Besoins de flexibilité et valorisation des services

22/12/2018
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Besoins de flexibilité et valorisation des services

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42 ZREE N°5/2018 DOSSIER 1 LE STOCKAGE PAR BATTERIES DANS LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES The energy and ecologic transition, pushed by the European commission as well as lots of European countries, modifies both generation and consumption of electricity. Small and numerous renewable generation units take the place of big centralized power plants, with uncertainty about the location of new ones and the shutdown of old ones. Decreasing of consumption can be balanced by new mobility needs such as electric vehicles. Such uncertainty can put a brake on the needed evolution of the transmission network. Decisions to implement new lines or substations are more difficult to make, due to the reliance of the economic return on what will really happen. Therefore, new flexible solutions shall be implemented in order not to take decisions to implement infrastructures that may be not needed in the future. For instance, one of the quicker solutions is contractual agreement with consumers that can stop consuming electricity when the electrical system is under pressure. Another solution is to implement on the network a battery system (localized, movable, reusable) that will be charged or discharged according to the system needs. La transition énergétique et écologique, promue par la Commission euro- péenne ainsi que par de nombreux pays européens, modifie à la fois la pro- duction et la consommation d'électricité. De petites et nombreuses unités de production d'énergie renouvelable remplacent les grandes centrales centrali- sées, avec une incertitude quant à la localisation des nouvelles et à l'arrêt des anciennes. La diminution de la consommation peut être compensée par de nouveaux besoins de mobilité tels que les véhicules électriques. Une telle incer- titude peut freiner l’évolution nécessaire du réseau de transport. La décision d'implanter de nouvelles lignes ou de nouvelles sous-stations est plus difficile à prendre car le retour économique dépend de ce qui se passera réellement. Par conséquent, de nouvelles solutions flexibles doivent être mises en œuvre afin de ne pas prendre de décisions conduisant à réaliser des infrastructures qui pourraient ne plus être nécessaires dans le futur. Par exemple, l'une des solutions les plus rapides est un accord contractuel avec les consommateurs, qui peuvent accepter de cesser de consommer de l'électricité lorsque le système électrique est sous tension. Une autre solution consiste à mettre en œuvre sur le réseau un système de batteries (localisées, mobiles, réutilisables) qui fonction- nera en charge ou en décharge en fonction des besoins du système. Cédric Léonard Fabrice Lécuret RTE Besoins de flexibilité et valorisation des services réseau Pourquoi l’évolution du réseau de transport d’électricité passe-t-elle par la mise en œuvre de solutions flexibles ? Introduction La France et de nombreux pays euro- péens se sont engagés depuis plusieurs années dans une ambitieuse transition énergétique. Le système électrique est identifié comme un vecteur majeur de cette transition énergétique, en propre comme à travers les transferts d’usages vers l’électricité qui peuvent contribuer à décarboner l’ensemble du système énergétique. Cette transition énergétique se tra- duit par le développement des pro- ductions renouvelables, variables et décentralisées (éolien et photovol- taïque notamment) et par l’évolution des modes de consommation/usages de l’électricité (actions d’efficacité énergétique, mobilité électrique…). Le système électrique doit évoluer pour accompagner ces transformations tout en maîtrisant les coûts et en mainte- nant la qualité de service attendue par les consommateurs. Energie éolienne dans le Minnesota. Crédit : Wikipédia. REE N°5/2018 Z 43 Besoins de flexibilité et valorisation des services réseau Les évolutions de la consommation et de la production Une consommation qui évolue en niveau et en structure La transition énergétique engendre deux effets opposés sur la consomma- tion d’électricité : l’efficacité énergétique et les transferts d’usage vers l’électricité. Les analyses de RTE montrent que les effets baissiers engendrés par l’effi- cacité énergétique peuvent – a minima transitoirement – égaler ou dépasser les effets haussiers associés aux transferts d’usage. A l’horizon 2035, la consom- mation pourrait être stable ou orientée à la baisse. A plus long-terme, l’amplifi- cation des transferts d’usage pourraient orienter la consommation d’électricité à la hausse (figures 1 à 4). La structure et la flexibilité de la