Electricité 4.0 – Demain, tous producteurs d’énergie ?

Bientôt, quand vous prendrez votre voiture, vous ne serez plus seulement au volant d’un véhicule consommateur d’électricité, vous participerez également à la production nationale d’énergie !

C’est en tout cas la promesse de certains constructeurs de commercialiser dès aujourd’hui des automobiles à chargeur bidirectionnel. Ou comment votre voiture peut être connectée, non seulement pour se recharger comme c’est habituellement le cas, mais aussi pour alimenter le réseau ou votre maison avec la perspective de diviser par deux votre facture électrique. Une technologie déjà mise en place par le constructeur américain Tesla aux Etats-Unis et qui pourrait s’étendre rapidement puisque Renault développe une quinzaine de projets de ce type en partenariat avec Enedis.

​​​​​Une évolution qui illustre la manière dont les réseaux électriques sont en train de se transformer : une production d’énergie variée et décentralisée là où nous étions habitués à un ou deux producteurs fournissant une énergie provenant de deux ou trois sources principales. La fin d’un modèle traditionnel en quelque sorte.

Pourquoi doit-on réinventer les réseaux électriques ?

Si vous entendez parler d’Électricité 4.0, il ne s’agit pas d’un énième slogan marketing de plus, mais une manière de souligner une rupture. Le besoin d’une source d’énergie toujours plus abondante, mais aussi plus efficace et surtout décarbonée pour accompagner ​​​​la quatrième révolution industrielle, celle de la mobilité électrique et du boom des data centers (cloud computing, data et intelligence artificielle) mais surtout de l’électrification de tout ce qui existe («electrification of everything») et de la numérisation de pratiquement toutes les activités.

L’électricité dispose des atouts indispensables pour relever ces nouveaux défis. Afin de bien en prendre la mesure, il suffit de se rappeler qu’il a fallu cent cinquante ans pour que l’électricité représente le quart de nos usages énergétiques et que nous devrions atteindre les 60% en seulement vingt-cinq ans si nous voulons être en phase avec les objectifs de neutralité carbone attendus.

Soit une augmentation de 40 % de la demande d’électricité d’ici 2040, pour une multiplication par six de la part de l’éolien et du solaire dans le mix énergétique.

Un changement d’échelle qui va imposer une accélération du rythme annuel d’investissements dans le réseau (câbles, pylônes, transformateurs…) : il devrait être multiplié par deux ou trois par rapport aux quinze dernières années. D’autant que le réseau français, par exemple, avec des lignes électriques datant de 50 ans en moyenne, est l’un des plus vieux d’Europe.

Au-delà, l’électricité renouvelable devrait dominer le secteur de l’électricité de l’UE d’ici à 2030. Une mutation qui s’accélère puisque l’on estime que les énergies renouvelables sont en passe de produire 66% de l’électricité de l’UE d’ici 2030, contre 44% en 2023.

Une progression qui n’est possible que par le recours à des solutions technologiques capables de gérer plus finement l’équilibre entre production et consommation et d’améliorer leur efficacité, leur sécurité et leur durabilité.

Des producteurs en pagaille

La révolution de l’électricité, c’est tout à la fois la multiplication et la décentralisation des modes de production d’énergie.

Avec, d’un côté, un mix énergétique de plus en plus complexe qui, selon les pays, combine du charbon et du gaz appelés à disparaître, du nucléaire selon les cas, et toujours plus d’hydraulique, de solaire et d’éolien.

Et d’un autre côté, la possibilité donnée à chacun d’avoir sa propre installation. C’est désormais une option qui est bien entrée dans les mœurs : les particuliers, les PME, les centres commerciaux ou les grands groupes sont de plus en plus nombreux à investir dans la production d’énergie. Ce n’est pas en effet une option réservée à de grands investisseurs : un modeste atelier de fabrication du sud de la France peut facilement produire le tiers de sa consommation d’électricité en s’équipant de panneaux photovoltaïques.

En France, entre 2022 et 2023, le nombre d’installations a été multiplié par trois chez les particuliers et par deux chez les professionnels. Et ce n’est que le début, selon Laetitia Brottier, vice-présidente d’Enerplan, le syndicat de l’énergie solaire renouvelable.

Une complexité qui n’est pas sans provoquer des goulets d’étranglement lorsqu’il s’agit de raccorder ces nouveaux producteurs, mais une évolution qui est rendue nécessaire par la course à la décarbonation de nos économies, et possible grâce à l’évolution vers des réseaux électriques intelligents (smart grid).

Ces réseaux de nouvelle génération permettent, en effet, une gestion plus agile de l’énergie et facilitent l’intégration de nouveaux moyens de production d’énergie décentralisée, comme l’éolien ou le solaire. Selon une étude de l’Union européenne, l’utilisation optimale des énergies renouvelables grâce à des réseaux intelligents peut réduire les émissions de gaz à effet de serre de 10 à 15%.

La demande est aux commandes

C’est une toute nouvelle approche qui est donc en train d’émerger puisque la production d’énergie pourra être déclenchée et ajustée en fonction de la demande venant du terrain, en temps réel.

La multiplication des capteurs, installés tout au long de la chaîne, de l’utilisateur final au réseau de distribution électrique, permettra le contrôle des flux et de la consommation en “live” de l’électricité. Pour mieux gérer les charges, c’est-à-dire la puissance maximale que le système électrique peut supporter, afin que l’allumage simultané de différents appareils électroménagers n’entraîne plus de coupure de courant.

Le chauffage allumé pour notre arrivée, nos volets commandés en fonction de la luminosité et de la météo… l’efficacité énergétique est l’un des leviers puissants de la transition énergétique au même titre que l’électrification, nos maisons et nos appartements vont devenir un véritable « écosystème énergétique » grâce aux objets connectés : nos équipements seront capables de s’adapter aux conditions météorologiques, à nos agendas, aux fluctuations des prix adressés par les fournisseurs d’électricité en fonction des coûts de leur approvisionnement. La perspective de modérer la facture énergétique des ménages qui tend à s’envoler, tout en assurant leurs besoins de confort.

