Les perspectives du “smart charging”

03/04/2013
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-1:3942
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2013-1/3942You do not have permission to access embedded form.

Résumé

L’émergence  du  véhicule  électrique,  au-delà  des changements et adaptations de l’industrie automobile, implique la création et le développement harmonieux de l’infrastructure de charge qui permettra à ces véhicules de charger leurs batteries en énergie électrique.
Pour de multiples raisons et compte tenu de la maturité  des  technologies  de  l’information  et  de  la  communication,  cette  infrastructure  de  recharge  devra  être intelligente et l’on peut employer la terminologie anglosaxonne “smart charging” dans la lignée du “smart grid”.
Nous évoquerons dans cet article les éléments de la problématique générale smart charging, puis nous élargirons la perspective dans la mesure où le smart charging est un élément de l’approche smart grid. Nous examinerons enfin les spécificités du contexte français pour identifier les points de blocage à lever afin de bénéficier d’un contexte qui permettrait l’éclosion et l’épanouissement d’une filière d’excellence dans ces domaines.


Les perspectives du “smart charging”

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	    <date dateType="Updated">Thu 26 Jan 2017</date>
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Pour de multiples raisons et compte tenu de la maturité  des  technologies  de  l’information  et  de  la  communication,  cette  infrastructure  de  recharge  devra  être intelligente et l’on peut employer la terminologie anglosaxonne “smart charging” dans la lignée du “smart grid”.<br />
Nous évoquerons dans cet article les éléments de la problématique générale smart charging, puis nous élargirons la perspective dans la mesure où le smart charging est un élément de l’approche smart grid. Nous examinerons enfin les spécificités du contexte français pour identifier les points de blocage à lever afin de bénéficier d’un contexte qui permettrait l’éclosion et l’épanouissement d’une filière d’excellence dans ces domaines.
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REE N°1/2013 27 LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE Pierre Clasquin G2mobility Introduction L’émergence du véhicule électrique, au-delà des changements et adaptations de l’industrie automobile, implique la création et le développement harmonieux de l’infrastructure de charge qui permettra à ces véhi- cules de charger leurs batteries en énergie électrique. Pour de multiples raisons et compte tenu de la ma- turité des technologies de l’information et de la com- munication, cette infrastructure de recharge devra être intelligente et l’on peut employer la terminologie anglo- saxonne “smart charging” dans la lignée du “smart grid”. Nous évoquerons dans cet article les éléments de la problématique générale smart charging, puis nous élargi- rons la perspective dans la mesure où le smart charging est un élément de l’approche smart grid. Nous examine- rons enfin les spécificités du contexte français pour iden- tifier les points de blocage à lever afin de bénéficier d’un contexte qui permettrait l’éclosion et l’épanouissement d’une filière d’excellence dans ces domaines. Problématique générale du smart charging Les réseaux électriques existent depuis fort long- temps. En France les consommations sont relative- ment stables même si l’on observe une augmentation régulière du record de consommation lors des grands froids d’hiver. RTE prévoit un manque de capacité ins- tallée de 1,2 GW en 2016, c’est-à-dire demain. Comment alors appréhender l’impact du véhicule électrique, en considérant l’hypothèse retenue dans le contexte des plans gouvernementaux, à savoir deux millions de véhicules électriques sur nos routes en 2020 ? Dans cette hypothèse nous pouvons anticiper une consommation incrémentale d’environ 4,8 TWh soit moins de 1 % de la consommation nationale 2012 qui s’établit à 489,5 TWh (pour 541,5 TWh pro- duits en France). Il n’y a donc pas, à moyen terme, de problème lié à la capacité énergétique pour supporter ce nouveau type de consommation d’électricité. Un calcul simpliste permet de saisir les enjeux de la problématique