Véhicules électriques et pompes à chaleur : Les moteurs électriques jouent un rôle crucial dans la transition énergétique

Les moteurs électriques sont impliqués dans deux grandes options de décarbonisation impliquant l'électrification : les véhicules électriques (VE) et les pompes à chaleur. Cela entraînera une croissance significative du marché, ainsi que des responsabilités croissantes en matière d'efficacité, de flexibilité et d'utilisation des matériaux.

Le secteur de l'énergie électrique est le plus rapide à décarboniser en raison de la grande variété de sources d'énergie sans carbone qui peuvent produire de l'électricité, telles que le photovoltaïque, l'éolien et l'hydraulique. Cela signifie que l'électrification peut aider d'autres secteurs à se décarboniser rapidement et à grande échelle. La part de l'électricité dans la consommation finale brute d'énergie de l'UE devrait passer de 17 % actuellement à environ 60 à 70 % dans les 30 prochaines années. Le principal potentiel de l'électrification réside dans le chauffage et le refroidissement des bâtiments, le chauffage de l'eau, les transports et divers types d'utilisation industrielle de l'énergie. La plupart de ces applications font appel à des moteurs électriques. Par conséquent, la part des systèmes à moteur électrique augmentera au moins en même temps que le processus d'électrification, passant de 9 % actuellement à environ 30 % de l'utilisation finale de l'énergie dans l'UE. Dans la perspective de cette forte croissance du marché, l'impact des moteurs sur l'environnement et sur le fonctionnement du réseau augmentera également.

L'électrification des transports

Le secteur des transports est le plus grand contributeur aux émissions de gaz à effet de serre (GES) liées à l'énergie dans l'UE-28. Une percée du marché des véhicules électriques (VE) pour le transport privé pourrait entraîner une réduction importante et immédiate de ces émissions, car les VE ont un rendement du puits à la roue nettement plus élevé que les voitures à moteur à combustion interne (MCI) alimentées par des combustibles fossiles. En outre, il existe une forte incitation technologique à augmenter encore l'efficacité énergétique des moteurs des VE, puisque cela permet d'augmenter l'autonomie pour une capacité de batterie fixe. Et avec la décarbonisation durable du secteur de l'énergie électrique, les réductions des émissions de carbone réalisées par les VE continueront à augmenter.

La majorité des fabricants de VE optent actuellement pour les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM). Parmi les autres types de moteurs de VE, on trouve les moteurs à induction à courant alternatif avec des rotors en cuivre et les moteurs synchrones à champ bobiné. Toutefois, dans la perspective d'un futur marché de masse, les moteurs électriques pour automobiles font l'objet d'efforts de R&D intensifs, avec notamment un accent sur le développement de moteurs à teneur réduite en terres rares. Des améliorations majeures conduisant à des changements entre les types de moteurs préférés sont à prévoir dans les années à venir.

L'électrification des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation

Un tiers des émissions de GES de l'Europe peut être attribué aux bâtiments, et une grande partie est liée au chauffage et au refroidissement. Avec la directive sur la performance énergétique des bâtiments (EPBD), l'UE vise à réduire les émissions des bâtiments des secteurs résidentiel et tertiaire de 88 à 91 % d'ici 2050 par rapport à la base de référence de 1990. Comme les taux de construction et de rénovation sont faibles, une technologie installée dans un bâtiment pourrait y rester pendant 30 à 40 ans ou plus. Cela signifie que les systèmes doivent être conçus en pensant à l'avenir, en tenant compte notamment de la diminution durable attendue des émissions de GES provenant de la production d'électricité. Le type de technologie de chauffage à privilégier dépend de nombreux facteurs, mais pour la plupart des habitations, une pompe à chaleur locale ou un système de chauffage urbain hautement décarbonisé seront les options préférées. Les pompes à chaleur reposent sur un compresseur électrique et peuvent être utilisées aussi bien pour le chauffage que pour le refroidissement. Sa technologie est plus mature que celle des véhicules électriques, et aucune évolution technologique fondamentale n'est à prévoir dans un avenir proche. Avec l'évolution progressive de la réglementation européenne vers l'imposition de bâtiments à consommation d'énergie quasi nulle, le secteur est incité à accroître encore l'efficacité énergétique des pompes à chaleur. Le choix de la bonne stratégie de variation de la charge des compresseurs joue un rôle important à cet égard.

