Autoroutes de l’électricité

Les réseaux et les compteurs intelligents permettront à l’avenir de faire évoluer les systèmes d’approvisionnement électrique pour répondre à des contraintes plus complexes. Sur le site d’essais Smart Grid d’Erlangen, en Allemagne, les chercheurs de Siemens préparent les solutions de demain.

autoroute électricité

Depuis la construction de ses premières centrales il y a près de 120 ans, l’Europe a progressivement développé la distribution d’électricité à partir de prises de courant. « Depuis, nous avons avancé à l’aveuglette », explique Jürgen Knaak, Directeur général d’Arbon Energie AG. Son entreprise est le fournisseur d’énergie local de la petite ville suisse d’Arbon, qui compte 13 000 habitants. « Aujourd’hui encore, ni les consommateurs ni les fournisseurs ne savent exactement quand est-ce que l’électricité circule sur les lignes, ni en quelle quantité. » Ce ne sera bientôt plus le cas à Arbon grâce aux compteurs intelligents : Siemens a entrepris depuis 2007 de remplacer les quelque 8 700 compteurs domestiques de la ville par de nouveaux appareils plus perfectionnés. « Pour le secteur de l’électricité, c’est une véritable révolution. Comme l’arrivée des téléphones portables ou d’Internet », ajoute Jürgen Knaak.

A Arbon, « avancer à l’aveuglette » signifiait une absence presque totale de transparence sur le fonctionnement réel du réseau électrique, les informations se limitant à une mesure périodique de la consommation des ménages, des entreprises et des industries. Des informations devenues insuffisantes. « La production et la distribution d’électricité sont de plus en plus complexes, et nous devons être à la hauteur », estime Jürgen Knaak. Actuellement en cours d’installation à Arbon, les compteurs « Amis » de Siemens sont des appareils dernier cri : capables non seulement de mesurer la consommation d’électricité, mais également de recueillir grâce à des interfaces les données relatives au gaz, à l’eau et au chauffage urbain. Ces données sont ensuite immédiatement transmises au fournisseur d’énergie, afin qu’il soit en permanence informé des besoins en électricité de chaque consommateur – des particuliers aux grands industriels. Environ 3 300  compteurs intelligents ont été installés à ce jour à Arbon, le déploiement devant être achevé fin 2013.

Une nouvelle ère se dessine en effet pour Jürgen Knaak – ainsi qu’un modèle d’activité synonyme de réussite pour son entreprise. Car sur le marché de l’électricité du futur, l’information sera aussi précieuse que l’énergie : les données permettront aux fournisseurs de proposer une tarification sur mesure et d’exploiter ainsi un véritable avantage concurrentiel.

Quant aux consommateurs, ils bénéficieront d’une meilleure information sur la répartition de leur consommation au sein de leur entreprise ou de leur foyer. Mais pas seulement : ils pourront également gérer leur consommation de manière plus ciblée. Prenons l’exemple des services municipaux de la ville de Saint-Gall, qui pompent de l’eau potable dans le lac de Constance. Jürgen Knaak peut leur indiquer, presque à la seconde près, à quel moment il serait moins coûteux de mettre en marche leurs pompes, et leur proposer une tarification correspondante. De son côté, Arbon Energie AG peut acheter l’électricité lorsque son prix est particulièrement bas en raison d’une surproduction.

Compteurs intelligents

Et dans 10 ou 15 ans ? D’après Jürgen Knaak, les particuliers et les entreprises ne verront au premier abord pas de grande différence. Les prises continueront de fournir du courant, et l’électricité sera bien sûr toujours disponible lorsqu’on en aura besoin. Mais les compteurs mécaniques d’aujourd’hui, qui sont généralement relevés une à deux fois par an, deviendront des pièces de musée.

Le réseau électrique du futur sera un réseau d’informations permettant de lancer les lave-linge à un moment où le prix du courant sera peu élevé. L’électroménager sera contrôlé de manière entièrement automatisée, les consommateurs pouvant allumer ou éteindre leurs appareils à distance par Internet ou demander à leur exploitant réseau de le faire. « Une fois systématisée, cette approche pourrait sans doute entraîner une baisse significative de la consommation d’électricité », estime Michael Moser, responsable de domaine à la Section Recherche énergétique de l’Office fédéral suisse de l’énergie. La Suisse pourrait ainsi réduire sa consommation énergétique de 5 à 10 %. Une différence appréciable aussi bien pour les consommateurs que pour l’environnement.

