Périphérie du réseau électrique : le point de départ du système énergétique de demain

L'interface entre le réseau électrique et les consommateurs joue un rôle majeur dans la décarbonation de notre approvisionnement en électricité.

Pour relever les défis posés par la transition vers les énergies renouvelables, il faut adopter des approches novatrices, notamment à la périphérie du réseau électrique, qui constitue l'interface avec les consommateurs. Le numérique permet une nouvelle interaction entre production, stockage et consommation d'énergie, au profit de toutes les parties prenantes au système énergétique.

Le marché de l'énergie fonctionne selon le même principe depuis des décennies : de grandes centrales produisent de l'électricité, qui est acheminée vers les consommateurs via un réseau de transport et de distribution. Mais dans le nouveau paysage énergétique, où les sources renouvelables occupent une place croissante, cette logique atteint ses limites. La décarbonation va bien au-delà du « simple » abandon des carburants fossiles : elle passera nécessairement par une transformation profonde de notre modèle énergétique.

 

Cela tient notamment au fait que les énergies renouvelables – l'éolien et le solaire – ne sont pas produites dans des centrales dotées d’une grosse capacité. De plus en plus, elles sont générées de manière décentralisée, dans des millions de centrales de petite taille, voire de très petite taille, situées au cœur de sites industriels, sur les toits des maisons des particuliers ou encore, en zone rurale, dans des fermes. En outre, la production des centrales photovoltaïques et des parcs éoliens est extrêmement variable. Le soleil ne brille pas en permanence avec la même intensité, et le vent ne souffle pas toujours avec la même force. Les centrales classiques fournissent de l'énergie de manière constante, jour et nuit, en hiver comme en été.

Livre blanc : révolution à la périphérie du réseau électrique

Des innovations pour atteindre l'énergie zéro

Ce livre blanc montre comment les innovations à la périphérie du réseau électrique participent à l'une des transitions les plus radicales de l'histoire : le passage d'un modèle énergétique centralisé à un autre, plus décentralisé, local et efficace. Un modèle plus démocratique, sur lequel les individus ont davantage de maîtrise. Un modèle qui répond aux besoins de la population mondiale, tout en protégeant la planète.

Si nous voulons utiliser davantage d'électricité provenant de sources renouvelables, nous avons besoin d'un modèle énergétique plus flexible.
Michael Weinhold, CTO de Siemens Smart Infrastructure

Vers un réseau électrique plus flexible 

Plus la part de l’éolien et du solaire est importante dans le bouquet énergétique, plus la production d’énergie fluctue. À certains moments, on produit plus d'électricité que l'on en consomme. À d'autres, la demande est supérieure à l'offre. « Sur le réseau électrique, la production et la consommation doivent être constamment en adéquation », explique Michael Weinhold, CTO de Siemens Smart Infrastructure. Le principal défi consiste donc à faire coïncider une production de plus en plus variable avec une consommation qui l’est tout autant. « Si nous voulons utiliser davantage d'électricité provenant de sources renouvelables, nous avons besoin d'un modèle énergétique plus flexible. »

 

À l'avenir, il devra donc être possible de couvrir la demande en électricité lorsque les ressources éoliennes et solaires n'y suffiront pas. Pour y parvenir, il faudra des centrales flexibles, capables d'ajuster rapidement leurs capacités. Il pourra aussi être nécessaire de réduire la charge côté consommateur afin d'utiliser moins d'électricité. Enfin, un stockage sur batteries permettra d’assurer la souplesse nécessaire.

 

Cette flexibilité est tout aussi souhaitable dans la situation inverse : si, par une belle après-midi d'été, une centrale photovoltaïque produit davantage d'énergie que nécessaire, ce « surplus » devra être utilisé de la manière la plus pertinente possible.

L'objectif consiste à disposer d'un modèle intelligent, dans lequel le réseau électrique, les producteurs, le stockage et les consommateurs interagissent de manière quasiment autonome.
Michael Weinhold, CTO de Siemens Smart Infrastructure

Pour rendre notre système énergétique plus flexible, l'une des conditions de base consiste à apporter davantage de transparence sur l'état du réseau et les interactions entre les composantes connectées. Il doit être possible, grâce au numérique, de relier et de contrôler les centrales photovoltaïques, les éoliennes et les autres installations de production d'énergie.

