Repousser les limites des mathématiques : études de cas concernant les défis actuels de l’ingénierie électrique
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Repousser les limites des mathématiques : études de cas concernant les défis actuels de l’ingénierie électrique Repousser les limites des mathématiques : études de cas concernant les défis actuels de l’ingénierie électrique Document Transcript

  • PTC.comPage 1/5 | Études de cas concernant les défis actuels de l'ingénierie électrique Livre blanc 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.
  • PTC.com Livre blanc Page 2/5 | Études de cas concernant les défis actuels de l'ingénierie électrique 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.
  • PTC.com Livre blanc Page 3/5 | Études de cas concernant les défis actuels de l'ingénierie électrique 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.
  • PTC.com Livre blanc Page 4/5 | Études de cas concernant les défis actuels de l'ingénierie électrique 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
  • PTC.com Livre blanc Page 5/5 | Études de cas concernant les défis actuels de l'ingénierie électrique 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 © 2012, PTC. Tous droits réservés. Les informations contenues dans le présent document sont fournies à titre d’information uniquement et peuvent être soumises à modification sans préavis. 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