Les États-Unis ont plusieurs projets d'expansion et de modernisation de leur réseau électrique. Ils comprennent la construction de nouveaux parcs solaires et éoliens, l'ajout de centrales à charbon et à gaz naturel, et l'alimentation en électricité de centres de données traitant des charges de travail d'intelligence artificielle.

Tous ces efforts dépendent d'un type d'équipement dont la conception de base remonte à la fin du XIXe siècle : le grand transformateur de puissance. Comprendre pourquoi cette seule catégorie d'équipement est devenue un point de blocage permet d'expliquer les délais longs et la hausse des coûts qui traversent aujourd'hui ces projets.

Ces structures métalliques massives peuvent atteindre la taille d'une maison à deux étages et peser jusqu'à 400 tonnes, soit à peu près le poids d'un Boeing 747 entièrement chargé. Elles convertissent les hautes tensions utilisées pour transporter l'électricité sur de longues distances en tensions plus faibles, utilisables par les foyers et les entreprises. Bien que cet équipement ait été inventé il y a environ 150 ans, les grands transformateurs de puissance sont encore fabriqués largement selon la même approche de base.

De nombreux transformateurs en service aux États-Unis et ailleurs dépassent leur durée de vie prévue. Parallèlement, il n'existe pas assez de remplaçants pour répondre à la demande mondiale. Traiter et livrer une commande peut prendre plus de trois ans.

Les transformateurs déplacent l'électricité efficacement

Les grands transformateurs de puissance sont essentiels pour transporter l'électricité sur de longues distances. Les centrales électriques — qu'il s'agisse d'installations à charbon ou à gaz, de barrages hydroélectriques ou de parcs solaires et éoliens — sont souvent situées loin des clients qui utilisent l'électricité qu'elles produisent.

L'électricité circulant dans les lignes de transport génère de la chaleur. Sur de longues distances, cette chaleur peut réduire considérablement la quantité d'énergie qui atteint sa destination. Les compagnies d'électricité utilisent donc de grands transformateurs pour élever la tension, réduisant ainsi les pertes de transport. Le processus peut être comparé au chargement de marchandises sur de gros camions circulant sur des autoroutes inter-États : les camions déplacent plus d'énergie de manière efficace que de petits véhicules sur de petites routes.

Cependant, l'électricité haute tension ne peut pas être utilisée directement par les foyers et les entreprises, de la même manière qu'un semi-remorque roulant à la vitesse d'autoroute ne peut pas s'engager dans une allée résidentielle. Lorsque l'électricité atteint une zone où se trouvent des clients, un autre grand transformateur abaisse la tension à des niveaux utilisables. Les lignes de distribution basse tension acheminent ensuite l'électricité sur la distance restante jusqu'aux foyers et aux entreprises.

De 2019 à 2025, la demande de transformateurs élévateurs — qui relient les centrales électriques au réseau de transport — a presque triplé. Sur la même période, la demande de transformateurs servant de « bretelles de sortie » basse tension a plus que doublé, tandis que leurs coûts ont augmenté de 80 %. Concrètement, les centrales au cœur des projets d'expansion du réseau — nucléaires, à combustibles fossiles, solaires et éoliennes — dépendent toutes du même pool limité d'équipements construits sur mesure.

Ces unités ne sont pas produites en série sur des chaînes de montage entièrement automatisées. Chacune est conçue sur mesure pour les exigences de sa destination prévue. Si un transformateur spécialisé tombe en panne lors d'une tempête extrême ou d'une canicule, un remplaçant n'attend généralement pas dans un entrepôt.

Des matériaux spécialisés limitent la production

Les matériaux utilisés pour construire les transformateurs sont une cause majeure du retard. L'un des composants critiques est l'acier électrique à grains orientés, un produit spécialisé différent de l'acier ordinaire.

Les fabricants utilisent des procédés thermiques et mécaniques précis pour aligner les cristaux magnétiques de l'acier dans une seule direction. Cet alignement permet aux champs magnétiques de traverser le matériau avec une perte d'énergie relativement faible, une propriété importante pour manipuler de grandes quantités d'électricité. Seul un petit nombre d'aciéries spécialisées dans le monde peuvent produire ce matériau, et une seule d'entre elles se trouve aux États-Unis. La production américaine de transformateurs dépend donc d'une seule aciérie nationale pour le matériau au cœur du produit.