 

La même idée s'applique côté consommateurs : plus la consommation d'une usine ou d'un bâtiment intelligent peut être prévue et modulée avec précision, plus le modèle énergétique sera flexible. « L'objectif consiste à disposer d'un système intelligent, dans lequel le réseau électrique, les producteurs, le stockage et les consommateurs interagissent de manière quasiment autonome », résume Michael Weinhold.

Davantage de stockage : une nécessité

Il est évident qu’un tel modèle nécessite des capacités de stockage supplémentaires. Pour stabiliser le réseau, il nous faut des systèmes capables de fournir ou de récupérer beaucoup d'énergie en une fraction de seconde – des batteries, par exemple, et des systèmes de stockage par volant d'inertie. Outre les centrales de pompage-turbinage déjà en exploitation, il faudra des systèmes de stockage à plus long terme.

 

Dans le nouveau paysage énergétique, les solutions de stockage occupent donc une place importante, et pas seulement au niveau du réseau. Les entreprises et les particuliers qui produisent leur propre électricité, que l'on appelle les prosommateurs, en bénéficient également. Quand ils gèrent des installations éoliennes ou solaires, ils rencontrent en effet les mêmes problèmes que les opérateurs de réseaux, mais à moindre échelle. Parfois, leur installation génère trop d'énergie. À d’autres moments, elle ne suffit pas à couvrir leurs besoins. Recourir à un système de stockage leur permet d'utiliser l'électricité indépendamment du moment où elle a été produite. Ils sont ainsi en mesure d'utiliser davantage leur propre énergie – ce qui représente un net avantage économique. Ils profitent également d'une plus grande autonomie et d'une source d'électricité plus résiliente.

La périphérie du réseau électrique est une nouvelle dimension à la confluence des interactions qui s’instaurent entre consommateurs, prosommateurs, marchés de l'énergie et réseaux intelligents.
Michael Weinhold, CTO de Siemens Smart Infrastructure

La recherche de nouveaux moyens de stocker et d'exploiter au mieux l'énergie électrique explore désormais de nouveaux horizons, au-delà du secteur électrique. Ainsi, le couplage sectoriel permet d’intégrer les réseaux d’électricité, de gaz ou encore de chaleur. Grâce à des solutions de conversion de l'électricité en un autre vecteur énergétique, technologie appelée le « Power-to-X », le surplus d’électricité est transformé en chaleur ou en gaz, qui sont dès lors utilisés directement (par exemple, à des fins de chauffage) ou stockés pour une utilisation ultérieure. L’énergie stockée sera reconvertie en puissance électrique pour satisfaire la demande. Avec le développement de l'électromobilité, on commence également à s’intéresser de près au couplage des secteurs de l'énergie et des transports.

Nouvelles approches technologiques à la périphérie du réseau électrique

Les réseaux intelligents, les systèmes de stockage et les prosommateurs ouvrent de nouvelles pistes pour développer la flexibilité et la fiabilité de notre système énergétique. Pour les fournisseurs d'énergie et les opérateurs de réseaux, mais aussi pour les entreprises et les particuliers, ce sont autant d'opportunités inédites de prendre une part active dans de nouveaux modèles d’activité.

 

Nombre de ces possibilités voient le jour à l’interface entre le réseau, d’une part, et les prosommateurs et des consommateurs, d’autre part. Cette interface est appelée la « périphérie » du réseau, ou grid edge. Michael Weinhold résume ainsi ce concept : « La périphérie du réseau électrique est une nouvelle dimension à la confluence des interactions qui s’instaurent entre consommateurs, prosommateurs, marchés de l'énergie et réseaux intelligents ».

 

C'est là que les relations entre la consommation, la production et le stockage de l'énergie se redessinent. Avec l’émergence du numérique, les flux énergétiques sont de plus en plus transparents, et les interactions complexes entre production et consommations se gèrent plus facilement.

