Utiliser l'électrification et l'automatisation pour créer des réseaux électriques plus efficaces et durables – Première partie sur deux

L'électrification consiste à remplacer les sources d'énergie traditionnelles du réseau de distribution d'énergie par des sources durables et vertes. La première partie de cet article présente certains des défis associés à l'électrification et explique comment l'automatisation peut contribuer à son efficacité et à sa durabilité. La 2e partie de cet article est consacrée aux certifications LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) et ZEB (Zero Energy Building), ainsi qu'à la manière dont elles peuvent réduire les émissions de carbone et améliorer la durabilité.

L'électrification consiste à remplacer les systèmes qui utilisent des combustibles fossiles comme le pétrole, le charbon et le gaz naturel pour la production d'électricité par des systèmes photovoltaïques (PV) et d'autres technologies vertes, et à remplacer les véhicules à moteur à combustion interne (MCI) par des véhicules électriques (VE). Les systèmes électrifiés, ainsi que le recours à l'automatisation qui les relie tous entre eux et prennent en charge les réseaux électriques intelligents et les micro-réseaux, sont des facteurs importants qui font évoluer la société vers un avenir plus durable et plus vert.

Le réseau électrique actuel n'a pas été conçu pour recharger un grand nombre de véhicules électriques, et les réseaux électriques intelligents et les micro-réseaux sont censés être des technologies essentielles nécessaires pour accompagner le remplacement généralisé des véhicules à moteur à combustion interne par des véhicules électriques. En Californie, le gouverneur a récemment publié un décret exigeant que, d'ici 2035, toutes les nouvelles ventes de voitures neuves et de véhicules utilitaires légers soient des véhicules à zéro émission. Les développeurs de réseaux électriques intelligents et de micro-réseaux doivent respecter un nombre impressionnant de normes internationales pour répondre à ce type de prescriptions. Par exemple, l'IEEE a adopté ou est en train d'élaborer plus de 100 normes relatives aux réseaux électriques intelligents, dont plus de 20 normes IEEE mentionnées dans le cadre et la feuille de route pour l'interopérabilité des réseaux électriques intelligents de l'Institut national des sciences et de la technologie (NIST). Outre les normes de l'IEEE, les micro-réseaux sont régis par la norme CEI 62898 sur les micro-réseaux et d'autres normes.

Cet article est le premier de deux parties. Il examine les défis liés à la mise en œuvre de l'électrification et à l'intégration des ressources énergétiques distribuées (DER), les similitudes et les différences entre les réseaux électriques intelligents et les micro-réseaux, ainsi que la manière dont l'automatisation améliore leur rendement et leur durabilité, notamment en soutenant l'adoption universelle des véhicules électriques. Il commence par une analyse de ce que sont les ressources DER et de la place qu'elles occupent, et se termine par un examen de la manière dont l'émergence des micro-réseaux de distribution électrique brouille la distinction entre les micro-réseaux et les réseaux électriques intelligents. Quelle que soit l'implémentation, DigiKey fournit un large éventail de produits d'automatisation industrielle qui prennent en charge l'électrification et l'intégration des DER. La deuxième partie de cet article examine comment l'électrification et l'automatisation peuvent être utilisées dans les bâtiments écologiques en vue d'obtenir les certifications LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) et ZEB (Zero Energy Building).

Que sont les DER ?

La définition de la North American Electric Reliability Corporation (NERC) est la suivante : « une ressource énergétique distribuée (DER) est une ressource du réseau de distribution qui produit de l'électricité, mais qui n'est pas incluse dans la définition officielle du réseau de production-transport d'électricité de la NERC. »

En Amérique du Nord, le terme « réseau de distribution » fait référence aux lignes électriques de 34,5 kilovolts (kV) ou moins qui relient généralement les sous-stations aux utilisateurs finaux. Le système de production-transport (BPS) comprend les lignes arrivant à la sous-station qui transportent souvent plus de 100 kV sur de longues distances, reliant les installations de production-transport d'électricité à grande échelle aux ressources d'interconnexion et aux sous-stations (Figure 1).

