Onsemi: Utiliser de l'énergie photovoltaïque stockée pour répondre aux besoins de recharge rapide de véhicules électriques

Le marché de la mobilité est en pleine mutation et, à mesure que l'adoption des véhicules électriques (VE) accélère, les prévisions de ventes sont continuellement revues à la hausse.

Jon Harper - Membre de l’équipe technique, Modules et composants discrets SiC industriels, onsemi.

Bien qu'ils ne représentent qu'une petite fraction du marché global, jusqu'à 10 millions de VE devraient être vendus en 2025, et plus de 50% de tous les véhicules vendus seront électriques d'ici 2050. La plupart de ces véhicules seront rechargés lentement, pendant qu’ils seront garés pour la nuit, une fois connectés à une borne fixe ou privée. Certains seront rechargés plus vite sur des bornes de recharge publiques, tandis que les stations-service du futur permettront une recharge ultra-rapide.

Avec de nombreux points de recharge fonctionnant simultanément, la demande d’énergie sur le réseau électrique local sera importante et irrégulière, et sans investissement massif dans les lignes de transmission et les centrales électriques pour fournir la capacité nécessaire, l'effondrement localisé du réseau pourrait devenir monnaie courante. Dans cet article, nous examinons l'état actuel de la recharge des VE, et nous nous intéressons aux niveaux de demande d'énergie que cela pourrait créer dans un avenir proche. Nous examinons ensuite comment cette demande pourrait être satisfaite d’un point de vue pratique et avec une approche durable, mais aussi viable commercialement.

La recharge des VE aujourd'hui
L'infrastructure de recharge connectée au réseau électrique et utilisée dans les installations publiques et privées actuelles varie en termes de quantité d’énergie fournie. Les chargeurs de niveau 1 fonctionnent sous 120 V alternatif (2 kW maximum), tandis que les chargeurs de niveau 2 fonctionnent sous 240 V alteratif, et fournissent jusqu'à 20 kW. Dans les deux scénarios, la conversion du courant alternatif en courant continu se fait dans le chargeur à bord du véhicule plutôt qu’à l’aide d’un boîtier mural (qui sert essentiellement à la protection et au comptage).

Pour des raisons de coût, de taille et de poids, la puissance du chargeur embarqué à bord de la voiture est généralement inférieure à 20 kW. Par ailleurs, si la charge en courant continu était utilisée (au lieu du courant alternatif), la charge pourrait se faire à des niveaux de puissance beaucoup plus élevés. Les chargeurs à courant continu de niveau 3 fonctionnent jusqu'à 450 V continu (150 kW maximum), et les super-chargeurs plus récents montent même jusqu'à 800 V continu (350 kW maximum). Pour des raisons de sécurité, la tension maximale est limitée à 1 000 V quand la prise est connectée au véhicule. Dans le cas de la charge en courant continu, la conversion d'énergie s’effectue dans la borne de recharge, qui se connecte directement à la batterie de la voiture. Le véhicule n'a donc plus besoin de chargeur embarqué, ce qui le rend plus léger tout en augmentant la place disponible.

Demande future
Au fur et à mesure de la croissance du nombre de VE sur les routes, les conducteurs vont s'attendre à pouvoir recharger leur voiture dans des délais plus courts. Considérerons le scénario de tarification suivant, qui risque de devenir une réalité dans moins de 10 ans. Une station de recharge en bord de route dispose de cinq bornes de recharge en courant continu, et cinq voitures s'arrêtent en même temps pour se recharger, une sur chaque borne. Si chaque voiture est équipée d’une batterie 100 kWh chargée à 25% et que son conducteur souhaite la charger à 75% en 15 minutes, la quantité totale d'énergie à fournir du réseau à la station de charge est la suivante : 5 x (75% - 25%) x 100 kWh / 0,25 h = 1 MW

Le réseau qui alimente la station de recharge devrait donc avoir la capacité de gérer ces pics intermittents de 1 MW, ce qui aurait forcément des conséquences sur l'infrastructure de distribution électrique. Des étages de correction active du facteur de puissance (PFC) à très haut rendement et complexes seraient nécessaires pour garantir que la fréquence du réseau ne soit pas affectée et qu'il reste stable et efficace. Des transformateurs coûteux seraient également nécessaires pour relier la station de charge basse tension au réseau haute tension, et les câbles transportant l'énergie de la centrale électrique à la station de charge devraient être dimensionnés pour faire face au niveau de courant à fournir. Pour les véhicules dotés de batteries de capacité supérieure, la demande de puissance à fournir serait encore plus importante.

