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L’Internet des Objets, au cœur du « Smart grid »

Le nom « Internet des Objets » (« Internet of Things » ou simplement IoT en anglais) fait partie de ces expressions à la mode qui, par conséquent, en deviennent un peu suspectes. L’expression désigne en fait la place de plus en plus grande que prennent les automatismes distribués à base de capteurs, senseurs, actionneurs communicants (par exemple le téléphone, la voiture, l’alarme, le ballon d’eau chaude…) dans presque tous les secteurs de l’économie. On parle habituellement d’applications « Machine to Machine » (machine to machine ou M2M en anglais). Etant donné que de plus en plus d’automatismes, mis en œuvre par des acteurs très différents, sont amenés à interagir entre eux, il est tentant de désigner ce phénomène par son aboutissement ultime, celui où tout système automatisé peut optimiser son fonctionnement en communiquant en temps réel avec la totalité de son environnement : l’Internet des Objets. Les Japonais parlent aussi de « Smart communities ».

Pourquoi l’Internet des Objets est-il une technologie clef pour le Smart grid ?

Le secteur de l’électricité vit actuellement une grande mutation technologique que l’on peut résumer ainsi : d’un monde où la consommation est prédictible et où la production se planifie, nous passons progressivement dans un monde où la production est difficilement prévisible (en raison des énergies renouvelables intermittentes, il est devenu impossible de l’anticiper) et la consommation peut se planifier. Les progrès des technologies de l’information permettent en effet de rendre visible le coût instantané de l’électricité aux consommateurs industriels et aux gestionnaires d’énergie, responsables de grands ensembles immobiliers, et donc d’adapter la consommation à la production.

Ainsi, les technologies de l’Internet des Objets permettront de faciliter l’échange d’informations entre les besoins du réseau, le niveau des prix de l’électricité et le niveau de la consommation. Ces échanges permettront d’équilibrer le réseau avec plus d’efficacité par la connaissance des éléments calculés en temps réel comme les capacités d’effacement. En effet, les possibilités d’ajustement de consommation devront également être évaluées puis déclarées en temps réel aux responsables d’équilibre des réseaux de transport et de distribution, le marché prenant alors la forme d’un marché d’options sur le mode de fonctionnement du mécanisme d’ajustement actuel.

Ces nouvelles possibilités de contrôle en tout point du réseau à grande échelle viendront par ailleurs alimenter une autre révolution - à venir celle-là - qui est celle des réseaux de distribution. Alors que ces derniers ont été dimensionnés pour répondre à tout moment aux demandes de consommation et de production, les installations de production d’énergies renouvelables se multiplient et rendent plus incertain l’apport d’énergie dans le réseau. Le modèle d’équilibrage par le foisonnement des réseaux de distribution est donc remis en cause. En effet, les acteurs sont amenés naturellement, par le marché, à avoir des comportements identiques au même moment. Pour caricaturer un peu, une rafale de vent en Allemagne qui fait chuter les prix instantanés de l’énergie amènera demain un nombre important de consommateurs à se ruer sur cette occasion pour consommer plus. Le dimensionnement du réseau deviendra donc de plus en plus coûteux au fur et à mesure, d’une part, du développement des énergies renouvelables et, d’autre part, du comportement synchronisé des consommateurs en fonction de l’état du marché.

De nouveau, la solution passera probablement par les technologies de l’Internet des Objets : il faudra soumettre certains producteurs, et tout particulièrement les producteurs d’énergie intermittente, et certaines charges, notamment celles engendrées par les véhicules électriques, à un contrôle d’admission. Cela signifie que le réseau de distribution se réservera le droit, quelques heures par an, de ne pas autoriser certaines injections ou certains soutirages. En permettant d’éliminer les évènements statistiquement improbables mais possibles, cela permet de préserver un dimensionnement « raisonnable » du réseau, et donc de générer une économie pour le système supérieure au coût engendré (manque à gagner des injections refusées, inconfort des soutirages refusés). On pourrait ainsi imaginer à l’avenir que ces économies soient partagées, c’est-à-dire que le coût des accès au réseau soumis à contrôle d’admission soit inférieur au coût des accès restant en admissibilité totale.