Le cuivre est également en pénurie. Il est transformé en fils enroulés autour du noyau du transformateur, généralement en acier, pour obtenir l'ajustement de tension requis.

Une alternative crée un autre goulot d'étranglement

En raison de la pénurie de transformateurs, les compagnies d'électricité et les producteurs d'énergie peuvent attendre plus de deux ans l'équipement nécessaire pour raccorder une nouvelle centrale au réseau. Ce retard concerne les centrales nucléaires, à combustibles fossiles, solaires ou éoliennes.

Pour éviter d'attendre un raccordement au réseau, les entreprises exploitant des centres de données pour des systèmes d'intelligence artificielle ont cherché à contourner complètement le réseau en installant des centrales à gaz naturel dédiées sur site.

Cette solution de contournement a créé un autre problème de chaîne d'approvisionnement. Les turbines à gaz fonctionnent à des températures supérieures à 2 000 degrés Fahrenheit (1 100 °C), assez chaudes pour faire fondre l'acier standard. Les pales de turbine sont fabriquées selon un procédé complexe à partir de combinaisons de métaux très spécialisées et sont recouvertes de boucliers thermiques en céramique.

Alors que les entreprises technologiques passent des commandes de plus en plus nombreuses et importantes, le délai entre la commande d'une turbine à gaz et sa réception est passé à trois à sept ans. Les prix des turbines en 2027 devraient être près de trois fois supérieurs à leurs niveaux de 2019, en raison de la hausse de la demande et de la rareté persistante des matériaux spécialisés. Ce délai est plus long que l'attente de raccordement au réseau que les centrales sur site étaient censées éviter.

Réponses possibles

Une chaîne d'approvisionnement développée au XIXe siècle peine à alimenter de manière fiable une économie du XXIe siècle. Les grands transformateurs de puissance sont également nécessaires pour moderniser le réseau existant et réduire sa vulnérabilité aux tempêtes majeures et aux pannes prolongées.

Les solutions potentielles sont concrètes mais complexes. L'Agence américaine de cybersécurité et de sécurité des infrastructures a recommandé de normaliser les conceptions des transformateurs plutôt que de construire chaque unité à partir de zéro. La normalisation pourrait aider les fabricants à produire plus d'unités plus rapidement grâce à un processus de type chaîne de montage. Elle pourrait également faciliter le partage de transformateurs de secours d'urgence entre les compagnies d'électricité. Le rapport de l'agence est disponible sur CISA.

Le Département américain de l'énergie a recommandé le déploiement de technologies collectivement appelées « technologies d'amélioration du réseau ». Elles comprennent des capteurs qui mesurent en temps réel la quantité d'électricité pouvant circuler dans les lignes de transport longue distance, ainsi que des logiciels avancés qui identifient des itinéraires alternatifs pour distribuer l'électricité des centrales et maximiser la puissance disponible pour les clients. Selon le département, ces systèmes peuvent permettre de transporter 15 % à 20 % d'électricité en plus qu'à défaut, atténuant les goulots d'étranglement pendant que les compagnies attendent de nouveaux transformateurs. Les informations du département sont disponibles sur DOE.

À plus long terme, les États-Unis pourraient produire davantage d'acier électrique à grains orientés, transformer plus de cuivre et accroître leur capacité nationale à fabriquer de grands transformateurs de puissance. L'adoption de conceptions normalisées, le déploiement de technologies d'amélioration du réseau sur les lignes existantes et la construction de nouvelles capacités nationales détermineront la durée de l'attente pour cet équipement.

Chaque effort visant à adapter, améliorer, développer et moderniser le réseau électrique dépend de cet équipement. Sans grands transformateurs de puissance, ces efforts se heurteront à des limites importantes. Les décideurs politiques et les dirigeants de l'industrie font donc face à un choix : s'attaquer aux pénuries de matériel ou accepter la congestion du réseau, les projets retardés et les coûts plus élevés qui en résultent.

Résoudre le goulot d'étranglement des transformateurs transformerait ces contraintes d'un résultat par défaut en un problème pouvant être traité par des décisions délibérées.

Jasmine Garland est chercheuse postdoctorale Chancellors en génie civil, environnemental et architectural à l'Université du Colorado Boulder.

Cet article est republié de The Conversation sous licence Creative Commons. L'article original est disponible sur The Conversation.

Cette histoire a été initialement publiée sur Fortune.com.