Innovation

L’effet Joule est un phénomène physique exprimant la relation entre la chaleur générée et le courant circulant dans un conducteur. L’équation est la suivante : pour un courant I (Ampères), traversant un conducteur de résistance R (ohm), pendant t secondes : H = I2 R t (en Joules)

Quelques équipements terminaux tels que les appareils de chauffage bénéficient de l’effet Joule. Mais la plupart du temps, cet effet se traduit par des pertes indésirables dans le circuit, en particulier dans les câbles de distribution.

Dans de tels cas, nous essayons de réduire les pertes en réduisant la résistance :

• Matériaux à faible résistivité tels que l’aluminium ou le cuivre
•  Section supérieure
•  Longueur inférieure

La conception d’une installation pour éviter les coupures de courant se fait via des normes (NFC 15-100) avec chute de tension maximale, en fonction de l’utilisation et de la configuration. Exemple : chute de tension maximale de 5% pour les bornes de puissance telles que les moteurs, dans un réseau public, ou 6% pour les éclairages, dans un réseau privé. La chute de tension est évaluée avec des outils très courants tels que CANECO.

Pourquoi est-ce important ?

Tous les câbles électriques ont une résistance électrique. Lorsque le courant passe à travers un câble, une petite quantité d’énergie est perdue entre une extrémité du câble et l’autre, sous forme de chaleur.

Etant donné que le modèle d’utilisation de nos clients n’est qu’hypothétique lors de la phase de conception, nous finissons par concevoir un scenario d’utilisation maximale. Et il n’y a pas de bonnes pratiques qui s’appliquent habituellement pour réduire l’effet joule.

Ordre de magnitude

Dans l’une de nos installations de bureau (installation classique basse tension), les pertes sont dans le transformateur et dans les câbles. Les pertes sont réparties presque également dans le transformateur et dans les câbles.

Les pertes dans les différents câbles installées sont les suivantes :

♦ Dans les câbles d’alimentation des équipements terminaux :

Comme le montre le tableau ci-dessus, les pertes par effet joule sont variables car elles dépendent de nombreux facteurs. En moyenne, elles sont plus élevées dans les câbles monophasés que dans les câbles triphasés.

♦ Dans les câbles d’alimentation des armoires électriques:

Comme le montre le tableau ci-dessus, les câbles d’alimentation des armoires électriques ont un diamètre plus grand que les câbles d’alimentation des équipements terminaux. Ceci permet de minimiser la chute de tension (et donc les pertes) dans les câbles aux armoires permettant ainsi une marge suffisante pour le dimensionnement de câbles aux équipements terminaux.

Atteindre zéro perte n’est pas possible mais réduire encore davantage ces pertes devrait être notre objectif. Pour les équipements consommant de grandes quantités d’énergie comme les groupes froid et les bornes de recharge véhicules électriques, nous devons faire attention au dimensionnement des câbles car nos clients ne sont pas conscients des pertes inévitables déjà intégrées dans notre installation.

Comment réduire ces pertes dans nos installations électriques ?

Pour vous donner un exemple, considérons le schéma des bornes de recharge des véhicules électriques. Il s’agit d’un seul départ de câble de l’âme Alu 4×70 avec longueur de 100ml entre le tableau général basse tension et le tableau divisionnaire véhicule électrique, puis de 10 segments de câbles 3G25 de 20 ml chacun. Pour le facteur d’utilisation (sur 24 heures) = 30%, le facteur de simultanéité (charge simultanée) = 85% et le facteur d’usage (% de la puissance maximale consommée) = 100%, les pertes sont calculées sur 10 ans. Le borne considéré est le boîtier mural Schneider 7,4 kW EV Link.

Scénario 1 : Augmenter le diamètre pour réduire la résistance du câble.

Comme vu ci-dessus, ceci peut résulter dans la réduction des pertes en réduisant le courant traversant dans les câbles, mais les pertes peuvent être marginales pour justifier l’augmentation du coût de l’installation des câbles de section supérieure. Etant donné le fait que le coût de câbles n’augmente pas forcément entre les diamètres (par exemple, le prix de revient de câble 4×70 est 14.91€/ml alors que celui de 4×95 est 17.79€/ml – une différence de moins de 300€ pour 100ml de ce câble), le prix actuel des câbles doit être pris en compte avant de prendre une décision.

Également, à considérer est l’ajout des matériaux (notamment aluminium) qui entraîneront des émissions de CO₂ encapsulées autour de 200kg CO₂e.

Scénario 2 : Ne pas utiliser toutes les bornes en même temps tout en augmentant leur taux d’utilisation.

Ceci présente un intérêt non seulement pour réduire les puissances souscrites mais aussi pour réduire les pertes par l’effet joule dans le circuit. Le tableau ci-dessous montre qu’en réduisant la puissance utilisée et en utilisant les bornes plus longtemps, on peut réduire les pertes par l’effet joule dans les câbles connectant le tableau général basse tension et le tableau divisionnaire véhicule électrique.

Pour une énergie donnée, avec un coefficient de simultanéité plus faible, la puissance consommée à tout moment est réduite, réduisant ainsi les pertes dans le câble fournissant la puissance au tableau VE sur une période de 30 ans.

Cela peut être fait par une ou une combinaison des méthodes suivantes :

♦  Par la communication entre les bornes :

Aujourd’hui les terminaux communiquent, via un protocole radio standardisé (sans fil) appelé OCPP qui permet de visualiser l’occupation des terminaux, la charge prise par le terminal. L’utilisation de ce protocole peut nous aider à éviter la surcharge des terminaux à une heure donnée.

♦  Par la gestion dynamique de l’énergie des terminaux :

La gestion dynamique de l’énergie, interfacée avec le bâtiment, se fait via un terminal d’énergie, en particulier celui de Schneider Electric (EVLink LMS) ou Park n’plug.

Ce système de gestion dynamique de l’énergie peut coûter autour de 6000€ pour 20 bornes. Sur une période de 30 ans, la part du bénéfice de la réduction des pertes par l’effet joule peut être 20MWh (d’après le tableau ci-dessus), soit 1500€ en complément de la réduction de la puissance souscrite auprès du fournisseur d’énergie. L’autres avantages comprennent la conformité aux régulations de sécurité incendie au niveau de parking. Et, pour une puissance donnée, cette méthode nous permet d’installer un grand nombre de bornes sans modifier le transformateur ou le tableau générale basse tension. Néanmoins, le service pourrait être ‘dégradé’ pour certains clients.

Conclusion

Les pertes par effet joule sont inévitables. L’effet joule est limité à moins de 2% pour tous les segments dans notre installation. Nous pouvons essayer de réduire encore ces pertes en visant les sections de câble à forte consommation dans nos installations.