consommation d’électricité évolue aussi avec notamment de nouveaux usages, comme l’électromobilité. Un développement des productions renouvelables décentralisées Les énergies renouvelables comme l’éolien et le solaire sont en fort déve- loppement et prennent dès aujourd’hui une place significative dans le mix de production (l’éolien et le photovoltaïque représentent aujourd’hui plus de 5 % de la production française). En parallèle du développement de ces filières, les filières de production thermiques ont vu leur espace se réduire et plusieurs groupes de production ont été fermés ces dernières années. Figure 1 : Trajectoires de consommation intérieure annuelle d’électricité en France [1]. Figure 2 : Production annuelle du parc français dans les différents scénarios du Bilan prévisionnel 2017 [1]. Figure 3 : Trajectoires pour le déploiement piloté des ENR [1]. 44 ZREE N°5/2018 DOSSIER 1 LE STOCKAGE PAR BATTERIES DANS LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES La production de ces filières est variable en fonction du vent et de l’ensoleillement et leur localisation géo- graphique est différente de celle des moyens de production conventionnels, ce qui modifie les flux sur le réseau de transport (figure 5). Les conséquences de la transition énergétique sur le système électrique et les besoins de flexibilité Les évolutions en matière de consommation et le développement des énergies renouvelables, conjugué à la décroissance de la production cen- tralisée, représentent un défi important pour le système électrique. Malgré une pénétration croissante et soutenue de l’éolien et du photovoltaïque dans cer- tains pays européens, aucun n’a encore expérimenté un mix composé d’une grande majorité d’éolien et de photovol- taïque. Les Etats qui sont allés le plus loin dans la pénétration de ces filières (Irlande, Danemark, Espagne et dans une moindre mesure l’Allemagne) ont été confrontés à des défis techniques (gestion des flux sur le réseau interne en Allemagne et besoin de réserves stratégiques en certains points du ré- seau) et ont dû s’appuyer sur les inter- connexions (Danemark) ou imposer un minimum de production pilotable dans le mix (Espagne, Irlande). Il est commun de parler des défis du système électrique en termes de besoins de flexibilité. Cette terminolo- gie fréquemment utilisée doit pourtant être définie. Il s’agit d’abord de bien distinguer les besoins de flexibilité, qui représentent des besoins techniques du système électrique et peuvent s’exprimer en quantifiant des volumes de capacités disposant de certaines caractéristiques spécifiques, et les solu- tions technologiques susceptibles d’y répondre et qui peuvent être mises en concurrence. Cinq types de besoins du système électrique peuvent être identifiés : (1) le besoin de capacités pour la ges- tion des pointes de consommation ; (2) le besoin de modulation pour accompagner les variations de la consommation et des énergies va- riables fatales ; (3) le besoin de capacités mobilisables au plus proche du temps réel pour assurer l’équilibrage du système Figure 4 : Evolution des besoins de flexibilité dans les différents scénarios du Bilan prévisionnel 2017 [1]. REE N°5/2018 Z 45 Besoins de flexibilité et valorisation des services réseau électrique (réserves, services sys- tème) ; (4) le besoin d’inertie du système pour assurer la stabilité de la fréquence ; (5) le besoin de leviers pour gérer les flux sur les réseaux. Les analyses menées par RTE montrent que les besoins de flexibi- lité du système électrique augmentent dans tous les scénarios. Sur l’équilibre offre-demande Plusieurs indicateurs portant sur la consommation résiduelle (consomma- tion diminuée de la production EnR fatale) permettent de quantifier l’aug- mentation des besoins de flexibilité au sens des besoins de modulation. Tous ces indicateurs sont orientés à la hausse dans tous les scénarios étudiés, dans des proportions qui dépendent de l’am- pleur du développement des EnR. Pour le réseau de transport La modification de l’implantation des moyens de production et leur variabilité entraînent une modification des transits de puissance, en amplitude et en fré- quence. Ces modifications conduisent à de- voir adapter certaines parties du réseau. RTE estime que l’adaptation du réseau nécessaire pour l’accueil des EnR consti- tuera une composante importante des investissements de RTE, à côté du né- cessaire renouvellement des actifs qui atteignent leur limite d’âge. Les solutions de flexibilité Les innovations et évolutions tech- nologiques récentes, dénommées de façon générique sous le terme de smart grids, ont fait émerger des so- lutions qui ont pu être validées tech- niquement et dont le déploiement constitue un levier potentiel pour l’opti- misation économique de l’ensemble du système