Le contrôle d’admission : clé pour la gestion de réseaux électriques « intelligents »

Manuel Marin, 2013

Le design classique du réseau électrique, valable jusqu’à présent, considère un réseau de taille fixe qui ne change jamais. A partir de cette taille l’administrateur du système de distribution peut déterminer le volume de trafic maximal et, ainsi, la quantité et la capacité des lignes qui doivent être installées. Aujourd’hui, ce design n’est plus satisfaisant. L’intégration au réseau électrique moderne des nouvelles technologies, telles que la voiture électrique et les énergies renouvelables, dont le nombre d’unités connectées peut varier d’un moment à l’autre, implique que le volume de trafic que les lignes doivent supporter n’est pas connu a priori, donc la sécurité du système est compromise. Face à cette problématique, quelques opérateurs électriques ont considéré la possibilité d’installer des appareils de surveillance dans les points de connexion les plus délicats (comme par exemple, les stations de parking et de rechargement de véhicules électriques). Lorsque le nombre d’unités connectées au réseau dépasse une certaine limite, établie par rapport à la capacité maximale du système, les connexions additionnelles sont mises en attente. Une fois que le réseau est moins utilisé, ces connexions mises en attente peuvent être utilisées. Cela est connu sous le nom de « contrôle d’admission » et permet de gérer un réseau sujet à contraintes en total sécurité. Le contrôle d’admission est un des services que devra fournir le « réseau intelligent », d’après les spécifications des principales institutions normatives.

Les premiers réseaux électriques qui sont apparu au siècle précédent étaient des systèmes notamment statiques : un nombre constant de producteurs fournissait de l’énergie à un nombre constant de consommateurs. Cette configuration, assez simple, a perduré jusqu’à nos jours, en augmentant considérablement d’échelle, certes, mais en conservant son principe basique. Dans cette structure, rien ne varie de façon imprévisible. La production est assurée par un petit nombre de centrales, principalement à base de combustibles fossiles, hydrauliques de grande échelle et centrales nucléaires. Ces centrales peuvent fonctionner continuellement grâce aux matières premières disponibles de façon déterminée (l’eau dans un barrage, par exemple). La consommation, elle, s’étale typiquement dans la journée en suivant une courbe qui a deux sommets : l’un le matin, l’autre le soir. Ces sommets ne s’écartent pas de plus de 20 à 30 % de la moyenne. La génération d’énergie, donc, peut être dimensionnée pour répondre à cette demande maximale. Cela donne lieu à un système parfaitement calibré, où l’administrateur du réseau sait quelle sera la charge maximale qui circulera sur les lignes. Il peut, ainsi, mettre en place le nombre et le type de lignes qui suffisent pour assurer le bon fonctionnement du réseau.

Plusieurs facteurs ont obligé à questionner le modèle classique que l’on vient d’exposer. Le phénomène de réchauffement climatique que les scientifiques ont vu apparaître il y a une dizaine d’années, qui menace de changer profondément la planète, a amené les nations les plus développées à s’engager à réduire leurs émissions de gaz à effet serre. Ainsi, les combustibles fossiles devront arrêter leur augmentation. La relève est prise, très lentement, par des sources renouvelables d’énergie, telles que le solaire, l’éolienne, la biomasse, l’hydraulique de petite échelle, la géothermie, la marémotrice, entre autres. La voiture électrique a fait son entrée en scène, à côté de la voiture conventionnelle.

Il est fort probable que ces nouvelles technologies plus respectueuses de l’environnement deviennent de plus en plus importantes au cours des prochaines années. L’impact qu’elles ont sur le système électrique n’est pas du tout négligeable. Du côté de la génération, plusieurs centrales à sources renouvelables de petite ou moyenne capacité, apparaissent là où auparavant il pouvait y avoir une seule centrale à base de combustible fossile de grande capacité. La quantité d’énergie que ces centrales renouvelables peuvent générer effectivement n’est pas connue à l’avance ; elle peut être seulement estimée parce que les ressources concernées (le vent, le soleil, la rivière, la mer) sont de nature aléatoire. Cela oblige à multiplier les installations afin d’assurer l’approvisionnement dans le pire de cas.

Du côté de la demande, la voiture électrique, nouvel acteur avec un comportement particulier, vient s’intégrer aux autres unités de consommation durable. La voiture électrique fonctionne à partir d’une batterie spéciale qui lui donne une autonomie de circulation d’un certain nombre d’heures, au bout desquelles elle doit être rechargée. Les besoins en électricité de cette voiture dépendent, donc, des habitudes des consommateurs et ils peuvent être considérés, de même que la génération d’énergie renouvelable, comme une variable aléatoire.

