Intégration de l'efficacité énergétique et matérielle dans les transformateurs de distribution publique

Il est de plus en plus reconnu que la transition énergétique ne peut être durable que si l'utilisation des matériaux fait partie de l'équation, un aspect que reflètent les récentes initiatives réglementaires de l'UE. Dans les systèmes électriques, réussir à coupler l'efficacité énergétique et l'efficacité des ressources peut s'avérer difficile, mais le concept de charge de pointe durable pour les transformateurs de puissance dans les réseaux de distribution publics est une solution élégante qui parvient à combiner les deux objectifs.

Éviter les conflits inhérents

L'ambition définie dans le paquet européen "Fit for 55%" à partir de juillet 2021 exige que toutes les voies de décarbonisation techniquement et économiquement réalisables soient rigoureusement mises en œuvre. Les réseaux de distribution électrique peuvent y contribuer en maximisant leur performance énergétique. Dans ce contexte, le règlement sur l'écoconception des transformateurs stipule des valeurs maximales pour les pertes en charge et les pertes à vide. Les exigences initiales sont entrées en vigueur le 1er juillet 2015 et des valeurs plus strictes sont appliquées depuis le 1er juillet 2021.

Entre-temps, le Green Deal européen a exposé les ambitions visant à rendre l'économie plus efficace sur le plan des matériaux, qui ont abouti à un nouveau plan d'action pour l'économie circulaire en mars 2020. Cette ambition s'est reflétée dans l'article 7 de la dernière édition du règlement sur l'écoconception des transformateurs, qui énumère un certain nombre de questions à aborder lors de la prochaine révision du règlement. Il s'agit notamment de "la possibilité et de l'opportunité de couvrir les impacts environnementaux autres que l'énergie dans la phase d'utilisation, tels que (...) l'efficacité des matériaux".

Aussi raisonnables que ces ambitions puissent paraître, il existe, en matière d'électricité, un conflit inhérent entre l'efficacité énergétique et l'efficacité matérielle. Une mesure clé pour améliorer l'efficacité énergétique des systèmes électriques consiste à augmenter la quantité de matériau conducteur. Ce n'est qu'en faisant un usage intelligent des systèmes électriques que ce compromis peut être atténué ou évité dans certains cas. Le concept de charge de pointe durable déployé dans les transformateurs de distribution représente une telle solution intelligente. Il ne modifie pas les transformateurs eux-mêmes, mais maximise leur rendement en termes d'efficacité matérielle sans compromettre leur performance énergétique.

Des charges de pointe qui ne compromettent pas la fiabilité, la durée de vie ou l'efficacité énergétique

À l'origine du concept de charge de pointe durable se trouve le fait que de nombreux transformateurs de distribution publique, tels qu'ils sont actuellement classés, sont sous-exploités. Cette situation a des antécédents historiques. Des règles strictes en matière de réduction des pertes, de compacité et d'absence de substances toxiques ont donné lieu à diverses innovations technologiques, notamment l'utilisation de matériaux d'enroulement hautement conducteurs, d'acier magnétique à pertes réduites, de papier thermiquement amélioré et d'esters naturels comme isolant liquide.

En conséquence, de nombreux transformateurs peuvent désormais supporter des températures plus élevées dans les enroulements - jusqu'à 95°C au lieu de 65°C seulement, et peuvent gérer des pics de demande plus élevés sans compromettre la fiabilité ou la durée de vie de l'unité. Ce potentiel de charge de pointe n'est généralement pas exploité, car les opérateurs continuent de s'efforcer de maintenir les pertes de puissance en dessous des valeurs stipulées.

Cependant, à des niveaux de charge faibles, l'importance relative des pertes en charge diminue, et l'importance relative des pertes à vide augmente. Par conséquent, le choix d'un transformateur plus petit pour le même travail a peu d'influence sur les pertes énergétiques annuelles totales de l'unité. Les réseaux de distribution publics ont généralement des niveaux de charge aussi faibles. Jusqu'à récemment, leurs charges étaient uniquement estimées, et non mesurées. Avec l'introduction des compteurs intelligents, de vastes campagnes de mesure ont maintenant permis d'enregistrer des données en kWh sur une année entière, qui montrent que les charges sont généralement plus faibles qu'on ne le pensait initialement. Les facteurs de charge moyens sont d'environ 15 % de la capacité nominale.

