Des réseaux électriques aux « Smart Grids » Florent Cadoux, titulaire de la Chaire SmartGrids ERDF [email protected] Fondation Partenariale de Grenoble INP et Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble •1 GÉNÉRALITÉS SUR LES RÉSEAUX ELECTRIQUES •2 Structure du réseau: production, transport, distribution Source ERDF •3 Fonctions du réseau Transport depuis les grandes centrales… Hydraulique : montagne (barrage), fleuve, mer Nucléaire : mer, fleuve (Thermique : cours d’eau, raffinerie, mines…) … vers les centres de consommation Agglomérations, industries électro-intensives Un peu partout, souvent éloignés Mutualisation des ressources Foisonnement (réduit la capacité nécessaire) Partage des « coûts d’assurance » (réserve) Echanges commerciaux (en fonction des coûts marginaux à l’instant considéré) •4 Résultat : extension continentale (!) •5 Réseau de transport Fr •6 Réseau de transport (zoom) 400 kV 225 kV 63 kV •7 Réseau de distribution Réseau HTA urbain Réseau BT urbain •8 Rôle de RTE Gestionnaire du réseau de transport Exploitation, maintenance et développement du réseau Attention : Monopole régulé terminologie habituelle, mais malencontreuse ! « Assure l’équilibre production / consommation » Court terme : • Réglage global de la fréquence (et local de la tension) • Marché des ajustements Long terme : • Etudes d’adéquation du parc de production et du réseau aux besoins futurs • Marché de capacité et autres marchés électriques… Assurer la sûreté du système Prévention des pannes (blackouts) : cascade de surcharges, écroulement de tension / fréquence, perte de synchronisme Notamment gestion des flux de puissance (pas de « routage » !) •9 Rôle d’ERDF (et autres gestionnaires de réseaux de distribution) Exploitation, maintenance et développement du réseau de distribution Concessions par les collectivités locales, sociétés d’économie mixte ou régies ERDF, GEG, Electricité de Strasbourg… Spécificités d’ERDF Mission de « service public » (accès au réseau sans discrimination, notamment vis-à-vis du fournisseur d’électricité ou de l’emplacement géographique, transparence…) Autres missions Comptage (cf Linky) … • 10 Lignes aériennes (RTE) • 11 Poste d’interconnexion • 12 Disjoncteur haute tension • 13 Sectionneur haute tension • 14 Transformateur HT • 15 Poste-source Arrivée HTB Départs HTA Transformateurs Sectionneurs (isolement et aiguillage) Disjoncteurs Transfos de mesures Contrôlecommande TCFM • 16 Poste-source sous enveloppe métallique • 17 Réseau HTA • 18 Poste HTA/BT sur poteau • 19 Poste HTA/BT sur socle • 20 Réseau BT aérien Quatre fils ! Le neutre est recréé au niveau du dernier transformateur (poste HTA/BT) • 21 Réseau BT souterrain • 22 ÉVOLUTIONS ACTUELLES • 23 Un siècle et demi de relative stabilité technologique Principes électrotechniques essentiellement inchangés depuis Tesla Réseaux très majoritairement alternatifs et triphasés Utilisation du transformateur : transport à tension élevée et distribution à tension basse Production par conversion électromécanique (machines) Production centralisée raccordée au réseau de transport Charge imposée, production contrôlée • 24 Aujourd’hui… Exigence : améliorer le « produit électricité », y compris ses externalités Réduction de l’impact environnemental de l’industrie électrique • Nouveaux moyens de production • Peu ou pas de développement de réseau • Enfouissement Satisfaire de nouveaux usages du réseau • Ex: mobilité électrique ( défi et levier à la fois), production décentralisée Indépendance énergétique Qualité de service Coût • 25 Difficultés Congestions contraintes en courant et en tension « Equilibre production-consommation » Stabilité Capacité du système à résister aux perturbations (+ Protections, qualité de tension, pertes…) • 26 Smart grid ? (« Spécification fonctionnelle » de l’AIE) « marchés de détail », « consomm’acteur » Intégration EnR et stockage « ouverture technique», incitation à l’innovation (« modèle Internet ») • 27 Smart grid ? (« Spécification fonctionnelle » de l’AIE) « Firefighter mentality » QoS variable Efficacité technique, meilleure appréciation (et réduction) des marges Fiabilité (Sûreté + sécurité) • 28 DE LA VISION A LA CONCRÉTISATION… • 29 Règles du jeu On se projette donc dans un monde avec… un réseau aux marges réduites un parc conventionnel plus faible (en oubliant momentanément les questions de stabilité) des consommateurs « actifs » (réceptifs aux besoins de gestion du réseau) de nombreux producteurs intermittents, qui produisent une part importante de la puissance … Et on envisage la présence de stockage (électrique) Et on s’autorise… Un usage immodéré de technologies modernes (notamment TIC) L’introduction d’une certaine forme de pénurie • 30 Réponses techniques actuelles Augmentation de la contrôlabilité de la charge Notions d’effacement, rebond, report Usages thermiques, reconstitution de stocks dans les process industriels, contrôle de la recharge des véhicules électriques… Participation des générateurs décentralisés aux mécanismes de réglage Notion d’écrêtement de production Ajouter de nouveaux leviers de réglage (de tension) dans le réseau de distribution Améliorer l’observabilité du réseau de distribution Développer le stockage (électrique) Stationnaire, ou couplé à la mobilité électrique • 31 Est-ce suffisant ? Ces nouveaux leviers techniques sont pour l’instant essentiellement intégrés aux mécanismes centralisés existants Difficulté principale : les nouveaux leviers sont dispersés Crainte d’un « déluge de données » Conséquence : impact (réel mais) limité Les « flexibilités » ne sont utilisées aujourd’hui que pour certains usages bien précis, pour lesquels un marché existe (ajustement, capacité) – en non sans difficultés… En particulier, pas utilisées pour les besoins de la distribution Nécessité : d’une profonde évolution réglementaire (« market design ») D’une solution technique de gestion décentralisée • 32 Optimisation décentralisée Thèse de Benoît Vinot (Schneider Electric / G2Elab /équipe Mescal de l’INRIA) Idées principales : Faire participer les ressources dispersées aux réglages Intégrer les contraintes (U/I) du réseau de distribution (pour gagner en CAPEX) et assurer l’équilibre global (≈couverture de la production renouvelable par la charge) ( autrement dit, on règle les problème d’équilibre et de congestion, mais pas de stabilité…) En formalisant le problème comme un problème d’optimisation convexe (« Optimal Power Flow géant ») que l’on résout par une méthode décentralisée (dualisation des contraintes couplantes + résolution du dual par une méthode « naturellement parallèle ») • 33 Qualités espérées de l’approche décentralisée Le système serait… Automatisé autant que possible au niveau local Tolérant aux pannes Déployable à très grande échelle (« scalable ») « plug and play » du point de vue des clients et du gestionnaire de réseau ne nécessitant pas de supervision constante et détaillée… … ni de reprogrammation lors de l’ajout ou de la suppression d’un élément… … ni de révéler les caractéristiques internes des acteurs • 34 Résultat… On crée un nouveau « jeu » à l’échelle du réseau électrique, visant à organiser : La répartition des ressources (la capacité du réseau, en import et en export) Et la fourniture du « bien public » (l’équilibre global) Les règles de ce jeu restent à préciser Incitations, et réponse des acteurs ? Efficacité ? Sensibilité au risque de contournement ? (Fraude, gaming) Quelles contreparties économiques aux actions de contrôle ? La formalisation comme un problème d’optimisation donne une base à la tarification : le multiplicateur de Lagrange (notion de Local Marginal Pricing sur les marchés de gros) • 35 Rendez-vous dans 3 ans… Merci pour votre attention ! Florent Cadoux, titulaire de la Chaire SmartGrids ERDF [email protected] Fondation Partenariale de Grenoble INP et Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble • 36