Introduction aux smart grids

Les Smarts Grids

Un module pédagogique développé par la commission de régulation de l'énergie

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Maison connectée

Hydrogène

L’hydrogène est un vecteur énergétique : l’électricité produite par les EnR est transformée en hydrogène par électrolyse de l’eau. L’hydrogène obtenu peut ensuite être :

  • stocké puis réutilisé pour produire de l’électricité via, par exemple, une pile à combustible ou directement dans un moteur de véhicule à hydrogène ou, à plus grande échelle, pour alimenter des bâtiments en électricité ;
  • injecté dans les réseaux de gaz naturel qui sont dotés d’importantes capacités de stockage ;
  • transformé en méthane après réaction avec du dioxyde carbone (CO 2 ) puis injecté dans les réseaux de gaz naturel, et de l’eau, qui est injecté dans les réseaux de chaleur.

Le procédé visant à transformer la production d’électricité excédentaire en gaz pour pouvoir la stocker et diversifier ses usages s’appelle le « Power-to-gas ».

Évolution du mix énergétique

La production d’électricité était principalement assurée par des moyens dits « conventionnels », telles que les centrales thermiques (nucléaires, gaz, fioul ou charbon) qui utilisaient des matières fossiles ou les centrales hydrauliques.

La transition énergétique encourage le recours à de nouvelles sources d’énergie renouvelables et décarbonées (soleil, vent, biomasse) pour produire de l’électricité.

L’objectif européen impose une part croissante de production renouvelable dans le mix énergétique : 20 % d’EnR dans la consommation énergétique finale de l’UE à l’horizon 2020.

Issu de la dégradation de matières organiques (effluents d’élevage, résidus de l’activité agricole, déchets organiques des ménages, etc.) en l’absence d’oxygène, le biométhane est un gaz renouvelable : il s’agit de biogaz épuré et enrichi en méthane. Il peut être injecté dans le réseau de gaz naturel et utilisé :

  • soit pour des usages semblables à ceux du gaz naturel (production d’eau chaude, de chaleur ou de froid, cuisson, chauffage, etc.);
  • soit sous forme de carburant, dit bio-GNV (Gaz naturel pour véhicules) pour alimenter des véhicules fonctionnant au gaz naturel.

Stockage d’électricité

L’électricité ne peut pas être stockée comme telle : il faut la transformer en d’autres formes d’énergies intermédiaires et stockables.

Le stockage constitue une solution à l’intermittence des EnR, car il apporte de la flexibilité au système électrique sur lequel doit être maintenu à tout moment l’équilibre entre la consommation et la production.

Parmi les solutions de stockage les plus utilisées, figurent :

  • les STEP (Station de transfert d’énergie par pompage) : un système de pompage permet de remonter l’eau stockée dans le bassin inférieur vers le bassin supérieur pour l’y stocker lorsque la demande d’électricité est faible. Lors des pics de consommation, le réservoir supérieur se vide et la STEP fonctionne comme une centrale hydroélectrique ;
  • les Batteries au Lithium-Ion : ce dispositif de stockage électrochimique équipe aujourd’hui la plupart des véhicules électriques ;
  • l’hydrogène : l’électricité est transformée en hydrogène par électrolyse de l’eau pendant les périodes de faibles consommation d’électricité.

Insertion des EnR

De nombreuses installations de production d’électricité de source renouvelable (EnR) sont raccordées aux réseaux de distribution d’électricité. Leur multiplication aura des impacts sur le dimensionnement des réseaux électriques.

La production décentralisée issue d’EnR est majoritairement intermittente et très difficilement pilotable. Son injection dans les réseaux implique donc une évolution de leur fonctionnement : jusque-là conçus pour acheminer dans un seul sens (de la Très Haute Tension vers la Basse Tension) l’électricité produite de manière centralisée vers les zones de consommation, les réseaux devront désormais fonctionner de manière bidirectionnelle. Ils auront pour rôle, en plus de distribuer l’énergie produite, de mutualiser l’ensemble des productions décentralisées.

À charge pour les Smart grids de communiquer efficacement les données de consommation et production à tout moment et en tout point du système électrique. Cela doit permettre une gestion optimale du système pour maintenir l’équilibre entre l’offre et la demande d’électricité face à ces nouvelles sources d’énergie difficilement prévisibles.

Mobilité propre

Les solutions de mobilité propre utilisent des carburants alternatifs ce qui réduit les émissions de gaz à effet de serre et de particules fines. Trois grandes solutions existent :

  • le véhicule électrique à batterie qui possède un moteur électrique alimenté par une batterie qu’il faut régulièrement recharger. On distingue les véhicules tout électrique, hybrides (équipés d’un moteur électrique et d’un moteur thermique pour recharger la batterie), hybrides rechargeables (des hybrides dont la batterie peut être directement rechargée à la prise) et à prolongateur d’autonomie ;
  • le véhicule électrique à hydrogène est un véhicule électrique utilisant de l’électricité produite à bord par une pile à combustible qui fait réagir l’hydrogène embarqué avec l’oxygène de l’air ;
  • le véhicule GNV est équipé d’un moteur thermique alimenté par un réservoir de gaz naturel compressé ou liquéfié.

Le développement du véhicule propre implique le déploiement progressif, sur l’ensemble du territoire, d’un réseau de bornes de recharge pour véhicule électrique et de stations à hydrogène ou GNV.

