Des convertisseurs industriels pour un réseau électrique de haute qualité

Le projet CleanGrid, financé dans le cadre du plan national de relance et de résilience par l'Union européenne et le Service public de Wallonie, vise à développer une nouvelle génération de convertisseurs de puissance pour l'électrolyse, essentielle à la production d'hydrogène propre.

En introduction, Thomas Seldrum, Directeur Technique et R&D chez JEMA, a souligné l'omniprésence de l'hydrogène dans l'industrie (pour la désulfurisation des fiouls lourds, pour la production du méthanol dans l’industrie chimique, pour la production d'ammoniaque dans l’industrie agroalimentaire, et pour la fabrication d'acier dans la sidérurgie). Il a fait remarquer que plus de 90% de la production mondiale d'hydrogène utilise actuellement des procédés polluants comme le reformage de CH4, la gazéification du charbon ou l'oxydation partielle, qui dégagent tous du CO₂. En 2020, 2% des émissions globales mondiales de CO₂ étaient liées à cette production d'hydrogène, avec un ratio écologique défavorable de 10 kg de CO₂ pour 1 kg d'hydrogène.
 
Face à cela, l'hydrogène vert, basé notamment sur l'électrolyse, ne représente qu'une part infime de la production mondiale (1 à 4%). Les freins à cette transition sont multiples, incluant le coût de l'énergie renouvelable, la complexité de maîtrise des processus électrochimiques internes, le coût élevé des convertisseurs, et l'impact sur la qualité du réseau électrique. Cependant, la prise de conscience des limites planétaires, le Green Deal européen visant la neutralité carbone en 2050, et l'importance croissante de la responsabilité sociétale d'entreprise poussent en faveur de l'électrolyse.

Poursuivant l'exposé, Olivier Antoine, Cluster Manager - Electrical Expertise chez Laborelec-Engie, a précisé qu'un électrolyseur nécessite une alimentation en courant continu (DC), impliquant un processus de conversion à partir du courant alternatif (AC) du réseau. Le convertisseur lui-même représente 10 à 20% du coût total du système d'électrolyse. Il a évoqué le contexte normatif et fait le focus sur la contrainte des codes réseaux, en particulier le Demand Connection Code (DCC) européen, qui est en révision pour encadrer l'intégration de nouvelles charges lourdes comme les électrolyseurs et les centres de données. Ces codes définissent des exigences strictes de tolérance à la fréquence et à la tension, des dynamiques attendues en cas de défaut, et exigent des modèles de simulation avancés des convertisseurs. Il a ensuite détaillé la problématique de la "Power Quality". Si le réseau électrique est idéalement une onde sinusoïdale parfaite, la connexion de charges non linéaires introduit des perturbations, comme les harmoniques, mesurées par des indicateurs tels que le THD (taux de distorsion harmonique). Un THD élevé peut entraîner le déclenchement d'équipements voisins, augmenter les pertes énergétiques et réduire la durée de vie des actifs. L'observation d'un électrolyseur plus ancien chez Laborelec a montré une nette dégradation de la qualité de l'onde lorsqu'il est en fonctionnement, validant la nécessité d'une nouvelle technologie pour éviter l'ajout coûteux de filtres externes.

Thomas Seldrum a ensuite exposé les limites des technologies actuelles. Les thyristors (années 60/70) offrent un rendement élevé mais génèrent un THD très important et un facteur de puissance faible (autour de 0,8). L'alternative, les IGBT (années 80), permettent d'atteindre un facteur de puissance très élevé (proche de 1) et un THD très faible, reproduisant presque parfaitement la sinusoïde. Cependant, les IGBT sont coûteux et plus fragiles, rendant une solution "full IGBT" économiquement irréalisable pour l'électrolyse. Les solutions existantes combinent des thyristors avec des filtres, ce qui améliore le THD mais nuit au rendement et augmente le CAPEX. 
Le projet Clean Grid propose un convertisseur hybride intelligent pour offrir les avantages des deux technologies : compensation active des harmoniques, rendement élevé et facteur de puissance proche de 1, tout en conservant un THD très faible, de l'ordre du pourcent. Ce projet de 1,9 million d'euros, mené par JEMA, Laborelec, l'ULiège et l'UCLouvain, vise un CAPEX modéré et de meilleures performances que les technologies actuelles.

Bastien Ewbank, Doctorant à la Faculté des Sciences Appliquées, Smart-Microgrids de l’ULiège, a ensuite détaillé la topologie du convertisseur, conçue pour alimenter un électrolyseur de l'ordre de 5 MW, connecté à un réseau moyenne tension (30 kV). L'architecture hybride utilise la technologie thyristor, à faible coût, pour faire passer la majeure partie de la puissance active, tandis que des IGBT, plus petits, sont utilisés uniquement pour générer une forme d'onde compensatrice qui neutralise la distorsion créée par les thyristors, assurant ainsi un courant sinusoïdal propre tiré du réseau. Un aspect novateur est la connexion du bus DC des IGBT à celui des thyristors et l'utilisation d'un contrôleur unique, permettant une optimisation globale des performances. 

Avant de construire le prototype, l'ULiège a réalisé des simulations Hardware-In-the-Loop (HIL). Le HIL permet de connecter le véritable contrôleur de JEMA (le hardware) à une émulation logicielle en temps réel du système électrique et de l'électrolyseur. Cette méthode offre une grande précision, permet de tester des scénarios complexes liés aux codes réseaux sans avoir besoin d'équipements coûteux et, surtout, réduit fortement le risque de dommages en anticipant les erreurs de contrôle (un risque très faible, travaillant à faible tension). Les simulations HIL ont prouvé que le concept fonctionnait, réduisant le THDI initial de 12% (thyristor seul) à 3%. Une analyse plus fine a permis d'optimiser le contrôle, notamment en ajustant les paramètres de délai, atteignant un THDI inférieur à 2,5%. Il a également été découvert qu'à faible charge de l'électrolyseur, il est plus bénéfique d'augmenter la puissance passant par les IGBT (en diminuant le paramètre kthyr) pour maintenir la qualité du signal.

Enfin, les résultats expérimentaux du prototype ont été présentés. La topologie est particulièrement adaptée aux électrolyseurs dont la plage de tension varie de 100 à 150 V entre le début et la fin de vie. Un premier prototype de 50 kW a permis de valider la tension cible. Les mesures réelles ont confirmé que, là où les thyristors seuls généraient 15% de THDI, l'activation des IGBT a permis de ramener le THD à 2-3% et d'aligner parfaitement le facteur de puissance à 1. Un second prototype de 30 kW, capable de gérer des courants plus élevés (700 A), est en cours de validation chez JEMA et sera intégré prochainement à l'électrolyseur de Laborelec pour un test sur charge réelle. 

Thomas Seldrum a conclu en insistant sur l'atout majeur de CleanGrid : la division des coûts. Typiquement, seulement 20% de la puissance est traitée par les IGBT, réduisant massivement le CAPEX par rapport à une solution full IGBT. Cette technologie, offrant les avantages du full IGBT (THD très faible, PF élevé), est transférable à de nombreuses autres applications électriques, comme les chargeurs de véhicules ou les ports. L'utilisation de l'outil HIL a par ailleurs prouvé son utilité pour accélérer significativement le temps de développement expérimental.

Ce compte-rendu a été rédigé avec l’aide de l’IA.