Le projet Nice Grid: l’intelligence des réseaux dessine la ville de demain

Selon l’Agence Internationale de l’Energie, la demande d’électricité dans le monde devrait progresser de 50 à 70 % d’ici à 2030, soit une croissance moyenne d’environ 2,2 % par an. Avec un taux de croissance de 3,2 %, les émissions de CO₂connaissent une accélération supérieure à celle de la demande énergétique. Quant aux énergies renouvelables, elles devraient représenter en moyenne 25 % du mix énergétique, d’ici à 2050 et 34 % pour l’Europe selon les données de l’European Roadmap 2050.

L’augmentation de la demande d’électricité impose de trouver des moyens innovants pour garantir la stabilité et la fiabilité de l’alimentation, tout en assurant un mix énergétique plus propre et plus durable, à des prix abordables. Un nombre croissant d’opérateurs se tournent, dès lors, vers les technologies de réseaux intelligents – les smart grids – pour interconnecter les ressources et optimiser la performance de leurs réseaux.

Ce sont ces smart grids qui permettent aujourd’hui de repenser le développement urbain et de favoriser l’émergence d’un nouveau concept de villes éco-responsables: les smart cities. En France, le projet Nice Grid, premier démonstrateur européen de quartier solaire intelligent, dont Alstom est partenaire, préfigure un nouveau modèle urbain fondé sur l’accroissement des énergies renouvelables et la responsabilisation du consommateur.

À l’horizon 2030 La demande d’électricité devrait augmenter de 50 à 70 %. 80 % de cette croissance se situe en dehors de l’OCDE, dont 38 % en Chine et 13 % en Inde Source: Organisation mondiale de la santé   La consommation d’électricité suit le rythme de la croissance économique mondiale. L’Europe ambitionne, d’ici 2020, de réduire de 20 % ses émissions de gaz à effet de serre, en augmentant de 20 % la part des énergies renouvelables et en améliorant de 20 % son efficacité énergétique. Source: Commission européenne

 

Le marché des smart grids: les raisons du décollage

Les smart grids ou réseaux intelligents sont nés de l’association entre les réseaux de transport et de distribution de l’énergie et les technologies de l’information. En unissant l’infrastructure électrique à l’intelligence numérique, ils permettent d’optimiser en temps réel la production et la distribution d’électricité en fonction de la consommation. Alstom estime à 50 milliards d’euros le marché du smart grid à l’horizon 2020, contre 30 milliards aujourd’hui. Trois facteurs d’accélération expliquent ce niveau de croissance à deux chiffres.

La nécessité d’optimiser le niveau des investissements pour accompagner la croissance exponentielle de la demande d’électricité est sans doute le premier levier du marché. Les capacités des moyens de production et des réseaux des grands opérateurs sont aujourd’hui dimensionnées sur les niveaux maximum de consommation et non sur la demande réelle à l’instant T. Or, en intégrant une gestion intelligente et anticipée des niveaux de consommation, les smart grids permettent d’ajuster les infrastructures non plus sur les pics, mais sur des niveaux de consommation moyens, entrainant une réduction de la facture des investissements de 20 % environ.

 

Maîtriser les pics de consommation et les «blackouts»

La maîtriser des pics de consommation et des «blackouts» est le deuxième enjeu majeur. Un tel niveau de demande entraîne une contrainte permanente sur les réseaux électriques, augmentant de facto l’instabilité et l’impact des pannes, particulièrement critiques pour des secteurs comme le trafic aérien ou les services hospitaliers. Grâce aux smart grids, il est désormais possible de surveiller en temps réel l’état du réseau des centrales de production jusqu’au niveau du consommateur, ainsi que les flux d’énergie de manière à agir très vite et avec précision en cas d’incident.

Plusieurs mesures permettent de maîtriser le niveau de consommation, notamment la stratégie dite de «l’effacement», qui consiste à réduire de façon ciblée et temporaire la consommation de clients sur une zone à risque. Cette gestion de l’équilibre du réseau s’appuie sur une communication en temps réel entre consommateurs, compagnies de distribution, agrégateurs de charge et gestionnaires des réseaux de transport de l’électricité.

