Smart grid

Le smart grid est une des dénominations d'un réseau de distribution d'électricité « intelligent » qui utilise des technologies informatiques de manière à optimiser la production, la distribution, la consommation et qui a pour objectif d’optimiser l’ensemble des mailles du réseau d'électricité qui va de de tous les producteurs à tous les consommateurs¹ afin d’améliorer l'efficacité énergétique de l'ensemble.
L'apport des technologies informatiques devrait permettre d'économiser l'énergie en lissant les pointes de consommation et en diminuant les capacités de production en pointe qui sont les plus couteuses et les plus polluantes, de sécuriser le réseau et d'en réduire le coût.
C'est aussi une réponse (partielle) à la nécessité de diminuer les émissions de gaz à effet de serre pour lutter contre le dérèglement climatique.
C'est (lorsqu'il est associé à un système distribué constitué de très nombreuses micro-centrales) l'un des 5 piliers de la « Troisième révolution industrielle » proposée et promue, notamment par Jeremy Rifkin².

Schéma théorique d'un réseau d'interconnexion entre l'Europe, l'Afrique du Nord et le Moyen-Orient

Sommaire 1 Terminologie 2 Intérêt du réseau intelligent 2.1 Une consommation variable 2.2 Optimiser la production 2.3 Optimiser l'acheminement de l'électricité 2.4 Contrôle du réseau 3 Technologies et moyens mis en œuvre 4 Efficacité 5 Compteurs intelligents 6 Acceptabilité par le public et enjeux économiques 7 Aspects financiers 8 Prospective 9 Notes et références 10 Voir aussi 10.1 Articles connexes 10.2 Liens externes

Terminologie

Il n’existe pas vraiment de traduction à l’expression anglaise smart grid, qui est inspirée de power grid désignant le réseau de distribution d'électricité. Ainsi, le mot smart met l’accent sur « l’intelligence » apportée par l’informatique au réseau de distribution d’électricité. Le GDT propose la traduction « réseau de distribution d’électricité intelligent »³. Certains utilisent plus simplement « réseau électrique intelligent »⁴ ; c'est en particulier cette expression qui a été retenue dans le Vocabulaire de l'Énergie paru au Journal Officiel⁵.
D’autres expressions sont employées en anglais comme : smart electric grid, smart power grid, intelligent grid, IntelliGrid, future grid ou SuperSmart Grid.

Intérêt du réseau intelligent

Sachant que l'électricité ne peut pas être stockée en grandes quantités, les technologies du « réseau intelligent » cherchent à optimiser la production et la distribution de l’électricité en fonction de la consommation (quantité et localisation) afin de :

• optimiser le rendement des centrales ;
• minimiser les pertes en ligne ;
• favoriser l'insertion de la production décentralisée, en particulier d'origine renouvelable ;
• distribuer l’électricité au meilleur prix possible⁶.

Une consommation variable

Dans un réseau électrique classique, la consommation d’électricité et donc la production sont, à un instant donné, directement liées à la demande des utilisateurs (industriels et particuliers) ; cette demande est variable et ne peut pas être maîtrisée, sauf dans les cas particuliers où le distributeur peut tenter d'influencer les heures de consommation maximale (par exemple par le système tarifaire des « heures creuses » en France). La production doit s’adapter instantanément à la demande pour préserver la stabilité du réseau.
Les réseaux intelligents grâce aux technologies (compteur intelligent) permettant d’agir sur la demande et aux réseaux informatiques reliant producteurs, distributeurs et consommateurs permettront d’adapter, en partie, la consommation aux capacités instantanées de production, notamment en décalant certaines consommations en dehors des heures de pointe et en optimisant les systèmes dits d'« Effacement de consommation électrique »⁷. L’asservissement d’une partie de la consommation (industrielle et domestique) à la production disponible, permettra ainsi de diminuer les pics de consommation et donc de réduire les capacités maximales de production dans une zone géographique donnée.

Optimiser la production

Certaines centrales ont une production très irrégulière du fait de leur source d'énergie (centrales solaires ou éoliennes) et une centrale électrique a souvent un niveau de « production optimale » permettant d’obtenir un « rendement optimum ». L’idéal serait de la faire fonctionner en permanence à ce rendement optimum quelle que soit la consommation;
Certaines centrales peuvent être démarrées très rapidement (par exemple, les centrales hydrauliques) alors que d'autres nécessitent des temps de mise en route et d’arrêt plus longs, par exemple, les centrales nucléaires ont besoin d’un certain temps pour entrer en production.

