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Vision 2020 : les mégatendances en matière de gestion de l’énergie et de la puissance

11/08/2016 18h24, par Texas Instruments

Vision 2020 : les mégatendances en matière de gestion de l’énergie et de la puissance

Au cours des quatre prochaines années, notre secteur devra relever des défis majeurs en matière de gestion de l’énergie, notamment pour assurer le transport et le stockage de quantités toujours croissantes d’électricité.

La consommation mondiale d’électricité, toutes sources d’énergie confondues, s’élève à environ 17 térawatts. Les plus gros consommateurs sont les pays développés, tels que les États-Unis(1). Le défi auquel nous sommes confrontés consiste à imaginer une manière plus efficace de transporter jusqu’au consommateur cette formidable quantité d’énergie. La solution : innover en matière d’électronique de puissance.

En collaboration avec nos partenaires, nous travaillons sur les technologies qui nous permettront de répondre à quelques-uns de ces défis complexes en innovant dans les domaines des semi-conducteurs et des topologies des réseaux.

Ainsi, dans les années à venir, les semi-conducteurs haute-tension analogiques et à signaux mixtes bénéficieront d’un rendement accru. Grâce à la combinaison unique de processus de fabrication haute-tension et de circuits intégrés de gestion de l’énergie capables de supporter une tension d’entrée plus élevée, des solutions énergétiques plus efficientes pourront être proposées sur des marchés très divers. (Pour en savoir plus sur l’innovation en matière de solutions haute tension, consultez notre nouveau livre blanc.)

D’ici 2020, les nouvelles technologies en matière de gestion de l’énergie auront un impact particulièrement important sur trois mégatendances.

 

Mégatendance no1 : densité de puissance


La densité de puissance représente la quantité de puissance par unité de volume, de surface ou de masse. Pour les ingénieurs en conception, l’enjeu est de délivrer le plus de puissance le plus efficacement possible, tout en réduisant autant que possible l’empreinte énergétique. Pour ce faire, ils doivent pouvoir exploiter la meilleure densité de puissance possible dans des équipements tels que les blocs d’alimentation de serveur ou les batteries pour véhicules électriques. Il n’est donc pas surprenant de voir émerger chaque année de nombreuses techniques et approches destinées à améliorer la densité de puissance des équipements.

Chez TI, nous entendons continuer d’appliquer une approche plus holistique des problématiques de puissance et d’énergie. En concentrant nos efforts sur l’ensemble de la chaîne de l’énergie au lieu de travailler sur des éléments épars, nous sommes en mesure de suggérer des approches innovantes pour répondre à des problématiques classiques du secteur. Par exemple, comment convertir de l’énergie hors ligne afin de pouvoir alimenter une grappe de serveurs ? Nos clients cherchent à évaluer le coût énergétique total (puissance et refroidissement) afin de pouvoir déterminer quand l’investissement effectué sera amorti. Ils sont tout à fait disposés à évaluer et tester différentes technologies ou approches pour trouver de nouvelles façons de contribuer directement à la réduction des coûts et à l’augmentation de l’efficacité de leurs installations.

Texas Instruments et les autres fabricants optent désormais pour de nouveaux matériaux, tels que le nitrure de gallium (GaN) sur un substrat de silicium, afin de permettre une fréquence de commutation plus élevée et une efficacité accrue pour les plages d’entrée de tension allant jusqu’à 700 volts. En plus de développer ces transistors HEMT (High-Electron Mobility Transistor), nous mettons également au point plusieurs pilotes de grilles prévus exclusivement pour les transistors à effet de champ (FET) en nitrure de gallium. Par ailleurs, nous innovons en lançant sur le marché des modules multipuces (MCM) incluant à la fois les pilotes de grille et les transistors FET de puissance en nitrure de gallium en un seul produit.

