Intelligence et fiabilité : les réseaux d'énergie de demain

La technologie intelligente de gestion des réseaux permet d'intégrer en douceur les énergies d'origine renouvelable (éolienne ou solaire) dans le réseau électrique. Les fluctuations de la production et de la consommation se compensent grâce à la commande automatique des réseaux et la tarification préférentielle accordée aux consommateurs.

Dans les années à venir, de grands parcs d'éoliennes vont être construits, principalement en mer du Nord, ce qui veut dire que par vent violent, des quantités considérables d'électricité seront injectées dans des réseaux vieux de plus de 40 ans. Une coupure de courant ne pourra alors être évitée que si les exploitants des centrales conventionnelles réduisent rapidement la production de leurs installations.

« Le réseau interconnecté européen doit gagner en intelligence pour compenser les variations des flux de courant, principalement lorsqu’il s’agit de sources d'énergie irrégulières comme le vent et le soleil », prévient Michael Weinhold, Chief Technology Officer du Secteur Energy de Siemens.

Le temps presse car l'augmentation de la part d'énergie renouvelable, surtout éolienne, a d'ores et déjà été décidée. Le 23 janvier 2008, la Commission européenne a présenté son programme de mesures pour lutter contre le changement climatique : l’objectif est de faire passer la part des sources renouvelables dans la production d'énergie de6 à 20 % entre 2005 et 2020. Si un nouvel accord global sur la protection de l'environnement devait entrer en vigueur entre temps, l'objectif de réduction passerait à 30 % à horizon 2020.

La situation devient encore plus complexe avec la libéralisation du marché de l'électricité, qui conduit à un vaste commerce de l'énergie en Europe avec des flux de charge difficilement calculables. En 2007, la Bourse européenne de l’énergie (EEX), basée à Leipzig, a négocié 1273 térawattheures, soit deux fois et demi les besoins en électricité de l'Allemagne, ce chiffre étant encore amené à progresser en 2008.

Un système d'énergie stable

La solution à ces défis est le concept de réseau intelligent (« Smart-Grid ») : prôné par l'Union européenne, son objectif est de transformer le réseau électrique en un système d'énergie stable qui sache réguler en autonome les fluctuations d'alimentation. Les quantités excédentaires momentanées doivent être stockées provisoirement dans des accumulateurs d'énergie et une commande de charge flexible doit automatiquement mettre en et hors circuit les grands consommateurs d'électricité. Des systèmes de prévention des coupures, comme le système FACTS de Siemens, empêchent les pannes de secteur en régulant rapidement la tension, en amortissant les fluctuations du réseau, en pilotant la fourniture d'électricité et en augmentant la capacité de transport des lignes grande distance.

« A long terme, nous pourrons transporter sans problème de grandes quantités d'énergie supplémentaires, comme celles des parcs d'éoliennes offshore, uniquement par une extension du réseau très haute tension », prévoit Wolfgang Woyke, expert réseau d'E.ON. « La transmission de courant continu haute tension (TCCHT) est une solution ». Elle permet en effet de transporter de grandes quantités d'énergie avec de faibles pertes, même sur des distances dépassant les 1000 km. Siemens est en pointe dans le développement de la TCCHT et participe à de grands projets sur tous les continents. Autre avantage : une TCCHT fonctionne comme un « pare-feu » en séparant les réseaux de différents pays et en empêchant ainsi les coupures inter-réseaux.

Pour Michael Weinhold, expert Siemens ayant participé à son développement, le système HVDC PLUS (High Voltage Direct Current Power Link Universal System) est une autre composante des « systèmes d'énergie intégrés stables ». Dans le HVDC PLUS, la station de conversion est si compacte qu'elle trouve aisément sa place sur les parcs d'éoliennes offshore où elle sert à établir la liaison avec la côte.

Limiteurs de courant supraconducteurs

Les réseaux modernes exigent en outre une électronique de puissance utilisant des composants semi-conducteurs à grande capacité de transport du courant et à tension de blocage élevée. « Les disjoncteurs ne doivent pas seulement enclencher et déclencher des charges élevées avec fiabilité, ils doivent aussi maîtriser les courants extrêmement élevés d'un court-circuit. C'est pourquoi les scientifiques chez Siemens développent des programmes de simulation et des modèles physiques complexes de composants utilisant des matériaux nouveaux et des géométries de contact inédites, l'objectif étant d'éteindre rapidement l'arc électrique créé par la commutation et de protéger ainsi efficacement l'installation.

« A l'avenir, les limiteurs de courant supraconducteurs pourraient être une alternative aux disjoncteurs conventionnels », anticipe Roland Kircher. « Ces appareils n'ont presque pas de résistance électrique à des températures de -196 °C environ ». Cependant, si le courant dans le réseau dépasse une certaine valeur critique, le supraconducteur réagit immédiatement et sa résistance monte en flèche en moins d'une milliseconde. Il limite ainsi efficacement le courant et minimise le risque de coupure d'électricité. Il repasse ensuite à l'état supraconducteur et redevient opérationnel. En 2007, Siemens a déjà testé avec succès un premier coupe-circuit haute performance auto-régénérant pour des courants de 300 ampères et des tensions de 7500 volts avec des supraconducteurs de ce type.

Infrastructure de réseau intelligente

Dans ce réseau du futur, il sera bien entendu nécessaire de développer des offres tarifaires flexibles influant sur la consommation d’énergie et contrôlant ainsi plus efficacement les flux. L'électricité sera proposée à un tarif avantageux en cas d'excédent et son prix sera en revanche plus élevé en cas de surcharge du réseau. Nous avons besoin d'une infrastructure de réseau intelligente qui ait recours aux TIC et qui soit capable de commander à distance des appareils gourmands en énergie tels que les réfrigérateurs ou les lave-linge. Le recours à l'incitation financière fait partie intégrante de ce système de réseau intelligent, notamment grâce aux « smart meters », les compteurs électriques communicants du futur.

« A l'avenir, il sera possible d'envoyer un signal tarifaire au consommateur, du type : “L'électricité coûte seulement 5 centimes actuellement“. Le client sera alors en mesure d'influer lui-même sur sa consommation de courant », suggère FrankBorchardt, directeur Smart Metering chez E.ON Energie. Une autre variante possible : « Il serait envisageable qu'un système domotique intelligent enclenche automatiquement des machines à laver à partir d’un certain niveau tarifaire par exemple. La consommation d'électricité peut ainsi être répartie uniformément sur la journée et les réseaux électriques pourront être exploités avec beaucoup plus d'efficacité ». Siemens a déjà équipé 1000 ménages de compteurs intelligents en Autriche et des centaines de milliers d'autres suivront au cours des prochaines années.

Harald Hassenmülle