 

L’intégration croissante des énergies renouvelables

Enfin, l’intégration croissante des énergies renouvelables comme l’éolien ou le photovoltaïque entraîne une dissémination accrue des lieux de production, à laquelle s’ajoute le caractère aléatoire de la production liée à ces sources d’énergie. Par opposition aux centrales thermiques et nucléaires, les apports en énergies renouvelables dans le réseau peuvent, en effet, varier dans de fortes proportions, en fonction des aléas climatiques; ils ne garantissent pas un taux de disponibilité, si bien que leur part croissante dans le mix énergétique est un facteur d’instabilité.

Les solutions smart grids permettent d’anticiper cette intermittence, afin d’optimiser plus finement l’équilibrage du réseau en temps réel et de façon transparente, en intégrant la production d’électricité issue des énergies renouvelables, la production thermique et les ressources issues de stratégies d’effacement. Ainsi, grâce à la salle de contrôle fournie par Alstom, Energinet.dk au Danemark peut injecter dans son réseau plus de 30 % d’énergie issue de 5000 parcs éoliens, analyser les prévisions de vent et ajuster, pendant l’exploitation quotidienne, la production thermique d’énergie en fonction de l’apport éolien supplémentaire. La même application a été fournie en France à RTE pour gérer toutes les sources d’énergies renouvelables connectées au réseau français.

 

L’intelligence système, nerf de la guerre de la performance des réseaux

Un smart grid est un ensemble d’équipements matériels et logiciels qui communiquent entre eux grâce aux technologies de l’information et de la communication. Cet ensemble est supervisé par une salle de contrôle. L’architecture de ces réseaux intelligents est composée schématiquement de trois niveaux:

 

Un système de communication pour gérer les données numériques

Le nouveau paysage énergétique qui se dessine se caractérise par une multiplication des sources de production et la nécessité d’interconnecter les consommateurs pour mieux connaître leurs usages. Piloter des réseaux sur lesquels plusieurs centaines de milliers de producteurs-consommateurs injectent de l’électricité exige, dès lors, de déployer de nouvelles générations de capteurs intelligents, ainsi que des réseaux de communication interconnectés ultra performants. Cela conduit à une explosion de la quantité de données numériques à intégrer dans les centres de contrôle: données des compteurs intelligents, production des sources d’énergie, données météorologiques, etc. Les systèmes d’information doivent donc être dimensionnés pour gérer un volume d’informations qui pourrait être multiplié par 10’000 d’ici 2020.

Le Projet Démonstrateur Smart Grid Pacific Northwest, en cours de test aux Etats-Unis depuis février 2010 et dont Alstom est partenaire, est au cœur de cette problématique. L’objectif est de mettre en place un système de communication bi-directionnel intégré dans la salle de contrôle, pour visualiser la quantité d’énergie éolienne disponible et en établir le niveau de tarification en temps réel. Il s’agit également de tester la plate-forme logicielle de surveillance des flux de transmission sur cinq Etats (Idaho, Oregon, Montana, Washington et Wyoming), à destination de 60’000 consommateurs. Les données de transport, de distribution et de consommation recueillies seront ensuite utilisées pour améliorer la performance des infrastructures et envisager de nouveaux modes de pilotage de la consommation par le prix.

 

Réseau ouvert et interopérabilité

Un smart grid est, par définition, un réseau communicant ouvert. Se pose dès lors la question de la compatibilité matérielle et logicielle et de la standardisation des données, conditions nécessaires pour fluidifier les milliards d’informations échangées et interconnecter les systèmes entre les différents acteurs à l’échelle d’un pays ou d’un continent. Des efforts importants sont aujourd’hui déployés en Europe et aux Etats-Unis pour garantir l’interopérabilité des équipements.

