La recharge intelligente : perspectives de déploiement

21/10/2017
Auteurs : Claude Ricaud
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-4:20615
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2017-4/20615You do not have permission to access embedded form.
contenu protégé  Document accessible sous conditions - vous devez vous connecter ou vous enregistrer pour accéder à ou acquérir ce document.
Prix : 10,00 € TVA 20,0% comprise (8,33 € hors TVA) - Accès libre pour les ayants-droit
 

Résumé

La recharge intelligente : perspectives de déploiement

Métriques

3
0
301.59 Ko
 application/pdf
bitcache://57a00026cd992ea7024b27edf4a35f2a13e5be6e

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1301:2017-4/20615</identifier><creators><creator><creatorName>Claude Ricaud</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>La recharge intelligente : perspectives de déploiement</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2017</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Sat 21 Oct 2017</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 29 Jan 2018</date>
            <date dateType="Submitted">Sat 17 Feb 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">57a00026cd992ea7024b27edf4a35f2a13e5be6e</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>34804</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

REE N°4/2017 Z41 MOBILITÉ ÉLECTRIQUE DOSSIER 1 Le véhicule électrique : quel impact pour le réseau ? La puissance de recharge d’un véhi- cule électrique dépend de la borne sur laquelle il se charge et du type de véhi- cule. Au domicile, la recharge sera en général en courant alternatif, entre 3 ou 7 kW1 , sur les bornes publiques entre 3 et 22 kW. Sur des bornes de recharge rapide, la charge se fait en alternatif ou en continu, à une puissance de 50 kW voire plus. Même en tenant compte d’un foi- sonnement naturel (tous les véhicules ne chargeront pas en même temps), 1 million de VE pourrait générer une pointe maximale supplémentaire jusqu’à 5 GW. Pour le réseau, à la maille nationale mais encore plus à la maille régionale ou locale, c’est cette pointe supplémentaire qui est contraignante, car c’est elle qui peut obliger à créer de nouveaux moyens de production et de 1 Les puissances sont exprimées en kW pour désigner la puissance de charge reçue par le véhicule. distribution, même si en moyenne, la capacité de production est suffisante. Un véhicule électrique parcourt en moyenne 15 000 kilomètres par an, pour une consommation d’énergie d’environ 2,5 à 3 MWh : c’est l’équiva- lent de la consommation d’une maison individuelle (sans chauffage électrique). Pour un parc de 1 million de véhi- cules électriques rechargeables, qui devrait être atteint en France autour de 2022, cela représente une consom- mation annuelle de 3 TWh environ, à comparer à la consommation électrique totale de 500 TWh. La capacité de production d’éner- gie permettra donc de recharger sans difficulté un million de véhicules. En revanche, la puissance nécessaire en pointe créera des contraintes très fortes sur le réseau si rien n’est fait pour pilo- ter la recharge des véhicules électriques et limiter cette puissance appelée en pointe. Si la recharge se fait sans gestion, la charge sur le réseau sera très vite La recharge intelligente : perspectives de déploiement Claude Ricaud Consultant pour les activités Véhicules électriques, auprès de Schneider Electric et du Gimelec As the number of electric vehicles on the road and potentially recharging simultaneously in- creases, the impact on the grid will become increasingly important. Over a few hundred thousand vehicles (there are already more than 100 000 electric vehicles in France), controlling the recharge (also called smart charging) will become a necessity. This article is assessing the impact of EV-charging on the grid and its potential role for increasing use of renewable energy. It describes the different control mechanisms and analyzes the value created by smart charging. Finally, it details possible scenarios for a large-scale deploy- ment of smart charging and the conditions for successful- deployment. ABSTRACT A mesure que le nombre de véhicules élec- triques en circulation et donc susceptibles de se recharger simultanément va augmenter, l’impact sur les réseaux électriques va devenir de plus en plus important. A partir de quelques centaines de milliers de véhicules élec- triques (le parc français est aujourd’hui légèrement supé- rieur à 100 000 véhicules), le pilotage de la recharge (ap- pelé aussi recharge intelligente) deviendra une nécessité. Cet article évalue l’impact de la recharge des