Optimiser l'acheminement de l'électricité

L'acheminement de l'électricité se fait à travers un réseau « maillé » de lignes haute et moyenne tension. Chaque maille de ce réseau peut être activée ou désactivée en fonction des impératifs de maintenance et des besoins de consommation, mais chaque maille peut aussi devenir indisponible à des moments imprévisibles (ligne mise hors service ou endommagée par le vent, la glace, une chute d'arbre, etc)
Le maillage du réseau s'effectuant souvent au niveau international, il doit respecter des règles techniques (par exemple : tension ou fréquence différentes entre pays) et économiques. Les pertes en lignes doivent être minimisées pour éviter de produire inutilement (par exemple pour réchauffer l’atmosphère en faisant chauffer les lignes conductrices) et chaque maille du réseau a une capacité de transport qu'il est souhaitable de ne pas dépasser (risque de fragilisation, voire de destruction d'une ligne ou d'un équipement).
Le réseau concerné par les technologies « smart grid » est plus particulièrement le réseau de distribution (incluant : les compteurs intelligents « Linky en France », les productions décentralisées et des actions sur la consommation, …).
Le réseau actuel a été construit sur une architecture historique top-down (Le producteur fournit l’énergie totale nécessaire au réseau sans trop se préoccuper de chaque consommateur et de ses besoins). L'acheminement s'effectue depuis les centrales de production au travers du réseau de transport, vers le consommateur en passant par le réseau de distribution. Le réseau smart grid doit être conçu pour permettre d'utiliser au maximum la production locale ou régionale afin d'éviter de transporter l’électricité sur de longues distances. Pour cela le réseau fonctionnera en mode interactif (top-down, et bottom-up). L'intelligence va ainsi se décentraliser vers le réseau de distribution et plus particulièrement vers les niveaux locaux de contrôle et d'observation qui constituent les réseaux de moyenne et basse tension et vers les consommateurs d'électricité.
Avec le smart grid, les mécanismes de régulation de la demande (en fonction du prix et de la production disponible à un instant donné) permettront de diminuer la capacité maximale de production (via l’étalement des pics de consommation).

Contrôle du réseau

Pour contrôler en permanence les différents paramètres du réseau en termes de capacité, de production, de charge du réseau et les besoins utilisateurs, un certain nombre de mesures doivent être réalisées tout au long de la chaine afin de déterminer la configuration optimale de l'ensemble du réseau et son potentiel⁸.
Deux démarches existent, éventuellement complémentaires :

1. Un traitement centralisé de toutes ces mesures (au niveau d'une région, d'un pays voire d'un continent), ce qui implique des moyens de communication et de traitement importants, qui ne peuvent être réalisés sans des moyens de communication et de traitement temps réel importants. Cette solution correspondrait à un système centralisé basé sur un réseau rayonnant à partir de grandes centrales électriques, sécurisé par quelques interconnexions.
2. Une part croissante d'auto-contrôle par le smart grid, dans le cadre d'un réseau devenu « intelligent » et communiquant à haut débit⁹, où l'autoproduction, l'autoconsommation et la production locale consommée latéralement prendraient de l'importance. Cette solution répond mieux aux besoins d'un réseau décentralisé, tel celui promu par Jeremy Rifkin avec un « Internet de l'énergie », base d'une « troisième révolution industrielle ».

Dans les deux cas, sans l'apparition conjointe de systèmes de mesure et de télécommunication⁹, sans ordinateurs assez puissants et les logiciels adaptés et optimisés, le « smart grid » n'existe pas.

Technologies et moyens mis en œuvre

La mise en œuvre, sur le réseau de distribution électrique existant, de capteurs reliés à un réseau informatique et à un puissant système d'analyse capable de s'appuyer sur des données prospectives de court, moyen et long terme, doit permettre un meilleur ajustement de la production et de la consommation d'électricité, avec les avantages suivants :

• Optimiser la fourniture d'électricité lors des pics de consommations, en lissant la courbe de charge, permettant ainsi de réduire la production d'électricité par les énergies fossiles ;
• Diminution des pannes en réduisant la surcharge des lignes;
• Réduction des pertes en ligne
• Intégration au réseau facilitée pour un bouquet de sources d'énergie propre; sûres et complémentaires, mais souvent irrégulières et diffuses telles que les éoliennes domestiques, hydroliennes, fermes éoliennes, panneaux solaires domestiques, centrales solaires, petite hydraulique, les sources marémotrices, etc.
• Transferts facilités et optimisés de la production électrique sur de grande distance.

