Systèmes de puissance à l’état solide : définition, architecture et taxonomie
Un système de puissance à l’état solide (solid-state power system) convertit l’énergie en puissance électrique et la délivre à une charge, l’étage de conversion directe fonctionnant sans étage de production électromécanique rotatif conventionnel. Le terme décrit la façon dont la chaîne de conversion est construite, non la provenance de l’énergie, et n’est pas synonyme de batterie à l’état solide (solid-state battery). L’une des sous-classes est électrodynamique ; le développement de VENDOR.Energy se concentre sur cette sous-classe.
Ce qu’est un système de puissance à l’état solide
La propriété qui définit la classe est l’architecture de l’étage de conversion — la conversion d’énergie à l’état solide (solid-state energy conversion) — et non la provenance de l’énergie convertie.
Un système de puissance à l’état solide convertit l’énergie en puissance électrique au moyen de matériaux, de structures ou de dispositifs électroniques statiques. Aucun convertisseur électromécanique rotatif conventionnel n’intervient à cet étage.
La conversion d’énergie à l’état solide est solidement établie dans la littérature scientifique, où elle couvre les convertisseurs photovoltaïques, thermoélectriques, thermophotovoltaïques et électrochimiques à oxyde solide. La superclasse plus large, celle du système de puissance à l’état solide, ne fait l’objet d’aucune norme industrielle formelle. Cette page emploie cette superclasse comme cadre taxonomique pour des architectures dont l’étage de conversion est construit de la même façon, et la propose expressément à ce titre.
Deux conséquences en découlent. Deux systèmes peuvent obtenir l’énergie de manières entièrement différentes et appartenir néanmoins à la même classe, dès lors qu’ils partagent la même architecture d’étage de conversion. Inversement, une source d’énergie commune ne place pas à elle seule deux systèmes dans la même classe.
La conversion d’énergie à l’état solide n’est pas le stockage d’énergie à l’état solide
La production d’électricité à l’état solide (solid-state power generation) est l’une des fonctions de la conversion d’énergie à l’état solide. Le stockage d’énergie à l’état solide (solid-state energy storage) est une fonction d’une autre nature. Dans l’environnement de recherche actuel, les deux sont confondus presque automatiquement ; c’est pourquoi cette distinction fait l’objet d’une section spécifique.
| Terme | Ce qu’il désigne |
|---|---|
| Solid-state energy conversion | La conversion directe de l’énergie en puissance électrique par des matériaux, des structures ou des dispositifs électroniques statiques |
| Solid-state power system | Un système qui convertit l’énergie en puissance électrique et la délivre à une charge, et dans lequel la conversion directe en puissance électrique est réalisée par des matériaux, des structures ou des dispositifs électroniques statiques, sans convertisseur électromécanique rotatif conventionnel |
| Solid-state power generation | La fonction de production de puissance électrique au sein d’un système de puissance à l’état solide |
| Solid-state power conversion | Le conditionnement, par l’électronique de puissance, d’une puissance électrique déjà disponible |
| Solid-state energy storage | Une classe de technologies de stockage dans lesquelles les éléments fonctionnels de stockage essentiels sont réalisés en matériaux en phase solide |
| Solid-state battery | Un accumulateur électrochimique rechargeable qui utilise un électrolyte solide au lieu d’un électrolyte liquide ou gélifié |
| Solid-state transformer | Un convertisseur d’électronique de puissance assurant la transformation et le contrôle du flux de puissance ; ni source d’énergie ni dispositif de stockage d’énergie |
| Solid-state relay | Un élément de commutation d’électronique de puissance ; ni source d’énergie ni dispositif de stockage d’énergie |
Un système de stockage d’énergie répond à la question de savoir comment l’énergie est reçue, conservée dans le temps, puis restituée au système. Un système de puissance, dans cette taxonomie, répond à la question de savoir comment s’effectuent la conversion et la délivrance de la puissance. Ce sont des fonctions différentes, et les ranger dans une même classe est une erreur terminologique, non un raccourci.
À quelles conditions un système de puissance est à l’état solide
Une architecture appartient à la classe lorsque les cinq conditions sont réunies.
- La conversion directe en puissance électrique est réalisée par des matériaux, des structures ou des dispositifs électroniques statiques, sans convertisseur électromécanique rotatif conventionnel.
- Le système présente une interface électrique de sortie vers une charge utilisateur.
- La fonction dominante de la chaîne est la conversion et la délivrance de puissance, et non le stockage d’énergie électrique reçue auparavant.