qui se pose en termes de puis- sance. En considérant ces deux millions de véhicules connectés au réseau, le soir par exemple lorsque les véhicules sont le moins utilisés, se chargeant en « charge normale » soit 3,6 kW, cela représenterait une demande incrémentale de 7 200 MW. Cela équivaut à la totalité de la capacité du parc éolien français en 2012 (7 500 MW) ou deux fois la capacité photovol- taïque en 2012 (3 500 MW) ou encore cinq tranches nucléaires à 1 500 MW (tranches N4 de plus forte capacité), en supposant que chacun de ces moyens soit disponible à pleine capacité. Les perspectives du “smart charging” Comment approcher la construction d’une infrastructure intelligente pour la recharge de véhicules électriques à grande échelle ? This article gives an overview of the theoretical potential for deploying a smart charging infrastructure in order to support the large scale deployment of electrical vehicle fleet. It describes the issues to deal with when considering such deployment, highlighting the degree of complexity. In a second part we address the larger perspectives of the smart grid showing how relevant it is for the smart charging topic. We show that the regulatory environment in France is a significant road blocker that needs to be amended if we want to seize the opportunity to create some technological leadership in smart grid. We focus on the price variability, which is not today enough flexible to allow smart grid services providers to offer intrinsically valuable services to their customers, as externalities related to grid capacity investment and flexible power supply capacities are not reflected in the prices offer to customers. Finally we propose some recommendations to remove these obstacles to unleash the full potential of smart grid and smart charging. ABSTRACT 28 REE N°1/2013 LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE Figure 1 : Courbe de consommation typique. Pouvons-nous-nous résoudre l’équation et trouver des solutions ? La réponse est oui. Une majorité de consom- mations électriques est peu flexible : il est difficile d’arrê- ter des trains ou des métros, de demander aux foyers de ne plus cuisiner à 19 h ou de réduire drastiquement leurs chauffages en plein hiver. En revanche un véhicule est sta- tionné à l’arrêt, plus de 20 h par jour ; or la durée de charge moyenne nécessaire en charge normale est de quelques heures par véhicule. Nous voyons donc qu’il existe une marge de manœuvre très intéressante pour optimiser la recharge de ces véhicules électriques. Tout le concept de smart charging réside dans la capa- cité à trouver des mécanismes d’optimisation pertinents pour répondre aux besoins liés aux usages en tenant compte des contraintes de l’environnement énergétique local et du contexte énergétique globale. Précisons dès lors les différents leviers possibles et les di- mensions des contraintes à considérer pour mettre en œuvre des approches de smart charging. De manière générale nous pouvons observer, que ce soit au niveau d’un site, d’une région ou au niveau national, des courbes de consommation dont le profil typique est celui de la figure 1. Compte tenu des usages moyennés des véhicules, la tendance naturelle aurait pour conséquence d’augmenter la demande d’électricité dans les périodes de pics (figure 2). D’un point de vue théorique, l’idée est donc, dans la me- sure du possible, de décaler les périodes de charge des pics vers les creux. De manière schématique nous pouvons re- présenter l’impact du smart charging de la manière suivante (figure 3). En utilisant des technologies de type V2G (Vehicle to grid), c’est-à-dire en utilisant le potentiel de stockage d’éner- gie électrique diffus des batteries des voitures, nous pouvons envisager d’utiliser une partie des ressources stockées dans les batteries des véhicules connectés à l’infrastructure de charge afin de diminuer les appels de puissances en période de pic de demande. Nous pouvons alors envisager la situa- Figure 2 : Impact naturel du véhicule électrique. Figure 3 : Potentiel d’une approche smart charging. Figure 4 : Potentiel d’une approche smart charging avec V2G. REE N°5/2012 29 Les perspectives du “smart charging” Comment approcher la construction d’une infrastructure intelligente pour