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2017

EDITORIAL Quelques questions de la transition énergétique Sébastien Candel Président de l’Académie des sciences

Numéro

3

ÉNERGIE

ENTRETIEN AVEC Alain Bravo Président de l'Académie des technologies

TELECOMMUNICATIONS

SIGNAL

COMPOSANTS

AUTOMATIQUE

INFORMATIQUE

Cet aperçu gratuit permet aux lecteurs ou aux futurs lecteurs de la REE de découvrir le sommaire et les principaux articles du numéro 2017-3 de la revue, publié en juillet 2017. Pour acheter le numéro ou s'abonner, se rendre à la dernière page.

DOSSIERS

ISSN 1265-6534

L'ARTICLE INVITÉ

www.see.asso.fr


 

         

           





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EDITORIAL

L

SÉBASTIEN CANDEL

Quelques questions de la transition énergétique

a gestion du risque climatique anticipé passe par la mise en œuvre d’une stratégie sans regrets qui consiste à rechercher, développer et déployer des solutions qui pourraient conduire à une réduction importante des émissions de gaz à effet de serre. Mais à ce stade, on peut rappeler que la tendance au niveau mondial est celle d’une hausse de la demande énergétique associée à la croissance démographique, au développement économique et à l’augmentation des besoins des pays émergents ou en voie de développement. En 40 ans la consommation mondiale a doublé. Il sera difficile d’infléchir la demande d’énergie, qui conduit dans beaucoup de pays à l’utilisation accrue des énergies fossiles et notamment du charbon. La réduction des émissions globales de gaz à effet de serre, justifiée par son impact climatique, par les effets d’acidification des océans et par la nécessaire réduction de l’exploitation des énergies fossiles, ne pourra être réalisée sans la participation de tous les pays et notamment de ceux qui sont les plus gros émetteurs, une question d’actualité après le retrait annoncé des Etats-Unis de l’accord issu de la COP21. Le problème de l’énergie et de sa relation avec l’environnement est désormais au centre de nombreux débats mais il est généralement mal posé et traité de façon superficielle. L’impression diffuse, est que les solutions existent et qu’il suffirait de les appliquer pour obtenir toute l’énergie nécessaire. L’idée que l’énergie pose un défi majeur n’est pas comprise. L’échelle des défis à relever pour remplacer les énergies fossiles (80 % de l’énergie primaire) par d’autres énergies est immense. Les difficultés méritent d’être soulignées car elles sont sous-estimées par les décideurs, les médias et le public. On sait qu’il n’y a pas de solution unique, que les solutions clés en main n’apportent que des réponses partielles et enfin qu’il y a beaucoup de questions difficiles qui ne pourront être traitées sans faire des progrès scientifiques, technologiques, sans des innovations et des développements industriels. Parmi toutes les questions posées, on va évoquer trois d’entre elles, celle du

réseau électrique et de son évolution, celle de l’insertion des renouvelables intermittents et celle de la place du nucléaire dans le mix énergétique. Ces trois sujets ne couvrent qu’une petite partie des problèmes. Le réseau électrique est un élément essentiel dans le système électrique. L’évolution actuelle consiste à mettre en place des capacités d’estimation de son état pour tirer parti des possibilités nouvelles issues du numérique. L’objectif est d’assurer la sécurité du réseau et l’utilisation optimale des capacités de production et d’utilisation de l’énergie électrique. Le «réseau intelligent», incluant de nombreux capteurs, peut permettre une plus grande flexibilité, l’intégration de la production diffuse intermittente, réduire la déstabilisation du système électrique, maîtriser la courbe de consommation, faire des économies d’énergie et limiter le niveau de la pointe. Mais le développement du réseau intelligent pose des questions techniques difficiles comme celles de la répartition de l’intelligence du système entre gestion locale et globale, de son optimisation et de son contrôle entre les différents niveaux et des questions majeures de cybersécurité du fait de sa plus grande dépendance à l’échange d’information. Au-delà de ces problèmes, le réseau intelligent soulève des questions relatives à la liberté individuelle des citoyens et à l’exploitation des flux de données massives issues des compteurs communicants. Il y a donc ici beaucoup de sujets ouverts qui demandent un effort soutenu de recherche et d’innovation. Le remplacement des énergies fossiles par des énergies renouvelables éolienne et solaire soulève beaucoup d’espoirs et aussi beaucoup de questions. Pour certains il faudrait développer ces énergies à marche forcée sans se préoccuper de leur effets sur la stabilité du réseau ou des problèmes posés par l’intermittence de ces énergies. On pourrait ainsi atteindre 100 % de renouvelables pour assurer la totalité de l’énergie électrique en France. Malheureusement, cette option ne traiterait pas la question centrale qui est celle du remplacement des énergies fossiles qui constituent plus de 50 % de l’énergie primaire en France. L’inser-

REE N°3/2017 Z 1


tion dans le réseau de grandes quantités d’énergies intermittentes (éolienne ou photovoltaïque) ne peut se faire sans que soit résolu le difficile problème de leur compensation en l’absence de vent ou de soleil. La variabilité des énergies renouvelables éoliennes et solaires nécessite la mise en œuvre d’énergies alternatives pour pallier cette intermittence et compenser les chutes de production. On pourrait penser que les échanges d’énergie au niveau européen pourraient résoudre ce problème. Or les nuits sont partout longues à la même période en Europe et les anticyclones souvent simultanés chez nous et nos voisins. Le stockage pourrait permettre un déploiement à grande échelle en évitant que l’intermittence de ces sources d’énergie conduise à utiliser des combustibles fossiles pour répondre à la demande. Mais les capacités de stockage sont limitées et les possibilités des batteries même les plus performantes ne peuvent répondre au besoin. L’artificialisation du paysage serait aussi considérable : pour produire la totalité de l’électricité au moyen d’éoliennes en mer, il faudrait par exemple équiper les 3 200 km de côtes françaises sur une bande de 5 km et aussi réaliser une extension majeure du réseau de transport de l’électricité pour collecter les énergies produites de façon diffuse et les faire remonter vers les lieux de consommation. Au-delà des difficultés techniques, on peut s’attendre à des problèmes d’acceptabilité. Une troisième question est celle de la place de l’énergie nucléaire dans le mix énergétique futur. Cette énergie a permis d’assurer la sécurité d’approvisionnement de la France dans le domaine électrique en réduisant la dépendance par rapport aux énergies fossiles et de diminuer de façon significative les émissions de CO2 associées à la production d’énergie électrique. C’est ainsi que la France s’est hissée dans le groupe de tête des pays développés les moins émetteurs de GES. Pour une production annuelle de 540 TWh d’électricité en France, les émissions s’élèvent à 46 Mt CO2/an alors que l’Allemagne qui a fait un effort considérable et coûteux de mise en place d’énergies renouvelables éolienne et photovoltaïque produit 631 TWh d’électricité en émettant 334 Mt CO2/an. Il y a une contradiction à vouloir diminuer les émissions de gaz à effet de serre

2 ZREE N°3/2017

tout en réduisant la part du nucléaire. L’énergie nucléaire est actuellement le moyen le plus efficace pour réduire la part des énergies fossiles dans la production d’énergie électrique mais ce n’est pas la seule option possible. Elle est notamment peu adaptée à des pays qui ne disposent pas d’une infrastructure scientifique et d’une culture technologique suffisante qui permette d’assurer la sûreté de fonctionnement des installations. Il importe aussi que les pays qui souhaitent poursuivre le développement de la filière nucléaire possèdent ou mettent en place des structures définissant une bonne séparation entre les acteurs du nucléaire et les contrôleurs des activités nucléaires. L’industrie nationale étant remarquablement compétente dans ce domaine, tant pour les centrales que pour le cycle du combustible, la France dispose d’un atout considérable dans la lutte contre les gaz à effet de serre. Alors que l’insertion d’une fraction significative de solaire et d’éolien dans la production d’électricité pose déjà des difficultés sérieuses, le problème des 75 % d’énergie non électrique consommés par les transports, l’habitat, l’industrie est autrement plus complexe. Les économies d’énergie pourraient conduire à une réduction de l’émission des gaz à effet de serre qu’il faut effectivement réaliser. Notre électricité décarbonée permettrait d’ores et déjà à la France de transférer vers l’électricité certaines des activités utilisant des combustibles fossiles, pour le plus grand bien de sa balance commerciale et de la baisse de ses émissions, bien plus qu’elle ne le fait actuellement. En définitive, la transition énergétique demande une vision à long terme et l’engagement d’un effort significatif de recherche, développement et innovation pour faire émerger des solutions qui pourraient permettre de régler des problèmes qui ne sont actuellement résolus que de façon partielle.

Sébastien Candel Professeur des universités émérite à CentraleSupélec Président de l’Académie des sciences


sommaire Numéro 3 

1

EDITORIAL Quelques questions de la transition énergétique Sébastien Candel

4

SOMMAIRE

6

LES GRANDS PRIX 2016 DE LA SEE Des lasers à fibres optiques pour l’imagerie dans le moyen-infrarouge

p. 1

Sébastien Février

11 FLASH INFOS 13 15

L’Islande : électricité 100 % d’origine renouvelable ne veut pas dire 100 % décarbonée mais des solutions existent Plusieurs avancées dans la connaissance des trous noirs Imagerie de l’émission sombre des spasers

18 ACTUALITÉS

p. 68

21 22 25

La chronique de la 5G : le MIMO massif Quelle est la première ville francophone au monde ? Donald Trump annonce que les Etats-Unis se retirent de le l’accord de Paris TensorFlow, un simple outil de plus ou une révolution pour l’intelligence artificielle ?

28 A RETENIR Congrès et manifestations

30 VIENT DE PARAÎTRE La REE vous recommande

32 ARTICLE INVITÉ Décentralisation, nouveau paradigme de la transition énergétique ?

p. 100

Etienne Beeker

42 LES GRANDS DOSSSIERS La foudre Introduction : Protection contre la foudre : état de l’art et perspectives Alain Rousseau

45

La foudre - Phénoménologie Christian Bouquegneau

p. 32

p. 124

p. 135

52 59

Photo de couverture : JanJar - Fotolia

4 ZREE N°3/2017

Les réseaux de localisation des éclairs et leurs applications Stéphane Pédeboy, Marc Bonnet, Stéphane Schmitt

Analyse du risque foudre. Etat de l’art et nouveautés. Anthony Bergot, Vincent Rogez


66

La foudre en France: enjeux et solutions Elysabeth Benali, Michael Troubat

74

Nouveaux concepts de protection contre la foudre RĂŠgis Reeb

80

Les parafoudres pour les nouveaux marchÊs du XXIe siècle Christian Macanda

86

Les microgrids (Partie 2) Introduction : Les microgrids : une thÊmatique qui transforme le monde de l’ÊlectricitÊ Bruno Meyer

88

Les microgrids d’hier et d’aujourd’hui. Didier Laffaille

98

Modelling and techno-economic analysis of microgrid applications Siebert Bressinck, Stijn Uytterhoeven, Baptiste Rossi

105 Demand Side Management and Frequency Support within Microgrid Thomas Morris, Da Wang, Gaspard Lebel, Catalin Gavriluta, Cedric Boudinet, Vincent Debusschere, Raphael Caire

112 Concept Grid. Un laboratoire au service des microgrids Aude Pelletier, LoĂŻc Joseph-Auguste et Cristian Jecu

118 Les dĂŠďŹ s de la transition ĂŠnergĂŠtique des microrĂŠseaux insulaires Caroline Ducharme, SĂŠbastien Ruiz, Etienne Radvanyi

124 GROS PLAN SUR ‌ Les technologies d’afďŹ chage ĂŠlectronique Du tube cathodique aux ĂŠcrans plats Alain Brenac

135 ENTRETIEN AVEC... Alain Bravo

 

                 

 

L’acadÊmie des technologies : au service d’un progrès raisonnÊ, choisi et partagÊ

140 ENSEIGNEMENT & RECHERCHE Les trois transitions : ĂŠlectrique, climatique, numĂŠrique Bernard Salha

144 Echos de l’enseignement supÊrieur Bernard Ayrault

 !!!

146 CHRONIQUE ĂŠtes-vous un ÂŤ maker Âť ? Jean-Pierre Hauet

149 LIBRES PROPOS Technologie : sommes-nous rĂŠellement prĂŞts Ă la croissance de demain? Vincent Champain

152 SEE EN DIRECT La vie de l'association

REE N°3/2017 Z 5


LES LESGRANDS GRANDSPRIX PRIX2016 2016DE DELA LASEE SEE

        Aperçu gÊnÊral Les lasers ultrarapides Êmettant des impulsions ultrabrèves, de durÊe in-

SÊbastien Ê FÊvrier Ê rie Prix Jean Jerphagnon Enseignant à l’universitÊ l’univ Ê de Lim imoges Chercheur à Xlim, lim, UMR CNR RS 7252

fĂŠrieure eure Ă une e picosecon picoseconde, trouvent de pluss en plus d’applications dans les doma maines du micro-usinage o-usinage [1] et d de l’imagerie e biolo biologique [2]. Ces approches scientiďŹ ques ont proďŹ tĂŠ sc ďŹ tĂŠ du dĂŠveloppement dĂŠveloppem industriel ndustrie des lasers femtose condes titane-saphir Ă  800 nm dans les annĂŠes a s 1980 puis p des lasers femto secondes Ă  base d’ytterbium um opĂŠrant autour auto utou de e 1 Îźm [3], Ă  partir des annĂŠes 2000, et ont progressivement ent intĂŠgrĂŠ ĂŠgrĂŠ le marchĂŠ indus industriel. De nouvelles applications en biologie voire e en mĂŠdecine ecine po pourraient ourraient b bĂŠnĂŠďŹ cier cier de d lasers

Le Prix Jean Jerphagnon honore ho re

femtosecondes Êmettant à des longueurs d’onde d’ond de dans le moyen en infrarouge. infr

la mÊmoire et prolonge longe ge l’œuvre l’œ de Jean Jerphagnon, Jerp non, dÊ d dÊcÊdÊ

Par exemple, un laser femtosecon econde à 1 700 nm p permet d’imager perme mager des tissus

en 2005, qui mena une un carrière

tefois, les terres rares usuelles ne luminescent uminesc pas dans laa bande spectrale sp

remarquable arquable d dans le domaine aine de l’optique l’o que et de la a photo photonique. p

autour de 1 700 nm. De plus, les groupes oupes molĂŠculaires es con constituant onstituant les le tissus

Il a pour our objectif objec bject ctif de promouvoir l’innov ovation n technologique tech chnologique et la diffu di -

infrarouge entre 3 et 12 Îźm. La spectro-microscopie microscopie infraro infrarouge ouge combine oug com e le les

sion de e l’l’optique optiqu et de de la photonique photoniq dans toutt d domaine dom maine d’application. d’application

à grande profondeur avec une rÊsolution olution de l’ord ol l’ordre re du m micromètre omètre [4 [4]. Tou-

organiques prÊsentent tous une signature ature caractÊristique e dans le moyennavantages de la microscopie optique et de la spectroscopie ctroscopie vvibrati vibrationnelle le pour produire des cartographies prÊcises de la composition compo chimique himique de des tissus organiques. Cependant, la spectro-microscopie scopie infrarouge à haute e rÊsolution spatiale ne peut, à ce jour, être rÊalisÊe qu’avec avec le rayonnemen rayonnement mentt synchrotron

En tĂŠmoignage nag de reconnaiss reconnaissance,

[5], ce qui bien sĂťr limite son usage clinique. iq Dans ce contexte, e,, nous avons avon

plusieurs usieurs struc structures st uctures se sont son asso associĂŠes pour crĂŠer ĂŠer le Prix P i Jean J n Jerphagnon Jerphagn :

dĂŠveloppĂŠ des lasers femtosecondes Ă ďŹ bres optiques, tiques, versatiles versati atiles es en terme te

AcadĂŠmie ĂŠmie e des Technologies, Tech Alcatel-Lucen ent, nt,t, Centre Nation n Nationall

champ d’applications scientiďŹ ques voire industrielles dustrielles inĂŠdit dans le do domaine

de la Recherche Recherch ch ScientiďŹ que, che ScientiďŹ q e, France nce TĂŠlĂŠcom TĂŠlĂŠcom, com, PĂ´le de compĂŠtiti compĂŠtitivitĂŠ Images et RĂŠs RĂŠseaux, x, Associati Association n

de longueur d’onde, nÊcessitant peu ou pas de mai maintenance ce et o ouvrant nt un spectral du moyen infrarouge.

Limitations actuelles des lasers femtosecondes à fibres optiques La mise au point de sources de lumière ière aux longueurs lon eurs d’onde d dans ans le

Opticsvalley csvalley, SociĂŠtĂŠ des Electrici Electricien ns et des Electroniciens, Electronicie nicienss, SociĂŠtĂŠ Fr Fran n-

moyen infrarouge peut être basÊe asÊe sur s l’exploitation ’exploitation de l’in l’interaction nteraction non-

çaise ise d’Optique, SociÊtÊ ociÊ Franç Française se de Physique, ysique, Pôle d de comp compÊtitiv ivitÊ

constituant les ďŹ bres co es op optiques. s. Ce rayonnement ray ement laser lase er primaire peut ĂŞtre

SystĂŠmatic-Paris-RĂŠgion, gion, Thale Thales.

terress rrares [6].. Ces sy systèmes sont dÊjà e essentiels ssentiels au a fonctionnement t des

linĂŠaire entre un rayonnementt laser impulsionnel ulsionnel intense inttens ense et le matĂŠriau matĂŠria obte tenu dans des ampli ampliďŹ cateurss de puiss puissance Ă ďŹ bress optiques dopĂŠes dop aux système es de tĂŠlĂŠcommunications tĂŠlĂŠcomm ons actuels [7] et transitent tr progressivem progressivement vers d’au utres domaines domaines. L’accroissement ssement nt de la longueur d’onde laser las vers le moyen n-infrarouge rarouge appelle ap l’utilisation l’utilisatio on de terres rares comme comm l’Err3+, le es ĂŠlĂŠments ĂŠ lumin lu uminescents nts autour de 1,55 1 Îźm, 1,95 Îźm et Tm3+ ou l’Ho3+, des 2,05 Îź Îźm respect respectivement. tivement. A ces longueurs longueur d’onde, les dĂŠrives de frĂŠquence induit uites par la dispersion spersion chromatique anormale et l’effet Kerr optique se compensent pour donner er naissance Ă  des solitons. Ces impulsions sont

6 Z REE N°3/2017


Des lasers à fibres optiques pour l’imagerie dans le moyen-infrarouge

amplifiées puis comprimées et, rapidement, subissent une

à toute perturbation comme les macro et micro-courbures

fission en composantes plus brèves et plus intenses. Le

ou inhomogénéités locales d’indice de réfraction.

seuil d’apparition du bris d’onde est repoussé (et l’énergie

Le cœur de cette fibre est basé sur une matrice P 2O5 -

emmagasinée accrue) lorsque le mode guidé présente une

Al2O3-SiO2 qui permet, grâce à la forte proportion d’alumi-

grande surface modale équivalente. De plus, lorsque les im-

nium, d’éviter la formation d’agrégats d’Er3+ même à très

pulsions ultra-brèves (100 fs) résultant de la fission solito-

forte concentration en erbium (5×1025 atomes/m3). Il est

nique se propagent sur plus de quelques centimètres, leurs

connu en effet que l’aluminium permet de solubiliser les

composantes fréquentielles sont réarrangées par un second

agrégats d’Er3+. Toutefois, l’ajout d’aluminium augmente

effet non-linéaire : la diffusion Raman stimulée intra-impul-

l’indice de réfraction du cœur dans des proportions dé-

sionnelle. Cet effet a pour conséquence de modifier conti-

sastreuses au regard de la qualité spatiale du faisceau. La

nûment, au cours de la propagation, la fréquence porteuse

matrice P 2O5 -Al2O3-SiO2 présente une propriété étonnante

des sous-impulsions, c’est-à-dire, d’un point de vue appli-

au regard des matrices Al2O3-SiO2 ou P 2O5 -SiO2 utilisées

catif, d’accorder la longueur d’onde du rayonnement avec

pour réaliser le matériau de cœur des fibres optiques : une

la distance de propagation. La fission solitonique a limité

proportion adéquate de phosphore et d’aluminium permet

l’accroissement de la puissance crête à ~10 kW dans les

d’abaisser l’indice de réfraction de la matrice silice hôte

systèmes simples à amplification directe fondés sur des

alors que pris séparément ces deux éléments augmen-

fibres conventionnelles.

tent l’indice de réfraction de la silice [8]. Nos collègues de

Nous avons réalisé de nouveaux types de fibres optiques

l’Académie des sciences de Russie ont réussi à utiliser cette

à grande surface modale équivalente pour repousser le seuil

propriété pour réaliser des fibres à grande surface modale

d’apparition de la fission solitonique dans les amplificateurs.

[9]. Avec un contraste d’indice de l’ordre de 10 -3, nous

Nous avons aussi mis à profit les effets non-linéaires pour

avons pu réaliser une fibre dont le diamètre de cœur est

produire, dans des architectures fibrées monolithiques inno-

de l’ordre de 35 à 40 μm en optimisant le profil d’indice,

vantes, des impulsions ultra-brèves (< 100 fs) et de forte

ce qui constituait alors un record mondial [10]. La sur-

puissance crête (150 kW) à des longueurs d’onde inédites

face modale équivalente de cette fibre est supérieure à

(1,7 μm) localisées entre les longueurs d’onde laser cou-

500 μm2 à 1,55 μm. Dans l’expérience récente décrite sur la figure 1a, le

rantes.