Les développements technologiques de l’Internet des Objets

Au cœur des évolutions technologiques de nombreux secteurs, les technologies de l’Internet des Objets progressent rapidement. Nous parlerons ici de trois développements principaux, depuis la couche physique jusqu’aux aspects systèmes :
  • l’amélioration des technologies radio pour les automatismes ;
  • l’arrivée de l’IP sur les bus terrain (système de communication entre plusieurs ensembles communicants tels que des capteurs, des microcontrôleurs ou encore des actionneurs) et les applications bas débit/basse consommation ;
  • la normalisation des aspects systèmes du M2M.

L’amélioration des technologies radio

La communication entre automates a longtemps été l’apanage des technologies filaires. Cependant, pour de nombreux usages émergents, les technologies radio possèdent des avantages importants : réduction des coûts et des délais d’installation, mise en place sur le parc immobilier existant, flexibilité. Toutefois, l’industrie restait tenaillée entre la nécessité de fabriquer des produits utilisables dans le monde entier - la seule bande libre mondialement étant la bande du 2,4 GHz - et la faible performance relative de ces mêmes bandes de fréquence dans les bâtiments européens en béton. De plus, le niveau technologique des normes les plus acceptées, notamment IEEE 802.15.4-2003, était devenu significativement inférieur à celui des solutions propriétaires.

L’impulsion donnée par la recherche de meilleures solutions pour le Smart grid aux États-Unis a ouvert de nouvelles perspectives. Les normes 802.15.4g et 802.15.4e, notamment, représentent des progrès très importants :

  • de nombreux canaux nouveaux sont ouverts dans les bandes de fréquence dites « sub-GHz », qui pénètrent mieux les bâtiments pour une même énergie consommée. Les modulations définies couvrent l’ensemble des pays, permettant de concevoir des composants radio à la fois universels et adaptés à chaque besoin national ;
  • des modes de transmission à saut de fréquence sont définis, permettant la coexistence de nombreux systèmes en déploiement très dense sans complexifier la configuration, et tout en augmentant fortement la robustesse des transmissions ;
  • des modes de transmission fortement synchronisés sont spécifiés, permettant de combiner de très faibles consommations et de faibles latences de transmission sur des liens bidirectionnels.

Ces progrès laissent entrevoir un très fort développement des technologies radio normalisées pour toutes les applications des bus terrain (confort, énergie, ou sécurité par exemple) dans les années à venir.

L’arrivée d’IP sur les bus terrain

Il y a encore 20 ans, le choix de la technologie de réseau local d’un bâtiment était véritablement cornélien : Ethernet, Token-Ring, NetWare, etc., où la technologie physique et la couche réseau étaient interdépendantes. En quelques années, la mise en place de la couche IP, qui isole totalement la couche réseau de la couche physique, a fait oublier ces difficultés.

De même, aujourd’hui, les architectes doivent jongler entre les bus terrain KNX, LON, Modbus et autres Dali, et l’ensemble des passerelles entre ces divers univers. Le problème est que le domaine du bus terrain, fortement contraint par les coûts et les débits disponibles, restait inaccessible à l’IP. Cependant, après des années de travail, l’Internet Engineering Task Force (IETF qui produit la plupart des nouvelles normes d’Internet) a réussi un tour de force : faire passer de l’IPv6 – c’est-à-dire la version la plus évoluée et la plus consommatrice en ressources des différentes versions du protocole IP - sur les réseaux à très bas débit. En complément, la solution est également étudiée pour fonctionner sur les réseaux dont la performance en transmission est faible et aléatoire, comme les liens radio ou les liens CPL bas débit. L’IETF désigne ces difficultés sous le nom de « Lossy and Low Power networks » (LLNs), et la version d’IP véritablement tout terrain « 6loWPAN ».

La solution technologique permettant d’envisager une totale indépendance entre les couches physiques de bus terrain et leur couche réseau et donc, de passer en toute transparence d’un lien filaire à un lien radio ou CPL selon l’optimum de chaque cas, est donc prête.