Figure 1 : Il existe des DER dans le système de distribution (en bleu) ; d'autres ressources d'énergies renouvelables se trouvent dans le système de production-transport (en vert). (Source de l'image : NERC)

Les DER désignent toute ressource n'appartenant pas au système production-transport, y compris les unités de production telles que les éoliennes et les installations photovoltaïques, les unités de stockage d'énergie, la plupart des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS), les chargeurs de batterie pour véhicules électriques – également appelés stations de recharge pour véhicules électriques (EVSE) – et les micro-réseaux. On trouve des DER derrière les compteurs d'électricité, ainsi que directement sur le réseau de distribution. Derrière le compteur, les sources DER comprennent des panneaux photovoltaïques, des systèmes BESS, des véhicules électriques connectés au réseau et des sources d'alimentation de secours, comme les grandes installations de groupes électrogènes diesel dans les data centers et autres emplacements. Un micro-réseau est un type particulier de DER.

Réseaux électriques intelligents, micro-réseaux et électrification

Un micro-réseau est une DER, mais toutes les DER ne constituent pas des micro-réseaux. Du point de vue du système BPS, les termes « micro-réseau » et « DER » font référence à des types de ressources de production d'électricité ou à des ressources de stockage. Le terme « réseau électrique intelligent » fait référence aux technologies de communication et de contrôle utilisées par le système BPS pour garantir un fonctionnement résilient et efficace. Autre facteur de différenciation, les micro-réseaux comprennent des ressources de production et de stockage, ainsi que des charges. Un réseau électrique intelligent est composé principalement de ressources de production, avec un peu de stockage mais pas de charges. Le réseau électrique intelligent peut communiquer avec les charges, mais celles-ci sont distinctes du réseau.

L'électrification affecte les micro-réseaux, les BPS et les réseaux électriques intelligents de différentes manières. Dans le BPS, l'électrification s'ajoute à un réseau existant et, si elle n'est pas correctement gérée, elle peut entraîner des conséquences opérationnelles négatives indésirables. C'est là qu'intervient la technologie des réseaux électriques intelligents.

Les communications et le contrôle bidirectionnels constituent le principal facteur de différenciation des réseaux électriques intelligents. Ces systèmes de contrôle comprennent des capteurs pour surveiller la stabilité du réseau et des compteurs avancés pour suivre la demande d'électricité. Ils utilisent également une variété de dispositifs contrôlables de commutation de puissance et de qualité de l'énergie pour gérer les flux d'électricité. Ces capteurs sont essentiels pour permettre une plus grande pénétration des sources d'énergies renouvelables (ER) et de l'électrification dans le BPS et garantir la stabilité du réseau. De plus, les capteurs et les éléments de contrôle permettent de réagir plus rapidement et plus efficacement aux perturbations électriques, et d'équilibrer et de sécuriser le réseau, en particulier pendant les périodes de forte demande et avec une disponibilité variable des énergies renouvelables. Les technologies de réseaux électriques intelligents favorisent également la coordination et l'intégration des micro-réseaux avec le système de distribution et le BPS.

À l'inverse, un micro-réseau est conçu pour accueillir des technologies d'électrification telles que les sources d'énergies renouvelables, les BESS et les véhicules électriques. Les micro-réseaux et les réseaux électriques intelligents nécessitent des contrôles automatisés, notamment un système de gestion des ressources énergétiques distribuées (DERM).