Conception d’un laser femtoseconde de forte puissance dans le moyen infrarouge

train d’impulsions picosecondes généré dans un oscillateur laser à verrouillage de modes en phase est amplifié directement dans une fibre dopée Er3+ de 40 μm de diamètre de cœur jusqu’à un niveau d’énergie par impul-

En collaboration avec deux laboratoires de renommée

sion de l’ordre de 30 nJ. Le profil d’indice de réfraction

internationale de l’Académie des sciences de Russie,

et la distribution d’intensité lumineuse calculée pour le

nous avons développé une nouvelle génération de fibres

mode fondamental de cette fibre sont représentés sur la

3+

présentant une surface modale

figure 1b. Ces impulsions sont ensuite injectées dans une

équivalente extrêmement grande (A ~ 250 h2) en aug-

fibre optique non-linéaire correctement dimensionnée

mentant le diamètre du cœur. L’accroissement du dia-

pour produire, après fission solitonique, un train d’impul-

mètre de cœur doit être accompagné de l’abaissement

sions à 1 700 nm présentant une puissance moyenne de

du contraste d’indice entre le cœur et la gaine afin de

550 mW, correspondant à une énergie par impulsion de

préserver un nombre de modes guidés faible (idéalement

11 nJ pour une cadence de répétition de 50 MHz. La diffu-

égal à 1) ce qui assure une qualité spatiale de faisceau

sion Raman intra-impulsionnelle au sein de la fibre non-li-

optimale (le nombre de modes guidés augmente qua-

néaire a permis de décaler la longueur d’onde centrale des

dratiquement avec le rayon du cœur). La diminution du

impulsions jusqu’à 1 700 nm et de raccourcir la durée des

contraste d’indice est limitée technologiquement à 10 -3,

impulsions à 75 fs, comme l’attestent les résultats de ca-

ce que nous avons réussi à produire pour la première fois

ractérisation présentés sur la figure 1. Ces caractéristiques

à notre connaissance dans une fibre très fortement dopée

permettent d’estimer que la puissance crête de l’impulsion

optiques dopées à l’Er

3+

à l’Er . En deçà de cette limite, la force du guidage ne

est de l’ordre de 150 kW. La fibre amplificatrice est soudée

permet plus de combattre efficacement les effets de la

en amont à des combineurs pompe/signal commerciaux

diffraction : le mode guidé devient extrêmement sensible

et, en aval, à la fibre non-linéaire permettant d’acheminer

REE N°3/2017 Z 7


LES GRANDS PRIX 2016 DE LA SEE

Figure 1 : a : Schéma du montage du laser (partie haute) et acheminement vers le microscope à trois photons (partie basse) – b : Profil d’indice de réfraction et distribution d’intensité lumineuse du mode fondamental de la fibre dopée Er3+ – c et d : Spectre et trace d’autocorrélation des impulsions issues du laser – e : Mesure du bruit d’amplitude aux basses fréquences montrant la bonne stabilité du train d’impulsions. Dans le schéma, THG et 3PEF signifient respectivement third harmonic generation (génération de troisième harmonique) et 3-photon excited fluorescence (fluorescence excitée à trois photons). et de transformer le signal. Cette caractéristique confère

nuel Beaurepaire. Nos collègues ont mis au point un micros-

à l’architecture laser globale son caractère monolithique,

cope spécifique dédié à l’imagerie multi-photonique sous

c’est-à-dire exempt de tout chemin d’air et d’éléments de

excitation à 1 700 nm, schématiquement représenté sur la

réglage.

figure 1a. Dans ce microscope, les signaux générés dans le

Afin de tester l’applicabilité de ce type de laser à l’imagerie

visible résultent de l’interaction entre trois photons du signal

non-linéaire, le laser a été déplacé à l’Ecole polytechnique,

excitateur et la matière biologique, ce qui implique de dispo-

dans le Laboratoire d’optique et biosciences (UMR Ecole

ser de lasers femtosecondes de forte puissance crête à cette

polytechnique – CNRS – INSERM), dans l’équipe d’Emma-

longueur d’onde.

8 ZREE N°3/2017


Des lasers à fibres optiques pour l’imagerie dans le moyen-infrarouge

Figure 2 : Images superposées du développement d’un embryon de drosophile en génération de troisième harmonique (bleu) et fluorescence excitée à trois photons (rouge) à divers instants au cours du stade de la gastrulation (début de la morphogenèse) – a : début – b : 20 min – c : 35 min – d : 52 min – e : 67 min. Temps par pixel 27 μs. Images réalisée au Laboratoire d’optique et biosciences (UMR Ecole polytechnique – CNRS – INSERM). Nous avons réussi à imager le développement d’un

nement dans des fibres optiques. Novae et Xlim ont réalisé

embryon de drosophile selon deux modalités de micros-

un laser émettant un rayonnement dont la bande spectrale

copie à trois photons : la génération de troisième harmo-

s’étend de 2 à 4 μm. Ce laser imite, dans cette gamme de

nique majoritairement présente au niveau des discontinuités

longueur d’onde, le rayonnement synchrotron issu d’un accé-

d’indice comme les membranes plasmiques (figure 2, bleu)

lérateur d’électrons comme SOLEIL construit à Palaiseau. En

et la fluorescence excitée à trois photons (figure 2, rouge),

partenariat avec les chercheurs de la ligne de spectroscopie

favorisée dans notre expérience par le marquage des noyaux

infrarouge SMIS du synchrotron SOLEIL, nous avons réalisé

cellulaires avec une protéine fluorescente rouge (dTomato).

les premières images en spectro-microscopie à partir d’un

Nous avons aussi vérifié que notre laser ne provoquait pas

laser avec une résolution spatiale de l’ordre de la longueur

de dommages en observant le développement sain d’un

d’onde. L’application de la spectro-microscopie laser à la

embryon sur près d’une heure et demie. Cette imagerie per-

détection de cellules pathologiques a pu être démontrée.

met de confirmer que le laser à fibres que nous avons déve-

Jusqu’à maintenant ce type d’image à haute résolution ne

loppé peut être utilisé pour l’imagerie multi-photonique de

pouvait être obtenu qu’avec le rayonnement synchrotron.

dernière génération. Des développements avec une société

Ceci rend bien sûr quasiment impossible ce type d’imagerie

européenne sont maintenant en cours pour intégrer ce type

dans un contexte hospitalier alors que les praticiens et les

de lasers dans des microscopes commerciaux [11].

patients pourraient en tirer un grand bénéfice, par exemple

Déclinaison du concept à d’autres longueurs d’onde Avec la société Novae, nous avons aussi développé de nouveaux lasers ultrarapides à la longueur d’onde de 2 μm pour le micro-usinage de polymères ou l’émission d’un

en simplifiant les procédures de biopsies. Afin de profiter au mieux du potentiel que recèle cette démonstration de principe, la société Novae propose maintenant une version commerciale du laser.

Conclusions et perspectives

rayonnement secondaire dans le moyen infrarouge. Novae,

Après 10 ans consacrés à la recherche de solutions inno-

en collaboration avec Xlim, a décliné à 2 μm le concept utilisé

vantes pour la génération de rayonnements moyen-infra-

pour générer des impulsions décalées en longueur d’onde

rouges dans des fibres optiques, le laboratoire Xlim a réussi à

par rapport la source primaire. Novae a ainsi conçu et fabri-

développer et produire des lasers femtosecondes suffisam-

qué un prototype de laser à 2,1 μm qui émet des impulsions

ment stables et robustes pour ouvrir un champ d’applications

d’une puissance crête supérieure à 100 kW. Ces lasers fem-

inédit à l’imagerie optique moyen infrarouge. Les innovations

tosecondes moyen-infrarouge de forte puissance sont très

issues de ces travaux de recherche ont aussi permis de créer

attendus. A l’instar de l’Ecole polytechnique fédérale de Lau-

la société Novae. Ensemble, nous avons récemment démon-

sanne (Suisse) qui vient de se doter d’un laser Novae, des

tré que les lasers à fibre constituent une alternative viable

laboratoires de renom en Europe ou aux Etats-Unis sont déjà

pour l’imagerie microscopique multi-photonique et pour

demandeurs pour leurs propres recherches.

l’imagerie microscopique d’absorption vibrationnelle. Nous

Les lasers à 2 μm permettent d’ouvrir le domaine spectral

développons maintenant des architectures lasers pour explo-

du moyen infrarouge par conversion non-linéaire du rayon-

rer plus avant ce domaine spectral, tout en conservant les

REE N°3/2017 Z 9


LES GRANDS PRIX 2016 DE LA SEE

avantages qu’offre la propagation guidée pour le contrôle de la lumière, notamment en couplant des fibres optiques à des guides d’onde en arséniure de gallium en collaboration avec Thalès et III-V Lab au sein du projet BISCOT (Bright infrared supercontinuum source) soutenu par l’ANR dans le cadre du défi « stimuler le renouveau industriel ».

Références [1] R. Gattass & E. Mazur, Femtosecond laser machining in transparent materials, Nature Photonics 2, 219-225 (2008). [2] W. Denk, J.H. Strickler and W.W. Webb, Two-photon laser scanning fluorescence microscopy, Science 248, 73-76 (1990). [3] M. Fermann & I. Hartl, Ultrafast fibre lasers, Nature Photonics 7, 868-874 (2013). [4] N.G. Horton, K. Wang, D. Kobat, C.G. Clark, F.W. Wise, C.B. Schaffer et C. Xu, In vivo three-photon microscopy of subcortical structures within an intact mouse brain, Nature Photonics 7, 205-209 (2013). [5] N. Jamin, P. Dumas, J. Moncuit, W.-H. Fridman, J.-L. Teillaud, G.L. Carr and G.P. Williams, Highly resolved chemical imaging of living cells by using synchrotron infrared microspectrometry. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 48374840 (1998). [6] E. Desurvire, Erbium-doped fiber amplifiers, Ed. Wileyinterscience ISBN 0-471-41903-6 (2002). [7] C.K. Kao, Nobel Lecture. Sand from centuries past: send future voices fast. Review of Modern Physics 82, 2299-2303 (2010). [8] D.J. Di Giovanni, J.B. MacChesney and T.Y. Kometani, Structure and properties of silica containing aluminum and phosphorus near the AlPO4 join, Journal of Non-Crystalline Solids 113, 58-64 (1989). [9] M.E. Likhachev, M.M. Bubnov, K. V. Zotov, D.S. Lipatov, M. V. Yashkov and A. N. Guryanov, Effect of the AlPO4 join on the pump-to-signal conversion efficiency in heavily Erdoped fibers, Optics Letters 34, 3355-3357 (2009). [10] L. Kotov, M. Likhachev, M. Bubnov, O. Medvedkov, D. Lipatov, A. Guryanov, K. Zaytsev, M. Jossent and S. Février, Millijoule pulse energy 100-nanosecond Er-doped fiber laser, Optics Letters 40, 1189-1191 (2015). [11] P. Cadroas, L. Abdeladim, L. Kotov, M. Likhachev, D. Lipatov, D. Gaponov, A. Hideur, M. Tang, J. Livet, W. Supatto, E. Beaurepaire and S. Février, All-fiber femtosecond laser providing 9 nJ, 50 MHz pulses at 1650 nm for three-photon microscopy, Journal of Optics 19, 065506 (2017).

10 ZREE N°3/2017

L’AUTEUR Sébastien Février est enseignant au département de physique de l’université de Limoges et chercheur au laboratoire Xlim. Ses travaux de recherche portent sur la mise au point de nouvelles sources lasers femtosecondes à fibres optiques. Sébastien Février a publié une cinquantaine d’articles dans des revues internationales et déposé six brevets licenciés à des start-ups ou des grands groupes. Il a cofondé en 2013 Novae, seule société européenne commercialisant des lasers ultrabrefs pour le moyen infrarouge.


FLASHINFOS

Islande : électricité 100 % d’origine renouvelable ne veut pas dire 100 % décarbonée mais des solutions existent L’Islande présente la particularité de recourir à près de 100 % aux énergies renouvelables pour la production de son électricité, ce qui est un cas probablement unique au monde. Cependant les émissions de CO2 s’y situent à 6,1 t par habitant contre 5,1 en France (Source : Banque Mondiale - 2013). L’une des raisons en est que l’électrici-

Figure 1 : Schéma de principe du forage Thor – Source : IDDP.

té d’origine renouvelable est produite à hauteur de 27 % à partir de ressources géothermales, très abondantes en

ce type, dit « supercritique », peut avoir une productivité 10

Islande puisque l’île possède 200 volcans et 650 sources

fois supérieure à celle d’un puits conventionnel. Dans ces

chaudes dont une vingtaine à des températures de 150

conditions quelques puits suffiraient à alimenter la capitale

à 250 °C. Mais ces ressources ne sont pas totalement

Reykjavik (212 000 habitants). Il a même été envisagé en

propres.

cas de succès de creuser toute une série de puits pour

L’Islande souhaite cependant continuer à exploiter ses ressources naturelles et a en particulier lancé un

exporter par câble sous-marin l’électricité produite vers la Grande-Bretagne. L’expérimentation doit durer deux ans.

programme expérimental dénommé Iceland Deep

Cependant cette énergie électrique d’origine géo-

Drilling Project (IDDP) consistant à réaliser un premier

thermale présente quelques inconvénients. Les liquides

forage profond, baptisé Thor, au centre d’un volcan

extraits sont fortement chargés en CO2, SO2, H2S et pro-

pour en récupérer la chaleur sous-jacente (figure 1 et

duits divers. Il a été reproché à la centrale de Hellisheidi à

photo 1).

30 km de Reykjavik d’être à l’origine d’émissions entraî-

En janvier 2017, le forage a atteint la profondeur de

nant un accroissement des maladies respiratoires. Il a

4 659 m (trois miles environ). A cette profondeur, les

également été calculé que les émissions en CO2 dues

liquides chauds, à l’état supercritique ont une température

aux centrales géothermiques atteignaient 160 000 t par

de 427 °C et sont capables d’alimenter une turbine à va-

an alors que les émissions naturelles liées à l’activité

peur produisant de l’électricité. Il est estimé qu’un puits de

volcanique oscilleraient entre 100 000 et 2 millions de

Photo 1 : Le forage Thor, dans la péninsule de Rekjanes dans le sud-ouest de l’Islande - @ IDPP.

REE N°3/2017 Z 11


FLASHINFOS

Photo 2 : Forage de réinjection de CO2 à proximité de la centrale géothermique de Hellisheidi – @ Washington Post – Juerg Matter. tonnes par an1. L’accroissement lié à l’exploitation des ressources géothermiques ne serait donc pas négligeable.

Un rythme d’injection de 5 000 t/an a été atteint mais il est prévu de passer à 10 000 t/an. Cette expérience

Ceci amène à se tourner vers un autre projet, dé-

est suivie par les universités de Columbia (Etats-Unis), de

nommé Carbfix, également mené près de Reykjavik,

Copenhague et d’Islande. Elle pourrait intéresser d’autres

précisément sur la centrale géothermique de Hellisheidi

sites dans le monde disposant de ressources en eau si

(photo 2) qui émet quelque 40 00 t de CO2 par an. Ce

les conditions géologiques sont favorables. Le coût de

projet consiste à capter les émissions de CO2 et à les

la réinjection est estimé à 30 USD/t. Il est à noter que

réinjecter dans le sous-sol. Dans cette expérience, dé-

d’autres expériences du même type sont menées dans

crite dans la revue Science , le dioxyde de carbone est

le monde et en particulier à Oman, avec des réinjections

dissous dans des quantités importantes d’eau (qui peut

dans une roche dénommé péridotite. ■

2

être de l’eau de mer) avant d’être réinjecté. La réinjec-

JPH

tion se fait à une profondeur de 400 à 800 mètres dans des roches basaltiques volcaniques. Il a été constaté qu’au bout de quelques mois un processus de solidification du CO2 s’était développé se traduisant par la fixation du CO2 dans le basalte sous forme de carbonates (photo 3). Cette solidification est survenue beaucoup plus rapidement que les 8 à 10 ans qui étaient initialement escomptés. La présence de calcium, de fer et de magnésium dans le basalte semble avoir facilité ces réactions de carbonatation qui stabilisent le CO2 dans le réservoir basaltique. 1

Elsevier – CO2 emissions from geothermal power plants and natural geothermal activity in Iceland – Halldor Armannsson et al. (2004). 2 Science – Rapid carbon mineralization for permanent disposal of anthropogenic carbon dioxide emissions – Juerg M. Matter et al. (2016).

12 ZREE N°3/2017

Photo 3 : Une carotte expérimentale, présentant du carbonate solidifié, est montrée par l’un des coauteurs de l’étude Sandra Snaebjornsdottir - Source : Columbia university.


FLASHINFOS

Plusieurs avancées dans la connaissance des trous noirs Quelques rappels sur les trous noirs Contrairement aux idées reçues, c’est Laplace qui le premier avança la notion de « trou noir » sans pour autant utiliser cette terminologie. Il évoquait en 1796 « Un astre lumineux, de la même densité que la Terre, et dont le diamètre serait 250 fois plus grand que le Soleil, ne permettrait, en vertu de son attraction, à aucun de ses rayons de parvenir jusqu’à nous ». Il aura fallu attendre le début du XXe siècle pour que cette notion refasse surface à la suite de la publication par Einstein en 1915 de sa théorie de la relativité générale et des travaux de l’astronome allemand Karl Schwarzschild. Celui-ci Il fut le premier à avoir trouvé en 1916 une solution aux équations

Figure 1 : L’un des premiers trous noirs directement observés en 2002 : Cygnus X-1 photographié en rayons X par le satellite européen Integral – Crédit : ESA/JEM-X/ECF.

gravitationnelles d’Einstein, ouvrant la voie à ce qu’on appelle les trous noirs de Schwarzschild.

diation, par effet d’origine quantique, aujourd’hui appelée

Par définition un trou noir est un effondrement gra-

« rayonnement de Hawking ». Ainsi avance-t-il l’hypothèse

vitationnel d’où rien ne peut s’échapper même pas la

qu’un trou noir isolé s’évapore lentement sous forme de

moindre particule. Il est donc inobservable directement.

radiations et finit par disparaitre au lieu de croître indéfini-

Cependant, en 1974, Stephen Hawking découvrit que

ment comme dans la théorie classique.

contrairement à ce que prédisait la mécanique classique,

Cette radiation est trop faible pour pouvoir être obser-

les trous noirs pouvaient effectivement émettre une ra-

vée avec les instruments dont nous disposons, mais nous

Figure 2 : Simulation de ce que sera la première image d’un trou noir – Crédit HOTAKA SHIOKAWA/CFA.

REE N°3/2017 Z 13


FLASHINFOS

Figure 3 : Vue d’artiste d’un trou noir de laboratoire – Crédits : DESY.

verrons plus loin qu’il est possible de la mettre en évi-

masse, sa charge électrique et sa vitesse de rotation. On

dence. Ce qui est visible par des télescopes spécialisés,

a pu observer des trous noirs stellaires qui proviennent

ce sont les radiations à très haute énergie émises sur le

de l’effondrement d’une étoile. La dimension réelle d’un

bord des trous noirs par les particules en accrétion à des

trou noir de ce type n’a pas de sens et sa densité n’est

vitesses proches de la vitesse de la lumière. Il est ainsi

pas connue. On ne peut estimer que son « horizon »

possible d’observer des trous noirs en recherchant la pré-

c’est-à-dire globalement le plus petit diamètre décrit

sence de ce rayonnement X comme sur la figure 1, mais

par les objets en accrétion. Ces trous noirs stellaires,

l’information ne peut être obtenue grâce à un satellite

vestiges d’étoiles très massives, ont été détectés indi-

qu’en dehors de l’atmosphère qui est opaque à ces lon-

rectement, il y en aurait quelques dizaines de millions

gueurs d’onde. Une autre manière plus récente consiste à

dans la Galaxie, leur masse avoisinerait 3 à 30 masses

utiliser l’interférométrie au sol dans les longueurs d’onde

solaires et leur horizon ne dépasserait pas une centaine

millimétriques et à reconstituer ainsi une vraie image de

de kilomètres.

l’horizon d’un trou noir.

D’un autre côté, on a pu observer des trous noirs

Les travaux fondamentaux sur les trous noirs sont

galactiques comme celui qui se trouve au centre de la

récents, ils remontent aux années 60. Le terme de trou

Voie lactée et au cœur de la plupart des galaxies mas-

noir, lié à une polémique linguistique, a été introduit par

sives. Leur horizon mesure des millions, voire des mil-

le physicien américain Kip Thorne. Mais ce n’est qu’en

liards de kilomètres et leur masse se compte en millions

1971 que le premier trou noir fut formellement obserr

ou en milliards de masses solaires. Ces trous noirs superr

vé par le satellite Uhuru. Comme indiqué ci-dessus, on

massifs sont observés par milliers.

n’observe pas directement le trou noir, mais son disque

Mais jusqu’à aujourd’hui on n’avait pas observé de

d’accrétion formé par les objets qui décrivent une spirale

trous noirs de masse intermédiaire, c’est-à-dire entre

avant d’être engloutis.

quelques dizaines et quelques millions de masse solaire. Un des progrès dans ce domaine est l’observation récente

On aurait découvert des trous noirs de taille intermédiaire

de trous noirs de dimension intermédiaire de l’ordre de 2 000 masses solaires. Un autre objet de l’ordre de

Il demeure cependant une énigme dont une solution

40 000 masses solaires est actuellement en cours de

commence à apparaître. Si l’on se borne à la théorie, un

confirmation. La prochaine mise en service du télescope

trou noir est décrit par seulement trois paramètres : sa

Event Horizon devrait permettre d’autres découvertes.