Ce qui est vrai pour les ménages et les infrastructures résidentielles l’est tout autant pour les usines et les sites industriels. Les ouvriers et les techniciens travaillent déjà avec un nombre croissant d’équipements automatisés et gérés à distance (moteurs, fours, lignes de montage…), qui informent le réseau de leur consommation énergétique actuelle et à venir. Avec, là encore, la possibilité de pouvoir bénéficier des prix de marché les plus bas possibles.

C’est la raison pour laquelle des constructeurs innovent en permanence pour développer des systèmes de monitoring de la chaîne électrotechnique incluant les transformateurs électriques, les câbles et les accessoires de raccordement tels que les jonctions. Le but de la digitalisation des réseaux électriques est de suivre l’activité et la charge de l’ensemble de ces éléments, prévenir des dysfonctionnements et optimiser leur usage. Une mesure anticipée de décharges partielles qui permet également d’augmenter la durée de vie des installations. Il y a donc deux grands objectifs au monitoring des infrastructures électriques : mesurer et optimiser la consommation électrique et augmenter la fiabilité des réseaux et leur durée de vie.

Pourra-t-on enfin stocker l’électricité pour ne plus la gâcher ?

Il faut savoir qu’on ne pourra pas éviter les moments pendant lesquels la production est supérieure à la demande. La consommation d’électricité reste structurellement plus élevée le jour que la nuit, la semaine que le week-end, en hiver qu’en été, saison de forte production photovoltaïque, tandis qu’un anticyclone est synonyme d’une vague de froid et de manque de vent pour les éoliennes.

Dans ces conditions, la transition à grande échelle vers les énergies responsables est intrinsèquement liée aux technologies de stockage qui doivent devenir une solution efficace pour faire face à la variabilité de la production issue des technologies renouvelables, lorsque le soleil disparaît ou que le vent ne souffle plus assez fort. On ne parle pas seulement des batteries, comme celles de nos véhicules électriques, mais également des stations de transfert d’énergie par pompage (STEP). Sachant qu’il y a une très grande complémentarité entre les trois principaux types d’énergies renouvelables liées à l’eau, au soleil et au vent.

Sébastien Arbola, Directeur général adjoint en charge des activités Flex Gen & Retail d’Engie, estime que « pour tout mégawatt d’énergie renouvelable installé, il faudra y adosser 10 à 15 % de capacités équivalentes sous la forme de stockage.”

Un marché en forte croissance qui appelle de nouvelles solutions, comme celles proposées par Nexans qui contribue à la conception des réseaux de transmission et de distribution pour la collecte à la source des énergies renouvelables et à l’intégration des sites de stockage à grande échelle ou plus largement répartie sur un territoire.

Vous l’aurez compris, l’électricité 4.0 est donc bien plus qu’une simple évolution technologique. A l’heure où les niveaux d’alerte de la planète s’affolent, la gestion de notre électricité est l’un des atouts indispensables pour favoriser une transition vers des énergies plus propres. Des centrales électriques fonctionnant aux énergies renouvelables, des réseaux de distribution plus efficaces, de nouvelles solutions de stockage d’énergie, auxquels il faut également ajouter l’interconnexion entre les réseaux des pays voisins, sont autant de moyens au service de la réduction de notre empreinte carbone.

C’est aussi l’assurance de reprendre le contrôle de nos sources d’approvisionnement d’énergie. Une question vitale à l’heure de l’exacerbation des tensions géopolitiques pour limiter la dépendance énergétique, mieux contrôler la fluctuation des prix et assurer la sécurité des réseaux.

Les énergies renouvelables sont le point de mire de la sortie des énergies fossiles et de la réduction des émissions massives de CO2 qui leur sont associées ; elles sont à ce titre une composante essentielle de notre avenir énergétique. Tandis qu’une course contre la montre est engagée dans la lutte contre le changement climatique, la décarbonation de l’électricité s’impose comme une démarche prioritaire.

La transition à grande échelle vers les énergies renouvelables est intrinsèquement liée aux technologies de stockage de l’énergie, véritable clé de voûte des énergies propres et socle incontournable de la décarbonation des réseaux. Les énergies renouvelables — essentiellement éolienne et photovoltaïque — étant intermittentes par nature, leur intégration exige la mise en œuvre de systèmes de stockage d’énergie afin d’ajuster en permanence l’offre et la demande d’électricité. Le stockage revêt donc une importance critique pour la résilience et la fiabilité des réseaux.

Selon les dernières prévisions de l’institut de recherche BloombergNEF, l’ensemble des installations de stockage d’énergie dans le monde devrait atteindre une capacité cumulée de 411 gigawatts (GW) à l’horizon 2030, soit quinze fois plus qu’en 2021.

Parmi les nombreux facteurs qui favorisent la montée en puissance du stockage d’énergie, on peut également citer les politiques publiques qui visent à maîtriser les prix de l’énergie, à satisfaire les pics de demande ou encore à assurer une souveraineté énergétique. À titre d’exemple, la loi sur la réduction de l’inflation (Inflation Reduction Act, ou IRA) promulguée en 2022 marque le plus grand effort d’investissement jamais engagé par les États-Unis dans la lutte contre le changement climatique.

Relever le défi d’une adoption massive des technologies de stockage à l’échelle des réseaux

Le secteur est aujourd’hui entravé par la faible diffusion de technologies de stockage adaptées à l’échelle des réseaux. La solution la plus viable demeure le pompage-turbinage, dans lequel de l’eau est d’abord pompée vers un réservoir situé en altitude, puis relâchée en temps utile pour produire de l’électricité. Mais cette technologie est malheureusement limitée à des localisations très spécifiques, et les gestionnaires de réseau doivent habituellement recourir à des énergies fossiles pour répondre aux pics de demande.

Les progrès réalisés ces dernières années par les technologies de stockage sont cependant prometteurs, et permettent d’envisager une gestion des fluctuations de demande d’énergie qui ne fasse plus appel aux énergies fossiles. En offrant aux gestionnaires de réseau la possibilité de stocker les excédents d’énergies renouvelables, elles facilitent l’ajustement en temps réel de l’offre et de la demande et atténuent les effets de pointe.

Cinq technologies de stockage de renouvelables pour une fourniture d’électricité fiable

Tandis que les réseaux électriques intègrent une part croissante d’énergies renouvelables variables, les systèmes de stockage doivent également assurer une fourniture d’électricité d’une grande fiabilité. Ces technologies sont fréquemment caractérisées selon leur capacité de stockage, leur réactivité, leur échelle de déploiement et leurs contraintes d’exploitation.

