Les ingénieurs électriciens sont confrontés à des défis croissants liés à la durabilité, à l'efficacité énergétique et à l'intégration de technologies intelligentes, nécessitant des calculs complexes pour développer des solutions innovantes. Des études de cas illustrent comment des systèmes de stockage d'énergie solaire, des véhicules hybrides rechargeables et des systèmes embarqués doivent être optimisés pour faire face à une demande accrue en énergie propre et durable. L'évolution des logiciels de conception et de calcul est cruciale pour garantir l'exactitude des résultats et réduire les risques associés à ces défis techniques.

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Dans le génie électrique, comme dans toute autre discipline majeure,
les ingénieurs sont confrontés à des problèmes de calcul inédits.
Aujourd’hui, plus que jamais, l’accent est porté sur
les problèmes suivants :
• Durabilité : disposer de sources d’énergie propres
et fiables capables de satisfaire aux exigences
géopolitiques
• Efficacité : répondre à la hausse et à la fluctuation
de la demande en électricité
• Technologie intelligente : répondre à la demande
des clients pour davantage d’efficacité, de contrôle
et de personnalisation
Pour relever ces défis complexes et actuels, les
ingénieurs électriciens ont besoin de systèmes plus
efficaces et plus intelligents, adaptés à des exigences
plus élevées en matière d’énergie propre, mais aussi
d’un outil capable de réaliser les calculs complexes
nécessaires à ces systèmes. Il n’a jamais été aussi
nécessaire, ni aussi difficile, de fournir des solutions
énergétiques durables, efficaces et intelligentes.
Les ingénieurs électriciens subissent une pression
sans précédent pour résoudre des problèmes parmi
les plus épineux. Dans un monde qui se transforme
rapidement, les clients demandent un meilleur
accès à des sources d’énergie renouvelables, et la
technologie offre des solutions avant même que le
client ne constate le problème.
Lors de l’étude de calculs d’ingénierie permettant
de résoudre ces problèmes, il apparaît souvent qu’ils
sont complexes et difficiles à gérer. Il ne suffit plus
d’effectuer les calculs et d’enregistrer la propriété
intellectuelle de l’entreprise dans des feuilles de
calcul ou des carnets d’ingénierie.
Repousser les limites des mathématiques :
études de cas concernant les défis actuels
de l’ingénierie électrique
« Il n’a jamais été aussi
nécessaire, ni aussi
difficile, de fournir des
solutions énergétiques
durables, efficaces
et intelligentes. Les
ingénieurs électriciens
subissent une pression
sans précédent pour
résoudre des problèmes
parmi les plus épineux. »
Heureusement, la technologie mathématique a évolué
et offre aux ingénieurs des solutions extrêmement
efficaces, à condition d’être bien utilisées. Un logiciel
de conception et de calcul donne aux ingénieurs
électriciens les outils indispensables pour résoudre
les problèmes les plus complexes et les plus urgents,
et pour innover davantage.

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Ce document passe en revue des projets de génie
électrique au cours desquels des calculs techniques
complexes ont été utilisés pour relever ces nouveaux
défis. Dans le cas présent, nous nous intéressons
à des ingénieurs qui :
• Maximisent l’efficacité de l’énergie solaire
• Améliorent l’efficacité du réseau de distribution
d’électricité pour répondre à la demande des
véhicules électriques et à d’autres moyens
de transport
• Conçoivent des systèmes électriques embarqués
économiques, plus intelligents et plus puissants
Andasol 1–3 : étude de cas de stockage
de l’énergie solaire
Sous la pression des facteurs économiques et
politiques, les électriciens doivent faire des sources
d’énergie renouvelables une alternative viable aux
énergies fossiles. L’énergie propre, telle que l’énergie
solaire ou éolienne, contribue à réduire la pollution
de l’air, à préserver les habitats naturels, à limiter le
recours au nucléaire et à augmenter l’indépendance
énergétique des États.
S’il est facile de générer de l’électricité à partir du
soleil, grâce aux panneaux photovoltaïques et solaires
thermiques, les électriciens éprouvent des difficultés
à trouver le moyen de stocker l’énergie pour la nuit
ou en condition d’ennuagement.
L’utilisation de sels fondus permet désormais d’avoir
des centrales solaires produisant de l’énergie sans
interruption. La température de fusion élevée du sel,
et le fait qu’il ne se transforme en vapeur qu’à une
température encore beaucoup plus haute, signifient
que la chaleur peut être stockée dans le sel fondu.