14 ZREE N°3/2017


ACTUALITÉS

La chronique de la 5G Le MIMO massif plusieurs antennes qui émettent chacune tout ou partie du e

L’arrivée de la 5 génération de

même signal utile. Quand plusieurs récepteurs sont servis par

radiocommunications

un même émetteur, ce qui est le cas dans les réseaux cellu-

mobiles,

attendue pour 2018-2020, consti-

laires, on parle alors de MIMO multiutilisateur ou MU-MIMO.

tuera un événement majeur qui

Dans les systèmes de radiocommunications cellulaires, le

aura des répercussions considérables non seule-

MIMO massif est une extension du MU-MIMO dans lequel

ment dans le domaine des radiocommunications

une station de base (BS) desservant une cellule où circulent

cellulaires mais aussi dans des domaines connexes

K utilisateurs mobiles est équipée d’un réseau composé de

de première importance : l’Internet des objets et

M antennes : M est supérieur à K et de l’ordre d’une ou plu-

e

les véhicules connectés. Cette 5 génération met-

sieurs centaines. Les K terminaux utilisent alors un même

tra en œuvre des technologies innovantes qui

bloc de ressources temps-fréquence (figure 1).

contribueront à atteindre les objectifs ambitieux

Ils peuvent n’être équipés que d’une seule antenne ou de

qui lui sont fixés : débits accrus (allant jusqu’à

plusieurs. Un pré-codage prenant en compte le résultat de

20 Gbit/s en crête), pénétration à l’intérieur des

l’évaluation de l’état instantané des canaux radio (CSI)2 est

bâtiments (“deep indoor”), temps de latence de

effectué à la BS. Il permet de focaliser l’énergie émise dans

l’ordre de la ms, etc.

un espace limité proche de chaque terminal et ainsi d’amé-

Pour comprendre la 5G, la REE a demandé à

liorer significativement les performances du lien descendant

Patrice Collet, membre émérite de la SEE, de te-

de la BS vers les terminaux et de réduire l’énergie rayonnée :

nir une chronique dans chaque numéro à venir

plus M est grand, meilleure est la focalisation. A la réception,

de la revue, dans laquelle il s’efforcera d’expli-

une combinaison linéaire des signaux reçus par la BS permet

quer et de faire comprendre les principes et les

de discriminer les signaux émis par chacun des K terminaux.

enjeux attachés à chacune de ces technologies.

Les performances en matière d’efficacité spectrale, de to-

Dans ce numéro, il nous parle du MIMO massif.

lérance au bruit ou aux interférences dépendent des algorithmes utilisés tant à la réception qu’à l’émission. A la réception, les terminaux doivent connaître le gain du canal : il peut

Principes généraux

être obtenu par des informations explicites transmises par la BS ou bien estimé à l’aveugle à partir des données reçues.

1

La technique MIMO consiste à introduire de la diversi-

Le MIMO massif, grâce au grand nombre d’antennes dé-

té spatiale de propagation entre un émetteur et un ou plu-

ployées à la BS, s’approche d’un environnement radio qu’on

sieurs récepteurs en équipant émetteurs et/ou récepteurs de

appelle la « propagation favorable » dans laquelle les ré-

1

Multiple Input Multiple Output : se reporter à l’article de D. Le Ruyet et B. Ozbec dans la REE d’avril 2005 et aussi à la REE 2015-05.

ponses des canaux radio vers les différents terminaux sont 2

CSI : Channel State Information.

Figure 1 : Principe du MIMO massif. Les terminaux sont en vue directe de la BS – Source : arXiv : 1503.06854v2.

18 ZREE N°3/2017


ACTUALITÉS

Figure 2 : Réseau circulaire de 128 antennes - Source : université de Lund. suffisamment différentes les unes des autres : les mesures

montré que moyennant certaines hypothèses la contrainte

conduites sur le terrain ont montré que, sans avoir à déployer

propre au FDD pourrait être levée, mais on ne sait pas si ces

un nombre d’antennes qui deviendrait non compatible avec

hypothèses sont réalistes. On en retiendra que l’utilisation

les contraintes physiques, on pouvait s’approcher du comporr

de MIMO massif reste pour l’heure liée au mode TDD.

tement asymptotique prévu par la théorie. La géométrie du réseau d’antennes influe aussi sur cet environnement.

Les réseaux d’antennes

Le MIMO massif s’appuie en principe sur un mode de

La constitution de réseaux d’antennes de grande capacité

duplexage par répartition dans le temps (TDD)3 dans lequel

peut se heurter à des limites de taille : en effet les antennes

les canaux montant et descendant se partagent dans le temps

doivent être espacées au minimum d’une demi-longueur

la même ressource en fréquences. Les canaux physiques de

d’onde. Les efforts d’évaluation des performances et de pro-

propagation montant et descendant ont alors les mêmes ca-

totypage du MIMO massif menés pour la 5G ont été concen-

ractéristiques, on les dit réciproques : il suffit d’évaluer le sens

trés jusqu’à présent sur les fréquences inférieures à 6 GHz.

montant pour permettre à la BS d’élaborer les paramètres à

Avec de telles fréquences, la réalisation d’un réseau d’une

appliquer pour le pré-codage du signal descendant et à la

centaine d’antennes est possible au plan mécanique.

combinaison des signaux reçus pour extraire le signal émis

Par exemple, à la fréquence de 2 GHz on pourrait placer

par chaque terminal. Pour ce faire les terminaux émettent

400 antennes dans un panneau carré de 1,5 m de côté4.

périodiquement une séquence de pilotes : ces K séquences

Des prototypes comportant 160 antennes ont été réalisés

sont en principe orthogonales.

par l’université de Lund : ils mesurent 60x120 cm. Pour les

Si l’on veut appliquer les principes du MIMO massif au

fréquences supérieures à 6 GHz, la mise en œuvre du MIMO

mode de duplexage par répartition en fréquences, FDD, où

massif a été moins étudiée et doit, en particulier, faire appel à

les sens montant et descendant utilisent des bandes de fré-

des systèmes matériels d’émission réception différents.

quences distinctes, il faut effectuer l’évaluation des canaux radio à la fois dans le sens montant et dans le sens descendant : les résultats des mesures effectuées par les terminaux

Une efficacité spectrale très supérieure à celle de la 4G

doivent être retournés à la BS. Les travaux effectués sur ce

Dans le MIMO massif, les ondes émises par le réseau d’an-

sujet ont montré que le domaine d’efficacité du MIMO massif

tennes préalablement mises en forme grâce au pré-codage se

se trouvait notablement réduit et que son intérêt se trouvait

combinent positivement dans les zones où sont supposés se

limité à des scénarios particuliers, de faible mobilité et de

trouver les terminaux et s’annulent dans les autres zones5. C’est

basse fréquence.

la focalisation vers les zones où se trouvent les terminaux qui

Mais la limitation du MIMO massif au mode de duplexage TDD peut constituer une limite à son usage dans la mesure où l’ingénierie de beaucoup de réseaux est fondée sur le FDD. Pour le moment les travaux menés sur ce thème ont 3

Time Division Duplexing

4

Massive MIMO : Ten Myths and One critical question E. Bjornson. E.G. Larsson and T.L. Marzetta : disponible sur https://arxiv.org/ abs/1503.06854 5 Voir “Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems” E.G. Larsson, O. Edfors, F. Tufvesson, T.L. Marzetta : disponible sur https:// arxiv.org/abs/1304.6690

REE N°3/2017 Z 19


L'ARTICLE INVITÉ

ETIENNE BEEKER Conseiller scientifique à France Stratégie

Décentralisation, nouveau paradigme de la transition énergétique ? RÉSUMÉ Dans l’énergie, à l’instar de nombreux autres domaines, le modèle centralisé est aujourd’hui remis en cause sous la poussée sociétale, alimentée par les évolutions technologiques récentes dans les énergies renouvelables, le stockage ou encore la digital t lisation du secteur. Ce mouvement vient principalement d’Allemagne et de l’Energiewende, la transition énergétique à l’allemande qui tend à s’affranchir des énergies conventionnelles centralisées et à remunicipaliser la production et la gestion de l’énergie i suivant un modèle d’organisation traditionnel propre à ce pays. Les technologies sont cependant loin d’être mûres qui permettent de mettre en place un tel modèle, et en particulier le stockk age intersaisonnier qui permettrait d’utiliser pendant l’hiver l’électricité produite par les panneaux solaires en été. La pénétration de l’économie digitale dans le secteur énergétique est plus prometteuse à court et moyen terme, mais implique de sortir les consommateurs de leur passivité et de les transformer en consom’acteurs, les sondages révélant qu’ils sont plus sensibles à leur facture qu’à l’origine de leur électricité. Pour autant une telle évolution est en marche et le risque actuel est de céder à l’impatience et de vouloir installer un tel modèle en forçant la pénétration de technologies non matures ou sans avenir, avec pour conséquence de voir le contribuable financer des installations au bénéfice de quelques-uns, tout en faisant supporter les coûts du maintien de la sécurité d’approvisionnement au reste de la collectivité. ABSTRACT As is the case in other sectors, the energy industry’s centralized model is today being challenged by societal pressure and recent technological progress in renewable energy, storage capability and digitization. This trend comes mainly from Germany and its Energiewende, or energy transition, which has encouraged the development of non-conventional decentralized energy sources, generated and managed in line with Germany’s long-standing tradition of organizing the sector. Nevertheless, the technologies are far from ripe for such a model, in particular for inter-seasonal storage, which makes it possi-i ble to use the electricity generated by, say, solar panels during the winter. The penetration of the digital economy in the energy sector is more promising in the short and medium terms, but to be successful, consumers must be made active participants in the sector – so-called prosumers. This necessity is confirmed by surveys that reveal they are more sensitive to their bill than the origin of their electricity. While this change is currently taking place, the risk is to give in to impatience and want to install such a model by implementing technologies that are not yet mature or whose future is in doubt. The consequence could well be taxpayers financing infrastructure for the benefit of a minority while footing the bill for the costs of maintaining security of supply to the rest of the community.

Dans l’énergie, à l’instar de nombreux autres domaines, le modèle centralisé est aujourd’hui remis en cause

L

potagers (on parle de « cultiver l’énergie » dans des « jardins ou des champs solaires »). Le sujet fait consensus et se retrouve désormais sur le

e développement des énergies renouvelables,

devant de la scène avec l’apparition dans les médias spécia-

la maîtrise des émissions de CO2, les écono-

lisés de rubriques dédiées à la décentralisation énergétique,

mies d’énergie et la sortie des énergies conven-

qui se rangent au côté de celles dédiées aux énergies renou-

tionnelles constituent depuis un peu moins de

velables et à la lutte contre le changement climatique, leur

deux décennies l’alpha et l’oméga de la transition énergé-

volant parfois la vedette. Comme enjeu de pouvoir, il a logi-

tique, du moins en Europe. A ces objectifs a été aujourd’hui

quement pris une tournure politique, comme on a pu le voir

adjoint un nouveau mantra qui est de produire et de gérer

lors de la dernière élection présidentielle où les candidats se

l’énergie localement, si possible de manière collaborative. Le

sont presque tous exprimés sur cette question, les prises de

but de ses promoteurs est double : faire en sorte que les

position allant des plus radicales (dénonciation des « énerr

consommateurs se « réapproprient » cette gestion et minimi-

gies centralisées, opaques, liées aux dictatures, organisées

ser les flux physiques échangés grâce à des circuits courts,

sur la rente » et promotion d’une « révolution citoyenne grâce

comme si l’énergie et même l’électricité étaient des produits

à l’énergie solaire qui permette aux collectivités locales ou à

32 Z REE N°3/2014


L'ARTICLE INVITÉ

Figure 1 : Le modèle du futur ? Le réseau desservant les consommateurs depuis des grandes centrales de production conventionnelles laisserait sa place à un réseau distribué composé de boucles locales et orchestré par un centre de contrôle intelligent – Source ENISA, Colorado State University. des regroupements de consommateurs d’être autonomes »)

de leurs coûts, due aux économies de série. Il est désor-

à d’autres plus modérées (« redonner du corps au poncif

mais imaginable de satisfaire l’aspiration à l’autonomie éner-

d’une transition énergétique qui ne se fera qu’au niveau des

gétique exprimée par de nombreux Français, d’autant que

territoires »).

de nouvelles technologies comme le stockage et les réseaux

Mais rappelons que si les réseaux électriques se sont

intelligents ou “smart grids”, promettent aux consommateurs

autrefois imposés, c’est qu’ils constituaient la façon la plus

de pouvoir gérer au plus fin leurs besoins énergétiques en

économique de mettre en concordance spatiale et tempo-

fonction de l’offre disponible. Parce qu’elle est capable de ré-

relle des moyens de production diversifiés – dans leur nature

pondre à tous les usages – s’éclairer, se chauffer, s’informer,

comme dans leur localisation – avec des usages dispersés et

se déplacer, etc. – l’électricité est concernée au premier chef.

variables. La France, à l’instar de tous les pays avancés, a fait

Mais la chaleur, qui se transporte mal, et la production de gaz

le choix après la Seconde Guerre mondiale de développer

à partir de déchets ou de biomasse, qui n’a d’intérêt que si

un système électrique centralisé, tirant parti des économies

elle est réalisée localement, s’intègrent bien à ce nouveau

d’échelle qu’il procurait. La péréquation tarifaire et l’obligation

monde que certains appellent de leurs vœux.

de desserte ont permis de maintenir l’égalité de traitement

De fait, ces évolutions techniques sont portées par les évo-

entre tous les consommateurs, y compris pour les territoires

lutions sociétales. De nombreux citoyens souhaitent adopter

d’outremer qui disposent de systèmes de production d’élec-

des comportements plus vertueux et plus sobres dans la

tricité spécifiques. L’ancien modèle énergétique avait donc

consommation des ressources, ce qui peut paraître d’autant

quelques vertus, et si le nouveau modèle décentralisé appa-

plus accessible que celles-ci sont proches d’eux. Une crois-

raît attrayant, quelles peuvent être les chances qu’il voie le

sance verte, fondée sur les énergies « propres » et l’économie

jour dans la décennie qui vient sur notre continent ?

circulaire, doit à leurs yeux prendre le relais de la croissance

Une tendance sociétale dans l’air du temps alimentée par les évolutions technologiques récentes

traditionnelle, tout en créant de nouveaux marchés et de nouveaux emplois. L’autoconsommation fait son apparition, encouragée par la baisse du prix du solaire photovoltaïque, par la hausse du prix du kWh issu des réseaux centralisés et

Les évolutions technologiques ont récemment fait bouger

enfin par une tarification héritée du passé, reposant princi-

les lignes. Le développement accéléré des énergies renou-

palement sur le kWh consommé et très peu sur les services

velables (EnR) depuis une décennie a entraîné une baisse

auxquels le réseau donne accès.

REE N°3/2017 Z 33


L'ARTICLE INVITÉ

Figure 2 : Evolution de la capacité électrique en Allemagne par types de moyens : la capacité en moyens stables et conventionnels reste proche de 100 GW, tandis que se développent les moyens intermittents. Le décrochage en 2011 est dû à l’arrêt de 7 tranches nucléaires suite à la catastrophe de Fukushima – Source : https://www.energy-charts.de/power_inst.htm

L’Allemagne, pionnière de la transition énergétique, a initié cette tendance mais fait face aujourd’hui à de nombreux défis

lation mais fait face à de nombreux défis. Le prix du kWh a quasiment doublé en 10 ans en raison des charges liées au développement des EnR (« EEG-Umlage ») mais aussi,

Ce mouvement profite-t-il simplement d’un effet de mode

et plus récemment, de la part des charges liées à la gestion

ou est-il le fruit d’évolutions plus profondes ? Le cas de l’Alle-

du réseau (« Netzentgelt »). De manière logique, quoique

magne est à observer, le pays s’étant fait le champion d’un

contre-intuitive, les Allemands se voient en effet dans l’obli-

tel modèle en réactivant avec l’Energiewende – littéralement

gation de renforcer leur réseau, tant pour la distribution que

« le tournant énergétique » – une ancienne tradition de pro-

pour le transport du courant. Les gisements de vent ou de

duction et de gestion énergétiques par les entités locales, qu’il

soleil n’ont pas eu la bonne idée de se situer à proximité

s’agisse des Länder ou des Stadtwerke (services municipaux ;

des centres de consommation (voir par exemple le contraste

en France certains parlent d’ailleurs de « remunicipalisation »

entre le Nord, venté, et le Sud, industriel). Plus généralement,

de la gestion énergétique). Outre-Rhin, l’énergie nucléaire a

les EnR produisant avec un facteur de charge réduit, la puis-

toujours été perçue comme une énergie centralisée, néces-

sance installée pour la même énergie produite est bien plus

sairement gérée au niveau fédéral, voire transnational, et c’est

importante que pour un moyen fonctionnant en base. Outre-

précisément une des raisons pour laquelle nos voisins sou-

Rhin, entre 2008 et 2016, seuls 12 GW d’installations de pro-

haitent s’en affranchir. Le choix en faveur des énergies renou-

duction centralisée, dont 9,5 GW nucléaires, ont été arrêtés

velables, au-delà du projet de création d’une filière industrielle,

alors que près de 80 GW ont été mis en service, très majo-

a aussi été un moyen de se réapproprier la gestion énergé-

ritairement d’éolien et de solaire photovoltaïque (figure 2). Il

tique au niveau local. La participation des citoyens à la tran-

convient en outre de rappeler que les réseaux sont dimen-

sition énergétique est incitée à tous les niveaux et le terme

sionnés pour les pointes de transit. Conséquence imprévue,

d’ « énergie citoyenne » est fréquemment utilisé, même s’il

les Länder se retrouvent paradoxalement plus dépendants

n’existe pas de définition claire à ce terme. Des universités,

les uns des autres et soumis à une régulation fédérale plus

comme celle de Leuphana ont cependant tenté de théoriser

prégnante.

1

autour de ce concept et d’en apporter une définition détaillée

cipation sous forme d’apports en fonds propres et l’obtention

Des coûts de transition très importants faisant réapparaître les inégalités entre Länder

de droits de vote pour le pilotage des projets.

Le montant des investissements déjà engagés par l’Alle-

approximative. Au sens strict, une société d’énergie citoyenne se caractériserait par son ancrage régional, une prise de parti-

Six ans après son lancement, la transition énergétique alle-

magne dans les EnR jusqu’au début de l’année 2017 donnent

mande continue de bénéficier de l’appui massif de la popu-

le vertige. Le chiffre couramment avancé s’élève à 500 mil-

1

www.leuphana.de/fileadmin/user_upload/Forschungseinrichtungen/professuren/finanzierung-finanzwirtschaft/files/Definition-und-Marktanalysevon-Buergerenergie-in-Deutschland.pdf

34 ZREE N°3/2017

liards d’euros (soit environ le quart de la dette française) auquel il faut rajouter les dépenses « annexes », en particulier pour le renforcement du réseau. Celles-ci se comptent tout


LES GRANDS DOSSIERS

Introduction

Protection contre la foudre : état de l’art et perspectives Protection des structures

La protection contre la foudre est en évolution régulière depuis sa création par Ben-

La protection contre les chocs de foudre

jamin Franklin et d’autres chercheurs dans le

directs est devenue une approche système

monde, mais elle s’approche sans doute de

comprenant la capture, les conducteurs de

la maturité. Pendant longtemps la protection

descente, la prise de terre foudre et l’équipo-

contre la foudre s’est résumée à installer un

tentialité notamment grâce aux parafoudres

paratonnerre sur le point le plus haut de la

dits de type 1. Ces derniers limitent le risque d’incendie et les dommages importants en

structure. Ensuite, il est apparu qu’en concentrant la foudre en un endroit donné on créait des surtensions dommageables aux équipements électriques. Il est devenu obligatoire

Alain Rousseau Président du club Foudre de la SEE

dérivant le courant perturbateur à l’extérieur de la structure via les lignes électriques. Dans ce système, tout est important et pas

d’installer des parafoudres pour protéger les équipements

seulement la capture, même si celle-ci reste fondamen-

électriques dès lors qu’on installait un paratonnerre pour

tale (le reste n’est plus pertinent dès lors que la foudre

protéger la structure du bâtiment. Le développement

a manqué le dispositif de capture et dégradé la struc-

rapide des systèmes de communication et électroniques

ture supposée protégée). Même lorsque le système de

a conduit à installer davantage de parafoudres pour pro-

protection capte la foudre et conduit le courant vers la

téger les systèmes sensibles. En général les surtensions

terre, un amorçage électrique entre ce système de pro-

sur les lignes sont bien plus nombreuses que les chocs de

tection et un élément métallique à proximité peut se pro-

foudre directs sur la structure, même si elles sont moins

duire. Une dégradation est alors possible. C’est la raison

énergétiques et donc moins dommageables. Ce qui était

pour laquelle une distance minimale entre le système de

peu visible tant qu’on avait une approche macroscopique

protection et les éléments métalliques à proximité est

est devenu vital dès lors qu’on a éliminé les plus gros pro-

définie lors de la conception du système de protection :

blèmes (comme par exemple l’incendie de la toiture ou

c’est le concept de la distance de séparation. Jusqu’à

de la structure suite à un choc de foudre direct) et que

récemment on imaginait qu’une installation de protec-

l’approche s’est affinée. L’évolution des techniques de pro-

tion foudre constituée d’un paratonnerre et de quelques

tection s’est ainsi développée selon trois axes.

parafoudres garantissait une protection satisfaisante. Ce n’est pas toujours le cas. Cette vision simpliste est ba-

Définition des structures et équipements à protéger

sée essentiellement en France sur le fait que le nombre de chocs de foudre, notamment d’amplitude élevée,

