La recharge intelligente : vision des gestionnaires de réseau d’électricité

21/10/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-4:20617
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La recharge intelligente : vision des gestionnaires de réseau d’électricité

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REE N°4/2017 Z47 MOBILITÉ ÉLECTRIQUE DOSSIER 1 Le parc actuel de véhicules électriques et son évolution État actuel du parc Le développement des véhicules élec- triques (VE) et des véhicules hybrides rechargeables (VHR) s’accélère, stimulé par plusieurs dispositions : loi du 4 août 2014, loi ALUR, mise en place d’un super- bonus, éligibilité aux certificats d’écono- mies d’énergie de l’installation de bornes de recharge, etc. La loi relative à la transi- tion énergétique pour la croissance verte prévoit ainsi l’installation de sept millions de points de charge (offres publique et privée confondues) à l’horizon 2030. Dans ce contexte porteur, l’année 2016 confirme l’essor des VE avec une aug- mentation du marché de près de 25 %. En 2017 la France compte un peu plus de 110 000 véhicules électriques imma- triculés dont 17 000 véhicules hybrides rechargeables (VHR) et près de 16 000 points de charge accessibles au public. Mais, même si la croissance du nombre La recharge intelligente : vision des gestionnaires de réseau d’électricité Alberto Tejeda1 , Loïc Jarrossay2 Chargé d’études R&D, Interlocuteur R&D mobilité électrique - RTE1 Interlocuteur national mobilité électrique – Enedis2 In the foreseen future, all carmakers will intro- duce more and more efficient and affordable electric vehicles in the market. In France, Nicolas Hulot, Min- ister in charge of the ecological transition, has stated his in- tention to prohibit internal combustion engine vehicles from 2040 on, which, coupled with French environmental com- mitments, means that electric mobility should develop rap- idly. Even if charging infrastructure is less attractive than ve- hicle performance, a rational deployment of charging points is crucial for electric mobility. This deployment has to take into account two factors: a sufficiently meshed network in order to avoid zones without access to charging points; and a good use of actual infrastructure combined with charging strategies in order to avoid unnecessary investments and capitalize on the flexibility an electric vehicle fleet can offer to the grid. The deployment of charging terminals requires to be managed at the country level and a long term vision to anticipate its impact on the grid. Electric vehicle charging must be controlled whenever possible. ABSTRACT Dans les années à venir tous les constructeurs mettront sur le marché des véhicules élec- triques performants et abordables. En France, l’annonce de Nicolas Hulot, ministre de la transition écologique et solidaire, interdisant la vente de véhicules thermiques à horizon 2040, associée aux engagements environnemen- taux, fait que ce mode de mobilité devrait se développer rapidement. Même si l’infrastructure de recharge fait moins rêver que les performances des véhicules, un déploiement rationnel des dispositifs de recharge est crucial. Il faut s’atta- cher à les déployer en prévenant au moins deux écueils, un maillage déséquilibré créant des « zones blanches » sociales et géographiques, et une prise en compte insuffisante du réseau électrique et des contraintes pour ses gestionnaires conduisant à des investissements trop importants voire à se priver partiellement des capacités de flexibilité de ce nou- vel usage. Le déploiement des bornes de recharge sur le territoire requiert un pilotage national et une vision à long terme pour anticiper son impact sur le réseau électrique. Le pilotage de la recharge, à chaque fois qu’il est possible, doit absolument être prévu. RÉSUMÉ Figure 1 : Immatriculations neuves de véhicules électriques et hybrides rechargeables en France - Source : Enedis AAA DATA. Figure 2 : Immatriculations neuves de véhicules électriques et hybrides rechargeables en France, particuliers vs