Avec le Power Ring, Ikos en passe de révolutionner la conversion électrique

Récompensé dans la catégorie « Pour une industrie décarbonée, compétitive et résiliente », le projet visait à développer un système innovant de conversion énergétique : le Power Ring. Basé sur une architecture multiports universelle et modulaire, le dispositif conçu par Ikos – grand nom du conseil en ingénierie ferroviaire – permet d’optimiser la gestion de flux électriques multiples. Capable de remplacer jusqu’à neuf convertisseurs conventionnels, ce Power Ring offre, notamment, l’avantage d’une conversion directe, avec, à la clé, de multiples bénéfices, tant en matière de rendement, de résilience des réseaux, que de développement durable. C’est ce que nous expliquent, dans la première partie de l’interview qu’ils nous ont accordée, Vincent Sarrazin, directeur général adjoint d’Ikos, Jeanne-Marie Dalbavie, membre de l’Ikos Lab aujourd’hui responsable du développement des activités Innovation en Espagne, et Patrice Gomez, ingénieur expert, responsable du bureau d’étude Électronique.

Techniques de l’Ingénieur : Avant d’entrer dans le vif du sujet, quelles sont, en quelques mots, vos fonctions respectives ?

Vincent Sarrazin : Je suis directeur général d’Ikos. Le groupe compte aujourd’hui environ 2 000 salariés, répartis dans 33 bureaux et 14 pays. En tant que cabinet de conseil spécialisé dans le secteur ferroviaire, nous accompagnons les donneurs d’ordre (SNCF, RATP…) et les grands industriels (Alstom, Siemens…) dans la conception et le développement de leurs projets. Nous intervenons aussi bien sur le matériel roulant que sur les infrastructures, la signalisation, les voies ferrées ou les caténaires.

Nous avons également développé une seconde activité, IKER, qui constitue l’offre « énergie » d’Ikos. Elle nous permet d’accompagner d’autres grands acteurs du secteur, comme Enedis ou RTE.

Enfin, nous avons créé il y a une quinzaine d’années une entité spécifiquement dédiée à la R&D, Ikos Lab. Nous y menons des travaux à la fois pour le compte de nos clients et sur fonds propres, afin de développer nos propres innovations. C’est notamment dans ce cadre qu’est né le Power Ring, un projet sur lequel nous avons commencé à travailler il y a un peu plus de cinq ans.

Patrice Gomez : Je suis responsable du bureau d’études électroniques d’Ikos, basé à Toulouse. Je gère les réponses aux appels d’offres, les équipes présentes chez nos clients… Et je m’occupe aussi des projets internes, comme le projet Power Ring. J’ai plus de dix ans d’expérience chez Ikos, et trente ans d’expérience générale en électronique. Cela m’amène à réaliser également des travaux d’expertise et d’études particulières. Je travaille aussi en lien avec les écoles et universités, en accompagnant notamment stagiaires et doctorants.

Jeanne-Marie Dalbavie : Je suis entrée à l’Ikos Lab en 2017, deux ans après sa création. J’ai travaillé pendant sept ans au siège de Levallois-Perret. Je suis aujourd’hui responsable du développement des activités « Innovation » en Espagne, à Madrid, depuis trois ans. Ikos Lab est une entité transverse, à dimension internationale… Nous sommes donc de toute façon amenés à travailler avec plusieurs pays ; je continue ainsi à piloter mes projets français.

Les aspects R&D / Innovation constituent la majeure partie des activités du Lab. Notre mission consiste à définir la stratégie d’innovation du groupe, et à la mettre en œuvre au travers de projets concrets, que nous montons, pilotons, puis valorisons.

À mon entrée chez Ikos en 2017, j’étais responsable de notre partenariat avec TransPod dans le cadre du projet Hyperloop. C’est ce qui m’a amenée à travailler avec Patrice, sur la partie électronique de puissance. En 2020/21, nous avons eu notre propre idée, qui préfigurait le Power Ring… Nous avons ainsi lancé une demande de dépôt de brevet, commencé des études préliminaires, avant de lancer un véritable travail de R&D, en 2022.

Je me suis progressivement spécialisée dans les sujets liés à la transition énergétique. Je gère ainsi des projets dans ce domaine, notamment en lien avec la décarbonation ferroviaire, et l’intégration des énergies renouvelables. C’est dans ce cadre que s’inscrit le projet de développement du Power Ring.