Les DERM sont indispensables

Les DERM et l'automatisation sont définis et mis en œuvre différemment dans les réseaux électriques intelligents et les micro-réseaux. Les réseaux électriques intelligents comprennent diverses sources de production et des utilisateurs d'électricité répartis sur une vaste zone, avec un centre de contrôle centralisé pour la gestion du réseau (Figure 2). La gestion du réseau représente le concept clé du contrôle des réseaux électriques intelligents dans le BPS. Les BPS existants ont été conçus et construits avant qu'il ne soit nécessaire de promouvoir l'électrification, et ils peuvent connaître un fonctionnement peu fiable dans la mesure où la production d'énergie fossile répartissable (contrôlable) est de plus en plus remplacée par des sources d'énergies renouvelables imprévisibles (et donc moins contrôlables). En outre, la recharge d'un grand nombre de véhicules électriques ne peut pas faire l'objet d'une régulation et n'est pas directement contrôlable par le fournisseur d'électricité. Le contrôle centralisé et automatisé rendu possible par la technologie des réseaux électriques intelligents est nécessaire pour compenser le fait que les sources d'énergies renouvelables utilisées pour l'électrification et la recharge des véhicules électriques ne sont pas aussi prévisibles que les éléments de réseaux électriques conventionnels.

Figure 2 : Un réseau électrique intelligent s'appuie sur des contrôleurs automatisés et des DERM pour la gestion du réseau en temps réel. (Source de l'image : ETAP)

Les contrôleurs de réseaux électriques intelligents et de micro-réseaux ont besoin d'informations provenant de divers capteurs pour surveiller les ressources connectées en temps réel. Avec l'avènement des véhicules électriques et des stations de recharge, les contrôleurs sont également utilisés pour gérer les demandes d'énergie liées à la recharge, et ils peuvent faire appel à la communication véhicule-réseau (V2G) pour coordonner la connexion des véhicules électriques au réseau électrique ou à un micro-réseau afin de fournir une capacité de stockage d'énergie supplémentaire.

Outre la surveillance de l'état des ressources connectées, les contrôleurs des micro-réseaux connectés au réseau électrique doivent également surveiller l'état du réseau local de distribution d'électricité. L'appareillage de commutation est un composant essentiel des réseaux électriques intelligents et des micro-réseaux et doit réagir en quelques millisecondes pour garantir un fonctionnement robuste. La taille des appareillages de commutation varie de quelques kilowatts (kW) pour les petits micro-réseaux à plusieurs mégawatts (MW) pour les grands micro-réseaux et le réseau de distribution électrique. L'appareillage de commutation et le contrôleur peuvent se trouver dans la même armoire pour les petits micro-réseaux, ce qui permet de réduire les coûts et d'accélérer l'installation. Les DERM de réseaux électriques intelligents et de micro-réseaux comprennent des compteurs intelligents pour la production et la consommation d'énergie, et permettent des analyses basées sur le cloud afin d'optimiser les avantages économiques des DER et prendre en charge des niveaux élevés de résilience. Les architectures exactes des DERM peuvent varier en fonction des différents types de micro-réseaux.

Variétés de micro-réseaux

Les micro-réseaux peuvent être classés en fonction de leurs applications et de leur architecture. Les trois architectures de micro-réseaux sont les suivantes : à distance, en réseau et connectée au réseau électrique. Les micro-réseaux distants se trouvent dans des endroits comme des îlots ou des exploitations minières et agricoles isolées. Ils sont également appelés micro-réseaux hors réseau et sont physiquement séparés de tout système de distribution d'électricité. Ils doivent être totalement autonomes.

Les micro-réseaux en réseau ou imbriqués sont des réseaux composés de plusieurs DER ou micro-réseaux individuels connectés à un système de distribution électrique commun. Ils sont généralement contrôlés par un système de supervision centralisé qui équilibre les besoins de fonctionnement du micro-réseau avec le soutien du réseau de distribution électrique plus large. Le contrôleur attribue souvent une hiérarchie d'importance aux micro-réseaux et aux DER afin de garantir la protection des éléments les plus stratégiques. Les applications des micro-réseaux en réseau comprennent les micro-réseaux communautaires, les villes intelligentes et la catégorie émergente des micro-réseaux de distribution électrique.

Les micro-réseaux en réseau constituent une sous-catégorie de micro-réseaux connectés au réseau électrique. Tous les micro-réseaux connectés au réseau électrique sont physiquement connectés au réseau de distribution et disposent d'un dispositif de commutation au point de couplage commun (PCC) où s'effectue la connexion au réseau de distribution. En fonctionnement normal, un micro-réseau raccordé au réseau électrique est connecté au réseau de distribution. Il peut fournir des services au réseau, tels que la régulation de la fréquence et de la tension, le support de puissance réelle et réactive, et la réponse à la demande pour atténuer les imitations de capacité.