sociétés. Source : Enedis AAA DATA. 48 ZREE N°4/2017 MOBILITÉ ÉLECTRIQUE DOSSIER 1 de véhicules électriques est forte (figures 1 et 2), les VE ne représentent à ce jour que 0,3 % du parc roulant et 1 % du marché automobile. Perspectives d’évolution L’évolution du nombre de véhicules électriques dépend de nombreux fac- teurs ; certains découlent des pouvoirs publics comme les incitations finan- cières, les interdictions locales d’utili- sation de certains véhicules polluants (vignette Crit’Air), le développement des transports en commun. D’autres sont plus en lien avec le contexte éco- nomique comme le pouvoir d’achat des ménages et le nombre de véhicules par ménage. Cette liste est loin d’être ex- haustive, des critères comme le prix des véhicules électriques, leur autonomie, la mise à disposition de points de recharge, interviennent dans la croissance du parc. Avec une autonomie de 300 km réels pour les VE légers et 200 km pour les fourgons, le VE devrait être compa- tible avec la plupart des exigences des flottes d’entreprise, de collectivités locales, d’administrations… Ce mode de déplacement bénéficiant d’une image de marque attractive devrait s’y imposer naturellement sans perturber l’activité des utilisateurs. Ainsi peut- on voir des projections de scénarios de développement du véhicule élec- trique (figure 3) qui varient pour 2035 de 3,2 à 9,7 millions de véhicules, ce graphique exprimant donc une grande incertitude du point de sortie puisqu’il existe un coefficient trois entre les scé- narios extrêmes. Les bornes de recharge en France : état actuel et évolutions Situation actuelle On recensait, en mars 2017, 16 100 points de charge accessibles au public répartis sur 2 300 communes en France métropolitaine, l’évolution notable du nombre de point de charge entre mars 2016 et mars 2017 (+ 41 %) est princi- Figure 3 : Trajectoires possibles de développement des VE et VHR à la maille nationale - Source : Enedis. REE N°4/2017 Z 49 La recharge intelligente : vision des gestionnaires de réseau d’électricité palement à mettre au crédit des socié- tés et des particuliers (figures 4 et 5). Perspectives d’évolution Afin de bien appréhender les perspec- tives d’évolution des bornes de recharge, il faut distinguer deux cas d’usage : s LA RECHARGE PRIMAIRE QUI RÏPOND AUX besoins courants, domicile, lieu de travail, etc. (90 % des cas qui corres- pondent aux lieux habituels de station- nement) ; s LARECHARGESECONDAIREPOURLESGRANDS déplacements plus exceptionnels (10 % des cas, sur ou à proximité des réseaux routiers ou autoroutiers). Le premier cas est traité de façon détaillée dans ce dossier. On pourra se reporter à l’article de M. John Honoré. Quant aux points de charge secon- daire, ils ont principalement vocation à être des points de charge rapide car, hors recharges d’opportunité, la re- charge secondaire répond à un besoin de charge immédiat. L’évolution du nombre de ces bornes de recharge dé- pendra de l’évolution du nombre des VE et VHR mais bon nombre de particuliers et de sociétés ne se convertiront aux VE que si de telles bornes sont disponibles. La recharge de très forte puissance, nécessitant des raccordements de 1 à 3 MW, sur les réseaux routiers et auto- routiers n’est pas à privilégier car elle peut contraindre le réseau et susciter des investissements importants mais pour sortir le VE d’une utilisation stric- tement urbaine voire suburbaine et per- mettre les transhumances, elle doit être proposée. D’ailleurs, plusieurs projets de maillage du réseau routier et auto- routier (tous les 80 km) sont en cours. Figure 4 : Estimation du nombre de points de charge en fonction des points d’implantation. Source : Enedis. Figure 5 : Estimation de la puissance installée : nombre de points de charge en fonction des points d’implantation – Source : Enedis. Figure 6 : Nombre de logements possédant un parking en fonction de la typologie de logement – Source : Enquête Logement 2013, INSEE. 