Bien que certaines technologies soient estampillées smart grid, le terme se réfère plutôt à un ensemble homogène de technologies qu'à un item précis.
L'émergence des réseaux intelligents est incitée par l'évolution des logiques législatives introduites par l'ouverture des marchés de fourniture d'électricité à la concurrence, ainsi, les apports précédents proviennent principalement du gestionnaire de réseau de distribution, mais d'autres apports des réseaux intelligents concernent directement les clients finaux en lien avec leur fournisseur d'énergie:

• Encourager le consommateur à consommer à l'heure ou l'énergie est la plus abondante (et la moins chère) et donc optimiser sa facture, à travers notamment des offres tarifaires nouvelles rendues possibles par le compteur intelligent (smart meter),
• Réaliser une "réponse en flux tendu" en fonction des besoins en consommation / production des utilisateurs, en consommant par exemple l'énergie produite à proximité de chez soi (panneaux photovoltaïques, Éoliennes, ...)

Efficacité

Selon le Département de l'Énergie des États-Unis, si les technologies de réseau intelligent rendaient le réseau électrique américain plus efficace de 5 %, cela équivaudrait à une économie en termes d'émission de gaz à effet de serre de 53 millions de voitures¹⁰, et l'amélioration du réseau grâce à ces technologies devrait permettre une économie de 46 à 117 milliards de dollars d'ici à 2023¹¹.
Selon une autre étude^12,13, l'Europe pourrait de son côté grâce à un « super-réseau intelligent » (SuperSmart Grid, SSG¹⁴) sécuriser son alimentation énergétique, en développant les énergies douces, renouvelables et décentralisées, tout en diminuant fortement ses contributions à l'effet de serre. Ce réseau permettrait même selon l'étude de basculer dès 2050 sur un réseau uniquement alimenté par des énergies propres, sûres et renouvelables¹⁵, un projet s'étendant jusqu'en 2011, bénéficiant de 10 millions d'euros dans le cadre du programme cadre européen¹⁶ et visant à étudier les impacts des changements climatiques en zone méditerranéenne et des solutions aux principaux problèmes posés.
À Taïwan, où le groupe Taiwan Power (en), principal énergéticien de l'île estime que le réseau intelligent est le seul moyen de « contourner la paresse humaine », ce dernier estime pouvoir faire économiser 10 %, rien qu'en gérant de manière automatique les équipements de veille, et 10 à 20 % supplémentaires en faisant de même avec la climatisation¹⁷.

Compteurs intelligents

L'expression smart grid est souvent associée au concept de compteur intelligent (smart meter) capable de donner une facturation par tranche horaire permettant aux consommateurs de choisir le meilleur tarif chez les différentes entreprises productrices, mais aussi de jouer sur les heures de consommation, permettant ainsi une meilleure utilisation du réseau électrique. Un tel système permettrait aussi de cartographier plus finement les consommations et de mieux anticiper les besoins, à l'échelle locale.
En France par exemple, Linky¹⁸, le compteur intelligent d'ERDF sera une véritable révolution pour développer le concept Smart grid. Associé aux équipements de la maison communicante, en particulier certaines box ou gestionnaires d'énergie chez les usagers, il devrait permettre de généraliser le pilotage tarifaire des équipements de l'habitat pour faciliter la gestion de la production et de la charge électrique qui transite sur les réseaux (exemple : pilotage de la charge des véhicules électriques, du chauffage électrique par radiateurs électriques ou pompes à chaleur, de la climatisation, pilotage de la mise en marche des machines à laver ou des sèche-linge, ...).
Des prises intelligentes ou ploggs, éventuellement gérées par des logiciels de type middleware, permettent de doter les appareils non communicants de fonctions de communication simples.
Les grandes entreprises du secteur de l'informatique, comme Google et Microsoft¹⁹, travaillent sur ces compteurs intelligents pour en faire des interfaces de suivi (tableaux de bord) de la consommation. L'utilisateur peut alors connaître le détail de sa consommation, par pièce, par interrupteur, par période, par type d'équipements, et connaître les postes sur lesquels des économies d'énergie sont possibles²⁰.
Pour accompagner le développement des Smart Grids, et faciliter l'intégration des énergies solaires et éoliennes sur les réseaux, deux nouvelles normes d'interopérabilité entre les appareils et terminaux et les réseaux électriques intelligents ont été lancées en 2012 par l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute) et l’Esna (Energy Services Network Association), pour la zone de l'Union européenne²¹. L’« Open Smart Grid Protocol » est une nouvelle couche de protocole de communication standard et le « BPSK Narrow Band Power Line Channel for Smart Metering Applications » précise le mécanisme de contrôle du réseau à travers une « ligne électrique haute performance à bande étroite ».

