La centrale électrique virtuelle de Tesla : transformer le réseau énergétique mondial

Considérez le réseau électrique. Il couvre la majeure partie du monde. Son existence et sa fiabilité ont défini le monde moderne bien plus longtemps que la plupart d'entre nous n'ont été en vie. Nous devons la plupart, sinon la totalité, d'un siècle de nouvelles technologies au réseau.

Le réseau ne peut fonctionner aujourd'hui que grâce à des millions d'appareils sophistiqués et interconnectés travaillant ensemble selon des schémas complexes. Pourtant, il est conçu pour une production centralisée avec un nombre minimal de points de contrôle, et il repose sur les combustibles fossiles — des concepts tous ancrés dans le 20e siècle.

À quoi ressemblerait le réseau électrique s'il était redessiné aujourd'hui depuis zéro ? C'est la question à laquelle les ingénieurs de Tesla, Colin Breck et Percy Link, se sont récemment attaqués. Leur réponse implique de construire une résilience immense grâce aux technologies open source et aux jumeaux numériques. Ils ont partagé leurs idées lors d'une récente conférence au Royaume-Uni.

À mesure que davantage d'énergies renouvelables sont intégrées au réseau existant, les calculs complexes d'offre et de demande deviennent plus difficiles à réaliser avec la précision requise. Un degré de contrôle est perdu, et la production devient plus difficile à prévoir.

Dans les endroits où l'énergie éolienne et solaire est déjà courante, les batteries ont contribué à atténuer ces problèmes. Elles peuvent répondre très rapidement aux pics et creux d'utilisation inattendus, se chargeant et se déchargeant selon les besoins.

« Cette réponse rapide est en fait une innovation, une opportunité d'être meilleur que l'ancien réseau », déclare Link. « Ce n'est pas seulement un compromis. »

Les batteries sont au cœur de la réinvention du réseau par ces ingénieurs. En plus de créer des batteries géantes de la taille des centrales à charbon ou à gaz existantes, ils ont également proposé d'exploiter la puissance de batteries plus petites installées dans les foyers et les entreprises — batteries plus généralement utilisées pour la production solaire privée ou l'alimentation de secours.

« Nous pouvons agréger des foyers et des entreprises dotés de ces batteries plus petites et de panneaux solaires en centrales électriques virtuelles », explique Link.

L'architecture de centrale électrique virtuelle (VPP) repose sur des ressources énergétiques distribuées — les batteries en sont un exemple, mais l'éolien et le solaire sont également fréquemment utilisés. Un réseau de ces ressources met en commun leur production d'énergie avec une flexibilité accrue et une disponibilité plus élevée.

Dans la centrale électrique virtuelle de Tesla, des modèles de jumeaux numériques représentent divers actifs de l'Internet des objets (IoT) dans le système, ainsi que leurs états actuels et leurs relations. Le logiciel de modélisation de jumeaux numériques repose sur deux projets open source clés : Kubernetes et Akka.

« L'association d'Akka et de Kubernetes est vraiment fantastique », déclare Breck. « Kubernetes peut gérer les pannes et la mise à l'échelle à gros grain, ce qui inclut la mise à l'échelle des pods, l'exécution de sondes de vivacité, ou le redémarrage d'un pod en échec avec un recul exponentiel. Ensuite, nous utilisons Akka pour gérer les pannes à grain fin comme la coupure de circuit ou la relance d'une requête individuelle, et pour modéliser l'état d'entités individuelles, comme le fait qu'une batterie se charge ou se décharge. »

Lors de la modélisation d'un jumeau numérique dans Akka, chaque site de modélisation est représenté par un acteur. Comme l'explique TechRepublic, « Le programmeur se concentre sur la modélisation d'un site individuel dans un acteur, puis l'exécution Akka gère la mise à l'échelle vers des milliers ou des millions de sites. C'est une abstraction très puissante pour l'IoT en particulier, éliminant essentiellement les soucis liés aux threads, aux verrous ou aux bugs de concurrence. »

Grâce aux modèles de jumeaux numériques, un ingénieur peut interagir avec des représentations en temps quasi réel de relations et d'états extrêmement complexes au sein des systèmes, même lorsque l'image complète n'est pas disponible.

« L'incertitude est inhérente aux systèmes IoT distribués, nous devons donc l'accepter dans le modèle de données, dans la logique métier, et même dans l'expérience client, plutôt que d'essayer de l'éviter », déclare Breck. « Représenter les relations physiques et virtuelles entre les appareils IoT, surtout lorsqu'elles évoluent dans le temps, est le problème le plus difficile de l'IoT, croyez-moi, mais c'est essentiel pour créer un excellent produit. »

L'optimisation conjointe d'objectifs locaux et globaux était un autre défi. Les petites batteries appartenant à des particuliers ne doivent pas s'épuiser, au cas où le propriétaire aurait besoin de les utiliser de manière inattendue, mais les besoins d'équilibrage en temps réel du réseau doivent toujours être satisfaits.

« L'optimisation distribuée n'est possible que parce que Tesla construit son propre matériel et a un contrôle total sur le firmware et le logiciel », déclare Link. « Cela permet une itération rapide entre l'intelligence locale et centrale et la façon dont elles interagissent, et cette collaboration est inter-équipes plutôt qu'inter-entreprises. » L'intégration verticale du matériel, du firmware et du logiciel a posé le cadre d'une solution plus résiliente avec un algorithme distribué pour aider les appareils à agir raisonnablement lors de pannes de communication inévitables.

La centrale électrique virtuelle de Tesla est un exemple privilégié de convergence technologie de l'information/technologie opérationnelle (IT/OT), l'un des sujets les plus pressants de l'industrie de l'automatisation aujourd'hui. L'informatique distribuée et l'Internet industriel des objets (IIoT) ont aidé Tesla à assurer la résilience du réseau et à résoudre certains des problèmes d'ingénierie rencontrés dans la transition vers les énergies renouvelables.

Pour approfondir le développement de la plateforme énergétique Tesla, la participation algorithmique aux marchés de l'énergie en utilisant la plus grande batterie du monde, et les défis réels de la création de la première centrale électrique virtuelle de Tesla, vous pouvez lire la transcription complète de la présentation de Breck et Link.