50 ZREE N°4/2017 MOBILITÉ ÉLECTRIQUE DOSSIER 1 Un enjeu majeur pour le réseau électrique en termes de puissance appelée Impacts actuels et futurs de la recharge En termes d’énergie, avec les pers- pectives d’évolution de la consomma- tion française, l’apparition du véhicule électrique ne posera pas de problème et les grands équilibres production- consommation ne seront pas affectés par son développement. Partant d’une consommation moyen- ne de 0,2 kWh/km et d’une distance moyenne parcourue de 35 km/jour, le parc actuel de véhicules (VE et VHR confondus : de l’ordre de 100 000) re- présente une consommation électrique annuelle de 250 GWh, soit 0,05 % de la consommation française d’électricité qui s’est élevée en 2016 a 473 TWh. À l’hori- zon 2030, en prenant une hypothèse de quatre millions de véhicules électriques et d’une consommation stable d’électrici- té, la demande associée à ces véhicules représenterait 2 % de la consommation annuelle d’électricité. Dans un contexte d’amélioration de l’efficacité énergétique et de perspectives de réduction de la consommation énergétique au niveau national, le parc français de production d’électricité pourra donc satisfaire les besoins en énergie du parc de véhicules électriques. En termes de puissance, il sera par contre indispensable de piloter la recharge pour éviter des problèmes de pointe de consommation pour le sys- tème électrique : besoin de capacités de production supplémentaire pour équilibrer la pointe de consommation du soir, et/ou besoin de renforcement de réseau pour supporter les transits. D’ici à 2030, les réseaux électriques seront soumis à des enjeux impor- tants liés notamment à l’intégration de moyens de production variables et dé- centralisés ainsi qu’au développement de nouveaux usages de l’électricité. Un déploiement massif du véhicule élec- trique et des bornes de recharge asso- ciées pourrait, si on n’y prend pas garde, engendrer des contraintes locales sup- plémentaires. Afin d’accompagner de la manière la plus optimale possible le déploiement massif des véhicules élec- triques et de limiter les coûts d’insertion associés, il est nécessaire de prévoir dès maintenant des systèmes de pilotage de la recharge. S’il n’est pas envisagé pour l’instant de raccordement direct des VE au ré- seau de transport, il n’en demeure pas moins que certains ouvrages pourront être fortement impactés par des raccor- dements massifs sur le réseau de dis- tribution, par exemple dans des zones de forte concentration de VE telles que les zones péri-urbaines. RTE, gestion- naire de réseau de transport d’électricité français, réalise des études pour évaluer l’impact de la croissance du parc de vé- hicules électriques au niveau national. Ces études sont incluses dans le « Bilan prévisionnel » de l’équilibre entre l’offre et la demande d’électricité, élaboré et publié par RTE chaque année. L’impact est ainsi évalué en termes d’énergie et de puissance. L’impact sur le système électrique va dépendre fortement du nombre de véhi- cules électriques connectés, de leur mode de recharge (pilotée ou pas) et du type de recharge (lente, standard ou rapide). Pour le parc actuel, l’appel de puis- sance à l’échelle nationale ne dépasse pas la centaine de MW, ce qui impacte d’une façon minimale le système élec- trique. Néanmoins, en prenant l’hypo- thèse d’un parc de quatre millions de véhicules électriques en 2030 (VE et VHR confondus), cet impact pourrait atteindre 6 GW. Dans la figure 7 nous pouvons observer l’impact de la re- charge de véhicules pendant un jour ou- vrable de janvier en fonction du mode de recharge : s EN PROlL i RECHARGE NATURELLE w  LES véhicules sont rechargés en fonction du besoin, sans contrainte réglemen- taire ni incitation tarifaire pour décaler les heures de recharge ; dans ce cas, l’impact sur la pointe journalière est particulièrement marqué ; s ENPROlLiSIGNALTARIFAIREwLESVÏHICULES sont rechargés pendant les heures creuses à la réception d’un signal par simple incitation tarifaire. Figure 7 : Courbes de charge d’un jour ouvrable de janvier pour un parc de quatre millions de VE/VHR – Source : RTE. REE N°4/2017 Z 51 La recharge intelligente : vision des gestionnaires