Acceptabilité par le public et enjeux économiques

Ce réseau, s'il se développe, donnera aux opérateurs des informations indirectes et directes sur la vie privée (horaires et activité des habitants). Néanmoins sa capacité annoncée à améliorer le rendement énergétique et à générer des économies sur les factures individuelles, semblent faciliter son acceptation par le public. Cette acceptation par les utilisateurs est d'autant plus importante qu'une partie des bénéfices du smartgrid en dépend²², mais elle reste à démontrer. C'est pourquoi en France, l'ADEME, sous l'impulsion du Ministère du développement durable, a lancé des appels à manifestations d'intérêts²³ courant 2009 visant à démontrer l'efficacité énergétique apportée par le concept smart grid tout en favorisant l'intégration des énergies renouvelables distribuées. Les projets attendus devront être en cohérence avec la Feuille de Route « réseaux et systèmes électriques intelligents intégrant les énergies renouvelables »²⁴, les principaux objectifs doivent : favoriser l'intégration des énergies renouvelables sur les réseaux de distribution; participer à l'amélioration de l'efficacité énergétique, développer de nouveaux modèles d'affaires pour la vente de l'énergie, et enfin intégrer le compteur intelligent comme vecteur technologique et économique pour faciliter la gestion active de la demande.
Par ailleurs un des thèmes du grand emprunt 2010 traite des réseaux intelligents, et vise notamment à satisfaire les engagements du Grenelle 2 à travers le développement des réseaux intelligents et son impact sur le grand public (amélioration énergétique, bilan économique long terme...). Les attributions de l'ADEME et celles issues du grand emprunt sont prévues pour fin 2010 début 2011, et devraient concerner les grands acteurs de l'énergie : producteurs, gestionnaires des réseaux de distribution, commercialisateurs, mais aussi industriels, institutions, universités...
Après que le président Obama ait annoncé un investissement de 3,4 milliards de dollars pour la transition Spur Energy Smart Grid et le financement d'un large éventail de technologies qui visent à stimuler la transition vers un réseau électrique intelligent et efficient, deux sondages montraient fin 2009 que la population des États-Unis souhaitait que les producteurs d’électricité fassent plus appel aux sources renouvelables (25 % d'ici 2025) pour l’électricité²⁵, ce qui demande un réseau plus souple et intelligent et que 74 % des américains se disaient prêts à modifier leur comportement via de nouvelles technologies pour économiser l’énergie, si leur facture d’électricité était allégée, et souhaitaient à 88 % que les autorités investissent dans de nouvelles technologies²⁵.

Aspects financiers

Les réseaux de distribution directement concernés par le concept smart grid ont été conçus initialement pour distribuer l'énergie de l'amont vers l'aval ("des centrales vers les consommateurs"). Avec la production décentralisée (photovoltaïque, éolien...) et avec la modification des utilités (véhicule électrique), la donne est en train de changer. L'émergence des smart grids fait apparaître ainsi de vraies questions financières pour définir à qui profite ces nouvelles technologies :

• à l'utilisateur final ? Peut être à condition que les fournisseurs d'énergie parviennent à facturer l'énergie consommée en tenant compte que cette énergie provient du panneau photovoltaïque du quartier par exemple, les tarifs d'acheminement du distributeur évolueront probablement,

• au gestionnaire de réseau de distribution (principalement ERDF en France) ? peut-être, si ce dernier redéfinit une nouvelle politique d'investissements visant à ne pas développer de nouveaux réseaux en profitant des producteurs décentralisés, en jouant sur la courbe de charge à travers les compteurs intelligents, en appliquant de nouvelles règles pour par exemple "délester" des appareils chez l’utilisateur (exemple machine à laver, véhicule électrique, ...)