véhicules élec- triques sur les réseaux et comment la recharge intelligente est une clef pour permettre un déploiement plus important des énergies renouvelables. Il décrit les différents méca- nismes de pilotage possibles et analyse la valeur créée par la recharge intelligente. Il détaille enfin les scénarios possibles pour le déploiement à grande échelle de la recharge intelligente ainsi que les conditions de succès de ce déploiement. RÉSUMÉ Consommation annuelle (MWh) Pointe de puissance théorique (GW) 1 véhicule électrique 2,5 à 3 MWh 3 à 50 kW 1 million de véhicules électriques 2,5 à 3 TWh 3 à 50 GW Production annuelle (TWh) Puissance installée (GW) Allemagne 600 TWh 140 GW France 500 TWh 100 GW Tableaux 1 et 2: la consommation annuelle d’un véhicule électrique est équivalente à celle d’un logement ; un million de véhicules représentera moins de 1 % de la consommation totale de la France. La puissance supplémentaire en pointe pour la recharge des véhicules électriques pourrait représenter jusqu’à 5 % de la capacité du réseau en 2022. 42 ZREE N°4/2017 MOBILITÉ ÉLECTRIQUE DOSSIER 1 critique aux heures de pointe tant pour la maille locale que nationale. En plus du problème de pointe de consommation, un autre facteur est à prendre en compte. Le développement du véhicule électrique se produit dans un contexte de réseau en changement profond : la part des énergies renou- velables, éolien et solaire, est en forte croissance : la loi de transition énergé- tique ainsi que les « schémas régionaux éoliens2 » ont fixé des objectifs pour la génération d’énergie éolienne et solaire qui peuvent être résumés dans le ta- bleau 3. Pour information, ces chiffres sont rapprochés de ceux de l’Allemagne. Cet accroissement entraine une plus grande variabilité de la production avec même des périodes de surproduction d’éolien (quand la consommation est faible) ; ces situations de surproduction – qui peuvent conduire à des prix néga- tifs de l’électricité – sont déjà consta- tées, en particulier en Allemagne : plusieurs dizaines de jours par an, une partie de la production éolienne est per- due par arrêt forcé d’une partie du parc éolien, faute de consommation. 2 http://www.energies-renouvelables.org/ articles/newsletter_26062014/sre.asp. Les objectifs fixés en 2016 en application de la loi sur la transition énergétique sont de 26 000 MW en 2023. Une solution à cette variabilité de production des renouvelables est de développer du stockage dans le réseau et de mettre en œuvre des fonctions de réseau intelligent (“smart grid”). L’enjeu de la recharge intelligente est d’éviter que la recharge des véhicules électriques ne crée des contraintes de pointes supplémentaires pour le réseau, en particulier lors de la pointe de fin de soirée, au moment où beaucoup de vé- hicules seront stationnés pour la nuit, au domicile ou dans les garages de flottes d’entreprises, mais surtout, à terme, de valoriser autant que possible la capacité de stockage distribué de millions de véhicules électriques, pour le bénéfice du réseau et des utilisateurs. La charge décalée Pour éviter de charger lors des pointes de consommation, un simple délesteur Figure 1 : Les courbes de consommation montrent des pointes et des creux, qui peuvent intervenir à des instants différents pour la maille locale ou la maille nationale. L’enjeu est d’éviter de recharger les véhicules lors des pointes (cerclées en rouge) et de favoriser la recharge lors des creux. Production en 2022 (TWh) Puissance installée en 2022 (GW) Allemagne (éolien + PV) 165 TWh 85 GW France (éolien + PV) 65 TWh 30 GW Tableau 3 : En France, à horizon 2022, l’éolien et le solaire devraient représenter 25 % de la puissance installée et fournir 12 % de l’énergie électrique. Figure 2 : Les flux de puissance et d’énergie (flèches rouges) peuvent être monodirectionnels ou bidirectionnels (V2H ou V2G), à puissance fixe ou variable (pointillés) ; la puissance variable utilise la communication véhicule/borne ; dans les cas V2H et V2G, une communication est nécessaire entre la borne et un gestionnaire d’énergie. Ce dernier doit également dialoguer avec les opérateurs de services dans le cas V2G. REE N°4/2017 Z 43 La recharge intelligente : perspectives de déploiement heures pleines/heures creuses permet de décaler le démarrage de la charge. Cette solution très simple (utilisée pour les chauffe-eau électriques) peut être recommandée pour les installations ré- sidentielles, en particulier pour la charge à basse puissance (2 ou 3 kW). Elle pré- sente cependant des limites : si d’autres appareils (par exemple le chauffe-eau) sont connectés sur le délesteur heures