Le stockage par batteries : une sécurité améliorée et des coûts maîtrisés

Le stockage par batteries s’est imposé pour les applications solaires et éoliennes grâce à sa souplesse d’installation et à son faible coût. Depuis quelques années, les traditionnelles batteries lithium-ion sont supplantées par des technologies nouvelles, toujours plus sûres et économiques : les batteries au zinc, par exemple, présentent une alternative robuste et se distinguent par une plus grande capacité de stockage stationnaire, une inflammabilité moindre, et une meilleure puissance spécifique.

 Le stockage thermique : une solution viable pour les bâtiments à usage commercial

La nouvelle génération de technologies de stockage thermique offre une solution parfaitement adaptée aux bâtiments commerciaux. Trois procédés distincts permettent de conserver la chaleur ou le froid pour une utilisation ultérieure : le stockage par chaleur sensible, par chaleur latente ou thermochimique. Les bâtiments équipés de ces systèmes fonctionnent de fait comme des batteries thermiques, accumulant une énergie renouvelable dans des cuves ou des réservoirs avant de la restituer au moment voulu.

Le stockage électromagnétique : une restitution efficace et instantanée de l’énergie

Le procédé de stockage électromagnétique (Superconducting Magnetic Energy Storage ou SMES) conserve l’énergie au sein d’un champ magnétique. Par sa capacité à restituer l’énergie emmagasinée de manière instantanée, il est particulièrement adapté pour équiper les réseaux qui nécessitent un temps de réaction rapide, et de surcroît les pertes d’énergie du dispositif sont négligeables. Plusieurs prototypes sont actuellement en service, essentiellement dans le cadre de programmes de recherche, mais l’application à grande échelle de ce principe de stockage suscite un grand intérêt et pourrait constituer une solution peu coûteuse.

Quel avenir pour le stockage de l’énergie ?

L’arrivée à maturité des besoins s’accompagne d’évolutions rapides dans le développement de nouveaux matériaux, et dans la production de batteries de stockage destinées aux surplus de production d’énergies renouvelables. De nos jours, l’électronique de puissance réalise une conversion efficace de l’énergie stockée en électricité dans des dispositifs à empreinte carbone faible, voire nulle.

Nexans contribue de plusieurs manières à la transition énergétique, dont le stockage de l’électricité est un élément clé, à commencer par la fourniture de réseaux de transmission et de distribution pour la collecte à la source des énergies renouvelables. Il est crucial de récupérer l’électricité là où elle est produite (par exemple, dans les parcs éoliens offshore) à un coût maîtrisé. L’intégration des sites de stockage repose sur la même capacité de connexion, qu’elle soit à grande échelle ou plus largement répartie sur un territoire.

Pour que les réseaux intelligents puissent intégrer pleinement les énergies renouvelables variables, ils devront se doter d’outils toujours plus performants de suivi de la consommation en temps réel, ainsi que de systèmes automatisés d’ajustement de l’offre et de la demande. Face aux besoins grandissant en termes de flexibilité, Nexans a développé de nouveaux services.

Pour les applications de mobilité électrique, fortement dépendantes des performances techniques et économiques du stockage d’électricité, Nexans fournit des connexions et des protections de câbles adaptées, ainsi que pour les bornes de recharge des véhicules électriques, à l’aide de fonctionnalités de sécurité spécifiques pour assurer un stockage d’énergie en toute sécurité.

Nexans a également acquis une expertise et un leadership mondial en matière de sécurité électrique et incendie, qui peuvent être étendus aux nouvelles applications en termes de stockage, comme les batteries de véhicules.

Le Groupe innove depuis de nombreuses années dans les systèmes industriels cryogéniques et supraconducteurs, notamment avec le développement d’un système de transfert cryogénique de gaz naturel et d’hydrogène liquides. L’hydrogène liquide étant appelé à jouer un rôle clé dans le stockage, Nexans continuera à innover avec des technologies de rupture pour concevoir le réseau électrique de demain.

La transition vers des énergies propres et une électricité décarbonée est intimement liée aux avancées technologiques en matière de stockage. En débouchant à l’avenir sur des applications à grande échelle, celles-ci libéreront tout le potentiel des réseaux intelligents.

Diversifier et renforcer la chaîne d’approvisionnement des nouveaux équipements en vue d’un déploiement massif constitue un enjeu majeur, notamment au regard de l’accès aux matières premières dans un contexte géopolitique tendu. Innover en recyclant les matériaux utilisés dans les produits en fin de vie est déjà un levier clé, pour lequel Nexans s’est particulièrement bien préparé et positionné.

De nos jours, fortement engagés dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES), les gouvernements du monde entier font pression sur le secteur de la construction et du bâtiment pour qu’il réduise ses émissions carbonées et sa consommation de matières premières.

Et pour cause. Les bâtiments commerciaux et résidentiels sont responsables de presque 40 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) et consomment 30 % de l’énergie finale au niveau mondial. La décarbonation du secteur du bâtiment et de la construction est critique pour atteindre l’objectif « zéro émissions nettes » en 2050. Cela nécessite des changements fondamentaux dans la manière de concevoir, construire et exploiter les bâtiments partout dans le monde. Cette évolution demande au secteur de favoriser des matériaux de construction et des pratiques plus compatibles avec l’environnement, d’adopter des stratégies plus efficaces sur le plan des matériaux et de réduire l’utilisation des matières premières.

Des matériaux de construction innovants

Le passage aux matériaux de construction bas carbone innovants est essentiel pour réduire l’impact environnemental du secteur du bâtiment et de la construction. Non seulement le béton est le matériau de construction le plus utilisé, mais il est responsable de 8 % des émissions mondiales de GES.

Une alternative viable au béton traditionnel est la brique bas carbone fabriquée à partir de matériaux recyclés, ou la brique traditionnelle en argile cuite dans un processus bas carbone, utilisant du biogaz provenant des déchets, de la méthanisation de biomasse ou de l’énergie solaire ou éolienne.