électrique. A la demande des pouvoirs publics, RTE a publié deux rapports sur la valeur économique et environnementale des solutions smart grids et l’espace économique pertinent pour le développement de ces solu- tions en France. Parmi ces solutions, certaines, ap- pelée « flexibilités système » peuvent rendre des services à différentes com- posantes du système électrique : s DUNEPARTPOURRÏPONDREÌDESENJEUX autour de l’équilibre offre-demande (à différents horizons temporels) et donc in fine venir se valoriser sur les différents marchés de l’électricité ; s DAUTREPARTPOURRÏPONDREÌDESBE- soins de gestion des congestions. Les effacements/modulations de consommation, la pilotabilité des EnR et les solutions de stockage font partie de cette catégorie : bien localisées, ces solutions servent à la gestion de l’équi- libre offre-demande et la gestion des congestions. D’autres solutions, qualifiées de « flexibilités réseau » n’impactent pas le fonctionnement des marchés mais peuvent par contre permettre de gérer des congestions sur le réseau. On peut citer plusieurs solutions comme le Dynamic Line Rating (qui permet d’éva- luer, en temps réel, la capacité de transit sur le réseau de transport) ou les smart wires qui permettent de piloter les flux sur le réseau. La place et la valeur économique des solutions de flexibilité Dans un contexte de transition éner- gétique, les solutions de flexibilité, dont les coûts sont orientés à la baisse et les performances à la hausse, sont sus- ceptibles de présenter un intérêt éco- nomique. Afin d’informer les diverses parties prenantes, de préparer les évo- lutions réglementaires et les éventuels soutiens publics, les pouvoirs publics ont mandaté RTE pour apporter des éclairages sur l’apport économique des différentes solutions smart grids. Les analyses menées par RTE en concertation avec les acteurs du sys- tème électrique ont permis à la fois d'évaluer la valeur économique, mais aussi d’identifier les niveaux de déploie- ment pertinents des différentes solutions pour la France. Une littérature abon- dante existe désormais sur l’évaluation économique des solutions smart grids mais ces analyses ne regardent chacune qu’une seule technologie à la fois et ne considèrent pas les effets d’éventuelle éviction des technologies entre elles. Or les différentes solutions peuvent être Figure 5 : Evolution des flux sur une ligne du réseau de transport. 46 ZREE N°5/2018 DOSSIER 1 LE STOCKAGE PAR BATTERIES DANS LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES directement en concurrence : la valeur et la place économique d’une solution dé- pendra du développement et des coûts des solutions alternatives. Les analyses menées par RTE permettent de prendre en compte cet effet. Ces analyses, menées sur un scéna- rio de transition énergétique ambitieux, permettent de tirer plusieurs conclu- sions : s LA GESTION DE LA POINTE ÏLECTRIQUE constitue le principal espace écono- mique/gisement de valeur pour les flexibilités ; s TOUTE SOLUTION PERMETTANT DE RÏDUIRE les besoins en moyens de pointe présente un intérêt économique important. D’autres services, comme Figure 6 : Bilan économique du déploiement de solutions de flexibilité smart grids à l’horizon 2030 dans le scénario Nouveau mix 2030 [2]. REE N°5/2018 Z 47 Besoins de flexibilité et valorisation des services réseau la fourniture de services système, peuvent néanmoins présenter une valeur importante mais le gisement/ besoin est très limité ; s MALGRÏ LA CONCURRENCE DANS LACCÒS aux gisements de valeur entre les différentes solutions smart grids ainsi qu’avec les actifs de production conventionnels du fait des différences de caractéristiques, des limitations de certains gisements et des coûts d’ac- cès croissants, un déploiement sous forme de panachage entre différentes solutions (effacements de consom- mation, stockage, etc.) est économi- quement pertinent. La place relative de chacune des technologies dépend de sa compétitivité relative (voir la figure 6 illustrant la place du stockage en fonction de son coût). s LESSOLUTIONSDEmEXIBILITÏiSYSTÒMEw qui peuvent à la fois fournir des ser- vices pour l’équilibrage entre l’offre et la demande et permettre la gestion des congestions sur le réseau de trans- port, tirent l’essentiel de leur valeur sur les services d’équilibrage ; s LESBÏNÏlCESÏCONOMIQUESQUEPEUVENT apporter les solutions smart grids sont significatifs pour la collectivité puisqu'ils peuvent représenter de l’ordre de 400 MF/an. Ce chiffre important doit néanmoins être relativisé car il repré- sente environ 1 % des coûts du sys- tème électrique. Les flexibilités réseau Le développement de réseau de transport d’électricité a été, jusque dans les années 2000-2010, décidé et construit comme un préalable et une conséquence de la croissance