 

Toutes les solutions à la périphérie du réseau électrique partagent une caractéristique : elles couvrent différentes applications. Les technologies se combinent de manière modulaire, en fonction des besoins. La suite de cet article en présente quelques-unes.

Gestion de la charge

La gestion intelligente de la charge (maîtrise de la demande d’énergie – Demand Side Management) donne aux opérateurs de réseaux la possibilité d'influer directement sur la consommation électrique lorsque la demande est trop élevée, trop faible, ou bien en cas de goulets d'étranglement. À cet égard, les systèmes de chauffage ou de refroidissement, entre autres, sont des outils idéaux. Leur profil de charge peut être légèrement ajusté sans conséquences importantes. 

Centrales virtuelles

Le concept de centrales virtuelles consiste à combiner plusieurs unités décentralisées pour gagner en flexibilité et permettre à tous les acteurs de vendre l'énergie qu'ils produisent. Il est possible de raccorder différents sites de production (centrales au biogaz, éoliennes, installations photovoltaïques, centrales hydroélectriques, etc.), mais aussi les consommateurs, les systèmes de stockage de l'énergie et les installations de conversion Power-to-X. En théorie, ce concept permet à tous les acteurs du marché énergétique produisant, stockant ou consommant de manière décentralisée d’être intégrés à une seule et même centrale virtuelle. Dans la pratique, les réglementations locales posent des limites à cette approche globale.

 

Microréseaux électriques

Les microréseaux sont des réseaux électriques intelligents autonomes capables d’acheminer l’électricité produite localement par des unités diffuses. Ces microréseaux, communément appelés microgrids, peuvent être utilisés à différentes fins. Ils peuvent fonctionner en mode îloté et couvrir leurs propres besoins en permanence. Ils assurent alors l’approvisionnement de zones isolées, qui ne sont pas raccordées au réseau général. Mais les microréseaux peuvent aussi être raccordés au réseau général pour absorber les pics de charge.

 

« Selon nous, le réseau intelligent du futur aura une structure cellulaire au sein de laquelle des microréseaux seront amenés à jouer un rôle important, notamment pour équilibrer production et consommation d’électricité », explique Michael Weinhold. Les microréseaux contribuent ainsi à renforcer la sécurité d’approvisionnement en électricité à l’échelle locale et, associés à des solutions de stockage, contribuent à stabiliser le réseau.

Électromobilité 

Le nombre de véhicules électriques ne cesse d'augmenter. C’est un véritable défi pour les réseaux électriques, dans la mesure où la mise en charge simultanée de nombreux véhicules pourra occasionner des pics de demande considérables. Dans le même temps, l'électromobilité offre de formidables opportunités. Chargées intelligemment, les voitures électriques deviennent des consommatrices flexibles, et donc des candidates idéales pour gérer la charge du réseau. Elles peuvent ainsi réduire les frais d'expansion de l'infrastructure. À l'avenir, les accumulateurs des véhicules électriques pourraient bien servir de sources d'électricité lorsqu'un rééquilibrage devra être opéré sur le réseau. Cependant, la technologie nécessaire (Vehicle-to-Grid) en est encore aux premiers stades de développement.

De nouvelles opportunités pour tous les acteurs

Les modèles intelligents, capables de coordonner la production, le stockage et la consommation d'énergie, créent de nouvelles opportunités pour toutes les parties prenantes au système énergétique. Ils permettent aux prosommateurs comme aux consommateurs d'améliorer l'efficacité énergétique de leurs bâtiments et de leurs sites industriels, et d'optimiser leur utilisation de l'énergie produite sur place. Grâce aux concepts de gestion de la charge ou de centrale virtuelle, ils deviennent pleinement acteurs des marchés de l'énergie. En outre, ils contribuent à bâtir le réseau électrique de demain : intelligent, flexible, économe et fiable. L’avenir du système énergétique se profile déjà, à la périphérie du réseau.

15/06/2020

Crédits photo : Siemens AG