Quelles sont, justement, les origines de ce projet ?

JMD : Dans le cadre de notre travail avec TransPod, nous avons développé un nouveau type de convertisseur. J’avais alors défendu l’idée d’un dispositif à la fois modulaire, flexible, et adaptable. Le futur marché de l’Hyperloop était en effet incertain, et nous voulions ainsi maximiser les retombées technologiques possibles de ce dispositif, en l’adaptant éventuellement à d’autres marchés.

À partir de cette structure modulaire complexe, Patrice a eu l’idée d’aller un cran plus loin, en « centralisant  les fonctions, afin de concevoir un dispositif multi-entrées / multi-sorties. Au cœur de ce convertisseur d’un genre nouveau – le futur Power Ring – se trouve un coupleur multi-enroulements…

PG : De par son fonctionnement à grande vitesse, et sous vide d’air, le projet de TransPod impliquait différentes contraintes. Parmi elles, un besoin de haute tension (800 volts) lié à l’alimentation du train par plasma^[1], mais aussi une grosse contrainte sur la masse et le volume. Étant donné la puissance nécessaire, cela impliquait de concevoir un convertisseur capable de fournir un courant de plusieurs milliers d’ampères, tout en offrant un encombrement extrêmement réduit…

Pour y parvenir, nous avons imaginé, avec l’aide de l’École polytechnique de Turin, un premier convertisseur, plutôt complexe, à structure ISOP^[2] : entrée en série, sortie en parallèle. Cela nous a permis d’appliquer en entrée une tension de 6 000 volts, en utilisant des composants pourtant incapables, individuellement, de résister à une telle tension. La sortie 800 volts en parallèle, quant à elle, nous a permis d’obtenir des courants très élevés, là aussi supérieurs à ce que chaque composant semi-conducteur aurait été capable de faire individuellement. Il s’agissait en fait d’un assemblage de plusieurs convertisseurs, travaillant de façon synchrone.

Nous avons ensuite poussé le concept un peu plus loin encore : outre le fait d’avoir plusieurs modules, nous pourrions aussi imaginer avoir plusieurs entrées et sorties. Cela nous a semblé pertinent dans le contexte de transition énergétique que nous connaissons. Ce système dit « MIMO » (multiple-input multiple-output) s’annonçait, en effet, comme une solution très efficace pour intégrer et interconnecter différentes sources d’énergie électrique, ainsi que différentes charges et dispositifs de stockage. Pour y parvenir, nous avons misé sur des convertisseurs universels, réversibles, permettant une circulation de l’énergie dans n’importe quel sens au sein du circuit, mais aussi une utilisation à la fois de courants continus et alternatifs. C’est ainsi que nous sommes parvenus au développement de la structure assez complexe qu’est aujourd’hui le Power Ring.

Quelle palette de fonctions, et de bénéfices, ce convertisseur d’un nouveau genre offre-t-il ?

PG : Comme je l’évoquais, l’intérêt premier de ce système réside dans le fait qu’il soit multi-entrées / multi-sorties. La deuxième avancée permise par ce dispositif est la conversion directe : il permet de se passer d’un bus DC, en allant d’une source vers la charge sans passer par des étapes de conversion intermédiaires. Ceci en ayant en outre la possibilité de réaliser des fonctions complexes, comme la conversion de fréquence.

Le Power Ring est donc capable d’assurer à la fois des fonctions d’élévation et d’abaissement de tension, de conversion continu-alternatif, ou encore de conversion de fréquence.

Grâce à cela, il assure des fonctions « réseau » : absorption d’énergie réactive, équilibrage des phases, synchronisation, changement de fréquence… Tout cela permet d’améliorer le fonctionnement des réseaux électriques, aussi bien en amont qu’en aval. Ce qui n’est pas possible avec de simples transformateurs conventionnels.

Et tout cela avec un potentiel rendement de conversion de plus de 98 %… De quoi ce niveau de performance est-il le fruit ? L’architecture générale du système, des composants en particulier… ?

PG : Les deux ! Nous utilisons, tout d’abord, des transistors SiC, qui offrent l’avantage d’avoir des résistances internes et des pertes très faibles.