la recharge de véhicules électriques à grande échelle ? tion schématiquement représentée par la figure 4, avec le bénéfice supplémentaire de réduire les pics de consomma- tion par rapport à une situation sans véhicule électrique : A partir de ces éléments de base, les enjeux sont d’inté- grer ces problématiques dans les dimensions spatiales et temporelles : - nés à traiter le sujet à un niveau très fin qui sera typique- ment le niveau du point de charge, à un niveau d’agrégation intermédiaire qui peut être un site, un bâtiment un cam- pus… puis enfin à un niveau plus macroscopique comme un quartier, une région ou même le pays ; - vront opérer en intégrant le quasi-temps réel (typiquement la puissance disponible à un instant t par pas de 10 min), le moyen terme qui sera de l’ordre de jour + 1 à quelques jours (vis-à-vis de la corrélation entre la température et la consommation électrique…) puis enfin le plus long terme avec l’intégration des saisons et de l’évolution prévisible des consommations (à cet égard concernant le véhicule élec- trique il est nécessaire d’intégrer l’évolution des volumes et de la consommation induite qui partant de 0 devrait atteindre environ 5 TWh en 2020). Contexte générale français du smart grid Après avoir vu quels étaient les enjeux et le potentiel du smart charging d’un point de vue usage et technique, il nous semble important d’élargir la perspective au contexte plus général du smart grid en abordant la question fondamentale des modèles économiques. Les smart grids tels que nous l’entendons généralement se distinguent des réseaux de transport et de distribution d’électricité actuels sous plusieurs aspects : pour contribuer à l’équilibre production/consommation sur le réseau. Le réseau actuel fait principalement appel à des moyens de production mobilisables rapidement (centrales hydrauliques et centrales flexibles) et à des incitations tari- faires statiques pour assurer l’équilibre offre-demande lors des pointes de consommation ; de la communication pour effacer avec un préavis beaucoup plus court (typiquement de l’ordre de l’heure ou moins) certains consommateurs afin de permettre le passage des pointes. Ils stabilisent le réseau en pilotant en quasi temps réel les consommations de manière à stocker ou déstocker l’électricité en la transformant en stocks physiques ; la perspective du changement climatique, cela permet de minimiser les émissions de CO2 ; pour les opérateurs d’électricité cela permet d’éviter de financer des moyens de production flexibles qui ont des taux d’utilisation faibles ; enfin pour les consommateurs cela offre la possibilité d’un gain potentiel de l’ordre de 10 % sur la facture d’électricité ; moment les consommations et les injections aléatoires des énergies renouvelables qui se développent. Du fait de la variabilité importante des consommations et des injections, une part importante des investissements réseau réalisés est utilisée sur des courtes périodes. Cela entraîne globa- lement une faible rentabilité des capitaux investis dans ces capacités réseau et des coûts marginaux d’utilisation éle- vés, bien supérieurs aux prix de vente des tarifs régulés. Le smart grid permet de limiter dynamiquement la produc- tion d’énergie renouvelable et de piloter en temps réel des consommations qui ont une certaine flexibilité comme le chauffage électrique, les ballons d’eau chaude et le véhi- cule électrique. Si nous résumons ces points, les technologies de smart grid permettent d’optimiser l’utilisation des réseaux de distri- bution et donc d’améliorer la rentabilité des capitaux investis dans les réseaux. Elles génèrent une économie en réduisant les investissements dans ces réseaux qui nécessitent des évolutions et adaptations importantes dans le contexte de la transition énergétique. Cependant force est de constater que bien que disposant d’un environnement favorable et des technologies néces- saires, la France n’a pas particulièrement bien amorcé la tran- sition vers les smart grids. - pole de comptage. Tous les “business model” du smart grid fondent leur équilibre sur la base de données issues du comptage fin (échantillonnage toutes les 10 min typique- Figure 5 : Smart charging les dimensions à intégrer. 