Quel paradigme pour les réseaux électriques intelligents ?

21/01/2019
Publication 3EI 3EI 2019-95
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2019-95:25350
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Quel paradigme pour les réseaux électriques intelligents ?

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Quel paradigme pour les réseaux électriques intelligents ? La Revue 3EI n°95 Janvier 2019 Hors Thème 46 Quel paradigme pour les réseaux électriques intelligents ? VINCENT MAZAURIC, VERONIQUE BOUTIN ET ALFREDO SAMPERIO, CLAUDE LE PAPE-GARDEUX Schneider Digital, 38TEC, 38050 – Grenoble France 1. L’intelligence dans les réseaux électriques : des motivations contrastées au fil du temps ! Introduire de l’intelligence dans les systèmes électriques ne relève pas d’une ambition récente. Dès que les régies d’électricité se sont constituées, sur une base historiquement centralisée, et ont été tenues de garantir une certaine qualité de service à l’usager à commencer par la disponibilité, la recherche d’un optimum économique et l’équilibrage entre phases ont conduit à déployer les premiers éléments de la gestion intelligente de la demande. Les concepts de foisonnement et de report de charge ont alors été introduits : Il s’agissait d’équilibrer les usages au mieux des prévisions de consommation et de les adapter aux caractéristiques techniques des groupes de génération (essentiellement thermiques ou hydrauliques) constituant le parc exploité par les régies, au mieux de leurs optimums économiques par ailleurs conditionnés par des tarifs le plus souvent régulés, c'est-à-dire en privilégiant la production en base. Depuis la fin des années 1990, la contrainte climatique a fortement renouvelé le besoin de développer des réseaux électriques intelligents. En effet, l’exploitation des systèmes électriques, dont la croissance est plus soutenue que celle des autres vecteurs d’énergie, est à l’origine de 45% des émissions mondiales de CO2 en dépit d’une tendance vertueuse vers la réversibilité thermodynamique. L’efficacité énergétique fut ainsi perçue comme le premier gisement d’atténuation des émissions de CO2 – les « négawatts » – et le plus immédiat à mettre en œuvre compte tenu de la durée des cycles d’investissement en génération. Selon une logique de régie intégrée centralisée, les réseaux électriques intelligents devaient : • accompagner la plus grande versatilité des usages, notamment les Technologies de l’Information et de la Communication (TIC), mais au-delà permettre d’aplatir la courbe de charge pour limiter les appels à la génération de pointe, la plus onéreuse à exploiter et souvent la plus émettrice en CO2 ; • favoriser l’intégration d’énergies renouvelables, en pratique largement décentralisées sur les réseaux de distribution. Au-delà de leurs fonctions de facturation, les compteurs intelligents contribuent à cette double motivation. Par contre, ils ne disposent pas de capacité d’arbitrage en « temps réel » au regard des contraintes d’exploitation. Néanmoins, en permettant d’individualiser l’offre de service, différentes qualités de fourniture peuvent coexister sur un même réseau, ce qui constitue un premier levier de transformation des systèmes électriques. A côté de ces motivations techniques, le secteur de l’énergie électrique traverse depuis plus d’une vingtaine d’années des politiques de dérégulation qui ont provoqué l’éclatement des monopoles historiques au moins dans leur dimension verticale entre génération, transport et distribution. Des nouveaux acteurs de l’énergie comme du traitement des données ou de leur transmission peuvent donc se positionner pour capter une partie de la valeur résultant de la convergence de l’énergie et des données. Historiquement du côté de la génération centralisée dans un secteur fortement régulé, le centre de gravité des systèmes électriques « descend » peu à peu par l’intégration d’une plus forte intelligence du côté de la demande. Cette tendance : • incitée par des politiques publiques soucieuses de ne plus supporter seules l’investissement en capacité susceptible d’équilibrer la demande, comme ce fût le cas dans les cycles de planification précédents ; • accentuée naturellement par l’émergence d’une forte proportion d’énergie renouvelable décentralisée (PV, voire éolien, micro- hydroélectricité…), le plus souvent intermittente, également supposée contribuer favorablement à la transition énergétique ; élargit le champ de l’intelligence à la gestion d’une auto- consommation possiblement soustraite à la génération Résumé : Introduire de l’intelligence dans les systèmes électriques ne relève pas d’une ambition récente. Dès que les régies d’électricité se sont constituées, sur une base historiquement centralisée, et ont été tenues de garantir une certaine qualité de service à l’usager, elles ont conduit à déployer les premiers éléments de la gestion intelligente de la demande. Il s’agissait d’équilibrer les usages au mieux des prévisions de consommation et de les adapter aux caractéristiques techniques des groupes de génération. En ce qui concerne le déploiement des énergies renouvelables, la gestion des systèmes électriques ne nécessite plus d’aplatir la courbe de charge, mais au contraire d’adapter au mieux les usages pour suivre l’abondance de productible. Les réseaux électriques intelligents procurent un chemin technologique pour transformer les systèmes électriques depuis une structure fortement centralisée vers