Saint-Gobain, par exemple, qui fabrique des matériaux de construction, ouvre la voie des produits bas carbone plus durables. Cette année, cette société d’envergure mondiale a annoncé la production de plaques de plâtre zéro carbone dans son usine modernisée de Fredrikstad, en Norvège. La décarbonation du processus de fabrication a été rendue possible par le passage du gaz naturel à l’hydroélectricité, ce qui évite l’émission annuelle de 23 000 tonnes de CO2. En outre, la société est la première du secteur à produire du verre plat zéro carbone, grâce à l’utilisation exclusive de verre recyclé (calcin) et d’énergie verte issue du biogaz et d’électricité décarbonée.

Les matériaux éco compatibles tels que le chanvre et le lin sont des alternatives viables pour réduire l’impact environnemental du secteur. Cavac Biomatériaux, spécialisée dans l’utilisation industrielle des fibres végétales, fabrique des isolants à partir du chanvre et du lin.

Des stratégies plus efficaces sur le plan des matériaux

Le Rapport sur la situation mondiale 2022 des bâtiments et de la construction prévoit un doublement de la consommation mondiale de matières premières d’ici 2060. D’après ses auteurs, la mise en œuvre de stratégies plus efficaces sur le plan des matériaux comporte un potentiel énorme de réduction des émissions de GES pour le secteur du bâtiment.

De plus, dans les pays du G7, les stratégies d’efficacité matérielle y compris le recyclage des matériaux pourraient réduire les émissions de plus de 80 % d’ici 2050 dans le cycle des matériaux utilisés dans les bâtiments résidentiels. La Fondation Ellen MacArthur estime qu’au niveau mondial, l’économie circulaire réduirait de 38 % d’ici 2050 les émissions de CO2 liées aux matériaux de construction.

Le passeport numérique des produits (DPP) est une initiative cruciale du plan d’action pour une économie circulaire de l’Union Européenne. Cette initiative vise à faire des produits durables la norme dans l’UE en facilitant la transparence tout au long de la chaine de valeur et en favorisant les modèles d’économie circulaire. L’adoption d’un modèle d’économie circulaire dans le secteur du bâtiment et de la construction est cruciale pour atteindre d’importants objectifs de durabilité.

Réduire l’utilisation de matières premières

On estime que les matériaux et les produits de construction consomment 50 % de tous les matériaux extraits de l’écorce terrestre, et que les activités de démolition représentent 50 % de tous les déchets générés. Pour réduire l’empreinte environnementale de ses câbles, Nexans utilise une part croissante de matériaux à faible impact dans toute la chaîne de valeur.

Il est prévu que la disponibilité de matières premières importantes continuera à baisser dans les années à venir. Cela concerne par exemple le cuivre, un composant essentiel des câbles et des fils électriques par sa grande conductivité et sa robustesse. L’extraction du cuivre ne pouvant plus répondre à la demande mondiale, 40 % de la production de cuivre s’appuie sur le cuivre recyclé.

Depuis plus de 35 ans, Nexans recycle les rebuts de cuivre et d’aluminium dans le cadre de sa politique de développement durable, pour réduire l’utilisation de matières premières et promouvoir un modèle d’économie circulaire. En 2008, Nexans et SUEZ ont lancé RECYCÂBLES, le leader du recyclage des câbles et des métaux non ferreux en France. Cette coentreprise traite chaque année 36 000 tonnes de câbles, générant 18 000 tonnes de grenaille de métal et 13 000 tonnes de plastique. La combinaison de plusieurs technologies de pointe permet de produire de la grenaille de cuivre pure à 99,9 %.

Aujourd’hui, Nexans utilise jusqu’à 15 % de cuivre recyclé dans sa fabrication de câbles et vise à utiliser de l’aluminium recyclé en 2024. L’emploi de cuivre, d’aluminium et de plastiques recyclés permet aux clients de Nexans de disposer d’un produit durable sans compromis sur la qualité.

Des matériaux de construction compatibles avec l’environnement

Comme il est prévu que la surface de planchers dans le monde double d’ici 2060, il est vital de mettre en œuvre des matériaux de construction et des pratiques efficaces sur le plan énergétique et compatibles avec l’environnement.

Nexans travaille à améliorer l’impact de ses produits en se procurant des composants qui répondent aux orientations de réduction de la consommation d’énergie, établies par les directives de responsabilité sociale des entreprises (RSE) de l’entreprise.

De plus, la R&D de Nexans pour le développement de ses produits vise à protéger l’environnement et la santé humaine en gérant les substances chimiques utilisées dans les processus de fabrication, et en garantissant que tous les nouveaux projets tiennent compte de l’empreinte environnementale du produit final. Par exemple, à partir de 2025, une grande partie des câbles fabriqués dans l’usine Nexans d’Autun, en France, sera exempte d’halogènes afin de réduire les émissions de gaz toxiques en cas d’incendie.

Pour atteindre l’efficacité énergétique et la neutralité carbone des bâtiments, il est nécessaire d’étudier la manière dont les matériaux de construction sont conçus, fabriqués et utilisés. Cela signifie qu’il faut examiner la chaîne de valeur et changer notre manière de créer, utiliser et réutiliser tous les matériaux – du produit lui-même à son emballage et à son transport – afin de réduire l’impact environnemental global du secteur.

Alors que la demande mondiale d’électricité devrait augmenter de 20 % d’ici à 2030 et que la pression pour passer aux énergies renouvelables se fait de plus en plus forte, la « guerre des courants » est à nouveau d’actualité.

Cette référence renvoie aux années 1880, quand Westinghouse et Edison confrontaient leurs visions respectives de la distribution d’électricité. Mais à l’époque, l’infrastructure de transmission du courant continu (CC) était aussi coûteuse qu’inefficace. C’est donc l’approche de Nikola Tesla, utilisant le courant alternatif (CA), qui a finalement remporté cette bataille, et notre infrastructure électrique est encore aujourd’hui dominée par la technologie du courant alternatif. Mais le vent du changement s’est levé.

Aujourd’hui, plus de 70 % des appareils dans le bâtiment ont besoin de courant continu pour fonctionner. Selon EMerge Alliance, la conversion du courant alternatif en courant continu entraîne un gaspillage d’énergie qui peut s’élever jusqu’à 20 %. Réduire le besoin de conversion peut avoir des implications majeures, en termes d’économies d’énergie et d’impact sur l’environnement. Il est devenu essentiel de réduire, voire d’éliminer, ce besoin de conversion dans les bâtiments.