Le solaire comble le fossé
Une solution plus simple et plus économique, qui permet d'éviter l'installation de nouvelles lignes de transmission et de gros transformateurs, consiste à utiliser de l'énergie produite localement à partir de sources renouvelables de type photovoltaïque ou éolien. Ces dernieres sont, par nature, également intermittentes, mais s'elles sont gérées avec soin, elles peuvent être utilisées pour répondre aux demandes intermittentes du réseau générées par la recharge des VE. Le prix de la technologie photovoltaïque (PV) a chuté de près de 80% ces 10 dernières années, ce qui contribue à la croissance continue des systèmes d'énergie renouvelable, elle-même motivée par la nécessité de réduire les émissions de carbone. Aujourd'hui, l'énergie photovoltaïque représente moins de 5% de la production mondiale d'électricité, mais elle devrait atteindre plus d'un tiers d'ici 2050.

La croissance de l'énergie photovoltaïque aura un impact sur la manière dont l'électricité sera produite et consommée. Les centrales électriques devront être gérées de manière à ce que le réseau ne se trouve pas suralimenté, et les gens consommeront de plus en plus d'électricité produite par des systèmes photovoltaïques résidentiels installés chez eux. Il faudra donc équilibrer soigneusement la fourniture d'électricité centralisée et la production d'énergie renouvelable localisée en rapport avec la demande variable des consommateurs. Dans notre exemple de station de recharge, en la connectant directement à un sous-réseau alimenté par une installation photovoltaïque (PV) de 500 kW, il suffirait que le réseau fournisse les autres 500 kW nécessaires.

Lisser grâce au stockage d’énergie
Cependant, l'utilisation de l'énergie d'une installation photovoltaïque signifierait que les recharges rapides ne pourraient se faire qu’en journée, lorsque le soleil brille le plus fort, ce qui ne saurait être viable. Une solution plus réaliste pourrait être obtenue en utilisant un système de stockage d'énergie (ESS) en complément de l’enregie solaire. Il s'agit de l'équivalent électrique des réservoirs de stockage de gaz ou de pétrole qui peuvent servir à de multiples applications (domestiques et industrielles). Dans une application domestique, il serait simple de connecter un onduleur PV à une batterie de stockage, qui se chargerait à la lumière du soleil en journée, et qui pourrait ensuite servir à recharger un VE pendant la nuit.

Dans un environnement industriel, l'installation d'un ESS pourrait avoir des objectifs différents, comme réguler l'énergie produite par les systèmes photovoltaïques et d'autres sources renouvelables, ou fournir une assistance de secours pour les démarrages à froid, en évitant le recours à des générateurs diesel. L'utilisation de ces systèmes est également judicieuse d'un point de vue économique, car ils permettent de mettre à niveau ou de remplacer les lignes de transport existantes de manière plus progressive sur une période plus longue, à mesure que la demande de recharge rapide de VE augmente.

Le marché de ces systèmes devrait croître rapidement, passant de 20 GWh aujourd'hui, à plus de 2 000 GWh d'ici 2050. Pour notre station de recharge, un ESS se comporterait comme une grosse batterie capable de stocker et de fournir de l'énergie à partir d'une installation photovoltaïque (ou d'autres sources renouvelables) aux bornes de recharge selon les besoins, l'énergie excédentaire étant fournie au réseau. La taille de l'ESS serait choisie pour assurer le meilleur équilibre entre la demande crête d'énergie, et la capacité de stockage. Le rapport dépend fortement de la quantité d'énergie produite localement (photovoltaïque, éolienne ou autre), du nombre de bornes de recharge, et des autres charges connectées localement.

À mesure que les ventes de VE augmentent, les conducteurs s'attendent à pouvoir recharger leur voiture plus rapidement, ce qui signifie que la demande d'infrastructures de recharge rapide de VE va croître rapidement. Une analyse rapide a montré que le réseau existant n'est pas conçu pour faire face aux pics intermittents de demande qui vont en résulter. L'utilisation d'une combinaison d'installations solaires photovoltaïques et de systèmes de stockage d'énergie peut constituer une alternative réaliste et commercialement viable à la refonte de l'infrastructure du réseau électrique de distribution, qui serait autrement nécessaire.

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