 

Mégatendance no2 : efficacité énergétique

Les quatre prochaines années verront également l’avènement d’une gestion intelligente du réseau électrique. Certaines pratiques deviendront plus communes, telles que l’écrêtage, qui permet de réduire l’énergie disponible sur le réseau la nuit, quand la consommation et le coût sont moindres, et de restituer l’énergie ainsi prélevée sur le réseau lors des pics de consommation durant la journée. Cela permet de maintenir le besoin en énergie prélevée sur le réseau électrique d’un logement ou d’un immeuble en deçà d’un certain seuil aux heures pleines et de faciliter la gestion du réseau pendant la journée.

Les sources d’énergie alternatives compliquent encore davantage l’équation. Ces sources d’énergie sont caractérisées par leur production inconstante d’électricité sur une période de 24 heures. Contrairement aux centrales à combustible fossile, la production des installations solaires et éoliennes varie considérablement au cours de la journée. Par ailleurs, en mettant en œuvre une pratique similaire à l’écrêtage, les centrales de cogénération verront leurs coûts de fonctionnement diminuer. Elles peuvent ainsi exploiter les sources d’énergie alternatives quand leur production est au plus haut et compenser leurs baisses de production avec une turbine à gaz naturel. Toutefois, pour que ce type d’installations devienne plus répandu, il est nécessaire de réduire les coûts de fonctionnement des systèmes de stockage de l’énergie et d’accroître l’efficacité des techniques de conversion. Sans une optimisation de la conversion, les pertes occasionnées par le transport de l’énergie vers et en dehors des accumulateurs sont trop élevées pour permettre une exploitation de l’installation.

Je pense qu’à court terme, de nombreux foyers seront équipés d’un système d’accumulateurs permettant de recharger les véhicules électriques, mais aussi de limiter la demande exercée sur le réseau électrique. Ainsi, nous pourrons utiliser des appareils très gourmands en électricité sans pour autant augmenter la demande exercée sur l’infrastructure électrique. Une pratique qui profiterait également au consommateur, qui verrait sa facture s’alléger (grâce au chargement de la batterie la nuit, et à l’utilisation de l’énergie stockée pendant les heures pleines de la journée) et qui serait mieux informé de sa consommation globale d’énergie.

 

Mégatendance no3 : stockage et fourniture de mégadonnées

On entend par big data, ou mégadonnées, les processus de création, de stockage, d’exploitation et d’analyse de données massives. Le volume et la variété des données générées ainsi que leur rapidité de traitement est une caractéristique du big data. À l’échelle globale, l’ensemble du volume de données générées par l’usage d’internet, des e-mails et de l’échange de données s’élève à 6 706 pétaoctets par mois(2). Les experts du secteur d’Internet estiment que ce chiffre pourrait atteindre 35 zettaoctets(3) d’ici 2020.

Sommes-nous en mesure de fournir chaque jour l’énergie nécessaire au stockage et à la mise à disposition de ce volume de données à des millions de consommateurs ? De toute évidence, nous devons chercher un moyen d’exploiter les technologies de gestion de puissance afin de permettre la conception de systèmes de stockage moins coûteux et plus efficace.

S’il est vrai que les consommateurs veulent un accès constant à leurs informations, peu nombreux sont ceux qui en ont besoin à toute heure du jour et de la nuit. Pourtant, une fois la puissance de calcul nécessaire mise en place, les coûts de l’accès restent les mêmes tout au long de la journée. Les entreprises ne pouvant pas répercuter sur le consommateur cette « maintenance », elles recherchent de nouvelles façons d’adapter leur consommation d’énergie tout en assurant un service constant et en continuant de faire des bénéfices. Afin de proposer des solutions à ce problème, nous devons adopter une meilleure approche de la problématique des centres de données.

 

L’avenir se prépare aujourd’hui

Nous sommes les témoins d’une époque passionnante où les solutions innovantes en matière d’électronique de puissance contribuent à relever le défi du stockage et du transport d’une quantité croissante d’énergie, ainsi que de l’efficience de ces procédés de transport. Afin de bâtir un avenir plus durable pour tous, nous devons appliquer les avancées accomplies dans les domaines des semi-conducteurs et des topologies de réseau à une approche résolument ouverte à l’innovation des problématiques classiques du secteur.

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