de réseau d’électricité Selon le mode de recharge – ou plus probablement la combinaison de modes de recharge qui émergera – l’im- pact sur l’équilibre du système électrique pourra être fortement contrasté. Un mode de recharge de type « charge natu- relle » pourrait provoquer une concentra- tion de la recharge autour de 19 h, ce qui impliquerait un impact important sur les pointes de consommation en hiver. En effet, le début de la recharge inter- viendrait principalement au retour au domicile et s’ajouterait alors avec d’autres usages domestiques sur la même pé- riode (four, cuisson, chauffage…). Nous pouvons ainsi observer dans la figure 8 l’impact hypothétique de la recharge de quatre millions de véhicules électriques sur la courbe de charge d’une journée d’hiver. Pendant les périodes de la journée où le système électrique est le plus contraint en hiver, une recharge des véhicules électriques à la même heure accentuerait le phénomène (de l’ordre de 5 GW pour quatre millions de véhicules). Des investissements coûteux, supportés par tous (utilisateurs ou non de VE), seraient alors nécessaires pour répondre aux appels de puissance. A contrario, un mode de recharge plus intelligent (en suivant des signaux tarifaires par exemple), permettrait un déplacement de la recharge. La pointe de consommation journalière ne se verrait pas affectée car la recharge des véhicules se ferait pendant les creux de consommation (figure 8, courbe de charge suivant la recharge tarifaire). Une mauvaise combinaison du mode de recharge avec le type de recharge (lente, standard ou rapide) pourrait aug- menter les impacts négatifs sur le sys- tème électrique. En termes de pointe de consommation, un parc de quatre millions de VE/VHR qui serait en charge standard (c’est-à-dire en 22 kW) de fa- çon parfaitement simultanée générerait en théorie un appel de puissance de 88 GW. Néanmoins, compte tenu du foisonnement naturel de la recharge, les analyses et modélisations réalisées au sein de RTE montrent que cet appel de puissance se limiterait à 5 ou 6 GW. La recharge intelligente : une source de flexibilité pour le système électrique Sous réserve d’implication du con- ducteur, le véhicule électrique peut devenir une source de flexibilité pour l’intégration des ENR, et probablement d’économie pour son propriétaire. Qu’est-ce que la recharge intelligente ? Au sens large, la recharge intelli- gente est un dispositif qui permet de déplacer (en énergie) la période de recharge sur une période différente de la période naturelle (« on se branche, on se charge ») et/ou de modifier en puissance les conditions de cette recharge : normale ou rapide, profil d’appel de puissance… Cette intelligence peut obéir à diffé- rents objectifs. Elle peut être sommaire et relativement fixe (incitation tarifaire HP/HC…) ou beaucoup plus avancée (optimisation dynamique en énergie et puissance, en cherchant à satisfaire dif- férents objectifs et contraintes). Au sein des réseaux électriques, la mise en place de systèmes de pilotage de recharge présente un intérêt à diffé- rents niveaux : s ÌLINTERFACEENTRELESINSTALLATIONSPRI- vées et le réseau public , associé à un principe de garantie de recharge en cas de besoin ; s POUR LEXPLOITATION DES RÏSEAUX ET LE traitement des contraintes sur les réseaux en amont de l’immeuble : du poste HTA/BT associé au poste source, selon deux axes : Figure 8 : Impact hypothétique d’une flotte de quatre millions de véhicules électriques sur la courbe de charge d’électricité un jour de janvier - Source : RTE. 52 ZREE N°4/2017 MOBILITÉ ÉLECTRIQUE DOSSIER 1 - une logique d’incitation tarifaire sur une maille foisonnante mais ne pouvant garantir le respect d’une contrainte physique en tout point et à tout instant ; - ou le recours à un service ferme de flexibilité : un site de charge de VE apparaît alors comme un des gise- ments constitutifs possibles d’une offre de flexibilité. s POURLASÏCURITÏDUSYSTÒMEFONCTION de suspension temporaire partielle ou totale de la charge en cas d’incident ou d’événement mettant en péril l’exploi- tation