L’essor des lampadaires intelligents à courant continu en Chine
Dans une avancée audacieuse vers la décarbonation urbaine et les infrastructures intelligentes, les ingénieurs et planificateurs énergétiques chinois défendent une approche transformative de l’éclairage municipal : des lampadaires alimentés en courant continu (CC) intégrant des photovoltaïques distribués, du stockage d’énergie et des bornes de recharge pour véhicules électriques (VE). Ce modèle émergent, détaillé dans une étude révisée par des pairs publiée dans le Zhaoming Gongcheng Xuebao (Journal of Illuminating Engineering), offre une feuille de route convaincante pour les villes du monde entier aux prises avec l’inefficacité énergétique, la congestion des réseaux et le besoin urgent d’intégrer les énergies renouvelables à grande échelle.
La recherche, dirigée par Jianwei Liu du China Power Engineering Consulting Group Co., Ltd., aux côtés d’une équipe multidisciplinaire du China Energy Engineering Group Tianjin Electric Power Design Institute Co., Ltd., présente un argumentaire technique et économique complet pour les systèmes d’éclairage public à base de CC. Loin d’être une expérience de niche, l’article soutient que les lampadaires CC représentent un point de convergence stratégique pour multiples tendances des énergies propres – l’énergie solaire, le stockage par batterie, l’adoption des VE et la gestion urbaine intelligente – toutes ancrées sur une plateforme d’infrastructure unique et évolutive.
À première vue, les lampadaires peuvent sembler être un élément banal de la vie urbaine. Pourtant, ils figurent parmi les utilities publiques les plus omniprésents et énergivores. En Chine seulement, l’éclairage routier représente environ 25 à 30 % de la consommation totale d’électricité dédiée à l’éclairage, elle-même équivalente à près de 13 % de l’utilisation électrique nationale. Les systèmes traditionnels à courant alternatif (CA), souvent alimentés par des lampes à sodium haute pression ou aux halogénures métalliques, souffrent de pertes énergétiques élevées, d’une compatibilité limitée avec la technologie LED moderne et d’une vulnérabilité aux courants de fuite et aux chutes de tension sur les longues distances de distribution. Ces inefficacités sont amplifiées dans les zones métropolitaines étendues où l’électricité doit parcourir des kilomètres depuis les sous-stations jusqu’aux appareils individuels.
Entrez dans l’ère du lampadaire CC. En éliminant le besoin de conversion répétée CA-CC – requise par pratiquement tous les luminaires LED modernes – les systèmes CC réduisent considérablement le gaspillage d’énergie. Plus important encore, ils créent un environnement natif pour intégrer des sources renouvelables comme les panneaux solaires de toiture ou sur mât, qui produisent naturellement de l’énergie CC. Cette synergie réduit les pertes de conversion, simplifie l’architecture du système et améliore la fiabilité globale.
Liu et ses coauteurs soulignent que les avantages vont bien au-delà des économies d’énergie. Un micro-réseau CC pour l’éclairage public permet ce qu’ils appellent un écosystème énergétique « quatre en un » : production (via le photovoltaïque), stockage (par batteries), consommation (éclairage et charges auxiliaires) et recharge (pour les VE). Ce modèle intégré transforme les lampadaires passifs en nœuds énergétiques actifs capables de flux de puissance bidirectionnels, de soutien au réseau et de secours d’urgence.
L’une des contributions clés de l’étude réside dans son analyse méticuleuse de l’architecture système. Les auteurs explorent la sélection de tension, les stratégies de mise à la terre et les topologies de réseau adaptées aux applications d’éclairage urbain. S’appuyant sur des normes nationales telles que GB/T 35727-2017 et T/CECS 705-2020, ils préconisent une tension nominale de 220 V CC comme le meilleur compromis entre sécurité, efficacité et compatibilité avec les produits LED existants. À ce niveau, le système évite les risques d’électrocution accrus associés aux tensions CC plus élevées tout en permettant des distances de transmission pratiques – jusqu’à 400 mètres sans chute de tension excessive – le rendant adapté aux pâtés de maisons urbains typiques.
La mise à la terre, un aspect critique mais souvent négligé de la sécurité en CC, reçoit une attention particulière. L’équipe évalue trois configurations standard – TT, TN-S et IT – et conclut que le système IT (isolé avec mise à la terre à haute résistance) offre le meilleur compromis pour l’éclairage public. Dans une configuration IT, un défaut de terre unipolaire ne déclenche pas immédiatement le système, permettant une opération continue tout en alertant les équipes de maintenance – une caractéristique cruciale pour garantir un éclairage nocturne ininterrompu dans les zones critiques. De plus, cette configuration minimise les courants de défaut, réduisant les risques d’incendie et d’électrocution sans dépendre de dispositifs différentiels à courant continu (DDCC) commercialement immatures, qui restent rares sur le marché.
L’argument économique est tout aussi persuasif. Les chercheurs modélisent plusieurs scénarios de déploiement le long d’un corridor urbain représentatif d’un kilomètre équipé de 160 lampadaires. Dans une rénovation CC de base – remplacement des lampes CA anciennes par des LED modernes et passage à une dorsale de distribution CC – ils estiment une réduction de 20 % de la consommation énergétique. À un tarif électrique de 0,75 ¥/kWh, cela se traduit par des économies annuelles de plus de 28 000 kWh et près de 21 000 ¥ en factures d’électricité réduites. Surtout, ce changement réduit également les coûts de câblage : les systèmes CC ne nécessitent que deux conducteurs au lieu des trois ou cinq utilisés dans les configurations CA typiques, générant une économie immédiate de 100 000 ¥ en matériaux pour le segment modélisé. L’investissement combiné en matériel et installation est amorti en moins de trois ans.