L'efficacité énergétique reste à l'ordre du jour

La croissance prévue du marché des systèmes de moteurs fait de la décarbonisation une voie efficace pour accroître encore leur efficacité jusqu'au niveau du coût de cycle de vie le plus bas. L'extension des normes d'écoconception à d'autres catégories de moteurs et la suppression de certaines exceptions seraient une étape logique qui pourrait permettre de réaliser d'importantes économies d'émissions de carbone. Les petits et grands moteurs pourraient être inclus, et les exceptions pour les moteurs à frein et les moteurs antidéflagrants pourraient être supprimées, ainsi que le choix d'opter pour une catégorie de rendement inférieur si elle est combinée avec un variateur de vitesse (VSD). Ces quatre mesures permettraient d'économiser au total 22,3 TWh, soit 9,97 millions de tonnes de_CO2eq par an. Pour les moteurs de moyenne et grande puissance, le niveau de rendement minimal pourrait être porté à IE4 à partir de 2022. Cette mesure serait économiquement rationnelle et permettrait d'économiser 9,3 TWh et 4,16 millions de tonnes de_CO2eq par an.

Cependant, le plus grand potentiel d'économie d'énergie réside probablement dans une approche qui se concentre sur l'ensemble du système moteur plutôt que sur un dispositif isolé. L'inconvénient d'une telle "approche élargie des produits" est la difficulté de la traduire en une réglementation viable. Une promotion plus active de la norme CEI 61800-9, qui prend en compte l'ensemble du système moteur, serait utile, ainsi que le développement d'un outil logiciel qui puisse aider à la mise en œuvre de cette norme. Un autre moyen - complémentaire - pourrait être de promouvoir l'efficacité du système via la norme ISO 50001 sur la gestion de l'énergie et ses guides de mise en œuvre.

Déplacer la consommation vers des moments de production abondante

La part croissante des systèmes d'énergie renouvelable connectés au réseau, qui se caractérisent par une production naturellement variable, rend la tâche des gestionnaires de réseau de plus en plus complexe. L'électricité ne doit pas seulement être utilisée efficacement, sa consommation doit également être déplacée autant que possible vers les moments de production abondante. Certains secteurs qui utilisent un grand nombre de systèmes moteurs sont bien équipés pour offrir cette flexibilité. Il s'agit notamment des secteurs de la climatisation des bâtiments (des pièces bien isolées représentent une capacité tampon à elles seules), de la gestion de l'eau (principalement alimentée par des systèmes de pompage) et des installations de traitement industriel. Des mécanismes devraient être mis en place pour relier les consommateurs d'électricité aux opérateurs de réseau afin de permettre un engagement aussi important des consommateurs.

Les moteurs dans l'économie circulaire

Enfin, la transition énergétique ne peut être durable que si l'utilisation des matériaux est prise en compte. Avec le paquet sur l'économie circulaire, la Commission européenne est également arrivée à cette conclusion. L'augmentation prévue du nombre de moteurs nécessaires pendant la transition énergétique nous amène à nous demander si ces moteurs ont le potentiel nécessaire pour faire partie de l'économie circulaire.

Si les moteurs sont principalement constitués de cuivre, d'acier et d'aluminium, leur potentiel d'épuisement reste limité et leur niveau de recyclabilité élevé. Les moteurs sont rembobinés et recyclés depuis des décennies. Les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) contiennent divers métaux de terres rares qui figurent sur la liste des matières premières critiques de l'UE et ne sont donc pas recommandés pour devenir une partie importante de la solution pour les marchés de masse émergents. Le soutien à la recherche et à l'innovation devrait se concentrer sur le développement de moteurs sans terres rares.

Laconception pour le recyclage(DfR) prend en compte l'effort technique et économique nécessaire pour récupérer autant de matériaux que possible lors de la réparation et de la révision et en fin de vie. Cet effort pourrait être stimulé en fournissant aux acheteurs de moteurs électriques des informations sur la recyclabilité, par exemple par le biais d'un label "Design for Recycling".

Les moteurs électriques sont promis à un bel avenir. S'ils parviennent à poursuivre leur exploit d'amélioration continue de l'efficacité énergétique tout en œuvrant pour une utilisation responsable des matériaux, exempts de métaux de terres rares et intégrés dans une économie véritablement circulaire, ils pourraient devenir l'un des grands gagnants de la transition énergétique.

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