La généralisation de centrales à énergie renouvelable et de la voiture électrique, tout en favorisant sensiblement la protection de l’environnement, amène, pourtant, un phénomène indésirable sur le réseau de distribution. Il s’agit de la surcharge de lignes qui peut se produire lorsqu’un grand nombre de centrales renouvelables produisent de l’électricité en même temps, ou lorsqu’un grand nombre de voitures électriques sont connectées au réseau en même temps. Considérons le cas des centrales éoliennes. Lorsque le vent souffle, toutes les turbines éoliennes des différentes centrales commencent à tourner et à générer de l’énergie, laquelle est injectée directement au réseau. Même cas pour les centrales solaires. Toutes les centrales renouvelables du même type qui se trouvent sur un territoire commun sont mises en réseau. Lorsque l’une produit, les autres produisent aussi. Cela signifie que des pics de génération peuvent être injectés au réseau de distribution, en dépassant, éventuellement, la capacité maximale de lignes de transmission.

Prenons maintenant le cas des voitures électriques sur une même ville. Le matin, disons, entre 7h et 8h, les gens prennent leur voiture pour aller au bureau. Ils arrivent à 9h environ et branchent leurs voitures aux points de chargement. A ce moment là, un pic de consommation, dérivé de toutes les voitures électriques branchées en même temps, est injecté au réseau. Même situation le soir, quand les gens rentrent chez eux, massivement, entre 17h et 18h. Ces pics de consommations peuvent dépasser la capacité maximale des lignes.

Les pics de génération et de consommation que l’on vient de décrire, peuvent dépasser de 100 % la moyenne du trafic normal. Dimensionner le réseau pour répondre à ces pics, installer plus de lignes, augmenter la capacité, est une solution possible. Cependant, du point de vue économique, elle n’est pas efficace. Ces pics se produisent à des moments bien précis de la journée. En dehors de ces horaires de pointe le trafic reste dans des plages que l’on peut qualifier de normales, où l’excès de capacité installée deviendrait inutile.

C’est dans ce scénario des contraintes de service que le contrôle d’admission peut être la solution. Avec ce contrôle le réseau peut rester tel qu’il est, sans augmenter sa taille, et répondre néanmoins aux besoins de générateurs et de consommateurs. Il s’agit d’une technique éprouvée dans différents domaines. Dans les réseaux sans fil, le contrôle d’admission empêche que la vitesse de transfert de données soit dégradée à cause d’une augmentation brusque du nombre de connexions. Dans les systèmes d’attente, qui gèrent certains processus industriels et de la banque, on trouve aussi du contrôle d’admission. Tout système qui doit conserver son intégrité et sa qualité, ainsi que rester hautement disponible, peut utiliser le contrôle d’admission.

Dans les réseaux électriques, le contrôle d’admission devra être mis en place pour qu’un nombre élevé de connexions qui arrivent dans un délai de temps court, ne menace pas d’enfreindre la capacité des lignes de transmission. Le design est le suivant : des appareils de monitorage, connectés par internet à une centrale de prise de décision, sont installés dans des points de connexions qui ont étaient préalablement choisis pour effectuer le contrôle. Par exemple, des stations de chargement de voitures électriques, des concentrateurs, des nœuds communs à plusieurs centrales renouvelables, etc. Ces appareils envoient des informations concernant le nombre et le type des connexions présentes dans chaque point à la centrale. Dans la centrale, cette information est utilisée, grâce à des outils informatiques de pointe, pour simuler le réseau dans sa totalité et ainsi estimer le niveau de congestion de toutes les lignes. A chaque fois qu’une nouvelle connexion apparaît dans un des points de contrôle, l’appareil de monitorage connecté détermine le type de connexion et envoie l’information à la centrale. Ensuite, la centrale évalue, à partir de l’état des lignes, si la nouvelle connexion peut générer un excès de trafic et dépasser la capacité maximale de lignes. Si c’est non, la connexion est acceptée ; dans le cas contraire la connexion est mise en attente et réévaluée ultérieurement dans un laps de temps déterminé.

Le résultat final du processus permet d’étaler les connexions pour être approvisionnées à la mesure des possibilités du réseau. Plusieurs entreprises en Europe sont consacrées à la mise en place de cette fonctionnalité dans les réseaux électriques d’aujourd’hui et de demain. Le contrôle d’admission est devenu ainsi l’une des fonctionnalités essentielles des spécifications de base de la technologie dénommée « smart-grid » ou gestion intelligente de réseaux.

Références