du système. Recharge intelligente et flexibilité Un des principes fondamentaux du fonctionnement du système électrique est le maintien de l’équilibre entre la demande et la production injectée sur le réseau. Cet équilibre s’effectue princi- palement en adaptant la production des grandes centrales électriques au moyen de différents réglages et en adaptant la demande d’électricité de certains consommateurs en cas de besoin. La gestion de cet équilibre a tendance à devenir plus complexe du fait de nou- veaux modes de consommation et du développement massif des énergies renouvelables, essentiellement l’éolien et le photovoltaïque qui, comme cha- cun sait, sont des productions non pilo- tables, difficilement prévisibles et très volatiles. D’où la nécessité croissante de moyens de flexibilité supplémentaires pour équilibrer en permanence la pro- duction et la consommation. C’est ici que le véhicule électrique peut apporter de la flexibilité pour assurer l’équilibre du système électrique. En effet, un véhicule passe la plupart de son temps stationné et, dans le cas d’un VE, il peut être branché à une prise électrique et donc rester en interaction avec le réseau. En fonction de la technologie pré- sente dans le véhicule et dans la borne de recharge, cette interaction véhicule- réseau se fera de façon unidirection- nelle (en recharge : le véhicule soutire de la puissance du réseau) ou bidirec- tionnelle (en recharge/décharge : le vé- hicule soutire ou injecte de la puissance sur le réseau). En mode unidirectionnel, la recharge intelligente permet de diminuer les pointes de consommation d’électricité aux moments où le système électrique est le plus contraint. Ceci se traduit par l’effacement de la consommation (les véhicules électriques arrêtent de se charger à partir des signaux tarifaires ou autres). En plus d’éviter les pointes de consommation, les véhicules pour- raient aussi absorber les surproduc- tions d’électricité renouvelables afin de réduire les contraintes du réseau par activation de la charge d’une agrégation de véhicules dans une région à travers de signaux tarifaires ou autres. Dans l’approche bidirectionnelle, on peut imaginer d’utiliser la batterie des véhicules électriques pour injecter de l’énergie dans la maison, dans le bâti- ment au dans le réseau : ce sont les concepts de V2H (Vehicle to Home), V2B (Vehicle to Building) et V2G (Vehicle to Grid). Pour accéder, à terme, à toutes les utilisations potentielles liées à la gestion intelligente de la recharge des VE, on peut imaginer différents niveaux d’intelligence. 1. Un premier niveau associé au respect des contraintes électriques et contrac- tuelles, individuelles et collectives (en bas d’immeuble) traitées par un dis- positif de charge intelligente conçu à l'échelle de l’immeuble. Un tel dis- positif doit permettre de respecter les limites de puissance électrique à l’interface installations intérieures/ réseau public et les contraintes contractuelles liées à la fourniture. Le positionnement de cette frontière de responsabilités peut varier en fonc- tion du schéma d’architecture retenu. Par souci de simplicité, on n’évoque l’application d’un tel dispositif qu’en vue de l’optimisation des charges des VE, mais on peut envisager que cette optimisation se fasse au périmètre de toutes les consommations et produc- tions de l’immeuble. 2. On peut imaginer que ce disposi- tif puisse recevoir des signaux émis et des demandes formulées par Figure 9 : Positionnement possible de la gestion intelligente de la charge du VE vu du réseau. REE N°4/2017 Z 53 La recharge intelligente : vision des gestionnaires de réseau d’électricité plusieurs entités, ayant des besoins et des objectifs potentiellement concur- rents : s SURUNPÏRIMÒTREDEFOURNITURE LAC- cès à ce dispositif pourrait être vu comme un composant élémentaire de l’optimisation globale d’un fournis- seur en charge d’alimenter ses clients (VE ou non) ; s MAIS LE DISPOSITIF POURRAIT ÐTRE SOL- licité par plusieurs demandeurs tra- vaillant sur plusieurs mailles : - France/Europe : acteurs