L’International Energy Agency indique qu’en 2021, le fonctionnement des bâtiments représentait 30 % de la consommation mondiale d’énergie finale et 27 % des émissions totales du secteur de l’énergie. Les gouvernements exercent de plus en plus de pression sur le secteur du bâtiment, avec des directives ambitieuses en matière de performance énergétique, afin de réduire l’empreinte carbone des bâtiments. Des directives telles que « le bâtiment à énergie zéro » (en anglais « Zero-Energy Buildings ») en Europe et aux Etats Unis, œuvrent pour des bâtiments nécessitant peu d’énergie, issue de sources renouvelables, produites sur place ou à proximité.

De telles directives, ainsi que l’intérêt croissant pour l’autoconsommation, le stockage sur batteries et les appareils alimentés en courant continu (éclairage LED, systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, véhicules électriques et tous les équipements à base de composants électroniques), incitent le secteur du bâtiment à passer à la distribution d’électricité en courant continu.

Vers des systèmes de câbles Courant Continu fiables pour les micro-réseaux CC

S’agissant de la distribution d’énergie électrique, on observe une évolution progressive vers le courant continu en raison de l’intérêt croissant pour les micro-réseaux à basse tension (BT) et à moyenne tension (MT). Cette évolution reflète des changements fondamentaux à l’œuvre, dans la manière dont l’électricité est générée, stockée et consommée. Nous sommes aujourd’hui convaincus que les réseaux à courant alternatif et à courant continu coexisteront dans une large mesure.

Cependant, une connaissance experte du comportement du système d’isolation est essentielle pour garantir la fiabilité des câbles BT et des accessoires dans les bâtiments.

En effet, le comportement des systèmes de câbles LVAC est bien connu, mais pas celui des systèmes LVDC.

L’un des axes de travail du centre de R&D de Nexans – AmpaCity, consiste à optimiser le design des câbles. Cette optimisation est réalisée grâce à la compréhension du comportement électrique des systèmes d’isolation sous contrainte, mais aussi des effets sur la rupture, le vieillissement et la corrosion des câbles à courant continu. Nous sommes également engagés à étudier des polymères plus efficaces pour l’isolation des câbles à courant continu, avec un impact environnemental plus faible que les solutions utilisées pour le courant alternatif.

La transformation des bâtiments en plein essor

Comme indiqué précédemment, la production d’électricité se rapproche de la demande. Les installations solaires photovoltaïques sur les toits deviennent de plus en plus courantes. Selon la stratégie de l’UE en matière d’énergie solaire, l’UE rendra obligatoire l’installation de panneaux solaires sur les toits des nouveaux bâtiments publics et commerciaux d’une superficie utile supérieure à 250 m2 d’ici à 2026 et de tous les nouveaux bâtiments résidentiels d’ici 2029. Or, ces panneaux solaires photovoltaïques sont, par défaut, en courant continu. Autres mesures qui se généralisent : le stockage sur batteries destinées à l’alimentation sans interruption (ASI) dans les centres de données, pour assurer la continuité de l’approvisionnement, et le déploiement croissant des systèmes de stockage d’énergie sur batteries (SSEB) pour l’équilibrage du réseau.

Par ailleurs, ces dernières années, nous avons assisté à l’essor du secteur des véhicules électriques (VE), avec un besoin accru de stations de recharge à courant continu dans les bâtiments commerciaux, résidentiels et de bureaux. Avec des politiques mondiales qui encourageant ou imposent le passage aux VE, le marché des chargeurs connaît une croissance rapide, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) estimé à 29 % entre 2023 et 2050.

Distribution locale d’électricité en courant continu

Le déploiement du courant continu dans le bâtiment offre des avantages importants en termes de sécurité, de coûts et de fiabilité des appareils.

Du point de vue de la sécurité, le courant alternatif est intrinsèquement plus dangereux. Il est communément admis que le risque d’électrocution du corps humain par le courant continu est plus faible que par le courant alternatif, car l’impédance totale du corps humain diminue à mesure que la fréquence augmente. Et pour les catégories à forte croissance, comme les chargeurs de VE, l’adoption du courant continu apporte plus de sécurité.

Le secteur des centres de données représente environ 4 % de la consommation mondiale d’électricité et devrait continuer à croître. Il est donc essentiel de décarboner ce secteur. Dans les bâtiments à forte consommation d’énergie, tels que les centres de données alimentés en courant continu, il serait possible de réaliser une économie de 4 à 6 % par rapport aux installations classiques en courant alternatif.

Outre la réduction des pertes électriques liées au transport par câble, il y a la réduction des pertes de conversion entre courant alternatif et courant continu.

L’alimentation en courant continu des appareils prévus à cet effet permet d’éliminer les pertes de puissance dues à la conversion et ainsi d’éviter un gaspillage d’énergie estimé entre 5 et 20 %. En outre, le processus de conversion au niveau des appareils eux-mêmes peut raccourcir leur durée de vie. Par exemple, la distribution de courant continu directement à un luminaire à LED (évitant ainsi la conversion de courant alternatif en courant continu) peut considérablement prolonger sa durée de vie. Enfin, la distribution électrique en courant continu au niveau du bâtiment réduit le coût et l’encombrement des adaptateurs et convertisseurs.

Une transition en cours vers des bâtiments alimentés en courant continu

En conclusion, la distribution d’énergie à courant continu dans les bâtiments se profile à l’horizon, mais le changement prendra du temps. Si les micro-réseaux à courant continu devraient se généraliser, il reste un certain nombre de défis à relever, notamment l’adoption par les professionnels du secteur. La plupart, en effet, ont tendance à privilégier l’alimentation en courant alternatif, dont ils ont une plus longue expérience.

En outre, il faut faire évoluer les normes et les codes du bâtiment portant sur les appareils alimentés en courant continu, mais aussi d’analyser plus en détail le gain de rentabilité dans le cadre des rénovations et des nouvelles constructions.

Les câbles, qui sont un élément fondamental de l’infrastructure électrique des bâtiments, sont un acteur essentiel de la transition vers des structures alimentées en courant continu. Les bâtiments de demain seront intelligents, connectés, durables et alimentés en courant continu. Nexans s’engage dans cette transformation en fabriquant des systèmes de câbles spécifiques, compatibles avec ces nouvelles infrastructures. En nous appuyant sur nos partenariats stratégiques et en nous impliquant dans des groupes industriels clés, nous contribuons à la transition vers des bâtiments alimentés en courant continu.

