Comment une pénurie de transformateurs menace le réseau

ROANOKE, Virginie - Un transformateur de réseau haute tension aussi gros qu'un wagon de chemin de fer se trouve sur le quai de chargement d'une usine ici, prêt à pousser l'électricité sur les lignes de transmission en tant qu'élément indispensable du réseau électrique national.

La Virginia Transformer Corp. expédiera 550 de ces transformateurs cette année et prévoit d'en produire 665 l'année prochaine à partir de son usine ici et de trois autres installations nord-américaines. Mais c'est l'une des huit seules entreprises aux États-Unis capables de fabriquer les plus grands transformateurs du pays – et les livraisons ont pris beaucoup de retard au milieu de la pandémie de Covid-19.

En effet, les États-Unis connaissent une pénurie d'une gamme de transformateurs - allant des unités plus petites au sommet des poteaux dans les rues de la ville aux unités massives de Virginia Transformer - pour des raisons qui varient en fonction de l'équipement. Cela signifie que les services publics pourraient avoir du mal à ajouter suffisamment de nouvelle production éolienne et solaire pour atteindre les objectifs de zéro net du pays et pour garder les lumières allumées lorsque les tempêtes endommagent leurs stocks de transformateurs épuisés.

Mercredi, les services publics d'électricité et les coopératives ont envoyé une lettre à la secrétaire à l'Énergie, Jennifer Granholm, soulignant la crise et demandant au ministère de l'Énergie d'utiliser le financement de la nouvelle loi sur le climat pour stimuler la production américaine de petits transformateurs. Les commandes de transformateurs de distribution, ont-ils dit, mettent désormais en moyenne un an ou plus à arriver.

"Si nous n'agissons pas aujourd'hui, nous risquons de ne pas pouvoir nous remettre d'une tempête demain", ont écrit les dirigeants de l'American Public Power Association et de la National Rural Electric Cooperative Association. "A plus long terme, cela pourrait signifier être incapable d'atteindre les objectifs d'électrification envisagés par l'administration Biden. En attendant, l'arriéré des transformateurs de distribution continue de croître."

Le DOE n'a pas répondu à une demande de commentaire mercredi.

Le problème s'aggrave depuis des années, les agences fédérales tirant la sonnette d'alarme sous les administrations Trump et Biden. Un rapport du département du Commerce de 2020 s'inquiétait de la dépendance des États-Unis aux importations, tandis que le rapport du DOE de cette année soulignait la nécessité pour les transformateurs de construire un réseau sans carbone.

Le rapport du DOE conclut que l'offre de nouveaux transformateurs doit se multiplier de façon spectaculaire si le réseau national doit se remplir de nouvelle production éolienne et solaire et de la recharge des véhicules électriques. Le DOE et le Commerce ont également averti que l'approvisionnement en transformateurs est un problème de sécurité nationale, même sans la pression supplémentaire d'une transition vers une énergie propre.

La plupart des transformateurs actuellement en service aux États-Unis sont proches ou ont dépassé leur durée de vie prévue ; les tempêtes extrêmes frappent plus durement l'infrastructure du réseau, épuisant les réserves des transformateurs ; et la pandémie de Covid-19 a perturbé les lignes d'approvisionnement en composants, doublant les délais de livraison dans certains cas (Energywire, 22 août).

Synchronisés pour fonctionner ensemble sur des réseaux multi-états, les grands transformateurs gèrent une sortie pouvant atteindre 765 kilovolts - ou 750 000 volts - des centrales électriques à combustibles fossiles et des parcs solaires et éoliens. À la fin de la ligne, les transformateurs réduisent la puissance de sortie jusqu'à ce qu'elle atteigne la norme de 240 volts pour une livraison sûre aux ménages.

Les services publics nord-américains ont acheté 1 300 transformateurs en 2020, selon une analyse de Global Market Insights citée dans le rapport du DOE. La demande estimée en 2027 sera plus du double de ce montant.

La demande pour les gros transformateurs de puissance de 4 millions de dollars devrait passer de 700 en 2019 à 900 en 2027, a rapporté le DOE.