de marché ; - France/Europe : RTE pour l’équilibre offre demande ; - « Région » : RTE pour le traitement des congestions sur le RPT ; - Mailles PS, transformateur HTB/HTA, départ HTA, départ HTA/BT : GRD pour le traitement des congestions sur le RPD. La figure 9 schématise le positionne- ment possible de la gestion intelligente de la charge du VE, vu du réseau. Que ce soit dans le cadre d’une re- charge unidirectionnelle ou bidirection- nelle, les véhicules électriques peuvent également être une source de flexibilité pour le système électrique en contri- buant aux services système, par exemple au réglage primaire de la fréquence. Le rôle du réglage primaire de la fréquence est d’assurer, de façon automatique, le rétablissement immédiat de l’équilibre production-consommation en mainte- nant la fréquence à l’intérieur de limites acceptables, suite à tout aléa affectant cet équilibre. Actuellement, les conditions de par- ticipation à l’appel d’offre (AO) permet- tant de constituer la réserve primaire de fréquence portent à la fois sur les condi- tions de puissance (offre minimale de 1 MW), le type de réserve (symétrique) et la durée (une semaine). Néanmoins, les « règles services système » permettent la certification d’entités de réglage (EdR) dissymétriques et l’offre symétrique de l’AO peut être constituée de plusieurs EdR, ce qui ouvre un potentiel important à des services offerts par les véhicules électriques. La contribution des véhicules électriques au réglage de la fréquence dépendra de l’évolution de la réglemen- tation concernant ces services, des évolu- tions techniques pour piloter la recharge des véhicules en fonction de la fréquence et de l’intérêt économique des proprié- taires de voitures à y participer. Conclusions L’accueil des véhicules électriques dans le système électrique nécessite un accompagnement et une anticipation minimale de l’ensemble des acteurs concernés (constructeurs automobiles et de matériel, fournisseurs d’énergie, gestionnaires de réseaux – distribution comme transport – et utilisateurs). L'objectif est d’éviter des impacts néga- tifs induits par ce nouvel usage, notam- ment lors des recharges de très forte puissance, et d’ouvrir de nouvelles op- portunités de flexibilité qu’il pourrait apporter au système électrique. Du point de vue du système élec- trique, l’utilisation combinée des signaux tarifaires et d’une gestion embarquée de la recharge éviterait déjà l’augmen- tation de la pointe du soir et permet- trait de reporter une partie de l’énergie soutirée vers les « creux de nuit ». Dans un avenir un peu plus lointain, en plus du pilotage de la recharge, on peut ima- giner que l’énergie stockée dans les batteries des VE puisse être restituée à des moments-clés pour les différents acteurs. En plus, dans un contexte de développement massif de l’éolien et du photovoltaïque, les sources de flexibilité du système électrique seront de plus en plus nécessaires afin d’assurer la qualité et la sûreté de l’approvisionnement élec- trique. La recharge du parc de VE/VHR peut avoir un rôle clé à jouer, au travers d’un pilotage dynamique de la charge en fonction des contraintes du système électrique et de celles des clients. LES AUTEURS Loïc Jarrossay, diplômé de l’ensei- gnement supérieur de technologie du CNAM (Conservatoire national des arts et métiers), y a poursuivi son cursus par le cycle d’ingénieur. Il rejoint EDF en 1992, travaillant d’abord en bureau d’étude des postes source (HTB/HTA), avant de devenir responsable d’une agence en charge de comptages industriels, de raccordements et d’ingénierie de la construction de réseaux. Il est aujourd’hui interlocuteur national « mobilité électrique » pour Enedis. Alberto Tejeda est ingénieur de l’École supérieure d’ingénieurs Industriels de Madrid et titulaire d’un doctorat de l’École des mines de Paris. Actuellement il est chargé d’études dans la direction R&D de RTE, travaillant sur la prévision de consommation d’électricité et sur les problématiques de l’interaction du réseau public de transport avec la mobilité électrique.