Bâtiment intelligent

Un bâtiment est dit « intelligent » si son réseau électrique est équipé de technologies Smart grids : il est doté d’un système informatique supervisant l’ensemble des systèmes installés (alimentation en énergie, éclairage, climatisation, ventilation, chauffage, vidéosurveillance, etc.). Des automates concentrateurs recueillent les informations des équipements ou capteurs installés dans le bâtiment.

Au-delà de l’automatisation des tâches, le concept de bâtiment intelligent intègre la production décentralisée d’énergie et la gestion de la demande. À ce titre, le bâtiment intelligent participe au développement de nouveaux usages tels que l’autoconsommation, le véhicule électrique ou le pilotage de la demande.

La mise en réseau, la coordination et l’automatisation du fonctionnement des équipements électriques d’un bâtiment permet :

  • d’améliorer le confort des utilisateurs ;
  • de gérer la production locale d’électricité ;
  • de gérer la consommation énergétique et de favoriser la réduction de la consommation d’énergie ;
  • de renforcer la surveillance et la sécurité du bâtiment.

Microgrid

Les microgrids, ou micro-réseaux, sont des réseaux électriques de petite taille, conçus pour fournir un approvisionnement électrique fiable à un petit nombre de consommateurs. Ils agrègent des installations de production locales (générateurs diesel, panneaux photovoltaïques, mini- éoliennes), des sites de consommations, des dispositifs de stockage et des outils de supervision et de gestion de la demande. Ils peuvent être raccordés directement à un réseau de distribution ou fonctionner déconnectés du réseau en « îlotage ».

Le déploiement d’un microgrid poursuit divers objectifs :

  • électrifier durablement les zones dites non-interconnectées comme les îles, qui ne sont pas reliées (ou alors faiblement) aux réseaux nationaux ;
  • garantir la sécurité d’approvisionnement en énergie dans des zones où le réseau est fragile et souvent défaillant ;
  • faciliter l’intégration des EnR : les systèmes de gestion de l’énergie des microgrids permettent de lisser la consommation et de de réguler l’intermittence des EnR.

Mobilier urbain connecté

Le mobilier urbain désigne l’ensemble des installations d’éclairage public, les abribus, feux tricolores, panneaux de signalisation ou d’affichage, fontaines, kiosques à journaux, caméras de surveillance, etc. Grâce au déploiement des NTIC (Nouvelles technologies de l’information et de la communication) sur ces infrastructures, le mobilier urbain devient communicant, voire intelligent.

Il fait partie intégrante d’un réseau de partage de l’information ou de l’énergie, offrant ainsi de nouveaux services aux citoyens dans une logique de développement durable. L’essor de cette « domotique urbaine » répond à divers objectifs :

  • renforcer l’efficacité des réseaux énergétiques ;
  • améliorer l’efficacité énergétique : autonomie en énergie du mobilier urbain, maîtrise de la consommation d’énergie via une télégestion et télémaintenance des équipements, etc. ;
  • offrir de nouveaux services aux territoires : diffusion d’informations et, multiplication des points de recharge (ports USB dans les abribus, bornes de recharge pour véhicules électriques sur les candélabres, etc.).

Autoconsommation

L’autoconsommation est le fait de consommer sur place tout ou partie de l’énergie produite:

  • l’autoconsommation dite « individuelle » concerne un unique producteur et un unique consommateur ;
  • l’autoconsommation dite « collective » concerne plusieurs sites producteurs et/ou consommateurs (un immeuble collectif, un ensemble de bâtiments, voire un quartier). La production autoproduite est répartie entre les différents consommateurs par une Personne morale organisatrice de l’opération (PMO).

L’autoconsommation se développe en même temps que les installations décentralisées de production d’électricité (panneaux photovoltaïques en toiture). Aux heures de production d’électricité solaire, donc d’ensoleillement, un autoconsommateur peut choisir de consommer sa propre production d’électricité plutôt que de soutirer de l’électricité sur le réseau public.

L’autoconsommation encourage la synchronisation de sa consommation avec la production d’électricité. Si cela est impossible, il existe deux possibilités :

  • installer un dispositif de stockage d’électricité ;
  • injecter sur le réseau de distribution l’électricité produite localement en surplus.

Smart grid ferroviaire

Les transports guidés électrifiés (trains, tramways, tram-trains et métros) sont particulièrement dépendants de la ressource énergétique.

La transformation du système ferroviaire en Smart grid ferroviaire répond à des objectifs économiques (maîtrise de la consommation et donc de la facture énergétique), sociétaux (garantie d’approvisionnement énergétique dans un contexte de hausse du trafic ferroviaire) et environnementaux (diminution de l’empreinte carbone).

De nombreuses pistes sont à l’étude pour développer le Smart grid ferroviaire :

  • concevoir des trains hybrides avec système de stockage embarqué ;
  • déployer des moyens de production d’électricité d’origine renouvelable dans les gares ou les infrastructures de réseaux ;
  • récupérer l’énergie de freinage des trains, métros ou tramways pour la réinjecter dans les réseaux ;
  • transformer les gares en hub à la fois énergétique et de mobilité : plateformes multi-modales, autoconsommation collective, efficacité énergétique ;
  • faciliter la maintenance prédictive des infrastructures.
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