La première étape d’une protection contre la foudre

reste faible sur une installation donnée. De nombreux

est de définir ce qu’il faut vraiment protéger. Pendant

exemples dans les pays très foudroyés, situés en Afrique

longtemps, la règle était de tout protéger ou presque : la

ou en Asie, montrent qu’une installation de protection

structure, son toit, ce qui se trouve au-dessus du toit (an-

foudre doit respecter des règles très précises. Pour cela

tennes, climatiseur, éclairage…), les équipements dans la

il est nécessaire de prendre en compte les courants les

structure, etc. Les règles physiques étant mal connues, on

plus élevés retenus dans l’ARF. Ceci a conduit au déve-

imaginait qu’avec un paratonnerre sur le toit et quelques

loppement des systèmes de protection foudre isolés qui

parafoudres on protégeait tout. En cas de doute, on instal-

garantissent que la foudre entrée par le paratonnerre ne

lait au contraire des parafoudres partout. Depuis l’année

passera nulle part ailleurs dans la structure que dans la

2006, qui constitue une année charnière pour la protec-

prise de terre dédiée. Ceci implique également des exi-

tion foudre, une méthodologie connue sous le nom d’ana-

gences très sévères pour des composants aussi simples

lyse du risque foudre (ARF) est utilisée pour déterminer

que des connecteurs ou des fixations. Une fixation qui

précisément ce qui doit être protégé et avec quelle effi-

lâche, un conducteur qui se sectionne et des dommages

cacité. On peut ainsi montrer qu’une antenne sur le toit,

importants peuvent se produire dans la structure. La

même si elle est impactable n’a pas besoin d’être protégée

prise de terre foudre a également son importance pour

si elle ne remet pas la sécurité en cause.

l’efficacité de la capture, pour limiter la tension de pas et

42 ZREE N°3/2017


Introduction

LES GRANDS DOSSIERS

de contact qui provoquent l’électrisation des personnes

de protection progressent et leur fiabilité s’accroît. Il reste

et influence le dimensionnement des parafoudres de

cependant des pistes de progrès à suivre notamment pour

type 1. Enfin, l’équipotentialité par conducteur et para-

tenir compte du retour d’expérience.

foudre est la garantie d’une protection efficace en ce qui

La connaissance du phénomène foudre est évidem-

concerne les plus gros dommages. Elle est indispensable

ment à la base de toutes les recherches pour s’en pro-

lorsque la distance de séparation ne peut être respectée.

téger. Dans ce domaine, les études sont multiples et l’article de Christian Bouquegneau présente un panora-

Protection des équipements Les protections internes sont devenues plus efficaces

ma des connaissances actuelles et des sujets qui restent encore à explorer.

notamment grâce à la combinaison de plusieurs solutions

L’analyse du risque foudre (ARF), première pierre de

incluant des parafoudres de type 2 qui limitent les sur-

l’édifice de protection, est un outil adapté aux structures

tensions au niveau des équipements, le blindage de la

complexes. Pour les structures simples (habitat, petit ter-

structure, des équipements ou du câblage, la ségrégation

tiaire…), le choix d’un niveau de protection moyen par dé-

des câbles et la diminution de la surface des boucles pour

faut peut suffire. La normalisation, notamment française,

ne citer que les principales. C’est surtout dans le domaine

s’oriente dans ce sens avec une future norme sur la protec-

des parafoudres que les progrès ont été les plus notables.

tion de l’habitat. Pour les structures complexes, il faut une

La longueur maximale de câblage est devenue une règle

méthode complète et précise. L’ARF est parfois décriée par

connue de tous les spécialistes sous le nom de règle des

certains qui continuent de définir des protections selon

50 centimètres. Cette règle est contraignante mais est

leur expérience personnelle. Il est vrai que la méthode

fondamentale pour assurer l’efficacité des parafoudres et

est complexe car les phénomènes foudre sont complexes

de nombreuses méthodes existent pour la rendre appli-

mails elle a démontré son efficacité. Elle peut encore être

cable en pratique (conducteurs spéciaux avec inductance

améliorée avec par exemple une meilleure estimation de la

faible, utilisation de l’enveloppe métallique des tableaux,

densité de foudroiement grâce à des réseaux de détection

borne de terre intermédiaire, parafoudre avec un meilleur

foudre performants ou par une prise en compte des par-

niveau de protection que demandé…). Cette règle est fon-

ticularités du site. En effet, la répartition locale des ampli-

damentale pour le parafoudre situé en tête d’installation

tudes des courants de foudre peut être évaluée par certains

dont l’objectif est de bloquer la plus grosse partie de la

réseaux de détection. L’article de Stéphane Pédeboy, Marc

surtension. Par contre après une certaine distance (géné-

Bonnet et Stéphane Schmitt est très complet sur l’évolu-

ralement 10 m de câblage parfois moins) la protection of-

tion des réseaux de détection, leurs capacités actuelles et

ferte par le parafoudre de tête devient médiocre ou même

futures. C’est sans doute un des meilleurs axes de déve-

inexistante. Il faut donc d’autres parafoudres, dits de type

loppement que de mieux connaître la foudre au niveau

2, dans l’installation pour protéger les équipements listés

local. La détection des orages permet aussi de prévenir les

par l’ARF. Les parafoudres type 1 et type 2 doivent tra-

personnes situées à l’extérieur d’un danger imminent ou

vailler ensemble de manière coordonnée. Ils doivent se

même dans l’industrie de stopper ou retarder une opéra-

partager l’énergie de l’onde de foudre et assurer un niveau

tion dangereuse. L’amélioration de l’ARF portera aussi sur

de protection (un niveau de surtension résiduel) optimal

la prise en compte de l’efficacité des parafoudres ou des

au niveau des matériels les plus sensibles. C’est la tech-

courants de foudre non normalisés. L’article de Vincent

nique de la coordination. L’application de ces deux règles

Rogez et Anthony Bergot donne un panorama de ce

est la solution pour obtenir un système de protection inté-

qu’on peut attendre de cette méthode et comment l’adap-

rieur efficace à condition de prendre en compte toutes les

ter aux installations les plus sensibles ou complexes.

sources de dommages (choc de foudre direct, induit, surtensions atmosphériques).

Dans le domaine de la protection contre les chocs de foudre directs, les progrès sont assez lents et on utilise encore des paratonnerres peu différents de ceux de Ben-

Quels sont les points marquants de la protection foudre actuelle ? Quelles sont les évolutions attendues ?

jamin Franklin. C’est surtout sur leur mise en œuvre et sur les modèles de protection que les progrès sont attendus. Les systèmes de protection foudre isolés devraient

L’observation des événements comme l’ont fait les

se généraliser car ils sont seuls capables de maîtriser

pionniers de la protection et la recherche sur le sujet font

la circulation du courant de foudre dans une structure.

l’objet de nombreuses publications dans les conférences

L’article de Régis Reeb présente l’intérêt des systèmes

scientifiques internationales. Il s’avère que les solutions

isolés tant pour la structure que pour les équipements

REE N°3/2017 Z 43


LES GRANDS DOSSIERS

Introduction

et montre que la technologie nécessaire pour contenir

quelques réalisations spécifiques ainsi que plus généra-

la foudre dans un câble dédié est complexe et néces-

lement les évolutions attendues de la protection foudre

site de nombreux essais de validation. Par ailleurs, on

dans le monde.

commence à voir apparaître des modèles de protection

En conclusion, les technologies de détection des im-

foudre optimisés qui permettent de mieux positionner

pacts de la foudre et de protection foudre continuent de

les éléments de capture.

progresser en suivant les besoins observés sur le terrain

Dans le domaine des parafoudres, les progrès sont

et les évolutions technologiques tant des systèmes à pro-

plus rapides pour suivre les évolutions des technologies

téger que des systèmes de protection. L’exigence primor-

à protéger. Ainsi des parafoudres adaptés pour les instal-

diale des utilisateurs est aujourd’hui d’être informés à

lations photovoltaïques ou l’éolien ont vu le jour : l’article

l’avance et de façon fiable de l’arrivée prochaine d’un évè-

de Christian Macanda présente les besoins actuels et

nement foudre pour protéger en priorité les personnes.

attendus par les nouvelles technologies qui sont de plus

En ce qui concerne les structures et les équipements, l’exigence est l’efficacité et ceci

en plus sensibles aux surtensions. Il est à noter que la France a une position forte dans le domaine de l’étude de la foudre, de la détection des orages et de la protection contre la foudre malgré un foudroiement qui n’est pas le plus

ALAIN ROUSSEAU a débuté sa carrière à EDF comme ingénieur chercheur. Puis il a travaillé comme installateur puis producteur de systèmes de protection foudre dans des sociétés internationales avant de rejoindre en 2000 SEFTIM bureau d’étude foudre

d’autant plus qu’un système de protection foudre peut coûter relativement cher dès lors qu’il n’est pas prévu à la conception. Le système de protection foudre doit être

et CEM, société indépendante dont il est

optimisé lors de son design, ins-

élevé du monde. Une des raisons

le président. Il a poursuivi ses travaux de

tallé en application des exigences

est sûrement liée aux exigences

recherche sur la protection contre la foudre

les plus sévères, contrôlé avant sa

de qualification en France pour les

avec de nombreuses publications interna-

réception et de façon périodique.

acteurs de la foudre grâce au réfé-

tionales. Il préside le comité scientifique

Le niveau de performance des

rentiel Qualifoudre de l’INERIS qui

et technique de l’Association Protection

systèmes de protection foudre est

pousse cette activité vers de plus en

Foudre (APF)dédié à la protection des perr

encore aujourd’hui trop qualitatif.

plus de professionnalisme. La SEE a

sonnes, les commissions de normalisation

Des progrès doivent encore être

également joué son rôle dans cette

parafoudre et protection foudre de l’AFNOR

faits pour quantifier l’efficacité des

évolution car ce référentiel est basé

ainsi que la commission de normalisation

systèmes de protection, ce qui est

sur les travaux du club Foudre de la SEE. L’article d’Elysabeth Benali et Michael Troubatt présente ainsi le panorama de la foudre en France avec son cadre réglementaire et

parafoudre de l’IEC. Alain Rousseau est diplômé de l’école Centrale de Lyon et titulaire d’un DEA d’électrotechnique. Il est membre émérite du CIGRE et président du club Foudre de la SEE.

nécessaire pour valider sur le terrain les conclusions de l’ARF. Une fois que cette dernière phase sera atteinte, on pourra considérer que la protection foudre est mature. Q

LES ARTICLES

La foudre – Phénoménologie Christian Bouquegneau ................................................................................................................................................ p. 45 Les réseaux de localisation des éclairs et leurs applications 30 ans de surveillance des orages Stéphane Pédeboy, Marc Bonnet, Stéphane Schmitt ......................................................................................... p. 52 Analyse du risque foudre. Etat de l’art et nouveautés Anthony Bergot, Vincent Rogez ............................................................................................................................. p. 59 La foudre en France : enjeux et solutions Elysabeth Benali, Michael Troubat ......................................................................................................................... p. 66 Nouveaux concepts de protection contre la foudre Régis Reeb .......................................................................................................................................................................... p. 74 Les parafoudres pour les nouveaux marchés du XXIe siècle Christian Macanda ....................................................................................................................................................... p. 80 44 ZREE N°3/2017


LA FOUDRE

DOSSIER 1

La foudre – Phénoménologie Christian Bouquegneau Recteur honoraire, université de Mons (Belgique) Président de CENELEC TC 81X (Lightning protection) Research on lightning is as old as research on electricity. From the middle of the eighteenth century, this natural phenomenon preoccupied researchers from various fields of study. In this paper, we analyze the atmospheric phenomena, leading to the generation of lightning flashes. The electrically charged cumulonimbus, king of the clouds, is the main source. This thundercloud seldom appears isolated. It can produce intracloud discharges, intercloud (cloud-to-cloud) discharges, cloud-to-air discharges, and cloud-to-ground discharges. We describe the cloud-toground discharge with emphasis on the various characteristics of the corresponding currents. Above thunderclouds, transient luminous events (reddish elves, red sprites, and blue jets), most of which are associated with highest-intensity lightning discharges, still await for a complete scientific explanation.

ABSTRACT

Introduction

La recherche sur la foudre est aussi ancienne que les recherches sur l’électricité. Depuis la moitié du 18e siècle, ce phénomène naturel a préoccupé les chercheurs de différentes disciplines. Dans cet article, nous analysons les phénomènes atmosphériques qui conduisent à la génération des éclairs. Le cumulo-nimbus chargé électriquement, roi des nuages, en est la principale source. L’orage situé dans le cœur du nuage apparaît rarement de façon isolée. Il peut provoquer des décharges intra-nuages (internes au nuage), internuages (de nuage à nuage) ainsi que des décharges entre le nuage et l'air ou entre le nuage et le sol. Nous décrivons les décharges entre les nuages et le sol en mettant l’accent sur les différentes caractéristiques des courants générés correspondants. Au dessus des orages nuageux, des manifestations lumineuses (sylphes rouges, elfes rougeâtres et jets bleus), dont la plupart sont associées à des éclairs de très haute intensité, attendent encore une explication scientifique complète. RÉSUMÉ

ou roi des nuages. Les cumulo-nimbus

6 et 22 km. Les cumulo-nimbus sont

L’étude scientifique de la foudre est

se présentent rarement sous forme iso-

pratiquement tous observés dans la

aussi ancienne que celle de l’électricité

lée, mais plutôt en agrégats. Ils diffèrent

troposphère où la température décroît,

[1, 2, 3]. Dès le milieu du XVIIIe siècle,

des autres nuages d’averses à la fois par

en moyenne, jusqu’à la tropopause,

ce phénomène naturel intrigua les cher-

l’échelle de leur extension tant verticale

limite supérieure de la troposphère. La

cheurs de diverses disciplines. Deux

qu’horizontale et par leur aptitude à

hauteur des cumulo-nimbus est liée à

siècles plus tard, le physicien écossais

donner naissance à des phénomènes

l’altitude de la tropopause, fonction de

Charles T.R. Wilson (1869–1959), fut

électriques.

la température. Variant avec la latitude,

le premier à déterminer la quantité de

Un cumulo-nimbus isolé (figure 1) a

elle diffère selon les saisons. Elle atteint,

charges électriques présentes dans un

la forme d’une tour verticale surmontée

exceptionnellement, 22 km sous les tro-

nuage orageux à partir de la mesure à

d’une zone supérieure appelée enclume

piques. Dans les régions tempérées, à

distance du champ électrique rayonné.

et située à une altitude variant entre

des latitudes moyennes, de 12 km l’été,

Le cumulo-nimbus, chargé électriquement, est le siège des phénomènes orageux. Il apparaît rarement isolé, ce qui conduit à divers types de décharges : nuage-nuage (inter-nuage ou intra-nuage), nuage-air ou nuagesol. La décharge électrique nuage-sol ou éclair à la terre mérite une attention particulière dans le cadre de la protection contre la foudre et il est essentiel de connaître les différentes caractéristiques des courants de foudre générés.

Nuage orageux Le nuage orageux est le plus vigoureux des nuages. On l’appelle cumulo-nimbus

Figure 1 : Couches atmosphériques, régions électriques et cumulo-nimbus typique [1].

REE N°3/2017 Z45


DOSSIER 1

LA FOUDRE

elle décroît jusqu’à 6 km l’hiver. La base d’un cumulo-nimbus est située entre 1 et 3 km du sol et occupe une surface de l’ordre de 10 km de diamètre. Son extension verticale exige la présence de masses d’air instable, humide et chaud, donc d’importants gradients de température sur de grandes épaisseurs. Dans un nuage orageux, les charges électriques positives et négatives se séparent pour former un gigantesque dipôle, voire un tripôle électrique. Ces charges

électriques

proviennent

du

frottement par collisions entre les cristaux de glace, qui se chargent positivement, et les grosses gouttes d’eau liquide (en surfusion) agglutinées sous forme de sphéroïdes de dimensions

Figure 2 : Répartition des charges électriques dans un cumulo-nimbus isolé [1].

centimétriques, qui se chargent négativement. Les cristaux de glace s’élèvent grâce aux courants d’air ascendants, les grosses gouttes liquides négatives, appelées hydrométéores, descendent par gravité. Un champ électrique intense apparaît. Si ce champ électrique atteint la valeur de la rigidité diélectrique de l’air, une décharge électrique de foudre est imminente à l’intérieur même du nuage. Comme le montre la figure 2, dans la phase de maturité du cumulo-nimbus, un certain équilibre électrique s’établit entre l’énorme charge électrique posi-

Figure 3 : Divers types de décharges de foudre : M décharge intra-nuage ; N décharge dans l’air ; O décharge inter-nuage ; P décharge au sol [1].

tive de 10 à 50 °C, voire jusqu’à 300 °C,

rieur même du cumulo-nimbus (figure

au sol sont positives. L’hiver, ou toute

assez diffuse de sa partie supérieure, et

3 M). Plus rarement, la décharge se

l’année dans les régions polaires, la

la charge électrique négative, tout aussi

prolonge dans l’air à l’extérieur du nuage

partie supérieure positive du nuage est

énorme, relativement concentrée ver-

mais s’interrompt (figure 3 N), on parle

plus proche du sol et la statistique des

ticalement (sur 1 km environ) dans sa

de décharge dans l’air. Parfois, une dé-

décharges au sol montre que les dé-

partie médiane. Cette charge négative

charge initiée dans une partie chargée

charges positives ont autant de chances

est séparée de la charge positive supé-

d’un premier cumulo-nimbus atteint la

de se présenter que les décharges

rieure par une zone quasi neutre, ainsi

charge électrique opposée du cumu-

négatives. En moyenne, on observe

que sous forme d’une petite poche posi-

lo-nimbus voisin (figure 3 O), c’est la

une décharge au sol pour trois (régions

tive, de l’ordre de 10 % de la charge posi-

décharge inter-nuage. La décharge au

tempérées) à dix (régions équatoriales)

tive supérieure, qui se maintient dans la

sol est initiée préférentiellement dans la

décharges intra-nuages ou inter-nuages.

partie inférieure du nuage.

région inférieure du nuage où subsiste une charge positive (figure 3 P), mais

Formes et classification des éclairs

Types de décharge de foudre

peut aussi avoir pour origine la charge

Le type de décharge électrique le

négative médiane ou la charge positive

L’éclair est la manifestation lumi-

plus fréquemment rencontré est la dé-

supérieure. L’été, dans les régions tem-

neuse du coup de foudre. Les éclairs

charge intra-nuage, c’est-à-dire à l’inté-

pérées, 10 % seulement des décharges

peuvent être linéaires, ramifiés ou par-

46 ZREE N°3/2017


La foudre – Phénoménologie

fois en chapelett apparaissant sur le fond des nuages et constitués de fragments lumineux en ligne pointillée correspondant aux zones de striction successives du plasma. Les premières décharges électriques se manifestent à l’intérieur même de la cellule orageuse et cela dès la phase initiale, environ un quart d’heure avant la maturité indispensable au jaillissement des décharges au sol. En matière de prévention, ce quart d’heure apporte une certaine marge de sécurité. Une décharge au sol est souvent initiée par une décharge préliminaire au sein même du nuage orageux. On dénombre quatre types de décharges au sol (figure 4), selon la polarité de la charge électrique du nuage d’où émane ou vers laquelle converge une prédécharge pilote, peu lumineuse, appelée aussi précurseurr ou traceurr ou encore leader.r Si l’on tient compte du troisième

Figure 4 : Les quatre types de décharges au sol [1].

paramètre, selon que la décharge est complète ou s’interrompe dans l’air, on dénombre huit situations possibles. Ainsi, en terrain plat, on rencontre très fréquemment un traceur négatif descendantt (environ 90 % des cas dans les régions tempérées), ou, plus rarement, un traceur positif descendant (orages hivernaux et parfois dans des conditions d’orages exceptionnellement intenses). Toutefois, essentiellement à partir de structures élevées et effilées, peut apparaître soit un traceur positif ascendant,t soit, plus rarement, un traceur négatif ascendant. Décrivons le mécanisme d’apparition d’un coup négatif à partir d’un traceur négatif descendantt en terrain plat. La figure 5 illustre l’évolution dynamique de la trajectoire d’un traceur saccadé (traceur par bonds) s conduisant à la décharge négative au soll ou coup négatif.f

Figure 5 : Développement du traceur négatif descendant et du coup négatif en terrain plat [1].

Un traceur descendant progresse par

de 20 à 50 μs et se propage vers le sol.

décharges partielles ascendantes posi-

bonds de 10 à 200 m à une vitesse rela-

Lorsque la tête du traceur s’approche du

tives qui se forment durant la période

tivement faible (de l’ordre de 100 km/s),

sol, le champ électrique y croît fortement

dite d’attachement ’ t ou processus d’interr

en impulsions de courant de l’ordre de

et, souvent à partir d’objets pointus ou

ception. Ces traceurs ascendants posi-

1 kA. Il se développe avec des pauses

d’irrégularités de surface au sol, initie des

tifs se développent jusqu’à ce que l’un

REE N°3/2017 Z 47


LES GRANDS DOSSIERS

Introduction

Les microgrids : une thématique qui transforme le monde de l’électricité Deuxième partie Introduction

monde de l’énergie (les utilities) et des

La précédente édition de la REE compor-

chercheurs universitaires viennent com-

tait un premier dossier sur les microgrids et

pléter notre dossier.

proposait une vision d’ensemble sur la ques-

L’article d’ouverture donne la parole à

tion. Les typologies possibles de microgrids

un représentant de la CRE qui présente

étaient données, ainsi que des illustrations.

sa vision des microgrids. Il précise le rôle

Les microgrids se multiplient, que ce soit

que peuvent avoir les microgrids pour

pour alimenter des régions isolées ou des campus. Des microgrids sont également présents dans des communautés qui sou-

contribuer à la transition énergétique, Bruno Meyer RTE

haitent produire localement leur énergie,

notamment par l’intégration des énergies renouvelables. Il souligne également leur rôle pour participer à la résilience des ré-

en utilisant au maximum les énergies renouvelables. Ils

seaux, ainsi que pour renforcer la solidarité territoriale.

se profilent aussi dans des zones bien raccordées au ré-

Bien que des défis technologiques persistent, comme

seau principal mais dans lesquelles les clients sont prêts

celui du stockage d’énergie, leur développement est

à payer pour se prémunir d’éventuelles pannes, quitte à

nécessaire et utile.

payer des solutions de secours, comme cela peut être le cas après une tempête ou un ouragan.