Il y a près de deux siècles, le scientifique britannique Michael Faraday a démontré la capacité unique d'un transformateur en enroulant des boucles de fils isolés autour d'une barre de fer, puis en enroulant un deuxième fil isolé au-dessus du premier.

Cette technique de base reste aujourd'hui le principe de fonctionnement des transformateurs.

Un courant alternatif (AC) envoyé dans le premier fil initie un courant dans le second fil, grâce à la force de l'électromagnétisme. La tension dans le deuxième fil augmente s'il est enroulé plus de fois autour de la barre de fer que le premier fil n'est enroulé. Doubler l'emballage double la tension.

L'industriel de Pittsburgh, William Stanley, l'a qualifié de "solution complète et simple à un problème difficile" et l'a utilisé pour construire le premier transformateur commercial un demi-siècle après la découverte de Faraday.

Cependant, la solution simple nécessite une précision exigeante de la part d'artisans qualifiés et minutieux, comme l'a clairement montré une récente visite de l'usine Virginia Transformer.

Comme d'autres usines de transformateurs, l'usine de Roanoke possède des équipements de pointe coûteux, notamment des machines de découpe dirigées par ordinateur pour produire des noyaux de transformateur en acier laminé.

Mais la production repose toujours sur les gens, 136 ans après la construction des transformateurs de Stanley à l'ère des chevaux et des buggies. Les assembleurs doivent être méticuleux lorsqu'ils enroulent et fixent les longues bobines de fil de cuivre isolé qui font le travail du transformateur.

"C'est beaucoup de travail manuel, mais c'est presque une forme d'art, la délicatesse de celui-ci", a déclaré Ed Castile, secrétaire adjoint du Commerce de l'Alabama pour les programmes de main-d'œuvre. Son département soutient étroitement l'usine Hyundai Power Transformers à Montgomery, Ala.

Récemment, à l'usine de Roanoke, des assembleurs ont placé à la main des entretoises entre les fils et attaché soigneusement des sections de câblage avec de la ficelle en nylon, comme des pêcheurs qui attachent un leurre.

"La conception est très spécialisée", a déclaré David Roop, professeur auxiliaire à Virginia Tech qui a acheté des transformateurs pour Dominion Virginia Power dans le cadre d'un précédent emploi.

Le câblage d'un transformateur doit être suffisamment sécurisé pour rester en place en cas de perturbation, a déclaré Roop. Lorsqu'un arbre heurte une ligne électrique, par exemple, la perturbation du flux d'énergie crée des forces magnétiques extrêmes sur les enroulements. S'ils changent de position, cela pourrait interférer avec les flux d'huile de refroidissement qui empêchent une surchauffe destructrice.

Le câblage nécessite donc une conception technique experte et des assembleurs capables de construire selon ces spécifications rigoureuses. Le résultat, a déclaré Roop, "est vraiment de l'artisanat".

Pour atteindre l'objectif de l'administration Biden d'un réseau sans carbone d'ici 2035, la capacité de production américaine devrait tripler par rapport à son niveau de 2020, selon un récent rapport du National Renewable Energy Laboratory. La capacité des lignes électriques à l'échelle nationale devrait doubler ou tripler.

Ce déploiement devrait s'accompagner de plus de transformateurs, ce qui nécessiterait de tripler la main-d'œuvre actuelle du secteur, qui compte environ 15 000 personnes.

Mais les fabricants américains disent que c'est un défi majeur. Les entreprises ont exposé le problème dans leurs réponses à une enquête du Département du commerce citée dans le rapport de 2020 : les lycées ne forment pas les étudiants au soudage, au bobinage et aux tests de transformateurs nécessaires, et peu d'universités proposent des programmes pour les ingénieurs en électronique de puissance, en conception électrique et en assurance qualité.

La Virginie, l'Alabama et d'autres États tentent de réduire l'écart avec les programmes de formation soutenus par l'État, tandis que les syndicats de fabrication proposent des apprentissages. Le département du commerce de Castille en Alabama s'est associé à un développeur de logiciels de réalité virtuelle qui permet aux candidats à un emploi de simuler le travail sur des transformateurs.

