Smart Grids
Au-delà du concept, comment rendre les réseaux plus intelligents
Gilles Guerassimoff et Nadia Maïzi
Sommaire6
Avant-propos7
Introduction générale11
Partie I : Origines, concepts et déclinaisons des réseaux intelligents15
Chapitre I - Histoire des systèmes électriques et émergence des Smart Grids dans les pays industrialisés17
I - 1. Introduction19
I - 2. Histoire du déploiement des systèmes électriques20
I - 2.1 Débuts de l'électricité et émergence des réseaux
20
I - 2.2 Le mouvement de nationalisation de l'après-guerre
22
I - 2.3 La dérégulation du système électrique
24
I - 2.4 La situation actuelle : quel héritage ?
26
I - 3. Les limites du réseau actuel29
I - 3.1 Une infrastructure vieillissante
30
I - 3.2 La demande électrique, un paradigme en pleine évolution
32
I - 3.3 Intégrer la production d'électricité décentralisée
36
I - 3.4 Vers une mutation offerte par les NTIC
38
I - 4. Derrière le concept de Smart Grids38
I - 4.1 Quels bénéfices attendus pour les Smart Grids ?
42
I - 5. Conclusion46
I - 6. Références Bibliographiques47
Chapitre II - Smart Grids : Quelles potentialités pour les économies émergentes ?53
II - 1. Introduction54
II - 2. Les Smart Grids dans les pays émergents55
II - 2.1 La politique indienne de développement du système électrique
55
II - 2.2 Le projet Bangalore, un projet pilote de réseau intelligent dans le sud de l'Inde
58
II - 3. Les Smart Grids, une solution pour renforcer la fiabilité du réseau dans les zones urbaines des pays émergents et des pays en développement63
II - 3.1 Lutter contre les pertes non techniques
63
II - 3.2 Les Smart grids : un outil pour Améliorer la fiabilité des réseaux
67
II - 4. Conclusion72
II - 5. Références Bibliographiques73
Chapitre III - Instruments et mesures d'accompagnement économique, réglementaire et politique des Smart Grids en Europe77
III - 1. Introduction79
III - 2. Europe : acteurs, cadre réglementaire, projets en cours79
III - 2.1 Un foisonnement d'acteurs pour porter la réflexion européenne
79
Les acteurs industriels80
Les acteurs institutionnels européens81
Les acteurs publics d'état82
III - 2.2 L'émergence d'un cadre réglementaire dédié
83
III - 2.3 Outils et moyens d'action directe pour l'europe
85
III - 3. Déclinaison Nationales : le cas de la France88
III - 3.1 Les acteurs institutionnels et les modes d'action de l'etat
88
Les acteurs institutionnels88
Le point sur deux outils de l'Etat : la PPI et les AMI90
III - 3.2 Un cadre législatif, réglementaire et normatif à faire évoluer
93
III - 4. Au Niveau Local : les projets de démonstration96
III - 4.1 Le partenaire financier
96
III - 4.2 Les soutiens politiques
97
Conseil Régional97
Conseil Général97
Communauté Urbaine97
Commune97
III - 4.3 Les soutiens industriels
98
Les partenaires industriels98
Pôle de compétitivité99
Chambre de Commerce et d'Industrie99
III - 4.4 Les particuliers
100
Les participants100
Les associations locales100
III - 4.5 Un exemple concret : le projet Myrte
101
Caractéristiques du projet101
Les obstacles à surmonter102
Conclusion103
III - 5. Conclusion103
III - 6. Références Bibliographique103
Partie II : Stockage et Smart Grids, des complémentarités à exploiter109
Chapitre IV - Utilités et applications du stockage : de la production à la consommation111
IV - 1. Introduction112
IV - 2. Définitions112
IV - 2.1 Energie et puissance
112
Energie112
Puissance113
Choix de la grandeur113
IV - 2.2 Définitions complémentaires
113
Temps de charge / décharge113
Constante de temps114
Temps de réponse114
Taux de rampe114
Puissance en régime sinusoïdal114
Qualité de l'énergie délivrée116
IV - 3. Intêret du stockage dans le réseau117
IV - 3.1 Les moyens de production
117
Aspect économique117
Amélioration de la sécurité d'approvisionnement121
IV - 3.2 Les ouvrages de transport et de distribution (T&D)
123
Surdimensionnement des réseaux et report des investissements124
Réduire les pertes en ligne124
Réglage de la tension125
Applications spécifiques au réseau de transport126
Applications spécifiques au réseau de distribution129
IV - 3.3 Intérêt du stockage pour l'utilisateur
131
Qualité de l'électricité132
Sécurité d'approvisionnement132
Gestion de la consommation133
Compensation réactive et perturbations135
IV - 3.4 L'intégration des énergies intermittentes et décentralisées
136