La seconde contribution, du groupe Engie, insiste sur l’efficacité des microgrids pour l’intégration des éner-

Les microgrids pour les communautés isolées

gies renouvelables à grande échelle. Grâce à l’utilisation

constituent une solution permettant de répondre aux

de nouvelles technologies, ils permettent de fournir des

besoins, avec une qualité suffisante et dans des condi-

solutions énergétiques multi-fluides complètes. Cet ar-

tions technico-économiques raisonnables. Dans le cas

ticle présente deux études de cas spécifiques : la station

des pays et des zones développées, ils répondent à

isolée de Princesse Elisabeth en Antarctique et le projet

une attente nouvelle des consommateurs. Cela s’ex-

de démonstration REIDS à Singapour.

plique tant par la recherche d’une autonomie souhai-

Le troisième article est issu de centres de recherche

tée que par la volonté de s’inscrire dans un mouvement

grenoblois. Partant du diagnostic que les solutions uti-

plus général de consommation « verte » et locale. Les

lisées pour intégrer stockage et énergies renouvelables

clients adopteraient pour l’électricité les mêmes com-

dans des microgrids sont tributaires d’une production

portements que ceux qui les animent pour leurs achats

intermittente, ces chercheurs examinent les besoins

de fruits et de légumes.

en termes de technologies de l’information et de la

Mais le parallèle n’est pas trivial. Si les microréseaux

communication (TIC), depuis les centres de contrôle

représentent une tendance réelle, qui répond à des

jusqu’aux moyens de production et de consomma-

besoins de segments variés, en bénéficiant de tech-

tion. L’article traite d’une proposition de participation

nologies nouvelles, ils s’insèrent dans l'environnement

des charges locales à la stabilité en fréquence des

global et vaste des réseaux électriques – des systèmes

réseaux afin de mettre en place un réglage primaire

électriques devrait-on dire – tout entiers.

de fréquence distribué sur l’ensemble des composants

Dans le numéro 2017-2 de la REE, nous avons publié des articles provenant de divers équipementiers

actifs du système et réduire au maximum le coût des réserves.

visant à définir les concepts des microréseaux et à les

L’article du centre d’EDF Lab présente le labora-

illustrer. Par ailleurs une présentation originale a été

toire Concept Grid qu’EDF a mis en place dans son

faite de l’utilisation de la chaîne de blocs pour garan-

centre de recherche près de Fontainebleau. De tels

tir les transactions dans des communautés énergé-

bancs d’essais sont précieux pour tester des solutions

tiques locales.

de conduite innovantes en condition réelle. La plate-

Dans la présente édition de la REE, cinq articles

forme Concept Grid y est décrite, avec ses briques

d’acteurs représentant le régulateur, des acteurs du

élémentaires qui représentent un réseau électrique

86 ZREE N°3/2017


Introduction

LES GRANDS DOSSIERS

connectant consommation et moyens de production.

nissent un aperçu international et sous différents points

Fidèle représentation de la réalité, elle va depuis le

de vue d’une thématique qui, bien qu’ancienne, occupe

poste-source jusqu’aux clients, avec trois kilomètres de

toujours les devants de la scène. Adaptés à différents

réseau 20 kV en aérien et souterrain, des résistances,

contextes, les microgrids se retrouvent depuis le stade

inductances et capacités, quatre postes de raccorde-

de la communauté dans une région en développement

ment de distribution et un réseau basse tension 230 V.

économique avec déficit de production, jusqu’à celui

Une présentation est faite d’une application à des tests

d’une zone non raccordée au réseau principal, en pas-

d’îlotage pour le démonstrateur Nice Grid.

sant par les communautés bien raccordées mais dispo-

Le dernier article de cette édition est dédié aux

sées à payer pour un secours en cas d’avarie. Dans la

réseaux îliens. Il est présenté par la filiale d’EDF, SEI

plupart des cas, ces microgrids concourent à intégrer

(Systèmes électriques insulaires). Les ZNI (zones insu-

les énergies renouvelables, et en cela, participent à la

laires non interconnectées) sont une catégorie de ré-

transition énergétique.

seaux en soi. Ici, ce sont les ZNI de petite taille qui sont

Mais il ne faut pas céder à un raisonnement sim-

examinées, pour lesquels le terme et surtout les tech-

pliste ou trop enthousiaste. Les microgrids bénéfi-

nologies des microgrids sont particulièrement bien

cient des avancées technologiques et permettent

adaptés. Les réseaux présentés ont des puissances

de répondre à des attentes des consommateurs. Les

de pointe de quelques centaines de kW, ou quelques

études prévoient une capacité mondiale d’environ

MW au maximum. Bien que leur nombre soit impor-

8 GW en 2024. Ils resteront donc durablement très

tant en France, que ce soit les îles du Ponant, de Sein,

minoritaires dans le système électrique mondial qui

d’Ouessant ou de Chausey, les communes de Guyane,

bénéficie d’infrastructures existantes d’une capacité

le cirque de Mafate à La Réunion ou Saint-Pierre-et-

d’environ 6 000 GW et dont les actifs se chiffrent en

Miquelon, leur diversité est tout aussi importante. Deux exemples sont présentés plus en détail : l’île d’Ouessant et la commune de Guyane, Saint-Georges-del’Oyapock.

dizaines de milliers de milliards Bruno Meyer est Manager Business Development à RTE. Il a travaillé à EDF de 1985 à 2008 où il a exercé différentes fonctions d’expertise et de management

d’euros. Cependant il faut les prendre en compte et les microgrids sont souvent une source d’innovation.

Ils

représentent

avant de rejoindre le Groupe RTE en 2009

une des facettes d’un ensemble

où il a été directeur général d’Arteria de

qui doit être vu comme continu

quatre du numéro 2017-2 de la

2011 à 2016. Il est membre senior de la SEE

et que l’on peut appeler le ré-

REE, offrent un panorama com-

et Fellow de l’IEEE.

seau électrique, qu’il soit nano,

Ces cinq articles, ajoutés aux

plet sur les microgrids. Ils four-

smart, micro ou super. Q

LES ARTICLES

Les microgrids d’hier et d’aujourd’hui. L’évolution de la place des microgrids dans le système électrique. Didier Laffaille ............................................................................................................................................................... p. 88 Modelling and techno-economic analysis of microgrid applications. Siebert Bressinck, Stijn Uytterhoeven, Baptiste Rossi ................................................................................... p. 98 Demand Side Management and Frequency Support within microgrids Thomas Morris, Da Wang, Gaspard Lebel, Catalin Gavriluta, Cedric Boudinet, Vincent Debusschere, Raphael Caire ................................................................................. p. 105 Concept Grid : Un laboratoire au service des microgrids. Aude Pelletier, Loïc Joseph-Auguste et Cristian Jecu .................................................................................... p. 112 Enjeux et réalisations de SEI dans les microgrids. Les défis de la transition énergétique des microréseaux insulaires Caroline Ducharme, Sébastien RUIZ et Etienne Radvanyi ............................................................................. p. 118

REE N°3/2017 Z 87


DOSSIER 2

LES MICROGRIDS (PARTIE 2)

Figure 1 : La boucle énergétique du microgrid — Source CRE.

Les microgrids d’hier et d’aujourd’hui L’évolution de la place des microgrids dans le système électrique Didier Laffaille Chef du département technique, Commission de régulation de l’énergie Once used solely to secure energy supply in areas remote from the main grid, microgrids have evolved to become a medium for the energy transition over the course of the last 30 years. As they are particularly useful for the integration of renewable energy sources, microgrids are now fully integrated in many smart grids projects and raise a number of issues about self-generation, private grids, grid resilience as well as in France, the French principle of territorial solidarity. Their development still faces many technical challenges, among which is the reliability and capacity of energy storage technologies. Still, the crux of the matter today may well be the safety of islanding processes and their effects on the main grid.

ABSTRACT

Introduction

Utilisés jusqu’à présent uniquement pour sécuriser la fourniture d’énergie dans les zones éloignées du réseau principal, les microgrids ont évolué pour devenir un instrument de la transition énergétique au cours des 30 dernières années. Comme ils sont particulièrement utiles à l’intégration de sources d’énergies renouvelables, les microgrids sont désormais complètement intégrés dans de nombreux projets de smart grids et posent un certain nombre de questions relatives à l’auto-production, aux réseaux grid privés, à la résilience des grids et, en France, au principe de solidarité territoriale. Leur développement doit encore faire face à de nombreux défis techniques dont la fiabilité et la capacité des technologies de stockage d'énergie. Aussi le point crucial aujourd’hui pourrait-il bien être la sécurité des processus d’îlotage et leurs effets sur le réseau principal. RÉSUMÉ

tiples installations de production locales

sion et de gestion de la demande. Ils

Les microgrids, ou micro-réseaux,

et diffuses (micro-turbines, piles à com-

peuvent être raccordés directement à

sont des réseaux électriques de petite

bustible, petits générateurs diesel, pan-

un réseau de distribution ou fonction-

taille, conçus pour fournir un appro-

neaux photovoltaïques, mini-éoliennes,

ner déconnectés du réseau (îlotage). Ce

visionnement électrique fiable et de

petite hydraulique), des installations

concept, susceptible de concerner diffé-

meilleure qualité à un petit nombre de

de consommation, des installations

rentes échelles du territoire (bâtiment,

consommateurs. Ils agrègent de mul-

de stockage et des outils de supervi-

quartier, zone industrielle ou artisanale,

88 ZREE N°3/2017


L’évolution de la place des microgrids dans le système électrique

village, etc.) est en train de s’élargir aux

aujourd’hui, la transition énergétique

réseaux de chaleur et de gaz naturel,

en a aussi fait un vecteur de dévelop-

et peut ainsi être pensé en termes de

pement de la production décentralisée

multi-fluides.

d’énergie.

Le marché des micro-réseaux électriques est en forte croissance dans le

Les microgrids traditionnels

monde. Alors que plus de 400 projets

Électrifier les zones isolées

Une réponse à la fragilité des réseaux Les microgrids fonctionnant en totale autonomie peuvent aussi constituer une réponse viable à la fragilité de certains réseaux urbains. Il s’agit d’un type particulier de microgrid, qui n’est pas le

représentant plus de 3,2 GWh d’électri-

Le développement des microgrids

plus répandu actuellement : les micro-

cité sont en cours de développement

permet d’électrifier durablement les

grids dotés d’un mode « îlotage ». Cette

ou déjà opérationnels, le nombre de ces

zones les plus isolées, difficiles d’ac-

solution est de plus en plus adoptée

projets devrait quadrupler d’ici 2020. La

cès, situées loin des réseaux de distri-

aux États-Unis, où ils sont vus comme

raison principale de cette forte augmen-

bution d’électricité. Un premier exemple

un moyen de garantir la sécurité d’ap-

tation réside dans la volonté de rap-

de microgrid : localisé au cœur d’une

provisionnement de zones trop sou-

procher la production d’électricité de la

réserve naturelle et uniquement acces-

vent victimes de défaillances de réseau,

consommation, de limiter les investisse-

sible en pirogue, le village de Kaw (en

entraînant des coupures d’alimentation

ments dans les réseaux de transport et

Guyane) comprend une cinquantaine

en électricité. Les réseaux très centralisés

de distribution et de réduire les pertes.

d’habitations et connaît des difficultés

sont plus vulnérables aux évènements

Et cela est aujourd’hui rendu possible

d’approvisionnement en électricité du

climatiques extrêmes, notamment. Dans

par la multiplication des installations

fait de son isolement. La première cen-

les zones exposées à de violentes tem-

de production d’énergie décentrali-

trale photovoltaïque construite en 1983

pêtes par exemple, de tels micro-réseaux

sées, solaires ou éoliennes, et le déve-

afin d’approvisionner un village de 25

pourraient continuer à fournir de l’électri-

loppement des dispositifs de stockage.

foyers a constitué un exemple nova-

cité, même lorsque le réseau principal a

D’autres raisons contribuent également

teur et précurseur en matière de pro-

été endommagé. Le nombre de consom-

à ce boom des projets de microgrids,

duction d’énergies renouvelables. Elle a

mateurs affectés par le défaut du réseau

notamment aux États-Unis et en Asie,

été remplacée par une nouvelle centrale

s’en trouve limité.

leaders en nombre de projets dans le

photovoltaïque en 2009, qui reste l’une

L’ouragan Sandy qui a touché le

monde, comme la volonté d’augmen-

des plus grandes centrales en site isolé

Nord-Est des États-Unis en 2012 a mis

ter la résilience du système électrique

de ce type dans le monde. La nouvelle

les microgrids sous les projecteurs.

en faisant appel à la capacité d’îlotage

installation comprend des panneaux

Alors que les réseaux électriques étaient

qu’offrent les microgrids. Ceux-ci consti-

solaires pour une puissance installée de

défaillants sur la quasi-totalité des zones

tuent ainsi un modèle d’optimisation

100 kWc, un complément thermique

concernées, quelques quartiers conti-

pour le réseau électrique.

d’appoint de 80 kW et une capacité de

nuaient à être alimentés. Les campus

Le concept de microgrids n’est pas

stockage sur batteries de 1 250 kWh

universitaires, en particulier, constituent

nouveau, puisque les premiers réseaux

assurant une autonomie reposant sur

des lieux propices à l’expérimentation

étaient isolés puis se sont progressi-

le solaire de 2,5 jours environ. Le sys-

de microgrids. Le micro-réseau du cam-

vement agrégés. Mais les microgrids

tème est plus complexe à maîtriser que

pus de l’université de Princeton, dans le

ont su évoluer, au point que l’on parle

le simple fonctionnement d’un moteur

New Jersey, comprend ainsi une turbine

aujourd’hui de « smart » microgrids. La

diesel. L’optimisation de la gestion des

à gaz et une installation photovoltaïque,

transition énergétique et le déploie-

flux d’énergie reste un sujet d’étude

qui représentent au total une capacité

ment des smart grids ont quelque peu

pour ce type de centrales hybrides auto-

de production de 15 MW.

modifié la raison d’être des microgrids

nomes avec stockage d’énergie.

En temps normal, si la demande en

et élargit leur champ d’application. La

Un exemple encore plus extrême est

électricité du campus est élevée ou que

mission première des microgrids est

celui de la station de recherche scien-

les prix de l’électricité sont bas, le micro-

donc une mission d’électrification et

tifique Princess Elisabeth non raccor-

grid utilise l’électricité en provenance du

c’est à ce titre qu’ils sont considérés

dée à un réseau électrique, située en

réseau public ; si, à l’inverse, la demande

comme une opportunité pour le déve-

Antarctique dans des conditions parti-

sur le campus est faible, le microgrid

loppement de certains pays en voie

culièrement difficiles (Cf. l’article de S.

peut même contribuer à alimenter le

de développement, en Afrique notam-

Bressinck & al. dans le présent numéro

réseau de distribution d’électricité. En

ment. S’ils continuent de remplir ce rôle

de la REE).

période de crise, le microgrid de l’uni-

REE N°3/2017 Z 89


DOSSIER 2

LES MICROGRIDS (PARTIE 2)

Figure 2 : Les producteurs – Source : CRE.

versité de Princeton peut se déconnec-

leur raccordement au réseau de dis-

mation d’énergie a deux conséquences

ter du réseau et alimenter seul la totalité

tribution est complexe. Il faut notam-

principales. À court terme, la consé-

du campus en électricité. Le 29 octobre

ment s’interroger sur les conditions

quence la plus immédiate de l’utilisa-

2012, alors que l’ouragan Sandy frap-

nécessaires au maintien de la stabilité

tion d’un microgrid est la diminution des

pait la région entraînant une défaillance

du réseau (en tension et en fréquence)

pertes électriques causées par le trans-

des réseaux électriques et des blackouts,

au sein du microgrid ainsi que de la sta-

port de l’électricité. À long terme, les

le microgrid a fonctionné en îlotage et

bilité du réseau de distribution lors de

investissements d’infrastructure sur les

assuré seul l’alimentation électrique du

la resynchronisation du microgrid avec

réseaux sont revus à la baisse.

campus jusqu’au 31 octobre, lorsqu’il

celui-ci. De même, l’infrastructure du

Le microgrid peut être perçu comme

s’est reconnecté au réseau. Entre-temps,

microgrid doit être compatible avec les

un outil d’optimisation des capacités du

le campus s’est transformé en refuge

standards existants pour que l’équilibre

réseau : celui-ci est dimensionné en fonc-

pour les services de secours tels que la

sur le réseau soit maintenu.

tion de la pointe de production. Aussi, le

police, les pompiers ou les ambulanciers, qui l’ont utilisé comme base de déploie-

développement des EnR peut provoquer

Une source d’économies

un surdimensionnement encore plus

La réduction des transits sur les

marqué du réseau. Plutôt que d’augmen-

L’utilisation de l’îlotage pose néan-

réseaux entraîne des économies de

ter les capacités de transit de puissance

moins un certain nombre de défis tech-

coûts de réseaux. L’optimisation de la dis-

sur les lignes de transport et de distribu-

niques car la gestion des microgrids et

tance entre la production et la consom-

tion, un microgrid facilite localement le

ment ou de recharge des équipements.

90 ZREE N°3/2017


GROS PLAN SUR

     Du tube cathodique aux ĂŠcrans plats Introduction

L

dĂŠcrire dans cet article en nous focalisant sur

es techniques utilisĂŠes par lâ&#x20AC;&#x2122;homme

les technologies dâ&#x20AC;&#x2122;afďŹ chage intrinsèque, câ&#x20AC;&#x2122;est-

pour communiquer par ÂŤ afďŹ chage Âť

à -dire produisant leur propre source de lumière.

sur une surface plus ou moins plane

Nous ne traiterons donc pas des techniques par

remontent Ă la nuit des temps. Des

projection ni des technologies 3D qui nĂŠcessi-

procĂŠdĂŠs variĂŠs ont ĂŠtĂŠ successivement mis Ă

teraient un dĂŠveloppement Ă part entière. EnďŹ n

contribution pour lui permettre de communi-

notons que le vocable ÂŤĂŠcrans platsÂť sâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠtend

quer Ă ses semblables une information simplement ÂŤ afďŹ chĂŠe Âť. Songeons par exemple aux peintures ou sculptures rupestres exĂŠcutĂŠes

Alain Brenac Membre ĂŠmĂŠrite de la SEE

par nos lointains ancĂŞtres qui font encore notre admiration

maintenant Ă des ĂŠcrans qui ne sont plus tout Ă  fait plans : ĂŠcrans incurvĂŠs, ĂŠcrans pliables voire enroulables, que nous ĂŠvoquerons en ďŹ n

dâ&#x20AC;&#x2122;article.

de nos jours. Très tĂ´t, lâ&#x20AC;&#x2122;une des prĂŠoccupations majeures

Si lâ&#x20AC;&#x2122;on observe lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠvolution depuis une trentaine dâ&#x20AC;&#x2122;annĂŠes

fut la mesure et lâ&#x20AC;&#x2122;afďŹ chage du temps : le cadran solaire (ou

des technologies dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠcrans plats qui se sont ďŹ nalement

gnomon) des Êgyptiens du Moyen Empire (IIe siècle avant

imposĂŠes face au tube cathodique (la phase zĂŠro ou pro-

notre ère) fut ainsi le premier afďŹ cheur dynamique Ă faire

tohistoire), il est possible de dĂŠďŹ nir en gros deux pĂŠriodes

son apparition. Il fallut cependant attendre les dĂŠveloppe-

successives dont la frontière temporelle se situe dans les pre-

ments de la mĂŠcanique pour rafďŹ ner cette solution minima-

mières annÊes du 21e siècle :

liste et donner naissance Ă lâ&#x20AC;&#x2122;horlogerie traditionnelle dès le

sLES afďŹ cheurs de première gĂŠnĂŠration, et principalement

13 siècle, ancĂŞtre de lâ&#x20AC;&#x2122;afďŹ chage analogique. Mais ce sont

les ĂŠcrans Ă cristaux liquides (LCD), concurrencĂŠs pen-

bien sĂťr les inventions du 20 e siècle, la tĂŠlĂŠvision dâ&#x20AC;&#x2122;abord

dant une assez courte pĂŠriode par les ĂŠcrans Ă plasma

puis la (micro) informatique et la tĂŠlĂŠphonie mobile qui vont

(PDP) ainsi que par la technique des microtubes Ă ĂŠmission

ĂŞtre Ă lâ&#x20AC;&#x2122;origine du dĂŠveloppement considĂŠrable des techno-

de champ (FED), inspirĂŠe du CRT et toujours en dĂŠvelop-

logies dâ&#x20AC;&#x2122;afďŹ chage sur ĂŠcrans plats. DĂŠveloppement caractĂŠ-

pement. Cette dernière technologie qui a ÊvoluÊ vers une

risĂŠ par une diminution drastique de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠpaisseur de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠcran,

version plus simple Ă fabriquer, dĂŠnommĂŠe (SED pour Sur-

une augmentation de sa taille (diagonale) et une rĂŠsolution

face Emitter electron Devices), ne semble pas promise Ă un

e

croissante de lâ&#x20AC;&#x2122;image, le tout sâ&#x20AC;&#x2122;accompagnant dâ&#x20AC;&#x2122;une dĂŠcrois-

grand avenir depuis la percĂŠe des OLED ;

sance des prix du fait des volumes croissants dâ&#x20AC;&#x2122;appareils

sAVECLAPPARITIONSURLEMARCHĂ?DES$%,,%$ENANGLAIS

produits. Ce sont ces techniques que nous allons tenter de

pour diodes ĂŠlectroluminescentes, une double rĂŠvolution

Over the past three decades, boosted by successive killer applications like TV, microcomputers and digital mobility devices (tablets, smartphones), display technologies have seen tremendous developments in order to satisfy an ever-increasing demand both in terms of performance and quantity. Several competing techniques based on different physical concepts have emerged successively or in parallel to replace the classical cathode ray tube by ďŹ&#x201A;at screens, exhibiting unrivaled qualities of brightness, contrast and angle of view, combined with a dramatic increase in size and a no less spectacular price drop. It is this story the author tries to recall by identifying the technologies currently market leaders but also the evolutions suggested by the latest developments in progress at the laboratory stage.