De la voie de garage à l’autoroute

Les compteurs intelligents s’inscrivent dans la tendance des systèmes numériques de distribution d’électricité. La conception des réseaux représentera à l’avenir un défi technologique et économique plus important car l’électricité ne sera plus majoritairement générée par quelques grandes centrales mais par un grand nombre de petites et moyennes installations dont la production sera destinée, selon les moments, à être injectée dans le réseau ou à couvrir les besoins propres.

Les réseaux électriques, qui étaient jusqu’à présent presque toujours des rues à sens unique, deviendront de larges autoroutes de l’énergie alimentées aussi bien par des éoliennes que par des centrales fonctionnant grâce au gaz naturel ou à la biomasse, qui pourront être mises en service lors des pics de consommation. Pour faire face aux fluctuations engendrées par l’utilisation de sources renouvelables, les systèmes de stockage de l’énergie se multiplieront.

Les réseaux intelligents (smart grids) peuvent sembler un peu futuristes, mais les scientifiques sont déjà à l’œuvre pour élaborer différents systèmes très perfectionnés. Chez Siemens Corporate Technology (CT) à Erlangen, on combine les résultats d’expériences et de modélisations sophistiquées pour mettre au point des algorithmes de commande et des composants destinés aux réseaux intelligents. « Nous simulons par exemple le réseau électrique d’un village qui existe réellement en Allemagne, où une grande part de l’énergie est générée par des installations photovoltaïques », rapporte Jochen Schäfer, responsable du développement, du test et de la démonstration des composants matériels pour le projet phare > Smart Grid (angl) au sein de CT.

L’une des rues de ce village a retenu l’attention des experts. « Il y a là beaucoup de gros producteurs d’énergie photovoltaïque et peu de petits consommateurs. Lorsque l’ensoleillement est important, cela peut être une situation critique pour la stabilité du réseau », note Jochen Schäfer. Afin de réaliser différents tests, cette partie du réseau a donc été reconstituée en laboratoire à l’échelle 1:7, en intégrant à la fois les producteurs et les consommateurs d’électricité, ainsi que les résistances des lignes électriques.

Les capteurs solaires sont simulés par des onduleurs alimentés sur un réseau séparé, ce qui permet de faire varier les conditions de test et notamment l’intensité du rayonnement solaire. « Nous pouvons désormais tester et étudier les algorithmes de commande ou les situations critiques non seulement dans des modélisations informatiques, mais aussi dans la réalité », résume Joachim Bamberger, responsable du projet de recherche Smart Grid de Siemens.

En pratique, le scénario de démonstration peut faire passer des nuages au-dessus du village : la production des installations photovoltaïques (donc l’électricité injectée dans le réseau par les onduleurs) chute alors brusquement. Le village devant impérativement couvrir l’ensemble de ses besoins par sa propre production locale, c’est une batterie qui délivre provisoirement l’électricité nécessaire en attendant le démarrage de la centrale de cogénération.

Un mécanisme de tarification testé auparavant en modélisation permet d’ajuster la production d’électricité aux besoins réels. « Les composants d’ajustement, tels que la batterie et la centrale de cogénération, réagissent aux variations du prix de l’électricité sur le marché local », explique Joachim Bamberger. Le tarif augmente quand il y a moins d’énergie solaire disponible, ce qui entraîne la mise en service de systèmes de production ou de stockage plus coûteux comme la batterie et la centrale de cogénération. En parallèle, la consommation du village diminue car le prix de l’électricité influe par exemple sur le fonctionnement des pompes à chaleur et des groupes frigorifiques.

« Si les systèmes électroniques de commande modélisés s’avèrent efficaces, nous pouvons confirmer et démontrer les résultats par des tests en laboratoire », conclut Jochen Schäfer. Les résultats sont si concluants que les chercheurs de Siemens prévoient de débuter un essai pilote sur un réseau exploité par l’entreprise allemande Allgäuer Überlandwerk (AÜW). Un grand pas de plus vers les réseaux intelligents du futur.

_______________

Urs Fitze