Le micro-réseau n'est pas connecté au réseau de distribution électrique dans le cadre d'un fonctionnement en îlotage. L'îlotage peut se produire en raison d'une perturbation du réseau de distribution ou pour d'autres besoins tels que la maintenance. Lors du passage d'un fonctionnement en îlotage à un fonctionnement connecté au réseau électrique, ces micro-réseaux doivent détecter la fréquence de distribution et synchroniser leur fonctionnement avant de se reconnecter.

Il existe de nombreuses applications de micro-réseaux, notamment dans les campus, les hôpitaux et centres médicaux, les installations commerciales, les collectivités locales et les installations industrielles. La catégorie d'application la plus récente est celle des micro-réseaux de distribution électrique (Figure 3).

Figure 3 : Les micro-réseaux sont souvent classés en fonction de leur application. (Source de l'image : Siemens)

Une frontière floue

Des micro-réseaux de distribution électrique qui brouillent la frontière entre les réseaux électriques intelligents et les micro-réseaux sont en cours de déploiement. Dans ce processus, la définition d'une DER passe d'une ressource énergétique distribuée à une ressource énergétique dédiée. Les micro-réseaux de distribution électrique sont conçus pour réduire les pannes de courant dues à des phénomènes météorologiques extrêmes, des incendies de forêt et d'autres problèmes imprévus. Dans les architectures de réseau existantes, de grandes parties du réseau sont mises hors tension pour des raisons de sécurité en cas d'événements extrêmes.

L'un des effets importants et regrettables de ces pannes de courant imprévues et étendues consiste à décourager l'utilisation des véhicules électriques. Les micro-réseaux de distribution électrique sont considérés comme la clé de l'adoption généralisée des véhicules électriques. Des micro-réseaux de distribution électrique sont proposés et déployés à travers les États-Unis. Par exemple, Southern California Edison (SCE) a proposé de mettre en place des micro-réseaux de sécurité publique avec coupure d'électricité afin de maintenir la disponibilité de l'électricité à un niveau aussi élevé que possible pendant les incendies de forêt. D'autres services publics désignent cette nouvelle architecture de réseau par le terme de « micro-réseaux communautaires » (Figure 4).

Figure 4 : Les micro-réseaux de distribution électrique peuvent inclure un large éventail d'actifs répartis sur des zones géographiques relativement étendues et brouillent la frontière entre les micro-réseaux traditionnels et les réseaux électriques intelligents. (Source de l'image : Edison International)

La capacité d'îlotage des micro-réseaux de distribution électrique est essentielle pour améliorer la disponibilité de l'électricité à un niveau plus granulaire que ce qui est actuellement possible. Ce mécanisme devra être déployé dans une large gamme de tailles de micro-réseaux, allant des collectivités résidentielles aux espaces publics, en passant par les écoles et autres lieux stratégiques tels que les casernes de pompiers, les centres médicaux et les centres d'évacuation. Les installations de stations de recharge de véhicules électriques constituent un élément essentiel de la conception de la plupart de ces micro-réseaux communautaires. Comme prévu, les stations de recharge prendront en charge la connexion au réseau des véhicules électriques en tant que sources supplémentaires d'énergie de secours, ainsi que pour la recharge des véhicules électriques.

Conclusion

L'électrification est nécessaire pour garantir des réseaux électriques plus durables et favoriser la réduction des émissions de CO₂. De nombreuses technologies d'électrification, telles que l'énergie photovoltaïque et les véhicules électriques ne sont pas aussi prévisibles que les ressources traditionnelles qu'elles remplacent. Cela signifie que l'électrification doit être soutenue par des réseaux de capteurs avancés et des systèmes de contrôle automatisés dans les réseaux électriques intelligents et les micro-réseaux.