• aux industriels, si un nouveau marché apparait, en associant notamment les acteurs de l'électrotechnique, et les acteurs des télécommunications,

• aux institutions, si l'efficacité énergétique proposée par le smart grid devient réelle et permet de satisfaire la politique énergétique définie par les gouvernements

• aux fournisseurs d'énergie, s'ils parviennent à maitriser parfaitement l'équation offre-demande de leurs utilisateurs en pilotant notamment des charges électriques en aval du compteur (ce qui sera sans doute possible avec le compteur intelligent)

L'équation économique n'est donc pas encore définie, les démonstrateurs de l'ADEME viendront éclairer les autorités sur les choix les plus pertinents.
Le smart grid étant un concept novateur, les références restent à bâtir, il existe de nombreux articles sur le sujet, mais le concept varie d'un pays à l'autre, seul le réseau de distribution est toujours au centre de la problématique.

Prospective

Avec le développement de l'internet conjoint à l'apparition de compteurs d'eau et compteurs de gaz intelligents, Des prospectivistes comme Jeremy Rifkin prévoit l'émergence proche d'un internet de l'énergie, qui pourrait également s'étendre aux réseaux et systèmes de transports intelligents promus par l'Europe notamment26

Exemples de mesures des champs électriques des lignes haute tension

Exemples de mesures des champs électriques des lignes haute tension
 

CHAMP ÉLECTRIQUE 50 Hz mesuré en Volts/m au  niveau du sol
Tension	Hauteur des conducteurs les plus bas	sous les conducteurs	à 30 m de l'axe	à 100 m de l'axe
Ligne THT 400 kV	12 m	6 000	2 000	200
Ligne THT 225 kV	9,5 m	4 000	400	40
Ligne HT 63 kV	8,5 m	1 1000	100	10
Ligne MT 20 kV	6m	250	15	<10
Ligne TB 220 V	6m	1,5	<1	<1
Source: DGEMP et DGS. Champs électromagnétiques et lignes électrique, 1994, cité dans  le guide de l'habitat sain, p.62

L'intensité des champs électriques et magnétiques diminue approximativement en fonction de carré de la distance. Si on triple la distance à la source, leur intensité est divisée par neuf.

Les lignes électriques très haute tension THT

Quelles distances de sécurité par rapport aux lignes Electriques ?

Le réseau français (qui se situe à 65 % en milieu agricole et à 15 % en milieu forestier) compte près de 100000 km de lignes à très haute, haute et moyenne tension, et 100 000 pylônes qui dépassent parfois 55 m de hauteur pour acheminer l'électricité à partir des centrales thermiques ou nucléaires vers les différents points d'utilisation. Un quart des lignes sont en 400 000 volts, un quart en 225 000 volts et le reste en haute tension (63 000 et 90 000 volts, selon les déclarations de M. Dominique Maillard, président de RTE, le 29 janvier 2009).

Même s'il existe des distances minimales pour surplomber des bâtiments : 4,7m pour une ligne THT 225 000 volts et 6m pour une ligne de 400 000 volts. Ces distances de sécurité face au risque d'incenndie ne peuvent être confondues avec un éloignement de précaution pour la santé.

Émetteur de CEM		Distance de sécurité
Ligne BT de 380 V		5 à 10m
Ligne MT de 20 000 V		20m
Ligne HT de 63 000 V			80m
Ligne HT de 90 000 V				100m
Ligne THT de 225 000 V					200 m
Ligne THT de 400 000 V						350 m
	Il faut en moyenne s'éloigner de 1 mètre pour 1000 Volts.