de la consommation. Ce développement a accompagné l’augmentation des capaci- tés de production destinées à alimenter cette croissance. Celle-ci permettait ainsi de garantir que les investissements de production et de transport seraient utiles et rentables au cours du temps avec une marge d’erreur relativement faible. La gestion des incertitudes : un enjeu important pour faire évoluer le réseau de transport Les incertitudes sur l’évolution du parc de production sont à la fois liées au rythme de développement des EnR et de fermeture des moyens historiques (nucléaire, etc.) ainsi qu'à la localisation des ambitions territoriales. Les énergies décentralisées, principalement raccor- dées en moyenne tension, peuvent conduire localement et par moment à la saturation des réseaux. La stagnation de la consommation, le développement des énergies renouve- lables et la volonté publique de baisser la part du nucléaire à terme conduira à l’arrêt de moyens de production centrali- sés. Cependant, le calendrier et la locali- sation de ces futurs arrêts présentent de fortes incertitudes qui se traduisent par des incertitudes sur l’évolution des flux sur les réseaux. Le développement des interconnexions aux frontières avec ses voisins, accroît le périmètre des incer- titudes : les flux d’électricité en France dépendent de façon croissante des poli- tiques énergétiques des pays voisins. Enfin, les évolutions sociétales, telles que l’autoconsommation, peuvent éga- lement avoir une influence sur le réseau de transport. Ces incertitudes rendent délicate la prise de décision pour construire des ouvrages structurants du réseau de transport, dont la durée de construction est de l’ordre de la dizaine d’années et dont l’amortissement est réparti sur plu- Figure 7 : Niveaux économiques pertinents de déploiement des solutions de flexibilité smart grids et des moyens de production thermique pour différents hypothèses de coût des batteries Li-ion dans le scénario Nouveau mix 2030 [2]. 48 ZREE N°5/2018 DOSSIER 1 LE STOCKAGE PAR BATTERIES DANS LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES sieurs décennies. Il s’agit de maîtriser le risque qu’un ouvrage réalisé soit inutile ou au contraire qu’un ouvrage utile n’ait pas été réalisé dans les délais requis.. Il devient donc de plus en plus né- cessaire de conditionner la construction des ouvrages structurants à la levée des principales incertitudes et de mettre en œuvre des solutions flexibles de ma- nière soit pérenne, soit transitoire dans l’attente de la mise en œuvre ou non de solutions plus structurantes. Les solutions de flexibilité pour optimiser l’infrastructure de transport Les solutions flexibles qui permettent de résorber des contraintes de transit électrique sur un composant de ligne aérienne ou souterraine ou de transfor- mation, peuvent se caractériser selon plusieurs critères : s POUVOIR METTRE EN “UVRE LA SOLUTION rapidement ; plus une solution est ra- pide à mettre en œuvre, plus il devient possible d’attendre le dernier moment pour décider de sa mise en œuvre. En comparaison, la construction d’une ligne électrique à haute tension prend plusieurs années ; s POUVOIRDÏSINSTALLERFACILEMENTLASOLU- tion mise en œuvre apportera plus de souplesse et facilitera la décision de sa mise en œuvre. En comparaison, le remplacement des câbles d’une ligne de haute tension n’est pas « désins- tallable » ; s POUVOIRRÏUTILISERUNESOLUTIONDÏSINS- tallée afin d’améliorer sa rentabilté. A titre de comparaison, un conducteur déposé ne peut pas être posé sur une autre ligne ; s POUVOIRFAIREÏVOLUERLASOLUTIONFAIRE évoluer à la hausse ou à la baisse l’effet de la solution sur la contrainte en fonction des besoins réels, doit permettre de décider plus rapidement sans attendre de connaître le besoin encore trop incertain. A la hausse en rajoutant des composants au fur et à mesure de l’évolution des besoins ou à la baisse en en supprimant. En com- paraison, on ne peut pas augmenter le transit maximum d’un transformateur en rajoutant un composant ; s UNE SOLUTION ÏCONOMIQUE PERMETTRA de décider plus rapidement et de ren- tabiliser l’investissement même si le contexte évolue. En comparaison, la mise en œuvre de solutions structu- rantes coûte plusieurs millions d’euros. Fort de ce constat, quels types de solutions flexibles peut-on envisager ? En premier, les solutions sans in- vestissement. Parmi ces solutions, on trouve les contrats d’effacement de consomma- tion, que ce soient d’industriels dont le process est compatible avec un effacement peu fréquent mais rapide et profond ou que ce soient des parti- culiers via des agrégateurs de service d’effacement, ciblés par exemple sur des usages spécifiques de l’habitat (chauffage, chauffe-eau…). La durée et les conditions du contrat, comme la