Diminuer l'impact sur le réseau136
Gérer et valoriser l'injection dans le réseau138
Le cas particulier des zones isolées et autonomes (systèmes insulaires)141
IV - 4. Matrice des synergies / Localisations des moyens de stockage142
IV - 4.1 Considérations techniques et positionnement des technologies
142
1.1.1 Mutualisation des applications
147
IV - 4.2 Technologies de stockage et applications
148
IV - 5. Références Bibliographiques152
Chapitre V - Panorama des technologies de stockage157
V - 1. Introduction aux différents modes de stockage157
V - 2. Définitions des termes propres au stockage de l'énergie161
¤ La capacité énergétique de stockage161
¤ La puissance disponible (charge/décharge)161
¤ La densité d'énergie (volume et masse)161
¤ La densité de puissance (volume et masse)161
¤ Le taux d'autodécharge161
¤ La profondeur de décharge162
¤ La cyclabilité162
¤ La durée de vie162
¤ Le rendement162
Le rendement faradique162
Le rendement énergétique162
¤ L'Empreinte énergétique162
V - 3. Technologies de stockage d'énergie électrique pour des utilisations électriques163
V - 3.1 Stockage sous forme d'énergie potentielle
163
Les stations de transfert d'énergie par pompage163
Le stockage d'énergie sous forme d'air comprimé165
V - 3.2 Stockage sous forme d'énergie cinétique
171
V - 3.3 Stockage sous forme d'énergie électrique
175
V - 3.4 Stockage sous forme d'énergie magnétique
177
V - 3.5 Stockage sous forme d'énergie électrochimique
179
Principes179
Les accumulateurs électrochimiques181
Batteries « Chaudes » sodium/souffre et redox flow186
V - 3.6 Stockage sous forme d'énergie chimique
190
L'hydrogène électrolytique190
V - 3.7 Stockage sous forme d'énergie thermique : Stockage d'Electricité par Pompage Thermique (SEPT)
194
V - 4. Technolgies de stockage d'énergie électrique pour des utilisations gazières et la production de carburants liquides197
V - 4.1 L'hythane®
197
V - 4.2 L'hydrogénation du CO2
199
Synthèse de gaz naturel199
Le procédé Fischer - Tropsch « gas to liquid » (GTL) et « biomass to liquid » (BTL)200
V - 5. Technologies de stockage d'énergie électrique pour des utilisations thermiques201
V - 5.1 Stockage d'énergie par chaleur sensible
201
Les chauffe-eau électriques202
Stockage d'eau glacée203
V - 5.2 Stockage d'énergie par chaleur Latente
205
V - 6. Technologies de stockage d'énergie thermique pour des utilisations électriques ou en cogénération208
V - 6.1 Stockage à haute température
208
V - 6.2 Stockage à basse température : procédé SAED
211
V - 7. Technologies de stockage d'énergie thermique pour des utilisations thermiques213
V - 7.1 Stockage d'énergie par chaleur sensible
213
La production d'eau chaude sanitaire solaire (ECS)213
Stockage saisonnier214
Stockage journalier215
V - 7.2 Stockage d'énergie thermique par voie thermochimique :
216
V - 8. Conclusion217
V - 9. Tableaux récapitulatifs218
V - 10. Références Bibliographiques222
Chapitre VI - Stockage et Smart Grids : Quelle gestion de l'information ?233
VI - 1. Smart Grids et stockage : repenser la conduite du système électrique234
VI - 1.1 Le nouveau paradigme de contrôle offert par le Smart Grid
234
La conduite du réseau aujourd'hui234
Les limites actuelles et les apports du Smart Grid234
Vers un internet de l'énergie235
VI - 1.2 Modéliser : une nécessité
236
VI - 1.3 la conduite du réseau : le cas du stockage
238
Contrôle centralisé des unités de stockage238
Contrôle local des unités de stockage239
Contrôle primaire des unités de stockage240
VI - 2. Microgrids242
VI - 2.1 L'émergence du concept de Microgrids et son développement
242
Insérer les microgrids dans le réseau actuel243
Rôles du MGCC et Spécificités du mode îloté244
Coordination de microgrids et mode connecté245
VI - 2.2 Microgrid à intelligence décentralisée - Système Multi-Agent
246
Agent, Multi-Agent et réseau électrique247
Architecture248
L'exemple du microgrid de l'île de Kythnos248
VI - 3. Conclusion249
VI - 4. Références Bibliographiques250
Partie III : Les Smart Grids vus d'ailleurs253
Chapitre VII - Le cas des Etats-Unis : Les réseaux intelligents comme vecteur de modernité255
VII - 1. Introduction257
VII - 2. Le paysage électrique aux Etats-Unis258
VII - 2.1 Historique et état actuel du réseau
258
VII - 2.2 Architecture du réseau Américain
259
VII - 2.3 Quelle valeur ajoutée pour le Smart-Grid ?