pleines/heures creuses, il y a un risque de dépasser la puissance maximale au moment du passage en heures creuses. Le pilotage de la puissance Si l’on charge sur une “Wallbox” ou une borne qui fonctionne en « mode 3 », il est également possible de faire varier la puissance de recharge. La Wallbox reçoit un signal, venant d’un délesteur programmable, d’un gestion- naire d’énergie local ou du système de gestion de la station de recharge, pour adapter la puissance maximale que doit utiliser le véhicule, notamment pour ne pas dépasser la puissance souscrite pour l’installation. Par la communication entre la borne et le véhicule, ce dernier est informé de la puissance maximale disponible : soit pour la réduire (pas- ser par exemple de 7 à 3 kW) ou au contraire pour savoir qu’il peut l’aug- menter (passer de 11 à 22 kW sur une borne publique). Le véhicule va alors automatiquement modifier sa puissance de recharge pour répondre à la consigne reçue. Ceci est extrêmement utile dans le cas de stations de recharge : le sys- tème permet de disposer la majorité du temps de la puissance maximale à chaque point de recharge (par exemple 22 kW), mais de la limiter (par exemple à 11 kW) pour les courtes et peu fré- quentes périodes où toutes les bornes sont utilisées, sans avoir à surdimen- sionner la puissance de raccordement de l’installation. Dans ces deux scénarios, le véhicule fonctionne en mode consommateur, le pilotage consiste à décaler l’heure de charge et à adapter la puissance. V2H et V2G Si le véhicule peut aussi fonctionner en générateur et restituer de la puis- sance à l’installation (V2H : “Vehicle To Home”) ou au réseau (V2G : “Vehicle To Grid”), une flexibilité supplémentaire est possible, comme l’illustre le scénario de légère anticipation de l’encadré 1. En V2H, la batterie peut fonctionner en bidirectionnel et restituer de la puis- sance à l’installation. Il s’agit d’autocon- sommation, pas de revente au réseau. Le gestionnaire local d’énergie gère toutes les consommations du domicile, ainsi que la charge ou décharge de la batte- rie ; il optimise en fonction de la puis- sance souscrite et des tarifs variables de l’électricité. Il dialogue avec la borne de recharge ou la Wallbox pour envoyer les consignes adaptées au véhicule. En V2G, la batterie peut fonctionner en bidirectionnel et restituer de la puis- sance au réseau ; pour cela le gestion- naire local d’énergie dialogue avec des fournisseurs de services (comme des agrégateurs de délestage) pour rece- voir des informations ou consignes : périodes de charge ou décharge à pri- vilégier, puissance limite à respecter, tarifs instantanés et dans les 24 heures à venir, prévisions de production de re- nouvelables… * * * Dans ces quatre scénarios, la clef commune est d’exploiter au mieux la flexibilité possible pour la recharge. A ce titre, un point de recharge à 7 kW plutôt que 3 kW au domicile et à 22 kW plutôt que 7 kW pour une recharge publique, présente un intérêt important qui ne se limite pas au temps de recharge plus court : il permet de choisir la meilleure période de charge avec plus de latitude. En effet, si la puissance est limitée à 3 kW, il faudra des périodes de recharge deux fois plus longues qu’à 7 kW, De retour à la maison à 18 h, Mr X branche son véhicule ; la batterie de 40 kWh est encore chargée à 70 % (il a parcouru environ 80 km aujourd’hui) ; Mr X a indiqué à l’ordinateur de bord qu’il souhaite avoir une batterie complè- tement chargée demain matin à 6 h (il a de la route à faire) ; nous sommes en hiver, ce soir est une période de pointe de consommation. Aussi, de 18 h à 22 h, la batterie fonctionnera en V2H et fournira 4 kW à la maison, évitant de consommer sur le réseau à cette période de grande pointe. Mr X sera rémunéré par son fournisseur d’énergie pour cet apport. A 22 h, la batterie s’est déchargée à 12 kWh (le seuil de sécurité défini par Mr X) et arrête de fonctionner en générateur. Le réseau a informé le gestionnaire local d’énergie que cette nuit, entre 1 heure et 5 heures, il y aura un excédent de production éolienne : la batterie va servir à stocker une (petite) part de ce surcroît de pro- duction. Comme Mr X a souscrit au programme V2G (Vehicle To Grid), au lieu de payer l’électricité, il sera payé pour ce service de stockage. A 1 heure du matin, la Wallbox indique au véhicule qu’il peut se charger à 7 kW ; la recharge démarre ; grâce à cette forte puissance de recharge, compatible avec son abonnement 9 kVA, la batterie est complètement chargée à 40 kWh dès 5 h du matin, et la recharge s’arrête. Le lendemain soir, Mr X ne fera fonctionner sa batterie qu’en charge, puisqu’il rentrera