Le courant continu (CC) alimente les lampes de poche, smartphones et voitures électriques, mais les principaux utilisateurs d'électricité dépendent du courant alternatif (AC), qui s'allume et s'éteint 60 fois par seconde. Parmi les raisons :le courant alternatif est simple à éteindre lorsqu'il y a un problème, connu sous le nom de défaut, comme la chute d'un arbre sur une ligne électrique.

Mais DC a des avantages inhérents sur son cousin alternatif, parmi eux une plus grande efficacité et la capacité de transporter plus de puissance sur de plus longues distances. Cela pourrait être de plus en plus important car les parcs éoliens dans les zones rurales produisent l'électricité nécessaire dans les centres de population. Et les futurs avions et navires électriques seront probablement alimentés par des systèmes à courant continu à haute densité de puissance.

Le courant alternatif peut être coupé lorsque le niveau de puissance atteint zéro pendant un cycle - le point de passage par zéro d'une onde sinusoïdale - qui est la base des disjoncteurs qui protègent les systèmes électriques modernes partout, des sous-stations aux installations domestiques. Sans ces cycles alternés, cependant, le courant continu n'a pas le temps de couper l'alimentation.

Une nouvelle technologie financée par une subvention de 3,3 millions de dollars du programme BREAKERS de l'ARPA-E pourrait aider à résoudre ce problème en utilisant des innovations dans l'électronique de puissance, actionneurs piézoélectriques, et de nouveaux matériaux d'isolation pour rendre possibles les disjoncteurs CC haute puissance. Des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de la Florida State University (FSU) espèrent permettre des vitesses de commutation de disjoncteur dix fois plus rapides que les équipements existants et commercialiser la technologie via un consortium de partenaires industriels.

« Le passage du courant alternatif au courant continu, ce qui se passe déjà, ouvrira un nouveau paradigme pour une gestion efficace et contrôlable de l'énergie dans les futurs systèmes électriques et plates-formes militaires, " a déclaré Michael "Mischa" Steurer, membre du corps professoral de la recherche au Center for Advanced Power Systems de la Florida State University. "Cela sera rendu possible par les développements étonnants qui se sont produits au cours des deux dernières décennies dans l'électronique de puissance."

Le disjoncteur hybride en cours de développement par l'équipe de recherche utilisera des piles de très gros transistors pour couper le courant continu si nécessaire. Les semi-conducteurs sont moins efficaces pour conduire le courant que les commutateurs mécaniques conventionnels, donc dans des conditions ordinaires, le courant passera par des interrupteurs mécaniques. Mais quand l'alimentation doit être coupée, le courant sera brièvement acheminé à travers l'électronique de puissance jusqu'à ce que les disjoncteurs mécaniques puissent être ouverts.

"Nous proposons un disjoncteur DC hybride dans lequel le courant aura deux chemins, " a expliqué Lukas Graber, professeur adjoint à la School of Electrical and Computer Engineering de Georgia Tech. "Un chemin sera à travers les semi-conducteurs, qui peut interrompre le courant en cas de besoin. Le deuxième chemin passera par des interrupteurs mécaniques, qui fournira un chemin beaucoup moins résistif qui sera plus efficace pour les opérations normales."

Dans les applications électroniques grand public courantes, les transistors sont trop petits pour voir et gérer seulement quelques volts. Les transistors qui seront utilisés dans la commutation CC sont beaucoup plus gros - un centimètre carré - et des dizaines ou des centaines d'entre eux seraient combinés en série ou en parallèle pour fournir une capacité suffisante pour commuter des milliers de volts. Après que le courant a été déplacé vers la voie du transistor à l'état solide, les actionneurs piézoélectriques sépareront rapidement les contacts dans les commutateurs mécaniques avant que le courant ne monte trop haut dans les transistors. Une fois séparé, le courant traversant les transistors peut être coupé.

"Nous devons être extrêmement rapides, " a déclaré Graber. "Nous devons séparer les contacts en 250 microsecondes et couper complètement le courant en 500 microsecondes - juste une demi-milliseconde. Pour cette raison, nous ne pouvons pas utiliser d'actionneurs à ressort ou hydrauliques communs aux disjoncteurs AC. Les appareils qui reposent sur l'effet piézoélectrique peuvent le faire pour nous."

Les chercheurs de Georgia Tech et FSU ont développé une propriété intellectuelle pour les composants des disjoncteurs DC proposés, et travailleront ensemble pour combiner les technologies. Le projet est connu sous le nom d'Interrupteur CC efficace avec protection contre les surtensions (EDISON).

« Nous combinerons les atouts de technologies très différentes (à semi-conducteurs et mécaniques) dans un système qui fonctionne mieux dans l'ensemble que ses composants individuels, " a déclaré Steurer. " Les éléments du système doivent fonctionner ensemble de manière transparente en une demi-milliseconde pour atteindre notre objectif. "

Les chercheurs, dont la professeure agrégée Maryam Saeedifard, Jonathan Goldman, directeur de VentureLab, et boursier postdoctoral Chanyeop Park à Georgia Tech et professeur Fang Peng, Faculté de recherche Karl Schoder, et le professeur adjoint Yuan Li à la FSU, s'attendent à construire un prototype qui sera testé dans l'installation d'essai de cinq mégawatts de la FSU d'ici trois ans. Le développement et les tests seront effectués en collaboration avec une équipe de partenaires industriels qui feront finalement la transition des disjoncteurs CC vers une utilisation commerciale.

Le courant continu pourrait être particulièrement utile à mesure que davantage d'énergies renouvelables sont mises en ligne. Le photovoltaïque à l'ouest peut encore produire de l'électricité après le coucher du soleil à l'est. Les éoliennes peuvent produire de l'électricité dans la partie médiane du pays tandis que les nuages ​​couvrent d'autres parties du pays. La transmission de puissance d'un endroit à un autre pourrait donc devenir plus importante.

« Il y a de grandes distances à combler avec les énergies renouvelables, " a déclaré Graber. " Lorsque nous repenserons à quoi ressemblera la prochaine grille, DC pourrait jouer un rôle plus important."

Pour ceux qui connaissent l'histoire de l'énergie électrique, l'ouvrage ouvre un nouveau chapitre d'une histoire qui remonte à près d'un siècle et demi à deux des inventeurs les plus célèbres de tous les temps.

Les mérites relatifs du courant continu par rapport au courant alternatif ont servi de base à la « guerre du courant » entre les inventeurs Thomas Edison et Nickolas Tesla dans les années 1880. Edison, un partisan de DC, finalement perdu face à AC de Tesla. Mais si Edison avait pu utiliser l'électronique de puissance moderne, l'histoire aurait pu tourner différemment.

"Edison avait raison, mais à l'époque il avait tort, " Dit Graber. " DC revient fort, et nous contribuerons à le rendre pratique. »