Le système permet aussi de travailler à des fréquences élevées – ce qui permet notamment de réduire l’usage de matériaux magnétiques – et de réaliser, comme je le disais, des conversions directes. Ce dernier point permet d’éviter les conversions intermédiaires, et donc de réduire les pertes. Cela simplifie aussi le filtrage, ce qui permet d’accroître fortement la puissance pour une même masse volumique. On peut ainsi imaginer, au sein d’un réseau électrique, remplacer une sous-station par un Power Ring, en doublant, voire en triplant la puissance disponible, sans augmenter l’emprise au sol de l’installation.

Nous envisageons d’ailleurs aussi l’utilisation de composants GaN, qui nous permettraient notamment de réaliser la conversion AC/AC en passant par un seul transistor de ce type, alors qu’il en faut deux pour l’instant.

Outre ces composants bidirectionnels, nous anticipons aussi la commercialisation de composants de tension plus élevée, qui nous permettraient de mettre en œuvre le Power Ring dans le cadre d’une installation à courant continu haute tension (HVDC, pour High Voltage Direct Current, n.d.l.r.).

JMD : Dans certains cas d’usage, le Power Ring permettrait de réduire drastiquement les longueurs de câbles de grosse section, qui représentent un poste important en matière de pertes énergétiques — sans parler des coûts qu’ils impliquent…

Avec les technologies et les topologies que nous utilisons, il est possible d’atteindre des rendements supérieurs à 99 % ! Nos résultats en laboratoire restent bien sûr en deçà, mais ils sont malgré tout prometteurs… Nous sommes aujourd’hui pleinement confiants dans le fait d’atteindre a minima 98 % avec le produit fini. Ce chiffre pourra même augmenter à la faveur d’investissements complémentaires. Aussi, ce rendement est à comparer à celui de plusieurs convertisseurs et transformateurs en cascade : même s’ils sont individuellement plus efficaces, le Power Ring prend l’avantage au niveau systémique.

Un autre élément clé est le coupleur magnétique du Power Ring. Il est en effet le fruit d’un important travail de R&D, qui a permis d’aboutir à ce dispositif inédit, car à la fois multi-enroulements et modulaire. Nous l’avons en outre conçu avec une géométrie particulière – basée sur des briques standardisées – pensée pour faciliter l’industrialisation. Ce coupleur contribue aussi à l’efficacité du transfert de puissance.

Quels sont les autres grands avantages de ce Power Ring ?

VS : Il est aussi synonyme de gains de masse : en supprimant un certain nombre d’étages de conversion, nous avons gagné en volume et en masse. Cela nous a aussi permis d’économiser sur les ressources liées aux composants, tout en réduisant l’empreinte carbone de l’ensemble.

JMD : L’aspect modulaire du dispositif facilite aussi la maintenance, tout en le rendant facilement évolutif. Il se prête ainsi particulièrement bien à une utilisation dans le cadre d’une smart grid, et son intérêt se révèle d’autant plus important dans la période charnière que nous traversons actuellement, marquée par une évolution rapide des systèmes de gestion énergétique de petite et de grande taille.

PG : Grâce à ses multiples entrées/sorties, le Power Ring permet aussi de faire de l’arbitrage énergétique. Ceci dans le but, par exemple, d’alimenter en priorité un site sensible comme un hôpital, en effectuant un délestage sur d’autres points moins critiques du réseau local.

Une autre possibilité est l’interconnexion de plusieurs Power Rings. En cas de travaux de maintenance sur une ligne, cela permet d’utiliser facilement un autre chemin pour acheminer l’énergie.

JMD : Cela constitue la vision à long terme que nous avons des applications du Power Ring. Nous voyons dans ce dispositif un maillon clé d’un futur « internet de l’énergie » (IoE). Il pourrait en devenir un hub, en permettant une gestion active des réseaux au niveau des nœuds. Mais les premières applications concrètes se feront à des tensions et puissances beaucoup plus faibles, au niveau, par exemple, des micro-grids, des datacenters, ou encore des avions électriques et des auxiliaires de locomotives.

Dans la seconde partie de cet entretien, nos trois interlocuteurs nous dévoilent les perspectives d’industrialisation du dispositif…

^[1] « La transmission de l’énergie aux pods se ferait grâce à des plasmas entre un troisième rail fixé dans chaque tube et les mobiles (innovation brevetée) ».

^[2] Input-Series Output-Parallel.