Mis en service en 2008 près de Grenade en Espagne,
Andasol 1 était la première centrale commerciale
à utiliser la technologie solaire thermique de
miroir cylindro-parabolique. Le site Andasol a été
développé par Solar Millennium AG, une société
allemande du secteur solaire. Selon Sven Moormann,
porte-parole de Solar Millennium, « les heures de
production représentent quasiment le double des
heures de production d’une centrale thermosolaire
sans stockage ».
Actuellement, trois sites Andasol sont en
activité, chacun avec une puissance brute de
50 mégawatts et une production annuelle d’environ
180 gigawattheures. Chaque collecteur a une surface
de 51 hectares et occupe un terrain d’environ
200 hectares.
Le système de stockage thermique d’Andasol absorbe
une partie de la chaleur produite en journée par
la centrale solaire et la stocke dans un mélange de
nitrate de sodium (60 %) et de nitrate de potassium
(40 %). Un réservoir thermique plein contient
1 010 MWh de chaleur, soit une quantité suffisante
pour faire tourner une turbine durant 7,5 heures
à plein régime en l’absence de soleil direct.
Les coûts induits par l’installation du système
de stockage sont contrebalancés par les heures
supplémentaires de production d’énergie. L’électricité
des sites Andasol a un coût équivalent à celui de toute
Sous la pression des facteurs économiques et politiques, les
électriciens doivent faire des sources d’énergie renouvelables
une alternative viable aux énergies fossiles.

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autre centrale thermosolaire : environ 13 cents le
kilowattheure. Néanmoins, cela reste presque deux
fois plus cher que l’électricité produite par une centrale
au charbon, qui est la solution la moins chère mais avec
un impact négatif sur l’environnement.
Les ingénieurs s’appliquent à améliorer l’efficacité
des systèmes de stockage à base de sel. Certaines
des méthodes les plus prometteuses consistent à
utiliser des sels mélangés fondant à une température
moins élevée et à concentrer la lumière du soleil dans
une seule tour afin d’augmenter la température des
sels. La technologie de stockage d’énergie solaire,
grâce à l’utilisation de sels fondus et de conversion
de l’énergie stockée en électricité utilisable, repose
sur des calculs critiques relatifs au transfert de
chaleur, à l’analyse thermique et à la conversion des
sels fondus en vapeur surchauffée. Les mélanges
de sels fondus peuvent varier, mais ils comprennent
généralement du nitrate de sodium et du nitrate de
potassium, et éventuellement du nitrate de calcium.
La composition du mélange optimal requiert de
nombreux calculs tenant compte des propriétés
physiques de chaque sel et des rapports des
différents sels du mélange. Un logiciel de calcul est
souvent utilisé à ce niveau d’optimisation technique
car il facilite considérablement les processus de
calcul et d’analyse.
« Un logiciel de conception
et de calcul donne aux
ingénieurs électriciens les
outils indispensables pour
résoudre les problèmes
les plus complexes et
les plus urgents, et pour
innover davantage. »
Évaluation de l’impact des véhicules hybrides
rechargeables : étude de cas sur l’offre et la
demande énergétique
Tandis que certains ingénieurs cherchent à produire
de l’électricité à partir de nouvelles sources, d’autres
étudient l’impact d’une hausse de la demande en
électricité. Par exemple, les chercheurs du Pacific
Northwest National Laboratory étudient l’impact
potentiel des véhicules hybrides rechargeables
sur les centrales aux États-Unis.
Les estimations des flux de charge, les probabilités
de dépassement, les mesures de capacité moyenne
et d’autres calculs ont aidé les ingénieurs à répondre
à deux questions avec une analyse détaillée du réseau
de distribution :
• Quelles sont les conséquences de l’arrivée probable
des véhicules hybrides rechargeables sur les coûts
de la production d’électricité au niveau régional ?
• Quelles sont les conséquences sur la concentration
en CO2 au niveau régional pour un ensemble choisi
de stratégies de charge ?
Selon les estimations réalisées pour ce secteur, 80 % de
l’innovation automobile du segment haut de gamme vient
de l’électronique.

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Selon l’hypothèse choisie par les chercheurs,
37 millions de véhicules hybrides rechargeables
seront sur les routes en 2030, et chaque véhicule
aura besoin d’énergie pour rouler 53 km par jour.
Pour estimer la quantité d’énergie nécessaire à
ce scénario et la possibilité de mettre au point un
système d’alimentation capable d’accepter la charge
supplémentaire, les ingénieurs doivent construire
des modèles mathématiques afin d’évaluer l’impact
sur les composants du système de transmission.