- Un élément tampon ou de stockage est admis ; sa présence ne range pas un système dans la classe et ne l’en exclut pas davantage.
- La classe ne détermine pas la source d’énergie ; la source n’est pas un critère de classification.
La troisième condition est la condition décisive. Sans elle, la définition absorbe immédiatement les systèmes de stockage, qui satisfont formellement à tous les autres points, et la distinction établie dans la section précédente ne tient plus.
Un système est classé d’après la fonction dominante de sa chaîne, non d’après l’inventaire des éléments qu’il contient.
Une précision distincte au sujet de la combustion. L’absence de cycle de combustion caractérise la plupart des architectures de la classe, mais ne constitue pas une propriété définitoire : une sous-classe thermique convertit un flux de chaleur indépendamment de la manière dont cette chaleur a été produite. La propriété appartient à des architectures particulières, non à la classe.
Le système de puissance à l’état solide est une classe, non un mécanisme physique unique
La classe comprend plusieurs sous-classes. Ce qu’elles ont en commun est l’architecture de l’étage de conversion, non un effet physique commun.
| Sous-classe | Mécanisme de conversion | Application caractéristique |
|---|---|---|
| Photovoltaïque | Effet photovoltaïque | Production décentralisée |
| Thermoélectrique | Effet Seebeck | Récupération de chaleur fatale, capteurs autonomes |
| Thermophotovoltaïque | Conversion photovoltaïque du rayonnement thermique | Conversion de chaleur à haute température |
| Pile à combustible à oxyde solide | Conversion électrochimique | Production stationnaire |
| Électrodynamique | Conversion électrodynamique | Alimentation d’infrastructure |
La liste est ouverte. Une sous-classe nouvelle ne modifie pas la définition de la classe, car celle-ci est fixée par l’architecture de l’étage de conversion et non par une liste prédéfinie d’effets physiques.
La sous-classe électrodynamique
La sous-classe électrodynamique couvre les architectures dont l’étage de conversion repose sur une interaction électrodynamique, et non sur un effet photovoltaïque, thermoélectrique ou électrochimique. Le terme est employé ici comme étiquette taxonomique, non comme description de la constitution interne d’un système particulier.
Le développement de VENDOR.Energy se concentre sur la sous-classe électrodynamique des systèmes de puissance à l’état solide.
Les informations propres au système figurent sur les pages qui en ont la charge :
- Système VENDOR
- Classification canonique du système, dénomination au niveau produit et état actuel
- Comment cela fonctionne
- Parcours fonctionnel de la chaîne de conversion et interfaces produit
- D’où vient l’énergie
- Attribution de l’énergie et liste de ce que la source n’est pas
- Validation technologique
- Protocole de vérification, frontière du dispositif et critères d’acceptation
Ce qui distingue la classe des architectures voisines
| Architecture | Fonction dominante | Étage de production rotatif | Mode de conversion électrique |
|---|---|---|---|
| Batterie, BESS | Stockage puis restitution | Aucun | Stockage électrochimique avec électronique de puissance |
| Groupe électrogène diesel | Production | Présent | Conversion mécanique en électrique |
| Installation photovoltaïque | Conversion et délivrance de puissance | Aucun | Photovoltaïque |
| Système électrodynamique à l’état solide | Conversion et délivrance de puissance | Aucun | Électrodynamique |
Les comparaisons détaillées sont traitées ailleurs : comparatifs, dont face au diesel et face au solaire plus batterie.
Où les systèmes de conversion à l’état solide sont employés
Le domaine d’application est fixé par la sous-classe physique, non par la classe dans son ensemble. Les architectures photovoltaïques, thermoélectriques, thermophotovoltaïques, électrochimiques et électrodynamiques traitent des problèmes différents et fonctionnent à des échelles différentes, du capteur autonome isolé aux installations à l’échelle du réseau.
Pour l’alimentation d’infrastructure, les sites pertinents sont ceux où comptent conjointement l’implantation distribuée, l’absence d’étage de production rotatif conventionnel et une sortie électrique directe vers un système d’alimentation local.
- Infrastructure de télécommunications
- Sites edge et calcul distribué
- Infrastructures de services publics et de l’eau
- Actifs industriels en sites isolés
- Infrastructure locale à courant continu
Les scénarios sectoriels sont développés dans la section Solutions. Le cadre économique figure sur la page Modèle économique.
Produits VENDOR.Energy
La couche produit est traitée séparément de la taxonomie.
Classification actuelle et état du système — Système VENDOR.
L’adéquation entre l’architecture et un site donné est évaluée au moyen d’un questionnaire structuré.