L’électrification sûre et durable est au cœur de notre mission

On dénombre plus de 1,1 million d’incendies chaque année en Europe. Cela signifie qu’un incendie se déclare toutes les 30 secondes. L’impact sur la vie humaine est énorme : les incendies font 4 000 morts et 134 000 blessés par an. L’impact économique est également considérable, les coûts se chiffrant en milliards. Dans sa Revue Mondiale des Sinistres de 2022, Allianz a cité l’incendie comme la plus importante cause identifiée de pertes pour les assureurs d’entreprises, ayant entraîné plus de 18 milliards d’euros de dédommagements sur cinq ans. On estime que 70 % de ces entreprises touchées par un incendie ne redémarrent pas.

Les dernières recherches de la FEEDS (Forum for European Electrical Domestic Safety) montrent que 25 % des incendies sont causés par des défaillances électriques. Celles-ci sont souvent le résultat d’installations électriques obsolètes et surchargées, ou bien dues aux appareillages électriques.

Le vieillissement des infrastructures n’est qu’un aspect du problème. À l’échelle mondiale, la croissance démographique rapide et l’urbanisation accélérée signifient que le nombre d’utilisateurs d’électricité augmente chaque jour. Dans ce contexte, la consommation d’électricité continue de croître, la demande devant augmenter de 20 % d’ici à 2030 et de 40 % d’ici à 2040.

Les nouveaux modes d’utilisation de l’électricité génèrent de nouveaux risques. Des tablettes aux smartphones, nous nous appuyons de plus en plus sur des appareils numériques fonctionnant à l’électricité. Parallèlement, l’essor des véhicules électriques et la généralisation de la production solaire sur les toits alourdissent la charge pesant sur les systèmes de câblage domestiques, augmentant ainsi les risques d’incendie.

Cette électrification accrue a un impact fort : selon une étude de la NFPA (National Fire Protection Association) les équipements de distribution électrique, d’éclairage et de transfert d’énergie sont responsables de la moitié des incendies domestiques impliquant une panne ou un dysfonctionnement électrique. Connaissant l’impact dévastateur du feu, une telle menace exige une réponse adéquate pour protéger les biens et les personnes.

Comment les systèmes électriques contribuent-ils à un monde plus sûr ?

Les câbles constituent l’ossature électrique d’un bâtiment, présents partout et en grande quantité pour transporter de l’énergie et des données. Ils relient les pièces et les étages, traversent les murs sans interruption, et leur nombre ne cesse d’augmenter avec les nouveaux usages énergétiques. Comme les câbles et les fils sont généralement dissimulés dans les murs, les sols et les plafonds, il est facile d’oublier qu’ils sont là. Pourtant, un immeuble de bureaux typique compte plus de 200 kg de câbles par 100 m². Il est donc essentiel de s’assurer que les câbles ne seront pas un vecteur de propagation des flammes à travers le bâtiment.

Ces dernières années, l’accent a été mis sur l’amélioration des performances en matière d’incendie en réponse à de nouvelles réglementations, telles que le règlement européen sur les produits de construction (CPR). Nexans est profondément engagé dans ce processus, travaillant avec ses partenaires, clients, et organismes de standardisation pour promouvoir la sécurité incendie électrique dans les bâtiments, et adopter des normes de sécurité plus élevées, tant au niveau national qu’international.

Lutter contre la propagation des incendies

Les câbles ne représentent pas un danger en tant que tel, mais du fait de leur omniprésence, ils peuvent servir de combustible pour le feu et être un vecteur de propagation des flammes : un incendie qui se déclare dans une installation électrique verticale comprenant des câbles peu performants atteindra le premier étage du bâtiment en moins de trois minutes, et continuera à se propager de plus en plus vite.

Chez Nexans, nous avons pour objectif de révolutionner la sécurité des bâtiments, des infrastructures et des habitations, en utilisant notre expertise technologique pour concevoir des câbles et des fils offrant le plus haut niveau de performance au feu. Notre gamme Nexans Sécurité Incendie souligne ce qui peut être réalisé. Grâce à nos câbles de protection au feu, la production de fumées et de gaz incapacitants, la propagation du feu et le dégagement de chaleur sont minimisés. De plus, la cohésion de la structure du câble est maintenue pendant l’incendie, ce qui réduit ou élimine la production de gouttelettes enflammées, évitant ainsi le démarrage d’incendies secondaires et limitant les risques de blessures pour les pompiers.

Tous ces éléments ont un impact majeur sur la capacité des personnes à évacuer à temps et de façon sécurisée grâce à une visibilité optimum. Parallèlement, nos câbles de protection au feu facilitent le travail des pompiers en libérant de l’eau lorsqu’ils sont exposés aux flammes, ce qui réduit la température du feu et dilue les gaz combustibles.

Chez Nexans, une percée technologique permettant d’améliorer la performance des câbles de protection au feu va bientôt voir le jour. Basée sur la technologie des géopolymères, elle fonctionne en créant une croûte dure et hermétique autour des fils toronnés qui les rend incombustibles. Outre l’amélioration de la résistance au feu, cette innovation présente l’avantage d’améliorer la performance environnementale des câbles en réduisant leur contenu en carbone incorporé, ce qui permet de réduire les émissions de CO2 de 10 à 15 % au niveau de la fabrication.

Réduire les émissions de fumées lors d’un incendie

La fumée et les émissions de gaz toxiques sont les principales causes de décès lors d’un incendie à l’intérieur d’un bâtiment, étant responsables de 80 % des décès liés aux incendies. Les gaz incapacitants contenus dans la fumée attaquent les poumons, ainsi que les yeux et la peau. En outre, la fumée limite fortement la visibilité, rendant la fuite des bâtiments beaucoup plus difficile.

La gamme Nexans Fire Safety est conçue pour transformer la sécurité incendie. Tout d’abord, nos câbles minimisent les émissions de fumée, permettant une visibilité dix fois plus élevée qu’avec les modèles traditionnels en cas d’incendie, soit cinq fois plus que le seuil recommandé. De plus, ils réduisent les émissions de gaz incapacitants et corrosifs, augmentant drastiquement les chances d’évacuation, tout en aidant les pompiers à lutter contre l’incendie.