PoussĂŠes par lâ&#x20AC;&#x2122;essor successif des â&#x20AC;&#x153;killer applicationsâ&#x20AC;? quâ&#x20AC;&#x2122;ont ĂŠtĂŠ la tĂŠlĂŠvision, puis la micro-informatique et la mobilitĂŠ numĂŠrique (tablettes, smartphones), les technologies dâ&#x20AC;&#x2122;afďŹ chage sur ĂŠcrans ont connu, au cours des trois dernières dĂŠcennies, des dĂŠveloppements prodigieux aďŹ n de satisfaire une demande sans cesse croissante en volume comme en performance. Plusieurs techniques concurrentes basĂŠes sur des concepts physiques diffĂŠrents, ont ĂŠmergĂŠ successivement ou en parallèle pour remplacer le tube cathodique par des ĂŠcrans plats, prĂŠsentant des qualitĂŠs de luminositĂŠ, de contraste et dâ&#x20AC;&#x2122;angle de vue inĂŠgalĂŠes allant de pair avec une augmentation spectaculaire de la taille et une chute des prix non moins spectaculaire. Câ&#x20AC;&#x2122;est cette histoire que lâ&#x20AC;&#x2122;auteur tente de rappeler en tâchant dâ&#x20AC;&#x2122;identiďŹ er les technologies actuellement leaders du marchĂŠ mais ĂŠgalement les ĂŠvolutions que laissent prĂŠsager les derniers dĂŠveloppements en cours au stade du laboratoire.

ABSTRACT

124 ZREE N°3/2017

RĂ&#x2030;SUMĂ&#x2030;


Les technologies d’affichage électronique

Figure 1 : Schéma simplifié du fonctionnement d’un tube à rayons cathodiques – Source: Wikipedia. 1 : canons à électrons ; 2 : faisceaux d’électrons ; 3 : masque pour séparer les rayons rouge, bleu et vert de l’image affichée ; 4 : couche phosphorescente présentant des zones spécifiques pour chaque couleur ; 5 : zoom sur la face intérieure de l’écran. s’opère qui va conduire à des afficheurs de deuxième géné-

placé depuis une vingtaine d’années. La figure 1 rappelle

ration :

l’architecture schématique du tube CRT.

- dans un premier temps les réseaux de DEL vont fournir

L’affichage par CRT est analogique en ce sens que l’image

une solution bien plus efficace et plus économique pour

est créée en faisant varier l’intensité du faisceau d’électrons et

le rétroéclairage (éclairage arrière) des écrans à cristaux

donc l’intensité lumineuse du spot au long de son parcours.

liquides ;

Le flux est dévié par un champ magnétique appliqué sur le

- avec la mise au point de la variante OLED (DEL à base

col du tube par un jeu de bobines magnétiques et contrôlées

de composés organiques), on passe à un afficheur actif

par un circuit électronique. Un balayage par déflexion magné-

ne nécessitant plus de source d’éclairage annexe filtrée

tique est ainsi créé permettant au faisceau de parcourir de

par des portes optiques et dont les performances vont

gauche à droite des lignes qui se succèdent de haut en bas,

s’avérer considérablement améliorées en termes de lumi-

le retour à la ligne suivante et en début de page se faisant à

nosité, rendu de couleur et consommation.

faisceau éteint. Pour passer du noir et blanc à la couleur, il a

Retour sur la « protohistoire » des écrans de visualisation Bien qu’il ne s’agisse pas encore ici d’écrans plats, il nous

fallu prévoir trois canons à électrons, un par couleur primaire, et ajouter derrière l’écran un masque perforé ou des fils pour les tubes Trinitron, pour que chaque faisceau allume la couleur correspondante.

semble utile de rappeler succinctement le principe du tube

Même si des efforts ont permis de réaliser des CRT de

à rayons cathodiques car ce procédé continuera à inspirer

profondeur de plus en plus réduite (30 cm environ), il est

après sa fin de vie des techniques ultérieures d’écrans plats

impossible par construction de réaliser des écrans plats avec

(FED par exemple).

cette technologie sans en changer la conception. C’est ce qui explique l’essor à partir des années 1990-2000 de techno-

Le tube à rayons cathodiques (CRT)

logies spécifiques (FED, LCD, plasma, (O)LED) dont la struc-

Rappelons succinctement le principe de fonctionnement

ture même permet de réaliser des afficheurs extrêmement

du tube cathodique car c’était la principale et quasi unique

minces et de poids considérablement réduits par rapport au

technologie mise en œuvre pendant plusieurs décennies

CRT.

avant l’apparition des différents types d’écrans plats permise notamment par l’émergence des technologies à cristaux liquides (LCD). Le CRT peut être intéressant à considérer

Les dispositifs fluorescents VFD (Vacuum Fluorescent Display) [1]

comme point de référence commode pour évaluer les nou-

La technologie VFD s’apparente au tube cathodique clas-

velles technologies d’affichage numériques qui l’ont rem-

sique et à l’ancienne technique du tube Nixie aujourd’hui

REE N°3/2017 Z 125


GROS PLAN SUR

Figure 2 : Affichage VFD sur un magnétoscope. On remarquera que les filaments non allumés restent malgré tout visibles ce qui constitue un des inconvénients de cette technologie.

(a) Coupe du d dispositif di i if

b/ Agrandissement effectué au croisement lignes/colonnes faisant apparaître les micropointes émettrices.

Figure 3 : Principe de fonctionnement de l’écran à émission de champ (FED).

abandonnée. Composé d’une cathode à filaments chauffée incorporant des éléments alcalino-terreux, d’anodes au phosphore et de grilles, le dispositif est scellé dans une enveloppe de verre sous vide poussé (figure 2). Les électrons émis par la cathode sont ensuite diffusés au travers des

Les technologies d’afficheurs à écrans plats de première génération La technologie FED (Field Emission Display) : une approche dérivée du CRT compatible avec l’écran plat

grilles faites de fils de métal fins et émettent une lumière

Nous avons rappelé que le tube cathodique, de par sa

bleutée par fluorescence en rencontrant les anodes. Ce

conception même à canon unique, ne pouvait donner lieu à

type d’afficheur a été beaucoup utilisé pour les appareils

de l’affichage par écrans plats.

d’usage courant comme magnétoscopes, autoradios ou

La technologie FED [2], longtemps cheval de bataille de la

fours à micro-ondes car il délivre une lumière intense, per-

société Sony dans les années 2000, fonctionne comme un

met un bon contraste et l’obtention de couleurs différentes,

tube cathodique traditionnel, en utilisant l’accélération d’élec-

le tout à un coût modeste. En outre, ce composant reste

trons soumis à un champ de 10 kV environ qui viennent ex-

opérationnel même par très grands froids. En revanche

citer les phosphores pour produire de la lumière. Mais au

cette technique est relativement consommatrice, elle est

lieu d’un canon à électrons unique, l’écran FED utilise une

limitée à des écrans de petite taille, aussi les afficheurs VFD

matrice constituée d’une multitude (plusieurs milliers) de

ont-ils été progressivement remplacés par des dispositifs

micro-canons à électrons de taille nanoscopique (figure 3).

OLED.

A l’origine les écrans FED étaient supposés combiner les

126 ZREE N°3/2017


ENTRETIEN AVEC ALAIN BRAVO

PrĂŠsident de l'AcadĂŠmie des technologies

L'acadÊmie des technologies : au service d'un progrès raisonnÊ, choisi et partagÊ REE : Alain Bravo, vous avez pris

MUN EN  SUR la transition ĂŠner-

Pour rĂŠpondre plus prĂŠcisĂŠment, nos

rĂŠcemment vos fonctions en tant que

gĂŠtique en France et en Allemagne ;

prioritĂŠs actuelles sâ&#x20AC;&#x2122;articulent autour de

PrĂŠsident de lâ&#x20AC;&#x2122;AcadĂŠmie des tech-

sEN LAPUBLICATIONDUNRAPPORTEN quelques axes forts :

nologies, quel regard jetez-vous sur

commun avec lâ&#x20AC;&#x2122;AcadĂŠmie de mĂŠde-

slâ&#x20AC;&#x2122;Industrie du futur : le thème est

cette institution ? Quels sont

cine recommandant la crĂŠation de

vaste et Ă prĂŠciser mais quelques

ses succès rÊcents ?

centres de sÊquençage de nouvelle

thèmes Êmergent: les architectures

Alain Bravo : Lâ&#x20AC;&#x2122;institution arrive dans

gĂŠnĂŠration rĂŠpartis sur le territoire, sui-

de rĂŠseaux, la cybersĂŠcuritĂŠ et la robo-

sa 18e annĂŠe et est la seule institution

vi quatre mois plus tard par la dĂŠcision

tique/cobotique, domaine dans lequel

de son genre datant du XXI siècle. Notre

bienvenue du gouvernement de crĂŠer

lâ&#x20AC;&#x2122;industrie française a pris beaucoup

AcadĂŠmie est dans une phase de crois-

12 tels centres ;

de retard, surtout du cĂ´tĂŠ des PME, et

e

sance et sa trajectoire sâ&#x20AC;&#x2122;afďŹ ne en restant

sLĂ?DITIONDANSNOTRECOLLECTIONiQUES-

pour lequel lâ&#x20AC;&#x2122;AcadĂŠmie des technolo-

ďŹ dèle Ă sa devise : Pour un progrès

tions Ă â&#x20AC;Ś Âť dâ&#x20AC;&#x2122;un ouvrage de notre confrère

gies voudrait proposer un plan de rat-

raisonnĂŠ, choisi et partagĂŠ. Elle a ĂŠtĂŠ

Pierre Feillet sur le thème du  bien se

crĂŠĂŠe en 2000 Ă partir du ComitĂŠ des

nourrir Âť en prĂŠservant lâ&#x20AC;&#x2122;impact de lâ&#x20AC;&#x2122;ali-

applications de lâ&#x20AC;&#x2122;AcadĂŠmie des sciences

mentation sur lâ&#x20AC;&#x2122;environnement.

(CADAS) en tant quâ&#x20AC;&#x2122;association, elle a pris son autonomie après que les pouvoirs publics lui ont confĂŠrĂŠ le statut dâ&#x20AC;&#x2122;EPA (2006), puis lâ&#x20AC;&#x2122;ont placĂŠe sous la protection du PrĂŠsident de la RĂŠpublique

trapage ; sles enjeux du big data et de lâ&#x20AC;&#x2122;intelligence artiďŹ cielle : nous avons un bon substrat acadĂŠmique mais la demande

Lâ&#x20AC;&#x2122;AcadĂŠmie des technologies se soucie de promouvoir une innovation qui serve les besoins de la sociĂŠtĂŠ

(2013). Son rĂ´le est dĂŠsormais tout Ă

de lâ&#x20AC;&#x2122;industrie nationale en dĂŠcroissance nâ&#x20AC;&#x2122;est plus mobilisatrice. Câ&#x20AC;&#x2122;est prĂŠoccupant ; sla formation professionnelle et lâ&#x20AC;&#x2122;apprentissage constituent un cheval de

fait reconnu, et sâ&#x20AC;&#x2122;inscrit dans le paysage

REE : Quelles sont vos prioritĂŠs

bataille prioritaire de notre AcadĂŠmie

français avec les acadĂŠmies-sĹ&#x201C;urs, Aca-

pour les annĂŠes qui viennent et en

en nous focalisant sur le crĂŠneau Bac-3,

dĂŠmie dâ&#x20AC;&#x2122;agriculture, AcadĂŠmie de lâ&#x20AC;&#x2122;air et

particulier quels sont les domaines

Bac+3. En particulier nous nous inquiĂŠ-

de lâ&#x20AC;&#x2122;espace, AcadĂŠmie de mĂŠdecine et

scientifiques et techniques sur

tons quâ&#x20AC;&#x2122;aucune solution nâ&#x20AC;&#x2122;ait ĂŠtĂŠ appor-

bien sĂťr lâ&#x20AC;&#x2122;AcadĂŠmie des sciences avec

lesquels lâ&#x20AC;&#x2122;AT pense se focaliser ?

TĂ?E AU PROBLĂ&#x2019;ME DES i DĂ?CROCHEURS w

laquelle nous avons gardĂŠ un lien tout

A. B. : Votre question est d'actualitĂŠ car

de lâ&#x20AC;&#x2122;enseignement supĂŠrieur. 130 000

particulier.

nous venons de mettre au point notre

jeunes chaque annĂŠe en France arrivent

Nous sommes positionnĂŠs sur la

stratĂŠgie pour la pĂŠriode allant jusquâ&#x20AC;&#x2122;Ă

dialectique technologie/sociĂŠtĂŠ ; nous

 .OTRELIGNEDIRECTRICEESTDE

ne sommes plus Ă lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠpoque de la vĂŠri-

FAIREPORTERNOSRĂ?mEXIONSSURLESiPOINTS

tĂŠ rĂŠvĂŠlĂŠe du bienfait technologique et

chauds Âť suscitĂŠs par lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠvolution des tech-

nous soutenons lâ&#x20AC;&#x2122;innovation qui prend

nologies. Le terme de progrès a dâ&#x20AC;&#x2122;ailleurs

en compte les besoins de la sociĂŠtĂŠ. La

tendance Ă disparaĂŽtre pour faire place Ă 

technologie est indispensable mais elle

celui dâ&#x20AC;&#x2122;innovation, mais nous nous prĂŠ-

sur le marchĂŠ du travail sans qualiďŹ ca-

doit rÊpondre à des critères de perti-

occupons dâ&#x20AC;&#x2122;abord dâ&#x20AC;&#x2122;une innovation qui

tion ni diplĂ´me et le nombre de jeunes

nence.

se soucie des besoins de la SociĂŠtĂŠ. Par

entrant en apprentissage diminue. Le

exemple, dans le cas de la transition ĂŠco-

niveau des arrivants est tel quâ&#x20AC;&#x2122;on est

logique, nous travaillons, soit Ă diminuer

obligĂŠ dâ&#x20AC;&#x2122;envisager une annĂŠe propĂŠdeu-

sEN  LA SIGNATURE AVEC ACATECH les impacts du changement climatique,

tique après le baccalaurÊat. En ce qui

En ce qui concerne les succès rÊcents, je citerai quelques faits marquants:

Lâ&#x20AC;&#x2122;AcadĂŠmie sâ&#x20AC;&#x2122;attache Ă participer Ă  la remobilisation de lâ&#x20AC;&#x2122;industrie française dans les secteurs clĂŠs dĂŠlaissĂŠs

notre homologue allemand, avec lâ&#x20AC;&#x2122;Aca-

soit Ă sâ&#x20AC;&#x2122;adapter Ă  lâ&#x20AC;&#x2122;inĂŠvitable si lâ&#x20AC;&#x2122;Homme

concerne le niveau des ingĂŠnieurs sur

dĂŠmie des sciences et son homologue

ne parvient pas Ă en endiguer sufďŹ sam-

lequel vous mâ&#x20AC;&#x2122;avez interrogĂŠ, il reste bon

LĂŠopoldina, dâ&#x20AC;&#x2122;un communiquĂŠ com-

ment les effets.

mais nous nous inquiĂŠtons de la diminu-

REE N°3/2017 Z 135


tion du nombre dâ&#x20AC;&#x2122;heures consacrĂŠes aux

ou pour le prix Irène Joliot-Curie. Nous

SCIENCESiDURESwDANSLENSEIGNEMENT

nous intÊressons Êgalement au thème

secondaire, consÊquence de la dernière

des carburants auquel nous contribuons

rĂŠforme des programmes du lycĂŠe ;

avec lâ&#x20AC;&#x2122;AcadĂŠmie de lâ&#x20AC;&#x2122;air et de lâ&#x20AC;&#x2122;espace et

sles problèmes de lâ&#x20AC;&#x2122;agroalimentaire et

certains de nos acadĂŠmiciens se pas-

de la santĂŠ, ĂŠvoquĂŠs prĂŠcĂŠdemment ;

sionnent pour la blockchain.

s%T BIEN SĂ&#x;R LES QUESTIONS LIĂ?ES Ă&#x152; la

Nos partenariats ne se limitent pas lĂ .

transition ĂŠnergĂŠtique.

Nous avons une interaction forte avec nos homologues ĂŠtrangers. Par exemple

REE : Puisque vous Êvoquez le thème

notre AcadĂŠmie a suggĂŠrĂŠ rĂŠcemment

de la transition ĂŠnergĂŠtique, lâ&#x20AC;&#x2122;Aca-

une concertation internationale sur les

dĂŠmie des technologies prend-elle

problèmes posÊs par le dÊveloppement

position sur des sujets sensibles tels

du numĂŠrique qui propose toujours de

que le gaz de schiste et la politique dâ&#x20AC;&#x2122;implantation des ĂŠoliennes terrestres ou offshore, intervient-elle dans le dĂŠbat ĂŠnergies fossiles vs ĂŠnergie nuclĂŠaire et ĂŠnergies non

Energie nuclĂŠaire et ĂŠnergies renouvelables sont complĂŠmentaires. Elles le resteront pendant de nombreuses annĂŠes

renouvelables (EnR)?

nouvelles applications mais doit se soucier des risques de dĂŠvoiement. Comme je lâ&#x20AC;&#x2122;ai exposĂŠ, nous nous prĂŠoccupons beaucoup des implications sociĂŠtales des technologies et nous avons en notre sein des sociologues, urbanistes, ergo-

A. B. : Nous nâ&#x20AC;&#x2122;avons pas, pour lâ&#x20AC;&#x2122;instant,

Mais le dĂŠveloppement des EnR passe

dâ&#x20AC;&#x2122;avis particulier sur les problèmes liĂŠs

lui-mĂŞme par une maĂŽtrise du stockage

aux ĂŠoliennes. Nous suivons attentive-

de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie ce qui est loin dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŞtre le cas

Par ailleurs, dans le cadre europĂŠen

ment la question du gaz de schiste mais

aujourdâ&#x20AC;&#x2122;hui, aussi bien pour les stockages

dâ&#x20AC;&#x2122;Euro-Case dont le siège est Ă Paris,

nous ne nous sommes pas, Ă ce stade,

journaliers quâ&#x20AC;&#x2122;hebdomadaires ou saison-

nous participons activement Ă la prĂŠpa-

prononcĂŠs.

nomes, etc. qui dialoguent en permanence avec nos experts technologues.

niers (hormis les stockages hydrauliques

ration de la prochaine assemblĂŠe gĂŠnĂŠ-

Nous attachons la plus grande impor-

par pompage et turbinage, les STEP,

rale sur la cybersĂŠcuritĂŠ.

tance au dĂŠbat ĂŠnergies fossiles/renou-

dont le potentiel est malheureusement

velables/nuclĂŠaires. Jâ&#x20AC;&#x2122;ai citĂŠ les travaux

limitĂŠ). Tout cet effort doit se faire dans

en commun avec acatech mais nous

le cadre des engagements pris lors des

avons bien sĂťr une rĂŠďŹ&#x201A;exion perma-

accords de Paris et doit viser Ă atteindre

nente sur cette thĂŠmatique essentielle

une ĂŠconomie dĂŠcarbonĂŠe.

AUSEINDENOTRECOMMISSIONi%NERGIE

La cybersĂŠcuritĂŠ et la lutte contre le dĂŠvoiement dans le domaine du numĂŠrique sont dĂŠsormais pour nous une prĂŠoccupation essentielle. Elle doit ĂŞtre abordĂŠe au niveau international

et changement climatique Âť qui a ĂŠmis

REE : Comment lâ&#x20AC;&#x2122;AT se positionne-

plusieurs rapports ces dernières annÊes

t-elle vis-Ă -vis des autres acadĂŠmies-

sur des problĂŠmatiques liĂŠes Ă la transi-

sĹ&#x201C;urs ? Quels autres partenariats

tion ĂŠnergĂŠtique. Je citerai par exemple

dĂŠveloppez-vous ?

RĂ?CEMMENTiVers une sociĂŠtĂŠ bas car-

A. B. : Les relations sont très frÊquentes

signaler les liens forts tissĂŠs par lâ&#x20AC;&#x2122;AT

bone: quel prix donner au CO2 ? ÂŤ ou le

et souvent bilatĂŠrales, parfois trilatĂŠrales.

avec le Conseil gĂŠnĂŠral de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠconomie

rapport intitulĂŠ ÂŤ Bilan ĂŠnergĂŠtique des

Avec lâ&#x20AC;&#x2122;AcadĂŠmie des sciences les

(CGE), avec l'Association nationale de la

TIC sur la consommation dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie Ă

liens sont très forts pour des raisons

recherche et de la technologie (ANRT),

travers le monde : un solde nettement

historiques et de complĂŠmentaritĂŠ ĂŠvi-

l'Institut des Hautes Etudes pour la

positif Âť.