chez lui avec une batterie presque vide après les 300 km parcourus dans la journée. Encadré 1: Un scénario de recharge en V2H et V2G. Encadré 1: Un scénario de recharge en V2H et V2G 44 ZREE N°4/2017 MOBILITÉ ÉLECTRIQUE DOSSIER 1 imposant par exemple de démarrer la charge avant 22 heures pour avoir une recharge complète en fin de nuit ; avec plus de puissance, il sera possible de ne démarrer la recharge qu’à 1 heure du matin tout en ayant une recharge com- plète en fin de nuit. Le cas de la recharge rapide (43 kW ou plus) doit être traité de façon parti- culière dans une perspective de charge intelligente. Ce mode de recharge, qui sera surtout utilisé sur les grands axes comme les autoroutes, est d’abord fait pour permettre une recharge avec un temps d’arrêt minimal. Difficile donc de proposer au client de décaler sa re- charge d’une heure ou de multiplier par deux la durée de recharge pour réduire la puissance ! Cependant, ces stations de recharge rapide pourront disposer d’une capa- cité de stockage stationnaire local (qui pourrait être réalisée avec des batteries en seconde vie) : lorsqu’il n’y a pas ou peu de véhicules en charge, les batte- ries stationnaires sont rechargées sur le réseau ; lorsqu’un nombre important de véhicules se chargent en même temps, une partie de la puissance est fournie par les batteries de la station, limitant la puissance demandée au réseau ; ce stockage local pourra faire l’objet d’un service rémunéré par le réseau, dans un scénario de type V2G. La recharge intelligente crée de la valeur pour les utilisateurs et pour le réseau La principale valeur créée par la recharge intelligente provient de coûts évités au niveau des réseaux (tant en production qu’en distribution) ; ce sont ces gains qui seront en partie restitués aux clients pour les inciter à faire de la recharge intelligente. La recharge intelligente crée de la valeur, à partager entre le réseau et les utilisateurs. Le partage de cette valeur devra être incitatif pour inciter les utilisa- teurs à investir dans une gestion intelli- gente de la recharge. Dans les conditions actuelles du mar- r r ché, la recharge décalée ou le pilotage de la puissance permettent des gains d’investissement et d’exploitation : le ROI a été évalué à moins de deux ans (source AFNOR). Ces bénéfices ont plu- sieurs sources : sLARÏDUCTIONDELAPUISSANCESOUSCRITE  pour un particulier, cela permet de garder par exemple un abonnement à 9 kVA même si le véhicule peut char- ger à une puissance maximale de 7 kW, représentant une économie de plus de 60 F/an ; pour une station de recharge d’un centre commercial, il a été calculé qu’il sera possible de réduire d’un facteur 2,5 environ la puissance souscrite en exploitant le foisonnement naturel de la recharge grâce au pilotage de la recharge ; sUNEOPTIMISATIONDESINVESTISSEMENTS en évitant le renforcement de l’instal- lation privée ; sLACHAT DE LÏLECTRICITÏ AUX MEILLEURS tarifs (par exemple en heures creuses) Lorsque le V2H ou le V2G seront dé- ployés, un niveau supplémentaire de gains sera accessible par : sUTILISATIONDELABATTERIEPOURDESSER- R R vices de stockage offerts au réseau, notamment pour les productions excédentaires d’énergie renouvelable (encadré 2) ; sVENTEDECAPACITÏDEDÏLESTAGEVIADES opérateurs d’effacement ; sVENTEDESERVICESAURÏSEAURÏGLAGE tension ou fréquence). Il faut noter cependant que la valo- risation de ces gains pour l’utilisateur demande des conditions de marché qui n’existent pas encore en France. C’est donc une perspective de moyen terme. Des expériences menées dans des pays européens comme le Danemark ont évalué ces gains à plusieurs centaines d’euros voire un millier d’euros par an par véhicule. Enfin, la charge intelligente permet aussi à l’utilisateur d’obtenir un vrai zéro- CO2 avec la possibilité de charger au mo- ment où la production de renouvelables est excédentaire. Les gains pour le réseau, par rapport à un scénario de recharges non pilotées, Combien de véhicules pourrait-on charger à partir des « excédents » de production éolienne ? A partir de l’observation de la situation actuelle en Allemagne, où la produc- tion d’énergie éolienne est excédentaire certains jours par rapport à la puissance absorbable par le réseau, on peut évaluer qu’en France, à horizon 2022, il devrait y avoir 50 à 100 nuits où la totalité de la production d’énergie éolienne ne peut être absorbée par la demande, forçant à arrêter certaines unités de production. Sur la production totale de plus de 50 TWh d’éolien, ce surplus devrait dé- passer les 3 TWh de consommation totale annuelle nécessaire pour charger 1 million de véhicules. En théorie