30 REE N°1/2013 LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE ment) des courbes de charge. Ces données permettent, en les traitant à travers des algorithmes, d’en tirer des décisions d’ordonnancement des accès à la ressource dont l’usage est de ce fait optimisé. Ce sont donc ces données de comp- tage fin qui à la base permettent de valoriser le pilotage intelligent des charges et donc de construire un modèle économique du smart grid. Il s’agit là d’une condition sine qua none à la mise en œuvre de toute la chaîne écono- mique du smart grid ! télécom n’a pas de valeur métrologique. Le développement des smart grids se trouve dès lors contraint par le déploie- ment sur tout le territoire des nouveaux compteurs Linky (qui utilisent le courant porteur en ligne (CPL) pour com- muniquer)… C’est-à-dire pendant encore de nombreuses années compte tenu des millions de compteurs à changer et des problématiques de financement associées ! les sujets smart grid et Linky qui pourraient se développer de manière séparée et harmonieuse en levant simplement l’obstacle lié au monopole. Il suffirait de donner légalement une valeur métrologique au relevé par voie télécom des don- nées des compteurs actuels disposant d’une sortie TIC, soit la plus grande partie du parc. Cette disposition aurait par ailleurs l’intérêt d’avoir un coût nul pour l’Etat... Le second blocage concerne la valorisation des flexibilités, élément économique clé pour la mise en œuvre des smart grids mais qui est extrêmement rigide en France. La flexi- bilité peut être valorisée essentiellement sur le marché de capacité (effacements de pointe) et sur le marché d’ajuste- ment (équilibre production/consommation). Dans les deux cas le marché est animé par RTE par le biais d’appels d’offres (pour le marché de capacité) et du marché d’ajustement. Ces marchés bien organisés et adaptés au contexte des réseaux actuels, constituent cependant un frein à l’essor des marchés de flexibilité : s’établit à 5 MWh en Allemagne et 100 kWh aux Etats-Unis. Ces facteurs limitent l’accès de ce marché aux grands acteurs et bloque toute possibilité de développer l’ajustement diffus ; - trictives : production ou consommation seule, au sein du même réseau, dans le même périmètre d’équilibre (donc le même fournisseur). Finalement un point de blocage majeur concerne les modalités de financement des équipements intelligents pour opérer ces mécanismes d’optimisation énergétique. Celles-ci ne permettent pas, dans le contexte actuel, de construire des business model rentables. Ces équipements de gestion intelligente de l’énergie ont cependant un potentiel intrinsèque de rentabilité lar- gement suffisant pour en permettre le financement via un mécanisme de partage des économies entre les acteurs : le consommateur, l’opérateur de service qui propose des ser- vices de smart grid et les gestionnaires de réseaux (Distribu- tion et Transport). Mais les modèles actuels avec les tarifs règlementés de vente (TRV) ne permettent pas la mise en œuvre de ces mécanismes de marché. Reprenons le cas du véhicule électrique pour illustrer la problématique. smart charging un client, que ce soit une entreprise ou un consommateur, bénéficie de trois sources d’économie : minimiser les renforcements électriques de sa propre ins- tallation (en aval du compteur électrique), minimiser l’aug- mentation de sa puissance souscrite dans son abonnement auprès de son distributeur, optimiser le coût de sa consom- mation (qui en dehors de réductions concerne principale- ment l’optimisation de la consommation Heure Pleine & Heure Creuse). en termes de variabilité des prix pour que puissent s’affir- mer d’un point de vue économique des systèmes intelli- gents d’optimisation. roule 12 000 km par an avec son véhicule électrique et supposons avec une approche de Pareto qu’un dispositif de gestion intelligente lui permettent de décaler 60 % de sa consommation des heures pleines (HP) vers les heures creuses (HC) (autrement dit lui permette d’avoir un pro- fil de consommation qui passe de 80 % HP/20 % HC à 20 % HP/80 % HC) un rapide calcul montre qu’il génère une économie de 4 par mois sur sa facture d’électricité. Ce montant est trop faible pour offrir à des opérateurs de services la capacité de valoriser leurs services. Le partage des économies à 50 % laisse 2 par mois à un opérateur de services de smart grid pour couvrir : l’amortissement des équipements installés, les coûts d’opération (notamment télécoms) et la marge d’exploitation. - fisance de variabilité des prix qui ne permet pas de générer de signal prix pour les consommateurs. Sur un tarif bleu le différentiel de tarif HP/HC est de 4 centimes par kWh, sur un tarif jaune il s’établit à 2,6 centimes en heures d’hiver et à 1,2 centime en heures d’été… serait nécessaire de pouvoir intégrer dans les prix la variabi- lité des coûts de production et les économies (coût néga- REE N°5/2012 31 Les perspectives du “smart charging” Comment approcher la construction d’une infrastructure intelligente pour la recharge de véhicules électriques à grande échelle ? tifs) liées aux non-besoins de renforcement de capacité de réseaux et aux non-besoins de capacités complémentaires pour servir des pointes. Conclusion A titre de conclusion et de synthèse, comme nous nous sommes attachés à le démontrer dans cet article, le smart charging est une composante d’un ensemble plus vaste qui est le smart grid. Les problématiques, les leviers de gains, les obstacles à lever pour leur développement dans notre pays sont exactement les mêmes. Nous pouvons même aller plus loin, dans la mesure où la mobilité électrique constitue une composante importante de la consommation électrique totale dans une perspective de déploiement à grande échelle et que par ailleurs elle se prête intrinsèquement bien aux mécanismes de smart grid. Elle pourrait être un catalyseur du changement de paradigme vers les smart grids. Nous ne pouvons qu’appeler de nos vœux que les obs- tacles soient levés le plus rapidement possible. Nous avons en France un contexte très favorable par la position de nos groupes leaders mondiaux dans le domaine, notre histoire et notre mix énergétique, la qualité de nos ingénieurs, le poten- tiel de créativité de nos start-up, enfin la volonté politique affichée de mettre en œuvre la transition énergétique. Des défis considérables pour l’accès à une énergie dispo- nible et propre se posent au monde et plus particulièrement dans les grands pays émergents. Nous avons cette opportu- nité de créer en France et en Europe une filière d’excellence sur ces sujets, à chacun de nous de faire en sorte que nous Références [1] J. Rifkin, “The thrid Industrial Revolution: How Lateral Power is Transformoing Energy, Economy and the World” , Palgrave MacMillan 2011. [2] J.-L. Borloo, « Lancement du plan national pour le développement des véhicules électriques et hybrides rechargeables », 1er octobre 2009. [3] COMMISSARIAT GÉNÉRAL AU DÉVELOPPEMENT DU- RABLE (Études & documents) Les véhicules électriques en perspective. Analyse coûts-avantages et demande potentielle (n° 41 mai 2011)- ANNEXE 2 : Les infrastructures de recharge nécessaires aux véhicules d’entreprise [4] L. Chatel & C. Jouano lancent la stratégie nationale de déploiement des infrastructures de recharge pour les véhicules électriques et hybrides rechargeables, 17 février 2009. [5] F. Nicolas, M. Devillers, J. Bodineau, J. Cohen, « Un réseau intelligent pour véhicules électriques Le « smart grid » : une solution face àl’émergence des véhicules électriques », 12 janvier 2011. [6] Junghoon Lee, Hye-Jin Kim, Gyung-Leen Park & Mikyung Kang, “Energy Consumption Scheduler for Demand ResponseSystemsintheSmartGrid”,JournalofInformation Science and Engineering 28, 955-969 (2012). [7] K. Mets, T. Verschueren, W.r Haerick, C. Develder & F. De Turck, “Optimizing Smart Energy Control Strategies for Plug-In Hybrid Electric Vehicle Charging”, IEEE Network Operations & Management Symposium Workshops, NOMS Workshops, 2010. [8] Y. Hermans, B. Le Cun, A. Bui, « Modèle d’optimisation basé sur le Vehicle-to-grid pour limiter l’impact des pics de consommation électrique sur la production », Laboratoire PRiSM, CNRS/UMR-8144, Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines. Pierre Clasquin est le Président et Co-fondateur de G2 mobility, une start-up qui conçoit et développe des sys- tèmes de smart charging pour les véhicules électriques. Il est également administrateur de la société Zenpark. Il est Ingénieur Supélec, MBA IAE Toulouse, Administrateur certi- fié Sciences-po Paris L'AUTEUR