possibilité de résiliation, font que ces solutions sont difficiles à envisager pour le long terme. Viennent ensuite les solutions à base de contrôle-commande et de capteurs additionnels qui permettent d’améliorer l’usage du réseau actuel et d’optimiser son fonctionnement. Par exemple, la mise en œuvre d’au- tomates connectés permet des actions très rapides et distantes et d’éviter ainsi la modification préventive des plans de production en cas de défaut. En effet, ces automates permettent d’attendre l’apparition du défaut pour enclencher automatiquement la parade prévue. Les solutions de monitoring en temps réel des installations ou de cer- tains composants du réseau permettent de faire transiter le courant non pas sur des bases génériques ou statistiques mais aux limites physiques. Ainsi, la capacité de transit d’un ouvrage peut être ajustée en fonction des conditions atmosphériques en temps réel et per- mettre d’aller plus loin qu’une valeur plus conservative. De même, le moni- Figure 8 : Perspectives de déploiement des filières éoliennes (terrestre et marine) et photovoltaïque. REE N°5/2018 Z 49 Besoins de flexibilité et valorisation des services réseau toring de la température du conducteur d’une liaison souterraine permet de s’approcher de la limite constructive en exploitation. Enfin, les capteurs installés sur un transformateur de puissance per- mettent son utilisation au plus proche de ses capacités. La mise en œuvre de ces solutions permet également de ca- pitaliser les conditions d’exploitation des matériels équipés au cours du temps, permettant de réaliser une maintenance prédictive plutôt que préventive et de maîtriser leur durée de vie. Enfin, troisième type de solutions, l’ajout d’un nouveau composant. La mise en œuvre de dispositifs permettant de modifier les caractéris- tiques électrotechniques d’un ouvrage, comme les smartwires, permettent no- tamment de modifier la répartition des flux sur le réseau. La mise en œuvre de batteries de stockage en amont et en aval d’une congestion réseau permet de limiter le transit à la capacité de la ligne, selon le principe de ligne virtuelle. C’est l’idée générale du projet Ringo en cours d’expérimentation à RTE. D’autres fonctions du système de stockage, au- delà de la seule gestion des conges- tions peuvent également être mises en œuvre, comme la participation à la réserve de capacité ou à la tenue de la tension par exemple. En dehors d’un concept à équilibre offre/demande nul, il peut être tout aussi possible de faire appel à des moyens de stockage cen- tralisés ou diffus pour réaliser tout ou partie des divers services rendus par de telles installations. Ce troisième type de solutions est capitalistique mais le fait que cette so- lution soit localisée en un ou plusieurs lieux, et non sur un réseau linéaire, permet d’envisager son installation plus rapidement, temporairement ou de permettre une évolution en éner- gie dans le temps en fonction de l’évolution des contraintes. Enfin, une batterie contrôlée par un automate connecté permet de réduire signifi- cativement les écrêtements de pro- duction EnR ou les modifications des plans de production. La batterie peut réagir très rapidement lorsqu’un dé- faut se produit sur un composant du réseau et ainsi supprimer la contrainte engendrée par le défaut. Conclusion Les solutions à base de stockage – que ce soit en puissance pour apporter une flexibilité accrue pour la gestion de l’équilibre offre/demande ou que ce soit en énergie pour réduire la pointe de consommation ou encore optimiser l’utilisation des actifs existants tout en augmentant la production électrique à base d’énergie renouvelable – ont un avenir et offrent un potentiel pour favoriser la transition énergétique. La diminution des coûts observée depuis plusieurs années ainsi que l’essor de nouveaux types de batteries, à la suite d’expérimentations nombreuses et di- verses, conduisent nécessairement de nombreux acteurs du secteur à prendre en compte cette solution dans les ana- lyses technico-économiques à moyen et long terme. Bibliographies [1] Bilan prévisionnel de l’équilibre offre demande de l’électricité en France - Edition 2017 – RTE [2] Réseaux électriques intelligents – Valeuréconomique,environnementale et déploiement d’ensemble – Juin 2017 - RTE LES AUTEURS Fabrice Lécuret est actuel- lement chef de groupe au Service d’études de développement du ré- seau de transport à RTE. Il a exercé des fonctions de chargé d’études, de manager de projets et de consultant en ingénierie de construction des ouvrages de trans- port d’électricité en France métropo- litaine, dans les DOM et à l’étranger. Cédric Léonard est ac- tuellement chef du pôle « Etudes économiques » au sein de la Direction Economie du système élec- trique du réseau de transport à RTE.