Florent Cadoux

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)
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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