Les systèmes de sécurité incendie

Les câbles résistants au feu jouent un rôle crucial dans le maintien du fonctionnement continu des systèmes électriques de protection contre l’incendie et de sécurité des personnes – même lorsqu’un bâtiment est en feu. Les durées minimales de maintien de l’alimentation électrique en cas d’incendie sont définies dans les réglementations nationales. Les câbles doivent être capables de fonctionner de manière fiable même dans des conditions extrêmes, avec des températures allant jusqu’à 1 000°C, et ce pendant une durée pouvant aller jusqu’à 2 heures.

Les systèmes de protection contre les incendies et de sécurité des personnes comprennent :

• Les systèmes de détection incendie : détecteurs de fumée, détecteurs de chaleur, déclencheurs manuels
• Systèmes d’alarme incendie : alarmes et panneaux de contrôle
• Les systèmes de protection contre les incendies : active (gicleurs) et passive (comme les murs et les portes coupe-feu)
• Les systèmes de contrôle de fumée (systèmes de pressurisation et d’extraction)
• Les systèmes d’évacuation des bâtiments (y compris la signalisation des sorties).

Les composants des systèmes de sécurité doivent être connectés au réseau électrique. Les câbles résistants au feu sont souvent utilisés pour fournir de l’énergie, ou pour établir des connexions entre les équipements de secours et les panneaux de commande. Lorsque c’est le cas, ils fonctionnent comme des éléments “actifs” puisqu’ils doivent maintenir la continuité électrique ou transmettre un signal pendant une durée adéquate.
Trois technologies principales sont utilisées pour produire des câbles résistants au feu.

Les conceptions de première génération étaient basées sur des conducteurs en cuivre enveloppés de rubans de mica et de polyoléfine réticulée. Dans ce cas, la technologie de base est le mica, et les performances du câble sont liées à sa qualité, sa nature, ses fournisseurs et son enrobage.

Les câbles de deuxième génération étaient basés sur des conducteurs isolés avec du caoutchouc de silicone. Ce matériau a la propriété de former un écran céramique lorsqu’il est brûlé. Cela maintient une résistance électrique élevée et c’est la solution la plus courante pour les applications de construction.

Pour la dernière génération de câbles résistants au feu, nous avons développé des câbles basés sur la technologie brevetée INFIT™ qui combine les avantages des isolations en mica et en caoutchouc de silicone, mais sans leurs inconvénients. Les performances au feu des câbles INFIT™ sont similaires aux technologies traditionnelles du marché, mais ces câbles possèdent des propriétés mécaniques avancées, simplifiant grandement l’installation des câbles, apportant des gains de temps et de coûts précieux.

Avec les câbles INFIT™, il est possible de connecter tous les dispositifs d’un système de détection d’incendie, y compris les détecteurs de fumée, afin de garantir la détection des incendies et le déclenchement des alarmes. Tout cela garantit une évacuation rapide et contribue à une lutte efficace contre les incendies.

Nous nous concentrons sur vos besoins

Chez Nexans, notre mission est de fournir des produits et solutions innovants qui répondent aux besoins de sécurité de nos clients câbliers. Nous donnons à nos clients les capacités de planifier, bâtir et gérer leurs projets avec le plus haut degré de protection. La gamme Nexans Sécurité Incendie permet d’Anticiper les risques d’incendies, Sécuriser les biens et Protéger les personnes. Nous soutenons cette mission par des informations et des conseils complets pour vous aider à prendre des décisions éclairées en matière de sécurité incendie – afin que nous puissions électrifier l’avenir en toute confiance.

Comme d’autres secteurs, l’industrie automobile doit évoluer pour relever les futurs défis économiques et écologiques. Aujourd’hui, les véhicules thermiques sont responsables de près de 10% des émissions de CO2 dans le monde. Dans les pays développés comme la France, ce chiffre atteint 15%. L’électrification de ces véhicules est donc un enjeu clé de la transition vers une économie à faible émission de carbone.

D’après le “World Energy Outlook 2022” publié par l’Agence internationale de l’énergie, l’augmentation de la demande mondiale d’électricité d’ici à 2030 équivaut à l’addition de la consommation actuelle d’électricité des États-Unis et de l’Union européenne ! Une telle augmentation de l’électricité est de l’ordre de +5 900 à +7 000 TWh selon les scénarios.

Les principaux contributeurs à une telle augmentation sont :

• le transport électrique dans les économies avancées,
• la croissance démographique et la demande de refroidissement dans les marchés émergents et les économies en développement.

La mobilité électrique est un enjeu important et un facteur majeur de la demande supplémentaire d’électricité. Cependant, cet objectif ne doit pas seulement se concentrer sur le développement et l’évolution des véhicules par les constructeurs mais aussi prendre en compte les infrastructures.

Il est important de mettre l’accent sur les besoins en infrastructures de recharge et en technologies innovantes dédiées aux véhicules électriques (VE), qui doivent permettre aux utilisateurs de ce type de véhicule de se déplacer partout, à tout moment, en toute sérénité et d’assurer le bon fonctionnement du système électrique.

Véhicules électriques : un changement majeur imposé par la transition énergétique

Les pouvoirs publics de plusieurs pays multiplient les initiatives pour favoriser cette évolution des solutions de mobilité. Parmi les actions en vigueur ou à l’étude, un nombre croissant de pays se sont engagés à supprimer progressivement les moteurs à combustion interne ou ont des objectifs ambitieux d’électrification des véhicules pour les prochaines décennies. En Europe, l’objectif fixé est de stopper les ventes de nouveaux véhicules à moteur thermique d’ici 2035.

Le scénario des engagements annoncés (APS) de l’AIE, qui repose sur les engagements et les annonces politiques existants en matière de climat, suppose que les VE représentent plus de 30 % des véhicules vendus dans le monde en 2030, tous modes confondus (à l’exclusion des véhicules à deux ou trois roues). Bien qu’impressionnant, ce chiffre est encore bien loin des 60 % nécessaires d’ici 2030 pour s’aligner sur une trajectoire qui permettrait d’atteindre des émissions nettes de CO2 nulles d’ici 2050.