La version d’IP « 6LoWPAN » va se développer dans les années à venir, et concomitamment la quasi-totalité des bus terrain évolueront vers l’IP. Cette évolution permettra aux automatismes d’univers différents de fonctionner ensemble et d’interagir simplement, alors qu’aujourd’hui, il est complexe et coûteux de faire communiquer les équipements venant de bus terrain différents qui sont autant de silos, car ils ne peuvent pas directement communiquer entre eux.

La normalisation des aspects systèmes du M2M

On désigne par « norme système » un ensemble de spécifications décrivant les interactions entre les équipements de tous les acteurs d’un écosystème technologique donné. Par exemple, le GSM est une norme système décrivant les relations entre les équipements des acteurs de l’écosystème des communications mobiles 2G : téléphones, antennes, opérateurs de réseaux, messageries SMS, etc.

Pour comprendre la nécessité de telles normes, prenons l’exemple d’un détecteur de mouvement à infrarouge, installé dans un salon. Ce même détecteur peut servir à des applications verticales très différentes : sécurité, maintien à domicile (chemin lumineux), climatisation (changement des points de consigne en cas d’absence prolongée). L’utilisateur ne souhaite pas nécessairement avoir dans son salon trois détecteurs de mouvement, trois réseaux domiciliaires, ou trois « box ». De même, pour des raisons d’économie, la ville de demain, aura sûrement intérêt à mettre en place un réseau unique de communication bas débit pour l’eau, le gaz, la maintenance des feux de signalisation, les mesures de trafic et de pollution, etc.

Il faut donc organiser la manière dont les acteurs de l’Internet des Objets pourront partager les ressources que sont les capteurs, les réseaux, et parfois les automates (les « box »), en toute sécurité et pour des déploiements très importants. Le géant des réseaux Cisco évoque plus de 50 milliards d’objets connectés en 2020.

En Europe et dans le monde, l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) conçoit de telles normes de niveau système. Il a notamment élaboré les normes GSM et 3G. En 2009, l’ETSI a lancé un nouveau « technical committee » pour élaborer une norme système pour le « machine to machine », sous le nom de TC M2M. La première version de cette norme vient de sortir, et elle permet déjà :

  • d’uniformiser la manière dont les applications de l’Internet des objets peuvent utiliser les ressources d’automates locaux, à travers le réseau ou localement ;
  • d’organiser la sécurité du réseau et l’étanchéité entre applications ;
  • d’offrir aux applications des ressources de stockage réseau bien définies, qu’elles peuvent utiliser aussi bien pour transmettre des informations (un capteur à piles qui s’allume, envoie ses informations et se remet en veille) que pour en recevoir (être notifié automatiquement lorsqu’un élément d’information est mis à jour).

Dans l’univers de l’énergie, il faut penser ETSI M2M dès qu’il y a un lien de données bidirectionnel entre deux objets ou applications. Par exemple en télé-relève, ETSI M2M complète utilement DLMS/COSEM (utilisé par les compteurs intelligents pour faire les relèves de courbes de charge) entre les concentrateurs et les applications de collecte. Au-delà du côté strictement technologique, la mutualisation des ressources permet de résoudre les impasses économiques de certaines applications verticales : telle application de télé-relève d’eau ou de gaz impossible à financer en silo devient évidente sur un réseau de collecte radio partagé. On pense aussi à l’équation économique des futures « energy box ».

Vers quels déploiements ?

Il semble encore très hasardeux aujourd’hui de dire quel acteur portera quel sous-ensemble technologique des futurs écosystèmes du Smart grid et de l’Internet des Objets. Cependant, l’évolution de la technologie pousse clairement dans le sens d’une disparition des silos et d’une certaine convergence. Dans ce contexte, on peut penser que la recherche de l’optimum économique poussera l’ensemble des acteurs à se spécialiser chacun dans leur domaine d’excellence et à collaborer pour construire le réseau électrique de demain.



Cette fiche a été rédigée par Actility.




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