donc, l’énergie éolienne excédentaire pour- r r rait couvrir la consommation totale du parc. Même si ce chiffre est bien sûr trop optimiste (il y aura des recharges qui devront avoir lieu à des moments où il n’y a pas production excédentaire d’éolien), il est clair que le pilotage des recharges, associé à la capacité croissante des batteries, permettra de couvrir une part significative des recharges dans ces périodes de surplus. Encadré 2 : Utilisation du V2G pour le stockage des excédents d’électricité d’origine éolienne. E d é 2 Utili ti d V2G l t k d éd t d’él t i ité d’ i i é li REE N°4/2017 Z 45 La recharge intelligente : perspectives de déploiement sont dus à la réduction des pointes de consommation supplémentaires, évi- tant ou limitant les coûts de renforce- ment du réseau en production et en distribution. Ces gains du pilotage des recharges (hors services V2H ou V2G), mesu- rés en coûts évitables, ont été évalués à près de 1 000 F par véhicule pour le réseau de distribution. Les gains sur les moyens de production ont été esti- més entre 125 à 150 F/an/véhicule [Source : Rapport AFNOR]. L’AFNOR a chiffré dans une étude3 de 2016 l’ensemble des gains écono- miques de la recharge intelligente et le ROI des différentes options techniques de mise en œuvre de la recharge intel- ligente. Les conclusions sont résumées dans le tableau 4. 3 La normalisation, un des outils stratégiques pour la recharge intelligente du véhicule élec- trique – ©AFNOR 2016 Les conditions de succès et les challenges pour le déploiement de la recharge intelligente De multiples solutions techniques existent déjà et sont mises en œuvre, par exemple pour les parkings de flottes de véhicules, pour assurer le pilotage de la recharge, avec une recharge dé- calée ou un pilotage de la puissance. Les normes existent pour gérer cette recharge intelligente, en particulier pour les communications entre le véhicule et l’infrastructure. Les pouvoirs publics ont d’ores et déjà imposé, dans le décret de janvier 2017, que les points de recharge accessibles au public soient capables d’une recharge intelligente. La recharge intelligente bidirection- nelle (V2G/V2H), est en préparation, tant chez les constructeurs automobiles que chez les fabricants d’infrastructure ; certains pays comme le Japon, ont déjà commencé à déployer des solutions. La question de l’impact sur la durée de vie du fonctionnement en réversible des batteries de véhicules est l’un des points à traiter. Le déploiement de la recharge intel- ligente se fera progressivement, en commençant par des solutions simples, locales et évoluant progressivement vers des systèmes plus performants, intégrés au « smart grid ». Même si la charge intelligente ne deviendra une nécessité incontournable – sans laquelle le développement du véhicule électrique risque d’être forte- ment ralenti dans quelques années - que lorsque le parc aura atteint plusieurs centaines de milliers de véhicules, il est essentiel d’engager immédiatement sa mise en œuvre ; il y a en effet toute une chaîne d’acteurs à mobiliser, notam- ment l’utilisateur, qui doit s’approprier ces modes d’utilisation des infrastructures de recharge et les intégrer dans ses compor- tements : on ne s’arrêtera plus pour faire Tableau 4 : Ordre de grandeur des valeurs créées par la recharge intelligente (comparé au scénario 0, sans aucun pilotage de la recharge). 1.a = Heures pleines/heures creuses, 2.a = pilotage de la puissance, 2.b = V2H, 3.b = V2G – Source : AFNOR (2016). 46 ZREE N°4/2017 MOBILITÉ ÉLECTRIQUE DOSSIER 1 le plein en quelques minutes, mais on profitera des opportunités d’arrêt pour recharger de façon optimale. Il est également nécessaire d’adapter les conditions du marché pour que le partage de la valeur soit incitatif pour tous les acteurs. Dans son dossier sur la recharge intel- ligente, l’AFNOR a élaboré un scénario de déploiement de la recharge intelligente sur les 15 années à venir (figure 3). Selon ce scénario, 90 % des re- charges devraient être des recharges intelligentes à horizon 2030. Des solu- tions techniques variées seront mises en œuvre, en fonction de leur justifica- tion économique, de leur disponibilité progressive ainsi que des évolutions du marché, qui contribueront chacune à une partie de ces 90 %. L'AUTEUR Claude Ricaud a été directeur scien- tifique et technique puis directeur Innovation chez Schneider Electric, de 1998 à 2015. Il est aujourd’hui consultant pour les activités Véhi- cules Electriques, auprès de Schnei- der Electric et du Gimelec. Figure 3 : La part relative des différentes solutions de recharge intelligente à horizon 2030, selon l’étude AFNOR de 2016.