Mais la véritable innovation se dévoile lorsque le stockage et le solaire sont ajoutés. Dans un scénario CC + batterie, le système exploite la tarification électrique horaire pour charger pendant les heures creuses (0,55 ¥/kWh) et décharger pendant les heures de pointe (1,20 ¥/kWh). Pour un système lithium-ion de 100 kW/500 kWh, cette stratégie d’écrêtement des pointes permet d’économiser 24 000 ¥ supplémentaires par an. Si la période de récupération s’étend à plus de 16 ans pour les batteries lithium, elle descend à un peu plus de huit ans avec des alternatives plomb-acide moins coûteuses – restant une proposition viable compte tenu de la valeur ajoutée de la sauvegarde d’urgence pendant les pannes.
L’intégration du photovoltaïque améliore encore l’économie et la durabilité. L’étude suppose un panneau solaire modeste de 50 Wp par mât – facilement monté sur le luminaire ou les structures adjacentes. Avec huit heures d’ensoleillement effectif quotidien, chaque unité génère 0,4 kWh, compensant la consommation du réseau pendant la journée et stockant l’excédent pour une utilisation nocturne. Aux tarifs de pointe, cela génère 175 ¥ d’économies annuelles par mât, avec un amortissement simple de moins de cinq ans. Multiplié sur des milliers de mâts, l’impact cumulatif devient substantiel.
L’application peut-être la plus prospective est la fusion des lampadaires CC avec des bornes de recharge rapide pour VE. Alors que l’adoption des VE urbains s’accélère, l’anxiété d’autonomie et les déserts de recharge restent des obstacles persistants. En intégrant des bornes de recharge rapide CC de 60 kW dans des mâts intelligents – alimentés par le même bus CC qui alimente les lumières – les villes peuvent rapidement étendre l’infrastructure de recharge sans mises à niveau coûteuses du réseau. L’étude estime qu’avec seulement 10 à 20 sessions de recharge quotidiennes, une seule unité peut générer 82 000 à 220 000 ¥ de revenus annuels, récupérant son investissement de 100 000 ¥ en aussi peu que cinq mois.
Ce concept de « mât comme plateforme » s’aligne parfaitement avec les ambitions plus larges de smart city de la Chine. Au-delà de l’éclairage et de la recharge, ces mâts peuvent héberger des capteurs environnementaux, des petites cellules 5G, des caméras de trafic, une signalisation numérique et des systèmes d’appel d’urgence – tous alimentés par la même dorsale CC efficace. Le résultat est un système nerveux urbain plus maigre et plus résilient qui réduit l’encombrement visuel, diminue les frais de maintenance et crée de nouvelles sources de revenus pour les municipalités.
La validation en conditions réelles est déjà en cours. Des projets pilotes dans les zones piétonnes de Shenzhen et le Centre de services aux citoyens de la nouvelle zone de Xiong’an démontrent la faisabilité de l’éclairage intelligent CC à grande échelle. Ces installations valident non seulement les hypothèses techniques mais fournissent également des données opérationnelles précieuses sur la fiabilité, le comportement des utilisateurs et l’interopérabilité du système.
Néanmoins, des défis persistent. Comme les auteurs le reconnaissent franchement, l’écosystème de l’éclairage CC en est encore à sa phase de démonstration. La standardisation est incomplète, les spécifications des produits varient considérablement et les chaînes d’approvisionnement pour les composants clés – en particulier les disjoncteurs et contrôleurs évalués CC – sont sous-développées. Les cadres réglementaires pour l’interconnexion au réseau, la certification de sécurité et les structures tarifaires pour la production distribuée sont également en retard sur les capacités technologiques.
De plus, un déploiement réussi dépend d’une collaboration intersectorielle. Les utilities, les fabricants d’éclairage, les opérateurs de recharge de VE et les autorités municipales doivent s’aligner sur les normes techniques, les modèles de propriété et les mécanismes de partage des revenus. Le document appelle à un soutien politique – comme des subventions pour les early adopters, des permis rationalisés et des codes du bâtiment mis à jour – pour accélérer la maturation du marché.
D’un point de vue global, la poussée de la Chine vers l’éclairage public CC pourrait créer un précédent. Alors que les villes de Los Angeles à Londres cherchent à atteindre des objectifs net zéro, les leçons de Beijing et Tianjin offrent un modèle reproductible. L’idée centrale est la suivante : la décarbonation ne consiste pas seulement à remplacer les combustibles fossiles par des énergies renouvelables ; il s’agit de repenser la façon dont l’énergie est distribuée, gérée et consommée à la périphérie du réseau. En commençant par quelque chose d’aussi fondamental qu’un lampadaire, les ingénieurs peuvent déclencher une cascade d’innovation qui touche les transports, les communications et la sécurité publique.
Pour conclure, Liu et son équipe positionnent les lampadaires alimentés en CC non pas simplement comme une mesure d’efficacité énergétique, mais comme un élément fondamental de l’internet énergétique urbain de nouvelle génération. Leur travail fait le pont entre la rigueur technique et l’analyse politique pratique, offrant une feuille de route à la fois techniquement solide et économiquement viable. Alors que le monde se précipite vers les jalons climatiques de 2030 et 2060, de telles solutions intégrées, axées sur l’infrastructure, seront indispensables.
Par Jianwei Liu (China Power Engineering Consulting Group Co., Ltd.), Kan Wang, Xuebin Li, Xiaoou Liu, Hao Zhao, Jian Liu et Wanwei Xu (China Energy Engineering Group Tianjin Electric Power Design Institute Co., Ltd.), publié dans Zhaoming Gongcheng Xuebao (Journal of Illuminating Engineering), Vol. 35, No. 4, août 2024. DOI : 10.3969/j.issn.1004-440X.2024.04.020.