DENTES   DE NOS MEMBRES APPAR-

science et la technologie (IHEST) et

Au plan national, je voudrais enďŹ n

Lâ&#x20AC;&#x2122;AcadĂŠmie des technologies pense

tiennent dâ&#x20AC;&#x2122;ailleurs aux deux acadĂŠmies.

lâ&#x20AC;&#x2122;OfďŹ ce parlementaire de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠvaluation des

que le potentiel de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie nuclĂŠaire

Nous avons en place un bureau com-

choix scientiďŹ ques et technologiques

doit ĂŞtre exploitĂŠ au mĂŞme titre que les

mun qui se rÊunit rÊgulièrement pour

(OPECST).

EnR et que ces deux types de ressources

dĂŠďŹ nir de nouveaux thèmes de rĂŠďŹ&#x201A;exion

resteront complĂŠmentaires pendant plu-

Ă partager. Jâ&#x20AC;&#x2122;ai dĂŠjĂ  citĂŠ certains travaux

REE : Pouvez-vous nous rappeler

SIEURS DĂ?CENNIES ,Ă?QUILIBRE   NU-

menĂŠs en commun avec lâ&#x20AC;&#x2122;AcadĂŠmie des

le mode de fonctionnement de lâ&#x20AC;&#x2122;AT ?

CLĂ?AIRE %N2ETFOSSILESPOURLA sciences dans le domaine des ĂŠnergies.

A. B. : Nous disposons de 12 commis-

production dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠlectricitĂŠ reste Ă dĂŠmontrer

Je pourrais en mentionner dâ&#x20AC;&#x2122;autres dans

sions permanentes qui se mettent en

avant de vouloir aller plus loin.

le domaine des ressources naturelles

chantier le plus souvent par auto-saisine

136 ZREE N°3/2017


et rendent compte périodiquement en

nous disposons d’un arsenal classique

assemblée plénière. Certaines de ces

de moyens de communication :

commissions traitent de thématiques

sCOMMUNIQUÏS DE PRESSE RÏGULIERS Ì

TRANSVERSALESCOMMEi%THIQUE w i4ECH-

commission peut créer en son sein un

l'occasion de nos publications ; s DIFFUSION DE NOS ACTUALITÏS SUR LES MÏdias sociaux, y compris la publication de vidéos sur YouTube ;

ou plusieurs groupes de travail pour étu-

sORGANISATION DgÏVENEMENTS COMME

dier un sujet particulier pour une durée

la convention annuelle de l’AT en no-

déterminée.

vembre à la Maison de la Chimie avec

NOLOGIESETSOCIÏTÏSw OUi2ECHERCHE TECHnologies, innovation, emploi ». Chaque

En début de chaque année l’assem-

la remise de deux grands prix (start-up

blée plénière approuve également la

et PME agroalimentaires innovantes) ;

formation de trois à quatre groupes

sCOLLABORATION AVEC 5NIVERSCIENCE POUR

transverses et fixe le thème du séminaire annuel. Leurs réflexions aboutissent à des livrables qui peuvent prendre des formes variables, dans un DÏLAI DE  Ì  MOIS EN GÏNÏRAL LE

Les groupes régionaux de la SEE peuvent se rapprocher de nos correspondants dans les régions

plus souvent sous forme de rapports

LORGANISATIONDEiJOURNÏES0ORTESOUvertes » à la Cité des Sciences et au Palais de la découverte. Vers le grand public, je pourrais citer aussi la collaboration avec la chaîne Arte, aujourd’hui terminée, destinée à la

de l’Académie ou de communications

REE : L’AT n’est pas très connue

réalisation d’un cycle d’émissions heb-

à l’Académie.

du grand public. Disposez-vous d’un

domadaires de vulgarisation scientifique

indicateur de notoriété? Pouvez-vous

(Futurmag) qui a connu un grand succès.

REE : L’AT mène-t-elle des actions

nous dire un mot de sa politique

conjointes avec certaines sociétés

de communication ?

positionner sur d'autres projets dans

savantes par le biais de ses commis-

A. B. : Je n'ai pas ressenti le besoin de

le cadre de la communication audiovi-

sions thématiques ? La SEE pourrait-

mettre en place un indicateur de noto-

suelles, notamment sur l’Ile de France

elle y contribuer dans les domaines

riété car même si notre ambition est en

avec la nouvelle chaîne Via Grand Paris.

relevant de sa compétence ?

permanence d’améliorer l’information

A. B. : Nous n’avons pas de partenariat

du grand public notre priorité est actuel-

REE : L’AT a-t-elle mis en place une

spécifique avec l’une ou l’autre des socié-

lement de faire passer nos messages

politique territoriale ? Y a-t-il des

tés savantes mais nos commissions thé-

auprès d’une communauté plus limitée

initiatives conjointes que vous pour-

matiques, en dehors des académiciens

de décideurs et d’experts. Pour cela

riez envisager de mener avec la SEE

Nous comptons désormais nous

qui y participent ès-qualités peuvent

et ses groupes régionaux ?

faire appel à des experts reconnus, soit

A. B. : L’Académie a quatre délégués

sur une longue durée, soit ponctuel-

Alain Bravo a été en fonctions

territoriaux (Nord-Est, Ouest, Sud-Est

lement par le biais d’auditions d’interr

au ministère des Postes et des Télécom-

et Sud-Ouest) qui veillent à l’animation

venants invités en fonction du thème

munications pendant quinze ans où il a

de la vie académique locale et à la dif-

traité. Les spécialistes de la SEE comme

été notamment directeur de la Production.

fusion des travaux des assemblées plé-

Au cours de son passage à la Compagnie

nières. Ils font également remonter des

Les experts œuvrant dans les organisations savantes sont les bienvenus dans nos commissions

Générale des Eaux, il a été président fondateur de SFR (1988- 1992). Il a ensuite rejoint le groupe Alcatel comme directeur de la recherche et de la tech-

informations du terrain et font partie des instances consultatives mises en place par les conseils régionaux sur les

nologie. Directeur général de Supélec de

thématiques de l’enseignement tech-

2004 à 2013, il est actuellement président

nologique, de la formation profession-

de toute autre organisation regroupant

de l’Académie des technologies où il a été

nelle, initiale et continue, notamment en

des compétences spécifiques, peuvent

élu en 2008. De 2006 à 2009 il a présidé

s’impliquant dans les réseaux des Cam-

donc parfaitement participer aux travaux

la SEE.

pus des métiers et qualifications – CMQ.

de commissions thématiques œuvrant

Alain Bravo est diplômé de l’Ecole Polytech-

En outre, l’Académie co-anime, avec l’Aca-

dans leurs domaines de compétence en

nique et de l’Ecole nationale supérieure des

démie des sciences, les correspondants

se rapprochant des présidents de com-

télécommunications-Paris.

académiques Sciences et Technologies

missions concernés.

(CAST) installés dans chaque rectorat.

REE N N°3/2017 3/2017 Z 137


ENSEIGNEMENT & RECHERCHE

Les trois transitions : ĂŠlectrique, climatique, numĂŠrique Entretien avec Bernard Salha Directeur R&D de EDF REE : Pouvez-vous tout dâ&#x20AC;&#x2122;abord nous rappeler brièvement ce que reprĂŠsente aujourdâ&#x20AC;&#x2122;hui EDF R&D en termes de moyens et de missions au sein du groupe EDF ? Bernard Salha : Le groupe EDF a consacrĂŠ en 2016 Ă la R&D un budget de 572 MF. Cette somme est très importante et correspond Ă  un effectif de plus de 2 000 personnes. Certes, si elle est rapportĂŠe au chiffre dâ&#x20AC;&#x2122;affaires du groupe, soit 74 MdF, elle peut paraĂŽtre assez modeste car elle en reprĂŠsente moins de 1 %. Mais notre mĂŠtier nâ&#x20AC;&#x2122;est pas celui dâ&#x20AC;&#x2122;un ĂŠquipementier et cet effort de R&D est celui que lâ&#x20AC;&#x2122;on rencontre chez les architectes-ensembliers. Par rapport aux autres grands acteurs de la profession, nous nous situons Ă  1/3 environ au-dessus de la moyenne. Cependant, il faut prendre en compte le fait que 40 % de notre R&D sont consacrĂŠs au nuclĂŠaire. Si lâ&#x20AC;&#x2122;on exclut ce facteur qui est spĂŠciďŹ que Ă  EDF, on sâ&#x20AC;&#x2122;aperçoit que notre effort de R&D est en ligne avec celui que consentent nos grands confrères tels quâ&#x20AC;&#x2122;Enel, Engie ou Iberdrola. Les sociĂŠtĂŠs allemandes avaient diminuĂŠ leur effort mais sont aujourdâ&#x20AC;&#x2122;hui conduites Ă  lâ&#x20AC;&#x2122;accroĂŽtre Ă  nouveau. Notre politique est aujourdâ&#x20AC;&#x2122;hui de maintenir constant cet effort.

EDF R&D : 572 MF par an et plus de 2 000 collaborateurs REE : Vous ĂŞtre le patron de la R&D pour lâ&#x20AC;&#x2122;ensemble du groupe. Comment se rĂŠpartit ce potentiel de 2 000 personnes ? B. S. : Notre plus grosse implantation est ici Ă Saclay oĂš nous avons

140 ZREE N°3/2017

près de 1 000 personnes. Nous avons en France deux autres implantations : Ă Chatou (500 personnes) et aux Renardières (600 personnes). A lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠtranger, nous disposons de sept sites de recherche en Grande-Bretagne, en Allemagne, en Italie, en Pologne, aux EtatsUnis, en Chine et Ă  Singapour. Lâ&#x20AC;&#x2122;ensemble reprĂŠsente un potentiel dâ&#x20AC;&#x2122;environ 250 chercheurs rattachĂŠs Ă  des entitĂŠs EDF locales. Ces centres peuvent avoir deux types de mission : sSOITILSAPPORTENTLEURSOUTIENĂ&#x152;LAlLIALELOCALE sSOIT ILS SONT CHARGĂ?S DUNE MISSION TRANSVERSE TELLE QUE LĂ?OLIEN off-shore, conďŹ ĂŠ au centre de recherche dâ&#x20AC;&#x2122;EDF Energy en GrandeBretagne. Câ&#x20AC;&#x2122;est aussi dans ce centre quâ&#x20AC;&#x2122;ont ĂŠtĂŠ dĂŠveloppĂŠes les fonctionnalitĂŠs de ÂŤ chatbot Âť relatives Ă  la gestion domestique de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie et supportĂŠes par Alexa, lâ&#x20AC;&#x2122;assistant personnel intelligent contrĂ´lĂŠ par la voix et dĂŠveloppĂŠ par Amazon.

Une prĂŠsence en France et dans sept pays dans le monde REE : La rĂŠforme des structures dâ&#x20AC;&#x2122;EDF a-t-elle modifiĂŠ ses missions ? Travaillez-vous encore pour le compte de vos filiales RTE et ENEDIS ? B. S. : Comme vous le savez, les directives europĂŠennes ont profondĂŠment modiďŹ ĂŠ la structure du groupe EDF et ont conduit Ă sĂŠparer la partie rĂŠgulĂŠe, câ&#x20AC;&#x2122;est-Ă -dire les rĂŠseaux qui correspondent Ă  un monopole naturel, du reste des activitĂŠs de producteur et de fournisseur


ENSEIGNEMENT & RECHERCHE

qui relèvent du domaine concurrentiel. Aujourdâ&#x20AC;&#x2122;hui, EDF R&D ne travaille plus pour le rĂŠseau de transport qui est exploitĂŠ par RTE. Nous avons un contrat de recherche avec Enedis, pour la distribution, mais ce contrat est très strictement encadrĂŠ et il nâ&#x20AC;&#x2122;y a aucune passerelle avec le reste de nos activitĂŠs. REE : Comment sont dĂŠcidĂŠs les programmes de R&D au sein dâ&#x20AC;&#x2122;EDF ? B. S. : La R&D amène Ă se poser deux questions essentielles : sFAUT ILFAIREDELA2$POURRESTERENAVANCEETĂ?CLAIRERLAVOIE sDOIT ELLEVENIRENSOUTIENDESMĂ?TIERSĂ?TABLIS Historiquement, notre R&D ĂŠtait censĂŠe pour lâ&#x20AC;&#x2122;essentiel rĂŠpondre Ă  la première prĂŠoccupation. Les choses ont changĂŠ et nous venons aujourdâ&#x20AC;&#x2122;hui davantage en appui des business units. Notre système de gouvernance de la R&D conduit Ă  la situation dans laquelle 2/3 des programmes sont commanditĂŠs par des unitĂŠs et conduits avec des objectifs et des budgets. Il reste 1/3 dâ&#x20AC;&#x2122;actions ÂŤ corporate Âť qui rĂŠsultent de propositions faites par le directeur R&D du groupe et approuvĂŠes par le ComitĂŠ exĂŠcutif. Ainsi, dans le cadre du programme Linky, le système de communication par courants porteurs en ligne CPL G3 a tout dâ&#x20AC;&#x2122;abord ĂŠtĂŠ dĂŠveloppĂŠ Ă  lâ&#x20AC;&#x2122;initiative dâ&#x20AC;&#x2122;EDF R&D avant dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŞtre adoptĂŠ par Enedis pour le dĂŠployer dans les compteurs Linky alors que les premiers modèles de compteurs ĂŠtaient dotĂŠs de CPL G1.

2/3 des recherches viennent en soutien des unitĂŠs opĂŠrationnelles â&#x20AC;&#x201C; 1/3 prĂŠpare lâ&#x20AC;&#x2122;avenir du groupe

REE : Quel bilan tirez-vous de votre installation Ă Saclay ? Voyez-vous se dĂŠvelopper les synergies avec dâ&#x20AC;&#x2122;autres ĂŠtablissements implantĂŠs sur le site ? B. S. : Pour rĂŠpondre Ă  votre question, il faut tout dâ&#x20AC;&#x2122;abord bien comprendre que le groupe EDF doit faire ĂŠvoluer son activitĂŠ selon trois grands courants : sLATRANSITIONĂ?LECTRIQUE AVECUNRĂ&#x2122;LEDEPLUSENPLUSIMPORTANTDONNĂ?Ă&#x152;LĂ?LECTRICITĂ?DANSLASATISFACTIONDESBESOINSlNAUX sLATRANSITIONCLIMATIQUE QUIIMPOSEDESMODESDEPRODUCTIONDĂ?CARBONĂ?S sLATRANSITIONNUMĂ?RIQUE

Trois transitions sont en marche : ĂŠlectrique, climatique et numĂŠrique #OMMENTĂ?VOLUER/NREGARDEENPERMANENCECEQUISEFAIT dans les start-ups et dans le monde acadĂŠmique. Et câ&#x20AC;&#x2122;est lĂ que Saclay trouve tout son intĂŠrĂŞt. Les moyens de communication numĂŠrique modernes sont très importants mais ne sont pas sufďŹ sants, la proximitĂŠ gĂŠographique reste un facteur essentiel pour dĂŠvelopper les contacts humains et organiser le ĂŠchanges. Il faut pouvoir travailler ensemble et Saclay offre Ă  cet ĂŠgard un vivier dâ&#x20AC;&#x2122;une richesse exceptionnelle. Paris-Saclay, ce sont deux universitĂŠs, 11 grandes ĂŠcoles, 50 000 ĂŠtudiants, 10 000 chercheurs et enseignants. Nous avons des accords de partenariats avec le CNR, le CEA, lâ&#x20AC;&#x2122;INRIA. Nous avons dĂŠveloppĂŠ des laboratoires communs avec divers partenaires : sLE3%)$/SURLACYBERSĂ?CURITĂ? AVEC4ELECOM0ARIS4ECH

REE N°3/2017 Z 141


ENSEIGNEMENT & RECHERCHE

ssLLE2)3%'RIDSURLESRĂ?SEAUXĂ?LECTRIQUESINTELLIGENTS AVEC#ENTRALEE2)3%'RIDSURLESRĂ?SEAUXĂ?LECTRIQUESINTELLIGENTS AVEC#ENTRALE3UPĂ?LEC  3UPĂ?LEC s LE3%)3-SURLESRISQUESSISMIQUES AVECLE#%! %$& #ENTRALE3UsLE3%)3-SURLESRISQUESSISMIQUES AVECLE#%! %$& #ENTRALE3UPĂ?LEC L%COLENORMALESUPĂ?RIEURE0ARIS 3ACLAYETLE#.23 PĂ?LEC L%COLENORMALESUPĂ?RIEURE0ARIS 3ACLAYETLE#.23  s LE0'-/OPTIMISATIONETLARECHERCHEOPĂ?RATIONNELLE AVECL)NSTIsLE0'-/OPTIMISATIONETLARECHERCHEOPĂ?RATIONNELLE AVECL)NSTITUT*ACQUES(ADAMARD TUT*ACQUES(ADAMARD  s,)06&DANSLEDOMAINEDUSOLAIREPHOTOVOLTAĂ&#x2022;QUE CRĂ?Ă?Ă&#x152;LINITIATIVE s ,)06&DANSLEDOMAINEDUSOLAIREPHOTOVOLTAĂ&#x2022;QUE CRĂ?Ă?Ă&#x152;LINITIATIVE D%$&ET4OTAL DU#.23ETDELÂĄCOLEPOLYTECHNIQUE  D%$&ET4OTAL DU#.23ETDELÂĄCOLEPOLYTECHNIQUE s,E,ABORATOIREDElNANCEDESMARCHĂ?SDELĂ?NERGIEASSOCIANT%$&Ă&#x152; s ,E,ABORATOIREDElNANCEDESMARCHĂ?SDELĂ?NERGIEASSOCIANT%$&Ă&#x152; 0ARIS $AUPHINEETĂ&#x152;L%COLEPOLYTECHNIQUE  0ARIS $AUPHINEETĂ&#x152;L%COLEPOLYTECHNIQUE s,)-3)!SCIENCESDELAMĂ?CANIQUE ENPARTENARIATAVECLE#.23 s ,)-3)!SCIENCESDELAMĂ?CANIQUE ENPARTENARIATAVECLE#.23 le CEA et lâ&#x20AC;&#x2122;ENSTA. REE : Plus gĂŠnĂŠralement, quelles sont vos relations avec le monde universitaire et les ĂŠcoles dâ&#x20AC;&#x2122;ingĂŠnieurs ? B. S. : Nous avons toujours des relations ĂŠtroites avec les grandes ĂŠcoles dâ&#x20AC;&#x2122;ingĂŠnieurs : CentralesupĂŠlec, les Ponts ParisTechâ&#x20AC;Ś Aujourdâ&#x20AC;&#x2122;hui, la bonne image technique dâ&#x20AC;&#x2122;EDF nous permet dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠtendre ces relations Ă lâ&#x20AC;&#x2122;international : le MIT aux Etats-Unis, lâ&#x20AC;&#x2122;universitĂŠ de Tsinghua en Chine, lâ&#x20AC;&#x2122;Imperial College en Grande Bretagne, le Karlsruhe Institute of Technology en Allemagne, sans oublier la France et, par exemple, lâ&#x20AC;&#x2122;Ecole dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠconomie de Toulouse oĂš exerce Jean Tirole. REE : Venons-en Ă  la politique de R&D au sein dâ&#x20AC;&#x2122;EDF. Quels sont les grands axes scientifiques ou technologiques qui vous semblent devoir ĂŞtre dĂŠveloppĂŠs ? Nous avons trois grands axes qui sont tout Ă  fait complĂŠmentaires : sLEDĂ?VELOPPEMENTDUNMIXĂ?LECTRIQUEDĂ?CARBONĂ?ETCOMPĂ?TITIF CE sLEDĂ?VELOPPEMENTDUNMIXĂ?LECTRIQUEDĂ?CARBONĂ?ETCOMPĂ?TITIF CE qui veut dire concrètement le dĂŠveloppement des ĂŠnergies nouVELLESETDELĂ?NERGIENUCLĂ?AIRE VELLESETDELĂ?NERGIENUCLĂ?AIRE sLESRĂ?SEAUX PRISSOUSLANGLEDUSYSTĂ&#x2019;MEĂ?LECTRIQUEDUFUTUR OPTIMISAsLESRĂ?SEAUX PRISSOUSLANGLEDUSYSTĂ&#x2019;MEĂ?LECTRIQUEDUFUTUROPTIMISAtion du rĂŠseaun smart grids, microgrids, smart meters, smart citiesâ&#x20AC;Ś sLESUSAGESlNAUX AUSERVICEDUCLIENT AVECLEDĂ?VELOPPEMENTDELA s LESUSAGESlNAUX AUSERVICEDUCLIENT AVECLEDĂ?VELOPPEMENTDELA mobilitĂŠ ĂŠlectrique, des pompes Ă  chaleur et la prise en compte de la mutation vers le digital, aussi bien dans les bâtiments que dans lâ&#x20AC;&#x2122;industrie et les transports.