Mais doter en personnel les installations de fabrication dans tout le secteur de l'énergie est un défi.

Le mois prochain, Virginia Transformer ouvrira une nouvelle ligne de production à Troutville, à une dizaine de kilomètres au nord de Roanoke, où elle fabriquera des bornes de recharge de grande capacité pour les véhicules électriques. Le directeur des opérations, Barry Link, a décrit sa course cet été pour recruter des employés pour la nouvelle entreprise.

Link et son équipe ont affiché des pancartes autour de Troutville et sur des babillards dans les magasins Family Dollar, les stations-service et les dépanneurs, vantant la possibilité d'atteindre un salaire annuel de 60 000 $ d'ici trois ans. L'entreprise a promis de récupérer chaque jour de nouveaux travailleurs dans plusieurs lieux de réunion du comté dans des camionnettes équipées de collations.

Il a recruté 20 nouveaux employés, âgés de 18 à 71 ans, suffisamment pour ouvrir une première équipe le mois prochain, a-t-il déclaré.

Pour la fabrication de transformateurs, certains appellent le gouvernement à augmenter les salaires pour assurer un recrutement suffisant. Dans leur lettre de mercredi à Granholm, les présidents de l'American Public Power Association et de la National Rural Electric Cooperative Association ont exhorté le DOE à établir un programme de subventions salariales de 220 millions de dollars. Cela "aiderait les fabricants à attirer et à retenir plus de travailleurs, leur permettant ainsi de passer à des opérations 24h/24 et 7j/7", ont écrit Joy Ditto, président de l'APPA, et Jim Matheson, président de la NRECA.

Ils ont également appelé le DOE à utiliser le financement de la loi sur la réduction de l'inflation pour soutenir la formation d'une plus grande main-d'œuvre de transformateurs.

À l'heure actuelle, Castile a déclaré que la meilleure formation pour les nouvelles recrues vient toujours de ceux qui font le travail maintenant. À l'usine de Roanoke, le superviseur qualité Reza Esmaeili a accepté. Les nouveaux employés bénéficient d'une introduction de trois mois à l'assemblage, a-t-il déclaré, "et après cela, il s'agit toujours d'apprendre, d'apprendre, d'apprendre".

Même avec des défis de main-d'œuvre, Virginia Transformer a augmenté sa production dans les usines qu'elle possède à Pocatello, Idaho ; Rincon, Géorgie ; et Chihuahua, Mexique. Hitachi Energy a également annoncé ce mois-ci qu'elle dépenserait 37 millions de dollars pour agrandir son usine de transformateurs à South Boston, en Virginie, afin d'alimenter les demandes des sites d'énergie renouvelable, du cloud computing, de l'extraction de bitcoins et des opérations des centres de données.

Mais le rapport 2020 du Commerce a révélé que les fabricants de transformateurs américains à l'époque ne pouvaient pas rivaliser avec les fabricants mondiaux en termes de prix, en partie à cause des coûts de main-d'œuvre élevés.

"Le coût est le problème", a déclaré Prabhat Jain, propriétaire, directeur général et directeur de la technologie de Virginia Transformer. "Nous devons pouvoir rivaliser avec le reste du monde" en matière de matériaux et de main-d'œuvre.

Virginia Transformer et d'autres fabricants basés aux États-Unis fournissent moins de 20 % de la demande annuelle de transformateurs, selon le rapport du DOE de cette année. Ces dernières années, la Chine, l'Inde, Taïwan et la Corée du Sud ont fabriqué des transformateurs beaucoup moins cher. Le Canada, le Mexique et l'Europe ont également un avantage en termes de coûts, selon le rapport 2020 du Commerce.

Les deux groupes commerciaux ont exhorté le DOE à utiliser le financement de la loi sur la réduction de l'inflation pour soutenir le recrutement et la formation d'une plus grande main-d'œuvre de transformateurs.

"Nous avons besoin du soutien du gouvernement pour ne pas nous faire tirer l'herbe sous le pied", a déclaré Jain. "Ça va être le défi."