de maîtriser les processus de vieillissement, qui doivent donc être mieux compris pour éco-concevoir les systèmes électriques du futur.

La modélisation numérique et, d'une façon générale, les méthodes numériques, jouent un rôle essentiel d'accompagnement des démarches de conception et d'optimisation, avec des challenges majeurs lorsqu'il s'agit de considérer l'ensemble du cycle de vie.

A. La caractérisation et la modélisation des matériaux

L'évolution des performances des matériaux joue un rôle majeur dans le traitement de l'énergie électrique. Les principaux travaux de la communauté scientifique concernent :

les magnétiques doux et durs (aimants), pour un accroissement des performances environne-mentales, de compacité ;les matériaux à grand gap (SiC, GaN et diamant) pour les semi-conducteurs de puissance ;des isolants liquides et solides, plus respectueux de l'environnement ;les supraconducteurs, en particulier à « haute température critique ».

B. Les chaînes de conversion électromécanique d'énergie

Activité historique du génie électrique, ce thème est en rapide évolution vers :

de nouvelles structures électro-magnétiques pour la génération d'énergie, l'actionnement ou encore de nouvelles transmissions purement magnétiques, de nouveaux procédés comme la réfrigération magnétique ;des ensembles convertisseurs-machines à haute tolérance de défaillance, avec considérations de dimensionnement sur cycle et de compatibilité électromagnétique (CEM) ;de nouvelles solutions de conversion électromécanique, via des matériaux électroactifs notamment pour les milli et microsystèmes pour l'actionnement ou le grappillage d'énergie vibratoire.

C. La conversion statique (électronique de puissance)

Les structures de conversion statique jouent un rôle majeur dans l'efficacité énergétique, dans tous les secteurs de l'énergie, avec des exigences extrêmes de compacité, rendement, fiabilité. Les principales évolutions en cours sont associées :

à l'arrivée des semi-conducteurs de puissance grand gap, une révolution qui soulève de nombreuses nouvelles questions en matière de CEM, d'intégration des drivers et d'opportunité pour de nouvelles architectures de conversion ;à l'intégration des composants de stockage (condensateurs et inductances), qui pose de nouveaux problèmes, comme celui de la recyclabilité.aux nouveaux besoins comme dans la transmission d'énergie sans contact, les systèmes de recharges rapides ou encore les convertisseurs à très haute tension pour les applications réseau (transmissions HVDC).

D. Le contrôle commande et le diagnostic des systèmes électriques

Les problématiques de commande des systèmes électriques s'orientent aujourd'hui vers la gestion d'énergie (contrôle des puissances), généralement dans un environnement de plus en plus stochastique mais aussi avec de nouveaux critères.

Pour améliorer la disponibilité et globalement les performances de systèmes électriques de plus en plus complexes (réseaux d'énergie par exemple), leur diagnostic continu est indispensable, tant pour effectuer des reconfigurations que pour planifier des maintenances associées à des interruptions de service non subies.

Citons également la conception et l'étude de nouvelles architectures de commande, éventuellement reconfigurables.

E. Les réseaux d'énergie stationnaires et embarqués et les nouvelles sources

Les réseaux électriques stationnaires, qu'il s'agisse des grands réseaux interconnectés ou des mini-réseaux, voire des installations autonomes, doivent s'adapter aux sources hautement variables (éoliennes et photovoltaïques) qui viennent complexifier le problème couplé de leur gestion et de leur dimensionnement. Le domaine des transports (terrestres, maritimes et aériens), qui s'électrifie de plus en plus (génération de bord, de la propulsion ou équipements), est également l'objet de recherches très actives. Parmi les nombreux dispositifs concernés dans ces réseaux, citons :

les nouvelles sources d'énergie électrique (piles à combustible, photovoltaïque, éoliennes, hydroliennes, houlogénérateurs) ;le stockage d'énergie électrique qui est désormais au cœur de la plupart des systèmes. Les problématiques scientifiques associées au stockage, qu'il soit électrochimique ou non, concernent son dimensionnement et sa gestion d'énergie avec la prise en compte du vieillissement.

F. Les outils méthodologiques

Il s'agit d'un volet transversal dont on peut citer quelques sous-thèmes :

la modélisation numérique des phénomènes électromagnétiques et couplés (multiphysiques) ;les approches multi-échelles et la réduction de modèles ;l'optimisation automatique et les problèmes inverses ;les modélisations légères adaptées aux optimisations de dimensionnement, notamment pour l'approche système ;les modélisations phénoménologiques et ab initio des lois de comportement des matériaux, permettant notamment le passage de modèles microscopiques à des modèles macroscopiques.