Outre les calculs essentiels relatifs à la charge
(charge de base et pic de charge) et à la capacité
globale du système de transmission, il faut tenir
compte de la stabilité du système. Des composants
comme des condensateurs ou des transformateurs
de déphasage sont parfois intégrés de manière à
améliorer la stabilité sur les lignes de transmission
longues. La modélisation de la stabilité d’un système
de transmission de puissance requiert de nombreux
calculs complexes. Tout d’abord, la stabilité peut
être estimée en calculant la chute de tension sur
une ligne, en évaluant la chauffe des conducteurs
et en déterminant l’impact de l’ajout de composants
(tels que les condensateurs et les transformateurs)
à la conception.
Dans le cas de l’étude sur les véhicules hybrides
rechargeables, la demande totale en électricité était
relativement modeste. Par contre, l’impact financier
variait beaucoup selon les régions. Les régions
qui connaissent déjà des difficultés de distribution,
comme la Californie et le nord-est, sont très sensibles
au coût. Dans le Midwest (une région exportatrice
d’électricité), l’impact sur le coût est plus faible.
Dans toutes les régions, l’impact financier est
deux fois plus important pour la charge de jour
que la charge de nuit.
Conséquence de l’utilisation des véhicules hybrides
rechargeables, la concentration de CO2 devrait
également varier selon les régions. Dans les États
qui utilisent principalement le charbon, la charge
induite par les véhicules hybrides rechargeables
va probablement réduire l’intensité des émissions
de CO2, pour toutes les stratégies de charge
étudiées. Dans les États plus dépendants des sources
hydrauliques et renouvelables, les émissions de
CO2 peuvent augmenter si la production marginale
nécessaire à la flotte de véhicules hybrides
rechargeables repose sur le charbon et le gaz naturel.
S’appuyant sur des calculs de charge du système
d’alimentation électrique et des modèles de
transmission et de distribution associés, l’étude
conclut que la demande énergétique supplémentaire
nécessaire en 2030 aux 37 millions de véhicules
hybrides rechargeables n’aura pas d’impact
significatif sur le réseau de distribution d’électricité.
En outre, elle indique dans ses conclusions que la
charge des véhicules électriques est plus propre la
nuit dans le nord-est, l’ouest et en Floride, tandis que
la charge de jour est plus propre dans le Midwest.
Information-divertissement dans l’industrie
automobile : étude de cas des systèmes
embarqués
Qu’elle roule à l’électricité ou au diesel ou qu’elle
soit hybride, une voiture comporte une quantité de
systèmes électroniques embarqués ou gérés par
smartphone. Selon les estimations réalisées pour
ce secteur, 80 % de l’innovation automobile du
segment haut de gamme vient de l’électronique.
Beaucoup d’avancées observées dans l’industrie
automobile (en matière de sécurité, de contrôle des
émissions, de confort et de qualité) n’auraient pas été
possibles sans l’utilisation de systèmes de contrôle
avancé informatisés.
Les électriciens sont constamment obligés de
faire plus avec des systèmes électroniques plus
compacts et plus rapides. L’intégration de ces
systèmes dans des processus de conception qui sont
toujours gérés par des personnes formées au génie
mécanique, ainsi que l’évolution des demandes des
clients et des exigences réglementaires, viennent
encore compliquer la situation. Les spécialistes du
secteur s’accordent à dire qu’une conception réussie
nécessite la modernisation et la standardisation
des architectures des systèmes électroniques.
Hans Georg Frischkorn, directeur des activités
automobiles du fournisseur de services électroniques
ESG, pense que la standardisation contribuera à faire
entrer les fonctions en réseau dans une nouvelle ère.
« Ce sera très intéressant d’assister à l’interconnexion
de la voiture intelligente, du réseau intelligent et de la
maison intelligente », dit-il tout en insistant sur le fait
qu’une voiture connectée impliquera une complexité
accrue des systèmes électroniques.
Clarion, la filiale américaine du groupe d’électronique
japonais Hitachi, teste les services en réseau avec
un service d’information-divertissement basé sur
l’informatique en nuage (cloud), « Smart Access »,
avec l’objectif de l’intégrer à sa gamme de produits
classiques placés à bord des voitures. Le service
Smart Access permet la connectivité avec les
smartphones et l’accès à une grande diversité
d’applications concernant notamment la maintenance
de la voiture, la gestion de la sécurité et les appels
d’urgence. Des responsables en télématique

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affirment que les voitures seront connectées
à Internet via des systèmes embarqués et des
systèmes basés sur des smartphones. Pour relever
les défis qui découlent de cette situation, Volkswagen
par exemple vient de mettre sur pied un centre
informatique à l’échelle de l’entreprise pour attirer et
retenir les meilleurs électroniciens et informaticiens.