Alstom participe aux travaux de développement des normes CEI 61850 applicables aux postes électriques et des normes CIM applicables aux centres de contrôle. Cette normalisation vise à garantir la pérennité des technologies développées pour toutes les parties prenantes. La plate-forme de gestion du réseau e-terra d’Alstom a la capacité d’analyser 7500 situations imprévues sur 40’000 nœuds (connexions) en 100 secondes et de gérer plus de 4 millions de clients.

 

L’exploitation des données

La problématique du traitement des données est corrélée à celle de l’interface homme-machine. Une fois les données collectées, il faut être en mesure de les rendre immédiatement interprétables et utilisables par les opérateurs comme outil d’aide à la décision avec le mode opératoire associé. Les technologies informatiques des salles de contrôle sont aujourd’hui configurées dans ce sens. Ces plates-formes de pilotage couvrent l’ensemble des domaines critiques du réseau électrique, comme l’analyse des segments congestionnés, la stabilité dynamique, l’anticipation d’événements imprévus, l’estimation instantanée du niveau d’injection des énergies renouvelables et leurs prévisions ou encore la gestion des coupures.

L’opérateur est ainsi en mesure d’intégrer, en temps réel, dans ses processus de décision, l’ensemble des informations spécifiques sur le flux (qualité, mesures, oscillations, comptage, etc.) circulant sur l’ensemble des lignes, postes et équipements. Il peut ainsi optimiser la qualité et la quantité d’électricité sur le réseau.

 

Du smart grid à la smart city

L’intelligence du réseau électrique permet aujourd’hui de répondre aux nouveaux enjeux des villes intelligentes (smart cities) et de les faire passer du stade de concept à celui de réalité.

Les villes n’occupent aujourd’hui que 2 % de la surface du globe et pourtant, elles abritent 50 % de la population mondiale, consomment 75 % de l’énergie produite et sont à l’origine de 80 % des émissions de CO₂. C’est donc là que se jouent la transition énergétique et la lutte contre le réchauffement climatique.

Le modèle des villes intelligentes repose sur le principe de la ville numérique et connectée. Cette interconnection entre les consommateurs, la ville et le réseau électrique est à l’origine de nouveaux services permettant aux utilisateurs de mieux gérer leur consommation. Les opérateurs peuvent ainsi gérer de façon optimale toutes les ressources énergétiques et contribuer à la réduction des émissions de CO₂. Aujourd’hui Alstom est impliqué dans plus de 30 projets démonstrateurs majeurs de smart cities dans le monde. Il y teste les fonctionnalités et les diverses combinaisons de solutions technologiques innovantes.

 

L’exemple d’un quartier solaire intelligent

Le département des Alpes Maritimes est situé à l’extrémité du réseau de transport, ce qui constitue une fragilité structurelle dans son alimentation électrique. Il dispose, par ailleurs, d’importants gisements d’énergie renouvelable, notamment solaire. L’architecture du réseau électrique de distribution doit donc être adaptée pour envisager l’arrivée massive de production d’énergie renouvelable, intermittente et décentralisée sur ses lignes, ainsi qu’à plus long terme, le développement planifié de la charge des véhicules électriques dans le projet Nice Grid.

Piloté par ERDF1, Nice Grid est aujourd’hui le premier démonstrateur européen de quartier solaire intelligent. Il fait partie, à ce titre, du programme Grid4EU destiné à tester pendant quatre ans des solutions innovantes de gestion de l’électricité. Pour Nice Métropole, c’est une première étape pour s’inscrire dans le cercle des premières villes connectées du XXI^e siècle et réaliser son ambition de devenir l’un des leaders mondiaux des projets numériques appliqués aux territoires.

La commune de Carros, en banlieue de Nice, a été choisie comme zone d’expérimentation, parce qu’elle réunit plusieurs facteurs critiques: sa position en bout du réseau électrique, qui l’expose au risque de coupures, son taux d’ensoleillement important et son large spectre de consommation avec une zone industrielle importante, des quartiers résidentiels et de l’habitat collectif.