A l’horizon 2025, on estime que le marché du véhicule électrique en France représentera 12 milliards d’euros, dont 8 à 11 milliards d’euros de ventes de véhicules électriques, 150 à 250 millions d’euros pour les bornes de recharge et 300 à 600 millions d’euros pour la vente d’électricité nécessaire à la recharge.

Le déploiement rapide des stations de recharge des véhicules électriques, condition clé du développement des véhicules électriques

Cette transition vers les véhicules électriques nécessite trois conditions principales pour atteindre l’ambition visée :

• Le développement de véhicules nouveaux et attractifs, avec pour enjeux : la capacité des batteries face à la densité énergétique d’un litre de pétrole, la disponibilité des ressources minérales pour renouveler entièrement le parc automobile mondial (en raison de la rareté des métaux rares), l’enjeu de l’empreinte environnementale d’un véhicule électrique (au-delà de la seule question de la rareté des métaux).
• La disponibilité de l’énergie où et quand les véhicules seront rechargés. Bien que l’impact d’un véhicule électrique sur le réseau électrique soit très limité au niveau domestique, les 22 millions de véhicules électriques et hybrides attendus en 2025 en Europe augmenteront considérablement la demande globale d’électricité (de 4 860 en 2020 à 47 000 GWh en 2025), ce qui nécessitera à la fois un renforcement du réseau, davantage d’énergie et, en outre, une gestion plus intelligente de la charge pour équilibrer l’utilisation et la disponibilité de l’énergie.
• Enfin, le déploiement d’un réseau dense de stations de recharge (EVCS) pour apporter une solution au consommateur en mobilité.

Fondamentalement, le réseau EVCS sera efficace s’il est déployé comme un écosystème global répondant aux besoins des consommateurs dans quatre applications principales :

• La charge “à domicile” (90% des charges de VE se font aujourd’hui à domicile, individuel ou collectif) ;
• La charge “au travail” (bâtiments tertiaires ou institutionnels, usines,…) ;
• La charge “en ville” (magasins, restaurants, parkings publics,…) ;
• La charge “en voyage” (autoroutes).

Chacune de ces applications obéit à ses propres contraintes en matière de coût économique de déploiement, de temps de chargement prévu, de concurrence avec les autres véhicules, de facturation de l’énergie à l’utilisateur… Quel que soit le type de solution de charge à proposer (en courant alternatif pour la majorité des besoins ou en courant continu pour la charge rapide), elle imposera des contraintes importantes sur le réseau électrique qu’il faudra anticiper.

Cet écosystème vaste et complexe à déployer en une décennie nécessitera des investissements importants mais aussi une forte innovation pour une évolutivité maximale des installations et une gestion intelligente de l’énergie.

Les partenariats et l’innovation sont essentiels

Pour illustrer ce défi de l’innovation, nous pouvons citer par exemple 2 projets impliquant les équipes R&D de Nexans en partenariat avec Enedis ces dernières années :

• Projet “BIENVENU” : Comment proposer une infrastructure de recharge évolutive et économique dans des bâtiments d’habitat collectif conçus bien avant l’essor du véhicule électrique (seulement 2% équipés en 2022 en France, pour ~45% de la population vivant en habitat collectif) ?
• Projet “SMAC” : Comment créer les conditions technologiques permettant le Vehicule-to-Grid (V2G) pour injecter l’énergie stockée dans les batteries des VE dans le réseau lors des pics de consommation d’énergie ou pour compenser la production intermittente d’énergie à partir de sources renouvelables ?

Nexans propose également, avec son partenaire e-Novates, une gamme complète de bornes de recharge en courant alternatif de 7 à 22 kW conçues pour s’adapter à diverses applications intérieures/extérieures pour des clients professionnels ou publics.

Cette gamme de produits sera entièrement renouvelée en 2023 avec de nouveaux modèles rapides à installer et compatibles avec la nouvelle norme ISO 15 118. En parallèle sera présentée la nouvelle version de la solution de câblage évolutive Nexans “NEOBUS”, conçue en partenariat avec MICHAUD, dédiée aux parkings souterrains intégrant un risque spécifique de sécurité incendie.

Nexans est donc un acteur clé de cette évolution du marché du véhicule électrique. Les nouvelles solutions proposées faciliteront grandement la vie quotidienne des utilisateurs, tant dans le secteur privé que sur la voie publique, et amélioreront l’attractivité de ces nouveaux véhicules.

Il est clair que les éléments de différenciation sont les facteurs clés de l’innovation :

• Pour les véhicules, le design global, la fiabilité dans le temps et l’autonomie liée à la puissance et à l’efficacité des batteries, sont des facteurs de différenciation ;
• Pour les équipements d’infrastructure de recharge, nous pensons que les principaux critères de différenciation ne sont pas liés au matériel mais à la couche numérique qui permet le suivi des bornes de recharge, interfacée avec les moyens de paiement, et les applications qui améliorent l’expérience client. Le deuxième axe de différenciation est la facilité et la rapidité d’installation des bornes et leur raccordement au réseau électrique.

Limiter l’impact sur l’environnement

Le déploiement des véhicules électriques et leur part croissante dans la mobilité auront un impact significatif sur la réduction du réchauffement climatique, à condition bien sûr que de l’électricité décarbonée soit produite et utilisée. Cependant, il est également important de considérer l’impact des véhicules électriques sur les ressources, notamment le cuivre. En 2020, la production est de 21 Mt pour une consommation quasi équivalente. La demande va s’accélérer du fait de l’électrification et notamment de la mobilité électrique.

Concrètement, un véhicule thermique traditionnel nécessite 20 kg de cuivre, un véhicule hybride deux fois plus (40 kg), et un véhicule électrique 80 kg de cuivre en moyenne, soit 4 fois plus qu’un véhicule classique (cette quantité peut atteindre 200 kg pour certains modèles comme Tesla).

À cette augmentation conséquente de métal dédié aux véhicules électriques, on peut ajouter le cuivre nécessaire à l’infrastructure de recharge, aux équipements de recharge en courant alternatif et continu, mais aussi au système de connexion au réseau électrique. Selon une estimation prudente, 3Mt de métal seront nécessaires pour cette transition.

Pour limiter l’impact de la transition électrique sur les ressources en cuivre, il est nécessaire d’accompagner le changement par une filière de recyclage du cuivre et la mise en place d’un écosystème d’économie circulaire.