Trois axes de R&D : un mix ĂŠlectrique dĂŠcarbonĂŠ, le système ĂŠlectrique du futur et les usages finaux de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠlectricitĂŠ REE : Du cĂ´tĂŠ des ĂŠnergies renouvelables, quels progrès peut-on escompter durant les prochaines annĂŠes ? Sur quelles filières ? B. S. :,ESOLAIREPHOTOVOLTAĂ&#x2022;QUEVACONTINUERĂ&#x152;PROGRESSERILFAUT :,ESOLAIREPHOTOVOLTAĂ&#x2022;QUEVACONTINUERĂ&#x152;PROGRESSER ILFAUT sâ&#x20AC;&#x2122;attendre Ă de nouvelles baisses de prix malgrĂŠ les progrès considĂŠRABLESDĂ?JĂ&#x152;RĂ?ALISĂ?S,EPHOTOVOLTAĂ&#x2022;QUEVASEBANALISERCOMPLĂ&#x2019;TEMENT et devenir une commoditĂŠ. Du cĂ´tĂŠ des rendements, un objectif de 30 % est plausible, grâce notamment aux cellules tandem. Lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠolien va ĂŠgalement continuer Ă  progresser mais moins vite. Câ&#x20AC;&#x2122;est essentiellement sur un effet de taille quâ&#x20AC;&#x2122;il faut compter et le plafond nâ&#x20AC;&#x2122;a pas encore ĂŠtĂŠ atteint quant Ă  la puissance unitaire des machines.

142 ZREE N°3/2017

PhotovoltaĂŻque et ĂŠolien continueront Ă progresser Je suis moins convaincu par le solaire thermodynamique qui est plus compliquĂŠ. Bien sĂťr, il y a une possibilitĂŠ de lissage de la production grâce Ă  lâ&#x20AC;&#x2122;utilisation de ďŹ&#x201A;uides appropriĂŠs mais le couple PHOTOVOLTAĂ&#x2022;QUE BATTERIES EST PLUS SIMPLE ET PLUS COMPĂ?TITIF /N /N voit aujourdâ&#x20AC;&#x2122;hui les grands acteurs hĂŠsiter sur lâ&#x20AC;&#x2122;avenir de cette ďŹ lière. Lâ&#x20AC;&#x2122;hydrogène est un grand sujet qui donne lieu Ă  dĂŠbat. Nous pensons que lâ&#x20AC;&#x2122;hydrogène a un avenir. Du cĂ´tĂŠ de la production, il faut sortir du reformage du mĂŠthane qui donne lieu Ă  des ĂŠmissions IMPORTANTESDE#/2. Nous travaillons en Allemagne sur lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠlectrolyse mais le coĂťt des ĂŠlectrolyseurs reste ĂŠlevĂŠ et il faut diviser le coĂťt dâ&#x20AC;&#x2122;investissement de lâ&#x20AC;&#x2122;ensemble de la chaĂŽne par 10 pour ĂŞtre compĂŠtitif. Câ&#x20AC;&#x2122;est ambitieux et pas pour tout de suite. Du cĂ´tĂŠ des usages, je ne suis pas convaincu par la ďŹ lière â&#x20AC;&#x153;Power to gasâ&#x20AC;? qui reste très loin de la compĂŠtitivitĂŠ. Par contre, il nous semble quâ&#x20AC;&#x2122;il existe des dĂŠbouchĂŠs possibles dans la mobilitĂŠ. Certes, la voiture ĂŠlectrique Ă  batterie a une longueur dâ&#x20AC;&#x2122;avance en tant que solution dĂŠcarbonĂŠe, mais les grands constructeurs restent mobilisĂŠs sur lâ&#x20AC;&#x2122;hydrogène, soit pour les usages Ă  longue distance pour lesquels les batteries posent le problème de lâ&#x20AC;&#x2122;autonomie, soit pour les applications de prolongateur dâ&#x20AC;&#x2122;autonomie (range extenders), soit pour les transports lourds.

Lâ&#x20AC;&#x2122;hydrogène jouera un rĂ´le dans la mobilitĂŠ dĂŠcarbonĂŠe REE : Le stockage est un point clĂŠ. Quels sont vos axes de recherche ? Quels objectifs, en termes de performances et de coĂťt vous semblent pouvoir ĂŞtre atteints et Ă quel horizon ? B. S. : Incontestablement, le prix des batteries lithium-ion va continuer Ă  baisser et je pense quâ&#x20AC;&#x2122;un objectif de 100 Ă  150 F/kWh Ă  moins de 10 ans est rĂŠaliste. Mais il ne faut cependant sâ&#x20AC;&#x2122;illusionner : LAFABRICATIONDESBATTERIESRELĂ&#x2019;VEDELAHIGH4ECH ELLENĂ?CESSITEDES LAFABRICATIONDESBATTERIESRELĂ&#x2019;VEDELAHIGH4ECHELLENĂ?CESSITEDES salles blanches, les matĂŠriaux sont coĂťteux et les investissements très ĂŠlevĂŠs.

Un objectif de 100 Ă 150 F/MWh pour les batteries Li-ion mais le zinc-air est une alternative possible Nous pensons quâ&#x20AC;&#x2122;il y a place pour des ďŹ lières alternatives et nous disposons en particulier dâ&#x20AC;&#x2122;une grande expĂŠrience et dâ&#x20AC;&#x2122;une technologie sur les batteries zinc-air qui utilisent des matĂŠriaux bon marchĂŠ et sont simples Ă  fabriquer. Nous avons crĂŠĂŠ une ďŹ liale, ZnR batteries, qui commercialise des solutions appelĂŠes Zinium en direction des applications stationnaires sur rĂŠseaux. Nous continuons en parallèle Ă  suivre lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠvolution de la ďŹ lière sodiumsoufre. REE : Le vĂŠhicule ĂŠlectrique est un enjeu très important de la transition ĂŠnergĂŠtique. Son avenir dĂŠpend bien entendu des travaux sur le stockage dont nous avons parlĂŠ mais voyez-vous


CHRONIQUE

Êtes-vous un « maker » ?

V

otre magasin de bricolage préféré vient d’ouvrir un « Techshop » et vous invite à devenir un « maker1 » en développant le « coworking ». Voilà donc de nouveaux anglicismes qui envahissent notre vie quotidienne. De quoi s’agit-il ? Un TechShop® (c’est en fait une marque commerciale) est un espace collaboratif où chacun peut accéder à des machines et à des équipements professionnels, répartis dans différents ateliers : bois, métal, textile, électronique, impression 3D... Vous pouvez y bénéficier – dit la notice – du support d'accompagnateurs projets, à l'expérience solide et à l’enthousiasme communicatif. Bref, c’est l’endroit où vous pouvez, dans une ambiance conviviale faire vos premiers pas de « maker ». 1

Sur ce thème, le lecteur pourra consulter le petit guide intitulé "Devenez maker" qui vient d'être édité chez Dunod et que la REE a recensé pour vous dans la rubrique "Vient de paraître" du présent numéro.

Mais qu’est-ce qu’un maker ? Un maker est au bricoleur ce que l’homme contemporain est à l’homme de Cromagnon : c’est quelqu’un qui va fabriquer lui-même des objets, matériels ou logiciels, en utilisant toutes les ressources que la technologie moderne met à sa disposition : outils lasers, impression 3D, conception et simulation numérique, etc. Mais il va le faire de façon collaborative, dans un espace ouvert, en bénéficiant d’outils modernes mais aussi du soutien d’instructeurs et de l’expérience partagée avec d’autres makers : artistes, entrepreneurs, enseignants, étudiants, etc. De là est né le concept de « culture maker » qui met l’accent sur l’apprentissage par la pratique dans un cadre social. La culture maker se concentre ainsi sur un apprentissage informel, communautaire, collaboratif et partagé via un patrimoine informationnel commun, motivé par l’amusement et l’accomplissement personnel. Le bricoleur est un individu qui va généralement opérer seul alors que le maker

Un Techshop aux Etats-Unis.

146 ZREE N°3/2017

chasse en meute. Les interactions communautaires et le partage de connaissances sont fondamentaux. L’atelier – j’aurais dû dire le « workshop » ou mieux le « makerspace » – est le temple où la communauté va se réunir pour échanger, faire progresser son savoir-faire et réaliser. Pourquoi un tel engouement qui rejoint celui suscité par les « fab labs » promus initialement par le MIT pour développer de façon coopérative des logiciels qui sont ensuite distribués sous licence libre ? Certes, de tout temps, chacun a, avec ses moyens propres, cherché à compléter les fruits qu’il pouvait tirer de son travail en développant une activité spécifique dans laquelle il avait quelque talent : les ménagères faisaient du tricot, élevaient des poules ou cultivaient un potager ; les hommes refaisaient les peintures ou réparaient leur voiture. L’objectif premier était économique : améliorer l’ordinaire en se débrouillant tout seul ; subsidiairement l’activité pouvait être perçue comme un


CHRONIQUE

loisir. Mais la composante sociale était absente sauf à se rendre service entre voisins lorsque cela était nécessaire. Avec le mouvement maker, on assiste à quelque chose qui va plus loin puisque les makers acceptent tout simplement d’aller au travail – adieu les 35 heures – dans un cadre qui n’est plus celui de l’entreprise mais qui y ressemble : un espace, des moyens partagés et des instructeurs qui servent de contremaîtres. Pourquoi un cadre souvent perçu comme une contrainte devient-il tout d’un coup une voie d’épanouissement ? Il y a probablement plusieurs raisons. La première est le mouvement général que nous constatons en direction de la décentralisation et du « small is beautiful ». Les baisses de prix et la miniaturisation des outils, le développement fantastique des technologies numériques rendent possibles des fabrications, matérielles aussi bien que logicielles, qui étaient jusqu’à présent l’apanage des grandes organisations fortement équipées en moyens humains et matériels. Alors pourquoi ne pas en profiter et faire soi-même au lieu

de faire faire, alors que l’on a du temps libre et que les loisirs coûtent plus cher que le travail librement consenti et exonéré de charges sociales ? Mais la culture maker va encore plus loin : elle est incontestablement imprégnée d’une saveur libertaire tendant à remettre en cause les structures en place, à se libérer des carcans et aller vers un monde où les connaissances et les moyens sont partagés pour le plus grand bonheur de chacun. Ne voit-on pas ainsi se développer les productions autonomes d’électricité et des collectivités d’autoproducteurs qui, en utilisant les vertus de la blockchain, pensent pouvoir s’exonérer des grands opérateurs qui ont pourtant été à l’origine d’un fantastique progrès économique et social. Plus de liberté, plus de démocratie, halte aux rémunérations indues du grand capital, le contrôle retrouvé de ses ressources et de son talent… autant de slogans qui font florès. Mais attention, le mouvement maker n’est qu’une instanciation particulière de la civilisation du numérique, celle qui a donné naissance à Uber ou

à Airbnb. S’il n’y a pas d’actionnaires visibles dans les ateliers collaboratifs, il y en a dernière le rideau qui, en surfant sur les mouvements d’opinion et en mettant à la disposition des usagers des méthodes et des moyens, sont ceux qui en tirent le maximum de profit. Il faut aussi penser aux effets déstructurants de ces circuits courts : un maker ayant acquis une réelle expertise sera souvent tenté d’en faire commerce et d’en tirer profit, par exemple au travers d’allovoisins.com ou de leboncoin.fr. Il ira passer son temps libre dans un atelier collaboratif sans s’alarmer du fait que c’est son vrai travail qui assure sa couverture sociale et sa retraite. La plupart de ces activités rendues possibles par l’explosion des services numériques restent donc encore aujourd’hui les passagers clandestins des structures traditionnelles. C’est à la puissance publique de définir des règles qui, sans entraver le développement de nouvelles formes de travail, permettent de préserver les équilibres sociaux et de ne pas créer de nouvelles formes d’assujettissement. Q JPH

REE N°3/2017 Z 147




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PROPOS

LIBRES

Technologie : sommes-nous réellement prêts à la croissance de demain ? Vincent Champain Président de l’Observatoire du long terme

première ligne reliant Saint-Etienne à Andrézieux arrive

Science ou technologie ?

Soutenir la science, évidemment, mais ne pas oublier la technologie.

B

rian Arthur1 définit la technologie comme

en France.

l’usage de phénomènes physiques pour

Deux figures jouent un rôle clef dans le progrès

remplir une fonction précise. Par exemple,

technologique. D’abord, le chercheur ou l’ingénieur de

la science nous apprend que certains maté-

recherche qui découvrent ou maitrisent de nouveaux

riaux peuvent être à la fois conducteurs et isolants ; les

phénomènes physiques pour créer de nouvelles briques

technologies qui en découlent utilisent cette propriété

technologiques. Ensuite, les inventeurs qui assemblent

pour réaliser un transistor, qui permet de comman-

des “briques” technologiques existantes pour apporter

der un courant pour un autre courant, puis pour réa-

une solution nouvelle – des ingénieurs qui améliorent

liser un microprocesseur capable de réaliser des opé-

l’efficacité d’un moteur électrique jusqu’au bricoleur qui

rations logiques. La technologie évolue par ruptures,

construit dans son garage un serveur Wi-Fi gros comme

lorsqu’elle maîtrise un nouveau phénomène physique

le pouce2 en assemblant des composants achetés sur

par exemple pour produire en série des nouvelles bat-

Internet et une batterie récupérée sur un jouet cassé.

teries électriques plus efficaces. Elle évolue aussi par

La plupart de ces inventeurs disposent de moyens

composition de technologiques existantes : une centrale

réduits et doivent utiliser des produits disponibles au

hydroélectrique est ainsi composée d’un réservoir, de

grand public – c’est le fameux « garage » dans lequel

turbines, de générateurs électriques et d’équipements

ont commencé les bricolages qui ont donné plus tard

électriques.

Hewlett-Packard ou Apple. C’est pourquoi la croissance

C’est la technologie, non la science, qui crée la

sera fortement accélérée à chaque fois que se déve-

croissance. Les phases de forte croissance arrivent des

lopperont des plates-formes mettant des technologies-

années après les découvertes scientifiques et se réa-

clés à la disposition du plus grand nombre. Ces plates-

lisent quand les technologies deviennent assimilables

formes n’ont rien à voir avec les plates-formes Web de

par le plus grand nombre. Les fondements scientifiques

commande de taxi : ce sont les technologies, les infras-

d’Internet datent des années 60, mais l’effet sur la

tructures, les langages ou les environnements de déve-

croissance n’a été visible qu’à la fin des années 90. Ce

loppement qui mettent simplement à la disposition de

qui l’a rendu possible, c’est la technologie HTML qui a

tous des technologies plus complexes – comme HTML

permis de rendre plus simple et plus rapide la réalisa-

l’a fait pour internet, le microprocesseur pour la microin-

tion de sites. Il s’est également passé plusieurs dizaines

formatique ou le langage C pour le développement

d’années entre les premiers prototypes de machine à

informatique. Ces plates-formes font de la combinaison

vapeur – celle de Papin date de 1679 – et le moment

de composants, données et logiciels pour répondre à un

où son utilisation s’est diffusée largement, entraînant à

besoin, un simple jeu de Lego.

la fois des gains de productivité considérables et – déjà

Avec le début de la microinformatique dans les

– des inquiétudes pour l’emploi. Il n’y avait que 14 000

années 80, une génération entière avait pu maîtriser

chevaux vapeur en France en 1833, ils étaient 500 000

les fondamentaux de l’informatique, avant que la com-

en 1880. Le train à vapeur a été inventé en 1804 au

plexité croissante des systèmes ne réduise malheureu-

Royaume-Uni ; il faudra attendre 20 ans pour que la

sement le nombre de personnes capables de réaliser un

1

2

“The Nature of Technology”, Brian Arthur, Free Press, 2009

http://hackaday.com/2015/10/26/better-smaller-wifi-throwies

REE N°3/2017 Z 149


PROPOS

LIBRES

programme informatique. Les plateformes cloud d de dédé -

composants les plus utilisés par ces bricoleurs. Pour

veloppement informatique sont en train de démocratiser

« ESP8266 », composant plébiscité pour son faible coût

à nouveau le développement d’applications – qu’elles

dans la réalisation d’objets connectés intelligents5, la

soient destinées à des montres connectées, comme le

Hollande arrive en tête (18 % des recherches), suivie

fait Cloud Pebble3, ou à des processus industriels. Plus

de l’Allemagne (16 %), dont l’activité est répartie entre

généralement, l’accès à de nombreuses briques techno-

quatre régions (Bavière, Bad Wurtemberg, Berlin, Nord-

logiques a beaucoup baissé : il suffit d’un fer à souder et

Rhénanie) et de la Russie (13 %), la Pologne (13 %),

de quelques euros pour réaliser un système embarqué

l’Espagne (9 %), l’Italie (8 %) et l’Inde (7 %). La France

et communicant, des réseaux comme celui de Sigfox

arrive en fin de classement (6 %, concentrés à Paris).

permettent à un objet de communiquer partout pour

Pour les recherches sur « Arduino » (système open

1 F par an et le financement s’est démocratisé. On peut

source destiné à l’éducation), la France n’apparaît plus

en outre passer d’une idée à un succès mondial de

dans les dix premiers, contrairement au Sri Lanka, au

l’objet connecté grâce au financement participatif. Les

Salvador ou à l’Estonie.

4

experts réunis à Digiworld s’accordent sur le potentiel du

Ces indicateurs ne sont évidemment pas exhaustifs,

digital industriel : s’il est encore en retard sur l’Internet

mais ils nous interpellent sur deux questions :

grand public, son potentiel à terme dépasserait 8 000

DABORDLANATUREiSCOLAIREwDENOTRESYSTÒMEDÏDUssDABORDLANATUREi SCOLAIRE wDENOTRESYSTÒMEDÏDU-

milliards de dollars, plus de deux fois celui de l’Internet

cation, qui favorise l’écrit ou les connaissances théoriques plus que les réalisations concrètes ;

grand public. Et contrairement au second, le premier se lit immédiatement dans les chiffres de croissance.

ENSUITE LEFAITQUEPENDANTCETEMPS BEAUCOUPDES ssENSUITE LEFAITQUEPENDANTCETEMPS BEAUCOUPDES

Quand une application nous fait gagner du temps libre,

pays émergents sont en train de prendre une avance,

le PIB ne bouge pas, alors que lorsque qu’une usine éco-

comme le montre la présentation faite par Andrew

nomise du temps de travail, la productivité augmente !

Huang6 de l’écosystème de Shenzhen en Chine. Même

Potentiel large, impact direct sur la croissance et maturité

s’il repose sur un système de protection de la propriété

des « briques » technologiques : tous les ingrédients sont

intellectuelle différent du nôtre, il va bien au-delà de la

là pour une vague de croissance sans précédents, dont

« copie low cost ».

les prémisses sont encore modestes mais déjà visibles.

Comment aller de l’avant ? Où se situe la « France des makers » ?

Face à une compétition mondiale vive, nous avons

Face à ces défis, notre pays a longtemps été marqué

certainement des atouts forts – excellence de la re-

par des structures centralisées, plus adaptées aux grands

cherche fondamentale, maturité de l’écosystème indus-

plans scientifiques qu’au bricolage technologique. La

triel, infrastructures... Mais nous ne sommes pas, dans

France a longtemps été mieux classée dans la science

le domaine de l’innovation technologique, au niveau

fondamentale que dans la technologie. Nos rythmes

auquel ces atouts devraient nous porter.

scolaires, organisés autour de programmes définis par

Pour y remédier, nous devons comprendre que la

un comité national, laissaient peu de place à l’expéri-

croissance de demain reposera sur la capacité à com-

mentation : ceux qui ont assisté au développement de la

biner les briques technologiques, d’où qu’elles viennent.

microinformatique des années 80 ont constaté le niveau

Taxer les robots, fermer les frontières ou forcer nos en-

d’activité des pays du Nord. Les lycéens et collégiens y

treprises à restreindre leurs choix technologiques, c’est

disposent de plus de temps pour expérimenter, la tech-

les handicaper dans la compétition mondiale, et réduire

nologie y étant plus valorisée.

notre capacité à développer les fameux « emplois à

Les choses ont-elles changé ? Pour estimer la façon

haute valeur ajoutée », qui nous permettent d’éviter la

dont notre pays se positionne sur « l’innovation de com-

concurrence faciale avec les pays à bas coûts. Il faut

position » parmi les 10 premiers pays mondiaux, nous

nous ouvrir largement aux talents et aux technologies

avons analysé le volume de recherche Internet sur les 3

https://cloudpebble.net

4

https://en.wikipedia.org/wiki/Pebble_(watch)

150 ZZREE REE N°3/2017

5

L’Asie utilise d’autres outils de recherche et n’apparaît donc pas dans ce classement.

6

“The Hardware Hacker: Adventures in Making and Breaking Hardware”, Andrew Huang, No Starch Press, 2017.


Entre science et vie sociĂŠtale,

les ĂŠlĂŠments du futur Une publication de la Edition/Administration : SEE - 17, rue de lâ&#x20AC;&#x2122;Amiral Hamelin - 75783 Paris cedex 16 TĂŠl. : 01 5690 3709/17 Site Web : www.see.asso.fr Directeur de la ppublication : François Gerin

La SEE, sociĂŠtĂŠ savante française fondĂŠe en 1883, forte de 2 000 membres, couvre les secteurs de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă&#x2030;lectricitĂŠ, de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă&#x2030;lectronique et des Technologies de lâ&#x20AC;&#x2122;Information et de la Communication. Elle a pour vocation de favoriser et de promouvoir le progrès dans les domaines : Ă&#x2030;nergie, TĂŠlĂŠcom, Signal, Informatique Composants, Automatique, Informatique.

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156 ZREE N°3/2017

DĂŠpĂ´t lĂŠgal : juillet 2017

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CybersÊcuritÊ et RÊseaux intelligents Radar, Sonar et Systèmes RadioÊlectriquess Q Stockage et nouveaux Moyens de Productio Production o Q Systèmes Electriques Q Q

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Aperçu du numéro 2017-3 de la REE (juillet 2017)  

Cet aperçu permet de découvrir le sommaire et les principaux articles du numéro REE 2017-3 publié en juillet 2017 - Pour s'abonner, merci de...

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