une organisation multi-échelle où chaque « cluster » satisfait au mieux son équilibre offre-demande. Quel paradigme pour les réseaux électriques intelligents ? La Revue 3EI n°95 Janvier 2019 Hors Thème 47 donc susceptible d’amplifier les effets de l’intermittence pour l’opérateur en charge de l’équilibre du réseau. Elle conduit à l’émergence de nouvelles fonctions de flexibilité comme le stockage de l’énergie localement (batterie, y compris celles des véhicules électriques) ou à plus grande échelle (pompage/turbinage, stockage à air comprimé, power to X/X to power…) renforçant dans ce dernier cas l’intégration multisectorielle dans le domaine de l’énergie. En ce qui concerne le déploiement des énergies renouvelables requis par les engagements climatiques, la gestion des systèmes électriques ne nécessite plus d’aplatir la courbe de charge, mais au contraire d’adapter au mieux les usages pour suivre l’abondance de productible afin d’anticiper les effets de la génération à coût marginal nul voire négatif. La recherche de gisements de flexibilité est alors déterminante et conduit à l’émergence de nouveaux acteurs dans la gestion des systèmes électriques. D’une logique stricte d’exploitation, la notion de réseau électrique intelligent modifie en profondeur la conception des systèmes électriques, les modes d’usage, la répartition de la valeur et les modèles d’affaire… Cette évolution s’exprime dans une pluralité d’arbitrage entre : • disponibilité et gestion de la demande/incitation ; • architectures centralisée et décentralisée ; • organisation intégrée et multiplicité des acteurs et des secteurs ; • aplatissement de la courbe de charge et gisement de flexibilité ; • énergie et données ; • politiques d’investissement publiques/monopoles historiques et initiatives locales/privées ; • coût moyen et coût marginal ; • … envisageable grâce : • à des temps caractéristiques d’opération des systèmes électriques du même ordre de grandeur que ceux de l’acquisition (IoT) et du traitement des données à l’échelle du système (Big Data) puis de son contrôle optimal ; et • à des coûts raisonnables, c'est-à-dire comparables au coût marginal de l’énergie qu’ils sont susceptibles d’effacer. 2. Réseaux Electriques Intelligents : Vecteur de transition Energétique Parmi les opportunités offertes par les réseaux électriques intelligents, le défi climatique constitue un enjeu intégrant tous les arbitrages précédents pour servir un objectif de long terme. En tolérant les spécificités régionales, les réseaux électriques intelligents procurent un chemin technologique pour transformer les systèmes électriques depuis une structure fortement centralisée (type « parapluie ») vers une organisation multi-échelle où chaque « cluster » satisfait au mieux son équilibre offre- demande, idéalement en temps réel. Le concept de micro-réseau à l’échelle d’une ville ou d’une région devient la pierre angulaire de l’édifice, ni trop inertielle pour disposer de l’agilité propice à sa mise en oeuvre, ni trop petite pour procurer des gisements d’équilibre satisfaisants du point de vue des reports de charge à opérer. Cette transformation de la structure actuelle des réseaux historiques rejoint à cette maille la convergence de micro-réseaux isolés dont le but est de permettre l’accès à l’énergie pour des territoires encore vierges. Quel paradigme pour les réseaux électriques intelligents ? La Revue 3EI n°95 Janvier 2019 Hors Thème 48 Il existe cependant des limites à cette évolution qu’il convient d’apprécier : • Si les boucles locales sont par nature plus résilientes, la nécessité de disposer en dernier recours de gisements d’équilibre impose de conserver un réseau de transport, notamment si les équilibres offre-demande ne sont pas réalisables en temps réels à l’échelle des microréseaux ; • Négligeable aujourd’hui, la matérialité énergétique des Technologies de l’Information et de la Communication (TIC) pour réaliser l’acquisition, le traitement des données et le contrôle optimal du système énergétique lui-même, doit être comparé à l’énergie effacée. Le second principe de la thermodynamique impose l’existence d’un point d’équilibre ; • Si l’abondance de productible renouvelable permet de largement couvrir la demande, sa répartition spatiale et sa disponibilité temporelle (intermittence) déplace le paradigme d’exploitation d’un système énergétique actuellement en tension sur les énergies primaires (OpEx) à un système en tension sur l’investissement (CapEx) et au-delà sur la disponibilité des matériaux fonctionnels constituant les équipements électriques. Quelques références V. Boutin, M. Feasel, K. Cunic, J. Wild: “How Microgrids Contribute to the Energy Transition.” (2016) https://www.schneider- electric.us/en/download/document/9982095_12-01- 16A_EN/ V. Boutin, V. Ignatova, J. Philippe, R. Heliot, Y. Herriot, A. Haun, V. Wagner: “How New Microgrid Technologies Enable Optimal Cooperation Among Distributed Energy Resources” (2017) https://www.schneider- electric.com/en/download/document/998-2095-03-15- 17AR0_EN/ F. Borghese, K. Cunic, P. Barton: “Microgrid Business Models and Value Chains.” (2017) http://www2.greentechmedia.com/l/264512/2018-07- 05/67wds J. Wild, V. Boutin, P. Barton, L. Haines: “Microgrid Benefits and Example Projects.” (2016) https://microgridknowledge.com/white- paper/microgrid-benefits-example-project/ Chaire Modélisation Prospective au Service du Développement Durable : www.modélisationprospective.org