Réseau intelligent pour un approvisionnement en électricité stable et fiable

La plus grande simulation jamais réalisée en son genre, calquée sur le réseau électrique du Texas, a conclu que les consommateurs pourraient économiser environ 15 % sur leurs factures d'électricité annuelles en s'associant aux services publics. Dans ce système, les consommateurs se coordonneraient avec leur opérateur de services publics d'électricité pour contrôler de manière dynamique les gros consommateurs d'énergie, tels que les pompes à chaleur, les chauffe-eau et les bornes de recharge pour véhicules électriques.

Ce type de contrôle flexible sur les modèles d'approvisionnement et d'utilisation de l'énergie est appelé «transactif» car il repose sur un accord entre les consommateurs et les services publics. Mais un système énergétique transactif n'a jamais été déployé à grande échelle, et il y a beaucoup d'inconnues. C'est pourquoi le Bureau de l'électricité du ministère de l'Énergie a fait appel aux experts en énergie transactive du Pacific Northwest National Laboratory pour étudier comment un tel système pourrait fonctionner dans la pratique.

Hayden Reeve, expert en énergie transactionnelle et conseiller technique du PNNL, a dirigé une équipe d'ingénieurs, d'économistes et de programmeurs qui ont conçu et exécuté l'étude.

"Parce que le réseau du Texas est assez représentatif du système énergétique du pays, il a non seulement permis la modélisation et la simulation de concepts transactifs, mais a également fourni une extrapolation fiable des résultats et des impacts économiques potentiels sur le réseau et les clients américains au sens large", a-t-il déclaré.

La simulation a montré que si un système énergétique transactif était déployé sur le réseau électrique du Conseil de la fiabilité électrique du Texas (ERCOT), les charges de pointe seraient réduites de 9 à 15 %. Ces économies pourraient se traduire par des avantages économiques pouvant atteindre 5 milliards de dollars par an rien qu'au Texas, ou jusqu'à 50 milliards de dollars par an s'ils sont déployés sur l'ensemble des États-Unis continentaux. Les économies équivaudraient à la production annuelle de 180 centrales électriques au charbon à l'échelle nationale.

À l'heure actuelle, la plupart des gens ont vécu ou été témoins de la façon dont les conditions météorologiques extrêmes ou les catastrophes naturelles peuvent faire des ravages sur nos systèmes de distribution d'électricité. Cette vulnérabilité est amplifiée par notre dépendance à quelques sources d'énergie centralisées et à un système de réseau qui a parfois du mal à faire correspondre l'offre à la demande. De plus, la décarbonation du réseau électrique signifiera que de plus en plus d'électricité proviendra de différents types de sources d'énergie renouvelables, comme l'éolien et le solaire. Il est donc primordial d'éviter les pics ou les baisses soudaines (bruns ou black-outs).

Les résultats de l'étude indiquent qu'un système énergétique transactif réduirait les variations de charge quotidiennes de 20 à 44 %. Et à mesure que de plus en plus de véhicules électriques sont utilisés, l'étude a montré que les bornes de recharge intelligentes pour véhicules offrent des réductions encore plus importantes de la charge de pointe électrique, car elles offrent une flexibilité supplémentaire dans les temps de recharge programmés et la consommation d'énergie.

"Un réseau intelligent peut agir comme un amortisseur, en équilibrant les inadéquations entre l'offre et la demande", a déclaré Reeve.

Un élément clé de cette stratégie est l'adoption d'appareils intelligents et de contrôles de charge. Ces ressources dynamiques peuvent apprendre à consommer l'énergie plus efficacement, en ajustant leur utilisation pendant de brèves périodes afin de libérer de l'électricité pour d'autres besoins. Par exemple, au lieu de recharger un véhicule électrique en début de soirée lorsque la demande et le prix de l'énergie sont élevés, les participants à l'énergie transactionnelle s'appuieraient sur un contrôle intelligent de la charge pour retarder la recharge de leur véhicule jusqu'à ce que la demande soit faible et que l'électricité soit moins chère. Cette approche réduit non seulement la pression sur l'infrastructure de réseau existante, mais elle donne également aux services publics plus de temps pour planifier l'infrastructure de stockage et de distribution d'énergie de nouvelle génération actuellement en développement.

Dans un système énergétique transactif, le réseau électrique, les maisons, les bâtiments commerciaux, les appareils électriques et les bornes de recharge sont en contact permanent. Les appareils intelligents reçoivent une prévision des prix de l'énergie à différents moments de la journée et élaborent une stratégie pour répondre aux préférences des consommateurs tout en réduisant les coûts et la demande globale d'électricité. Un marché de détail local coordonne à son tour la demande globale avec le marché de gros plus vaste. Toutes les parties négocient les niveaux d'approvisionnement et de consommation d'énergie, les coûts, les délais et la livraison dans le cadre d'un système de tarification dynamique.

Ce concept est déjà déployé dans un projet de démonstration dans l'éco-district de la ville de Spokane. Ici, l'équipe de recherche développe et teste un schéma de coordination de l'énergie transactionnelle et un marché de détail. L'approche comprend également l'utilisation d'agents logiciels transactifs conçus par PNNL.

Le réseau électrique primaire du Texas (ERCOT) a servi de base à l'analyse plus large du PNNL. Les chercheurs ont créé des modèles très détaillés qui représentaient le réseau électrique ERCOT, y compris plus de 100 sources de production d'électricité et 40 services publics différents fonctionnant sur le système de transmission. L'analyse comprenait également des représentations détaillées de 60 000 foyers et entreprises, ainsi que de leurs appareils énergivores.

Les chercheurs ont utilisé les modèles pour effectuer plusieurs simulations dans divers scénarios de production d'énergie renouvelable. Chaque simulation a démontré comment le système énergétique réagirait à l'ajout de différentes quantités de sources d'énergie intermittentes, telles que l'éolien et le solaire. L'équipe de recherche a également développé un modèle économique détaillé pour comprendre les impacts annuels des coûts pour les opérateurs et les clients. Enfin, ils ont examiné les coûts initiaux associés aux dépenses de main-d'œuvre et de logiciels, ainsi que les coûts d'achat et d'installation d'appareils intelligents dans les foyers et les entreprises.

Un autre objectif important de l'étude consistait à évaluer l'impact d'un nouveau type de médiateur dans l'économie de réseau. Cette entité, appelée gestionnaire de réseau de distribution, serait tenue de gérer un réseau comportant plusieurs sources d'énergie détenues et exploitées par des entités distinctes, toutes contribuant à l'énergie du réseau à des moments et à des quantités différents. De plus, ce gestionnaire de réseau de distribution négocierait les transactions avec les clients qui permettent un contrôle flexible de la charge.

Dans l'ensemble, la recherche du PNNL a montré des avantages évidents à réimaginer comment le réseau électrique pourrait s'adapter à un avenir où l'énergie renouvelable propre est un contributeur beaucoup plus important et où une plus grande partie de nos besoins de transport dépendent d'un accès facile à l'électricité.