L’objectif est de disposer de spécialistes capables
de gérer les différents composants des systèmes
embarqués requis pour l’information-divertissement.
Cela inclut la supervision des logiciels embarqués
et des systèmes électroniques. Tandis que les
ingénieurs en logiciel doivent identifier et corriger
les problèmes logiciels, les électriciens doivent
assurer le dépannage et résoudre les problèmes
liés à l’électronique. Pour ce faire, une analyse
complète des circuits et de leurs dispositifs sous-
jacents est nécessaire. Un contrôle efficace des
systèmes embarqués dans le cadre de l’information-
divertissement requiert un logiciel de calcul technique
capable d’établir le tracé des réponses d’intensité et
de phase, des formes d’onde actuelles via différents
composants, de la transmission des signaux, de la
perte et de la dégradation, et d’analyser les circuits
et d’autres éléments électroniques.
Conclusion
La capacité avec laquelle les ingénieurs électriciens
relèvent aujourd’hui les défis majeurs liés à la
conception aura un impact immense sur les
sociétés pour les générations futures.
L’amélioration des technologies d’énergie alternative,
la recherche de moyens permettant une utilisation plus
efficace de l’énergie, et l’extension des fonctionnalités
des dispositifs informatiques nécessiteront beaucoup
de travail et d’ingéniosité.
Les ingénieurs continueront à se fier aux progrès
technologiques pour relever les défis actuels et futurs.
La puissance informatique et un logiciel de conception
amélioré vont accroître l’efficacité, et un logiciel
de calcul sophistiqué va garantir l’exactitude des
résultats et réduire les risques.
Sources
Biello, David (2009). How to Use Solar Energy at Night, Scientific American,
18 février 2009. Repris en avril 2012 sur : http://www.scientificamerican.com/
article.cfm?id=how-to-use-solar-energy-at-night
Bongard, Arjen (2012). In Embedded Systems, Standardization Seen as Key, Automotive IT
International, 27 janvier 2012. Repris en mai 2012 sur : http://www.automotiveit.com/
in-embedded-systems-standardization-seen-as-key/news/id-004886
Clarion to Offer Telematics Service, Automotive IT International, 9 mai 2012. Repris en
mai 2012 sur : http://www.automotiveit.com/clarion-to-offer-telematics-service/
news/id-005774
Kintner-Meyer, Michael, et al (2010) Impact Assessment of Plug-in Hybrid Vehicles on the
U.S. Power Grid, EVS-25 Shenzhen, Chine, 5–9 novembre 2010.
Telematics Update: Analyst Says Traffic Is Key Telematics Application, Automotive IT
International, 18 avril 2012. Repris en mai 2012 sur : http://www.automotiveit.com/
telematics-update-analyst-says-traffic-is-key-telematics-application/news/
id-005548
Telematics Update: Room Seen for Embedded and Smartphone-based Connectivity,
Automotive IT International, 18 avril 2012. Repris en mai 2012 sur :
http://www.automotiveit.com/telematics-update-room-seen-for-embedded-and-
smartphone-based-connectivity/news/id-005552
Wallin, Peter et Axelsson, Jakob. A Case Study of Issues Related to Automotive E/E System
Architecture Development.
Des calculs sophistiqués sont essentiels pour
surmonter les défis en matière de génie électrique
Les avancées du logiciel de calcul technique garantissent
l’exactitude du calcul et limitent les risques.
Calculs
Défi Requis
• Taille du contrôleur de la
charge solaire
• Efficacité du parc de batteries
en raison de températures
basses
• Rayonnement solaire
Maximiser
l’efficacité
de l’énergie
solaire
Améliorer
l’efficacité
du réseau de
distribution
d’énergie
Répondre à
la demande
des véhicules
électriques
Concevoir
des systèmes
embarqués
plus puissants
et plus
économiques
• Flux de puissance optimal
• Capacité totale de transfert
• Efficacité énergétique via
enthalpie de formation
• Facteur de charge/
Capacité moyenne
• Calcul des flux de charge
• Probabilité de surcharge
du réseau
• Chute de tension
• Analyse de circuit RLC
• Superposition linéaire
• Théorie de la piézorésistance
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