A Carros, plusieurs centaines de clients, particuliers et entreprises, participent aux expérimentations d’EDF. Dotés d’équipements permettant l’effacement volontaire de certains usages électriques, ces nouveaux «consomm’acteurs» mettent en œuvre une maîtrise de l’énergie en période de pointe, en suivant les recommandations de l’opérateur. Par ailleurs, une zone dite «d’îlotage», disposant d’une génération photovoltaïque autonome et de moyens propres de stockage peut, pour une durée limitée, être déconnectée du réseau principal. Cet îlot assure alors lui-même la continuité du service en maintenant la tension et la fréquence des flux énergétiques sur les lignes.

Carros dispose d’une puissance installée de 2,5 MWc. L’intégration et la gestion des 600 kWc des 7 quartiers solaires du projet Nice Grid constitue une première mondiale. Le dispositif mis en place par l’ensemble des partenaires du consortium Nice Grid2 repose sur trois piliers pour optimiser l’équilibre consommation/production du quartier:

 

Alstom Grid apporte la plate-forme intelligente de pilotage qui permet à l’administrateur de réseaux de gérer et d’optimiser en temps réel l’ensemble des ressources énergétiques locales des quartiers solaires, grâce à différents types de flexibilité qui seront comparés et interclassés. Ce gestionnaire d’énergie observe les informations liées aux conditions d’opération du réseau (prévision solaire, prévision de consommation, contraintes techniques sur le réseau électrique de distribution) et assure un pilotage global par arbitrage économique d’activation de ces flexibilités, sur la base de la proposition d’agrégation des effacements des clients opérée par EDF. Cette plate-forme smart grid permet également de minimiser les congestions du réseau local en période de pic de consommation électrique.

 

Alstom a également fourni sa nouvelle solution de conversion d’énergie MaxSineTM eStorage, destinée aux applications de stockage d’énergie. Cet équipement est le principal élément qui permet de connecter les batteries au réseau électrique haute et moyenne tension, en contrôlant l’énergie stockée. En coordination avec la plate-forme smart grid, il pilote la charge ou la décharge de ces batteries en fonction du besoin du réseau électrique, limitant ainsi l’apport d’énergie provenant de l’opérateur RTE.

MaxSineTM eStorage est installé avec un convertisseur de puissance et un logiciel de contrôle des équipements de stockage. La solution répond rapidement aux conditions météorologiques et à la demande des consommateurs, afin d’équilibrer l’énergie sur le réseau. C’est également une avancée considérable d’un point de vue de l’intégration des énergies renouvelables. Le stockage apparaît désormais comme une solution probante en matière de gestion de la distribution d’électricité et d’équilibrage du réseau. MaxSineTM eStorage est connecté à une batterie d’une capacité de stockage de 1 MW.

 

Vers un nouveau modèle économique de l’électricité

Avec le smart grid et les smart cities se dessine un nouveau modèle économique, passant d’un système unidirectionnel centralisé où l’équilibrage du réseau est fait au travers des gros moyens de production, à un système ouvert interconnecté, dont l’équilibrage nécessite l’interaction avec de nouvelles ressources énergétiques distribuées (capacité d’effacement, stockage).

Les réseaux traditionnels ont été conçus pour conduire l’électricité dans un seul sens depuis les centrales de production (nucléaire, charbon, gaz) vers les consommateurs. Les réseaux intelligents permettent désormais la circulation dans les deux sens et donc l’injection des énergies renouvelables dans le réseau à partir d’une multitude de nouvelles sources de production locales décentralisées (habitat collectif, habitat résidentiel, industries, transports, etc.).

Dans ce nouveau schéma décloisonné, qui va s’accélérer avec l’extension de la déréglementation, aux marchés de détail, le «consomm’acteur» d’électricité occupe une place centrale et devient un acteur à part entière du système. Il concentre sa consommation au moment où l’énergie est abondante, la réduit en période de grand froid, en stockant sa propre production d’énergie renouvelable pour la consommer ultérieurement. Cette révolution est rendue possible grâce la nouvelle puissance des technologies de l’information et de la communication. C’est l’augmentation permanente des capacités de stockage et de traitement des données en temps réel ou en mode prédictif qui permet d’amorcer ce nouveau modèle énergétique plus efficient.