Ce faible facteur de charge combiné à la capacité de surcharge technique conduit directement au concept de transformateur de charge de pointe durable. La "capacité nominale" sera la valeur à partir de laquelle le transformateur répondra aux exigences de la réglementation sur la performance énergétique. La "capacité de pointe durable" du transformateur sera fixée à une valeur plus élevée. Tant que le transformateur fonctionne dans un réseau à faible charge moyenne, comme c'est le cas dans les réseaux de distribution publics, autoriser ce type de capacité de pointe plus élevée n'augmentera pas les pertes énergétiques annuelles totales de l'unité.

Un exercice de modélisation évaluant les avantages potentiels

Un groupe d'experts, sous la direction de l'Institut européen du cuivre, a réalisé un exercice de modélisation pour évaluer l'impact de la sélection d'unités de charge de pointe durables pour tous les remplacements de transformateurs dans les réseaux de distribution publics de l'UE.

Le modèle a pris comme point de départ le transformateur omniprésent de 400 kVA - 24 kV/0,4 kV et a calculé la différence entre le remplacement de toutes les unités de 400 kVA en fin de vie dans l'UE par des unités conventionnelles de 540 kVA, ou par des unités durables de charge de pointe de 400 kVA/540 kVA.

En ce qui concerne la performance énergétique, il convient de faire la distinction entre les pertes de puissance nominales du transformateur, exprimées en watts, et ses pertes énergétiques annuelles, exprimées en kWh. Les premières sont soumises à une réglementation, tandis que les secondes doivent être prises en compte lors de l'évaluation de la performance environnementale de l'unité.

Le transformateur de charge de pointe durable 400 kVA / 540 kVA est conçu selon les normes de performance énergétique minimale en vigueur pour une unité de 400 kVA, ce qui signifie que ses pertes en charge dépasseront la valeur nominale pendant les courtes périodes de charge de pointe jusqu'à 540 kVA. Toutefois, ses pertes à vide sont fixées à une valeur inférieure à celle d'une unité conventionnelle de 540 kVA. Pour les profils de charge avec de courtes pointes et une faible charge moyenne - comme c'est le cas dans les réseaux de distribution - l'augmentation des pertes de charge annuelles sera compensée par la diminution des pertes à vide annuelles. Ceci a été confirmé par les résultats de l'exercice de modélisation : les pertes énergétiques annuelles totales des unités de charge de pointe durables ont été calculées comme étant très similaires à celles d'une unité conventionnelle.

Figure 1 - Le concept de transformateur de charge de pointe durable (transformateur de sous-station par ing.mixa du projet Noun)

Bien qu'aucun compromis n'ait été fait sur les pertes d'énergie annuelles, l'efficacité matérielle du transformateur de charge de pointe durable a considérablement augmenté, avec des réductions du poids total comprises entre 11 et 15 %.

Ce gain d'efficacité dans l'utilisation des matériaux a été obtenu sans augmenter le coût d'achat unitaire. L'exercice de modélisation a démontré que le coût du modèle de charge de pointe durable est comparable à celui d'un transformateur conventionnel si tous les autres paramètres restent identiques.

Faciliter l'accélération des mises à niveau du réseau

L'expertise a permis de conclure que l'application généralisée du concept de charge de pointe durable dans les réseaux de distribution publics de l'UE serait un exercice bienvenu. Elle serait judicieuse d'un point de vue économique et contribuerait de manière significative au double objectif politique d'efficacité énergétique et d'efficacité matérielle.

Figure 2 - Le transformateur de charge de pointe durable offre la possibilité d'augmenter la puissance de pointe tout en conservant les mêmes dimensions (source : Copper Alliance).

L'un des principaux avantages économiques du transformateur de charge de pointe durable est sa compacité. Avec la transition vers l'abandon des combustibles fossiles, une croissance substantielle de la consommation d'électricité est attendue dans certains secteurs alimentés par les réseaux de distribution. Le transformateur de charge de pointe durable offre la possibilité d'augmenter la puissance de pointe du transformateur tout en conservant les mêmes dimensions unitaires. Il s'agit d'un aspect essentiel dans les environnements urbains où l'espace peut être restreint, ce qui permet une installation moins coûteuse et des mises à niveau plus rapides, rendant le réseau de distribution plus robuste et plus sûr.

Source : Maximiser l'efficacité des ressources des transformateurs de distribution - Contribution potentielle aux objectifs de l'UE en matière de "Green Deal"., Leonardo Energy, octobre 2021.