Un nouveau, Le transformateur moyenne tension intelligent développé à l'ETH Zurich est doté d'une technologie de semi-conducteur de pointe, ce qui le rend extrêmement compact et économe en énergie. Les applications futures vont des locomotives aux stations de recharge rapide pour véhicules électriques et des alimentations électriques pour les centres de données à utiliser dans les futurs réseaux électriques.

Les ingénieurs électriciens de l'ETH Zurich ont développé un transformateur électronique intelligent qui fonctionne de manière extrêmement efficace pour transformer la moyenne tension en basse tension. Les transformateurs intelligents de ce type sont également beaucoup plus petits que les transformateurs standard. Cela les rend particulièrement adaptés à une utilisation là où l'espace est limité ou le poids doit être réduit au minimum, comme c'est le cas par exemple dans les locomotives de chemin de fer.

La plupart des réseaux électriques pour les applications ferroviaires fournissent du courant alternatif au niveau de la moyenne tension. Les locomotives abaissent ensuite la tension à une valeur inférieure. "Pour des raisons techniques, plus la fréquence du courant alternatif est basse, plus le transformateur requis pour abaisser la tension est gros. Et à 16,7 Hertz, la fréquence utilisée dans le transport ferroviaire en Suisse et dans plusieurs autres pays européens est relativement faible, " explique Daniel Rothmund, l'un des deux doctorants du groupe du professeur de l'ETH Johann Kolar qui a construit le nouveau transformateur.

Pour contourner ce problème de taille, les transformateurs intelligents ont un tour dans leur sac :d'abord, un convertisseur frontal augmente fortement la fréquence du courant alternatif, ce qui signifie que le transformateur lui-même peut être beaucoup plus petit. Ensuite, un convertisseur suivant produit un courant alternatif à la fréquence souhaitée.

Commutation à des fréquences extrêmement élevées

Rothmund et son collègue Thomas Guillod ont dû développer eux-mêmes de nombreux composants de leur transformateur, comme il y a peu de composants disponibles sur étagère pour la moyenne tension de 10, 000 volts avec lesquels ils fonctionnent. Les composants en carbure de silicium qui permettent une commutation extrêmement rapide – des prototypes fabriqués par une entreprise américaine – étaient particulièrement importants. En utilisant ceux-ci, les doctorants de l'ETH ont pu convertir la moyenne tension en une très haute fréquence de 75, 000 hertz ; par conséquent, le système de transformateurs qu'ils ont construit ne représente qu'un tiers de la taille des transformateurs intelligents précédents avec des puissances nominales similaires. Et tandis que les systèmes antérieurs atteignaient une efficacité énergétique d'environ 96 %, Rothmund et Guillod ont réussi à 98 pour cent - en d'autres termes, ils ont pu réduire de moitié les pertes d'énergie de 4 % à seulement 2 %.

Leurs travaux de recherche ont été menés dans le cadre du Programme national de recherche suisse « Retournement énergétique » (PNR 70), qui se concentre sur la recherche des technologies nécessaires à la mise en œuvre de la stratégie énergétique du pays 2050.

Redressement du courant alternatif

Les locomotives ferroviaires ne sont qu'une des nombreuses applications de ces nouveaux transformateurs. "Contrairement aux transformateurs conventionnels, les transformateurs intelligents peuvent être contrôlés, " explique Rothmund. Ils peuvent être utilisés dans les futurs réseaux électriques, appelés réseaux intelligents, gérer activement la distribution de l'électricité et équilibrer les fluctuations de la production et de la demande d'électricité.

Le nouveau système est capable non seulement de modifier la fréquence du courant alternatif sur le réseau, mais aussi de convertir le courant alternatif (AC) en courant continu (DC). Une application pourrait être les futures stations de recharge rapide à grande échelle, qui permet de recharger plusieurs véhicules électriques simultanément. Ces bornes de recharge pourraient alors être connectées directement au réseau AC moyenne tension existant, avec les transformateurs compacts efficaces, puis abaisser la moyenne tension à la tension souhaitée. "Les batteries sont chargées à l'aide d'une tension continue relativement faible, ", explique Rothmund, ajoutant :« Par rapport à la technologie conventionnelle, Les transformateurs intelligents ont l'avantage lorsqu'il s'agit de produire du courant continu à partir d'un réseau alternatif à moyenne tension."

Les centres de données sont une autre catégorie de consommateurs à grande échelle qui devrait bénéficier de ce développement. Leur fournir des systèmes d'alimentation électrique plus efficaces réduirait non seulement leurs factures d'électricité, mais aussi la quantité de chaleur résiduelle produite, minimisant ainsi l'énergie nécessaire au refroidissement.

Ironiquement, la nouvelle technologie pourrait bien faire plus que faciliter le virage vers une nouvelle économie énergétique décarbonée et électrifiée; elle pourrait également faciliter l'exploitation des réserves difficiles d'accès de combustibles fossiles. L'industrie pétrolière et gazière travaille actuellement sur les moyens d'accéder aux gisements offshore situés dans les océans profonds en utilisant des usines sous-marines au lieu de plates-formes de forage. Ceux-ci comporteraient des pompes, compresseurs et robots situés au fond de l'océan et tirant leur électricité d'un « cordon ombilical » s'étendant sur plusieurs kilomètres jusqu'à terre. La nouvelle technologie signifie que les câbles pourraient transporter du courant continu, qui peut être transmis plus efficacement que le courant alternatif sur de longues distances, tandis qu'un convertisseur relativement petit au fond de l'océan pourrait convertir le courant continu en courant alternatif dont les machines ont besoin.