Economie circulaire en électronique de puissance : opportunité de la conception Multi-cellulaire

Circular economy in power electronics : Multi-cellular design

• Auteur / Autrice : Boubakr Rahmani
• Direction : Yves Lembeye, Jean-Christophe Crebier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe de recherche Electronique de puissance (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Perry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peggy Zwolinski, Laurent Dupont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Perry, Bruno Allard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durée de vie (ingénierie)

Économie circulaire

Électricité -- Production

Montage en surface (électronique)

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Energie

Economie circulaire

Conception Multi-Cellulaire

Acv

Fiabilité

Lca

Circular economy

Multi-Cellular Design

Energy

Power electronic

Reliability

Résumé

L'électronique de puissance est en charge du conditionnement de l'énergie électrique. Cela consiste à convertir les formes d'ondes électriques pour les adapter entre les diverses sources et les diverses charges existantes, le tout en limitant au maximum les pertes et les perturbations générées. Le Plan Climat Français présenté en juillet 2017 visant à accélérer la transition énergétique et climatique dans le monde, place l'économie circulaire au cœur de la transition énergétique et compte atteindre la neutralité carbone à l'horizon 2050. La mobilité, les applications modernes telles que la robotique, les data centers etc. ne sont que des illustrations montrant l'emprise de l'énergie électrique au sein de la société moderne. La gestion et le conditionnement performant de l'énergie électrique sont donc en pleines expansions et mobilisent une forte activité de Recherche & Développement. La conception de systèmes soutenant une activité viable à l'horizon 2050 de l'activité humaine (usage, production, etc.) passe donc par repenser la circularité des flux de matière et d'énergie pour éco-concevoir les produits en optimisant leurs usages. Depuis plus de 10 ans le G2Elab travaille sur un mode de conception et de réalisation en rupture avec les pratiques courantes de l'électronique de puissance. Ce nouveau mode de réalisation propose de concevoir et de réaliser les fonctions de conversion en mettant en œuvre des briques standards de conversion connectées en série et/ou en parallèle en entrée comme en sortie afin de couvrir l'ensemble des cahiers des charges de la conversion en électronique de puissance des applications modernes. Cette approche, par l'association de briques fonctionnelles, offre un potentiel de conception et production modulaire de produits mécatroniques s'inscrivant dans une démarche globale radicalement plus soutenable que ce qui est produit, utilisé et jeté aujourd'hui. Les recherches menées au laboratoire du G-SCOP sont en pointe sur la conception intégrée pour l'économie circulaire, déclinant les conséquences nécessaires sur les systèmes de production des produits multi-physiques associés (mécanique,électronique, robotique, etc.). La complémentarité de ces deux laboratoires offre un cadre de recherche permettant d'explorer les opportunités de la conception modulaire de produits mécatroniques fondés sur des systèmes innovants de convertisseurs statiques, pour tendre vers une circularité des ressources en matière et en énergie au niveau planétaire. Mettre en œuvre une économie circulaire inclue la contrainte des limites planétaires en terme de ressources et d'énergie dépensées et d'impacts générés sur les écosystèmes naturels, que ce soit sur les aspects technologiques en lien avec les composants et les matériaux qu'ils renferment, ou que ce soit sur les aspects économiques en lien avec la structuration de la récupération et l'évaluation de son intérêt financier. Le projet de recherche s'inscrit dans le cadre d'un projet de valorisation technologique en cours, visant à faire émerger de nouvelles pratiques dans le milieu industriel en électronique de puissance.

Power electronics is responsible for conditioning electrical energy. This consists of converting electrical waveforms to adapt them between the various sources and the various existing loads, all while limiting the losses and disturbances generated as much as possible. The French Climate Plan presented in July 2017 aiming to accelerate the energy and climate transition in the world, places the circular economy at the heart of the energy transition and intends to achieve carbon neutrality by 2050. Mobility, modern applications such as robotics, data centres etc. are just some illustrations of the power of electrical energy in modern society. The efficient management and conditioning of electrical energy is therefore expanding rapidly and is the focus of much research and development. The design of systems supporting viable human activity (use, production, etc.) by 2050 therefore requires a rethinking of the circularity of material and energy flows in order to eco-design products by optimising their use. For more than 10 years, G2Elab has been working on a design and production method that breaks with current practices in power electronics. This new method proposes to design and produce conversion functions by implementing standard conversion bricks connected in series and/or in parallel at the input and output in order to cover all the specifications of power electronics conversion in modern applications. This approach, through the association of functional bricks, offers a potential for modular design and production of mechatronic products in a global approach that is radically more sustainable than what is produced, used and thrown away today. The research carried out at the G-SCOP laboratory is at the forefront of integrated design for the circular economy, with the necessary consequences on the production systems of the associated multi-physical products (mechanics, electronics, robotics, etc.). The complementarity of these two laboratories offers a research framework allowing to explore the opportunities of modular design of mechatronic products based on innovative static converter systems, to move towards circularity of material and energy resources at the global level. Implementing a circular economy includes the constraint of planetary limits in terms of resources and energy expended and impacts generated on natural ecosystems, whether on technological aspects related to components and the materials they contain, or on economic aspects related to the structuring of recovery and the evaluation of its financial interest. The research project is part of an ongoing technological valorisation project, aiming at the emergence of new practices in the industrial environment in power electronics.