Automates et dispositifs du plan de défense

1)      RELAIS A MINIMUM DE FREQUENCE :

·         Seuils de fréquence a afficher : cinq seuils entre 49.5 et 48 Hz

·         Action : Délestage d’une consommation (départs 60kv en antenne et départ 22kv)

2)    RELAIS A MINIMUM DE TENSION

·         Asservi a la tension THT pour déclencher une consommation (départs 60kv en antenne et départ 22kv)

3)    RELAIS MAXIMUM et MINIMUM de TENSION THT 

·         MAX U 225KV : déclenchement disjoncteur concerne 120% 30s – 140% 3s

·         MIN   U 225KV : Alarme uniquement  instantané

4)    PROTECTION  DE SURCHARGE  DES TRANSFORMATEURS 225/60/11KV

5)      PROTECTION AMPERMETRIQUE A DOUBLE SEUIL

            (sauf pour le poste Ennakhil )

6)    RELAIS DE TELEDELESTAGE

·         Associe a l’IME (départs 60kv en antenne et transformateurs 60/22kv )

7)    AUTOMATES DE REPRISE DE SERVICE

·         Reenclencheurs et MU sur tous les départs 225kv et 60kv

8)    PROTECTION DE SURCHARGE DES TRANSFORMATEURS 225/60/11KV

·         1^er SEUIL : 110% Alarme instantané

·         2eme SEUIL : 120% 20mn : délestage de l’équivalent de 20% de la charge des transformateurs en service (départ 60kv en antenne et départs 22kv)

·         3eme SEUIL : 140% 05s : délestage de l’équivalent de 40% de la charge des transformateurs en service (départ 60kv en antenne, départ 22kv ou transformateurs 60/22kv)

  9) RÉGULATION DE TENSION DES TRANSFORMATEURS 225/60/11KV

·         Régulation automatique (avec boîtier de marche en parallèle)

Tensions de consigne et fourchettes de réglage vous seront communiquées ultérieurement au niveau de chaque poste.

·         NB : pour les postes équipes de réactances 225kv ou 11kv, prévoir un automatisme d’enclenchement et de déclenchement de ces réactances en fonction de la tension 225kv ou 60kv selon le cas.

Qu’est-ce que la rupture de synchronisme ?

Le synchronisme et la rupture de synchronisme.

C’est le fonctionnement à la même fréquence de toutes les centrales interconnectées autour de 50 Hz .

Qu’est-ce que la rupture de synchronisme ?

C’est le fait qu’une centrale ou un groupe de centrales fonctionne durablement (quelques secondes) à une fréquence différente des autres centrales interconnectées sur le même réseau. Cela se produit dans certaines situations, comme par exemple à la suite d’un court-circuit ce dernier provoque des perturbations violentes, ressenties plus ou moins fortement par les alternateurs des centrales électriques en fonction de leur éloignement du lieu du court-circuit. En général, les perturbations sont rapidement éliminées par les dispositifs de protection installés sur le réseau. Mais pour les centrales situées à proximité du lieu du court-circuit, ce dernier induit une accélération temporaire de la vitesse de rotation des alternateurs et donc de la fréquence locale du réseau.

En général, les alternateurs qui subissent des oscillations se désynchronisent légèrement du reste du réseau avant de se re-synchroniser sur la fréquence générale du réseau. Si le lien électrique (lignes du réseau) entre le groupe subissant la perturbation et le reste du réseau n’est pas assez puissant et si, malgré l’action des dispositifs de régulation de la centrale, les alternateurs ne parviennent pas à se recaler sur la fréquence du réseau général, alors il y a rupture de synchronisme.

Quelles sont les conséquences de la rupture de synchronisme ?

La tension observée en certains points du réseau se met à osciller (clignotement des ampoules chez le consommateur, vibrations et échauffements des moteurs industriels et dans les appareils domestiques pouvant aller  jusqu’à l’arrêt…).Dans les centrales, des contraintes mécaniques apparaissent sur les matériels, notamment des contraintes vibratoires et de torsion des arbres des  machines, qui peuvent détériorer les matériels.

Si le phénomène se prolonge, des automatismes installés sur le réseau réagissent et  découpent le réseau suivant des zones prédéfinies de manière à isoler la zone en rupture de synchronisme. Cela évite la propagation du phénomène ainsi que la détérioration des groupes turboalternateurs des centrales.

Si le déséquilibre entre production et consommation dans la zone découpée est trop important, il y a un risque que les groupes de production se déconnectent du réseau, ce qui entraîne la mise hors tension  de la zone (« blackout » localisé de la zone).