260
VII - 2.4 Un enjeu stratégique et politique
261
2007 - EISA (Energy Independence and Security Act)262
2009 - ARRA (American Recovery and Reinvestment Act)262
2011 - Continuité des investissements263
VII - 3. Stockage : Challenges et évolutions du réseau264
VII - 3.1 Entre optimisation et stabilité
264
VII - 3.2 Les énergies renouvelables et le véhicule électrique
266
Le renforcement des interconnexions267
Les micro-réseaux aux Etats-Unis268
Le véhicule électrique au sein de la Smart Grid269
VII - 4. Modèle économique, régulation et standards270
VII - 4.1 Standards et régulation
270
Standards : le NIST au travail270
Un cadre législatif en pleine mutation270
VII - 4.2 La dérégulation des marchés de l'électricité
271
VII - 4.3 Evolution des marchés de l'électricité
273
Quel potentiel pour le demand response ?273
Les agrégateurs au coeur des marchés274
VII - 5. Conclusion277
VII - 6. Références Bibliographiques278
Chapitre VIII - Le cas du Japon : Accompagner la transition énergétique283
VIII - 1. La situation énergétique au Japon284
VIII - 2. Le secteur électrique japonais285
VIII - 2.1 Premiers développements et apparition des GENERal electric utilities (geU)
285
VIII - 2.2 Le marché régulé entre 1951 et 1995
286
VIII - 2.3 Libéralisation graduelle du marché
286
VIII - 3. Le Réseau électrique289
VIII - 3.1 Caractéristiques physiques
289
VIII - 3.2 Le problème des congestions interrégionales
291
VIII - 3.3 Spécificités de la courbe de charge et stockage hydraulique
294
VIII - 4. Des Smart Grids pour une énergie verte295
VIII - 4.1 Vers une transition énergétique ?
295
VIII - 4.2 La vision japonaise des Smart Grids
297
VIII - 4.3 Projets Smart Communities au Japon
299
VIII - 4.1 Efforts de standardisation
301
VIII - 4.2 Projets Smart Grids et stockage au Japon réalisés par le NEDO
301
VIII - 4.3 Les efforts de recherche et développement en matière de stockage au Japon (Aki, 2011)
303
VIII - 5. Conclusion305
VIII - 6. Références Bibliographiques306
Partie IV : Enjeux et opportunités309
Chapitre IX - Quelles perspectives pour le développement des Smart Grids ?311
IX - 1. Introduction : L'histoire du ballon à accumulation312
IX - 2. Les défis sociologiques du déploiement des Smart Grids313
IX - 2.1 Faciliter l'acceptation d'une nouvelle technologie
313
IX - 2.2 Faire émerger de nouveaux usages
315
IX - 2.3 Le role primordial du levier tarifaire : exemple du V2G
317
IX - 2.4 Conclusion
319
IX - 3. Les défis économiques des Smart Grids et du stockage320
IX - 3.1 Des marchés efficaces : Valoriser le stockage pour servir le réseau
320
IX - 3.2 Comment protéger les consommateurs
322
IX - 4. Normalisation - Standardisation - Réglementation324
IX - 4.1 Un besoin de composants interopérables
324
L'Europe entre libéralisme et protectionnisme325
IX - 4.2 Evolutions réglementaires et normatives pour des opportunités d'investissement
325
IX - 5. Tensions sur les ressources327
IX - 5.1 Une maîtrise de la filière intégrée de l'amont à l'aval
327
IX - 6. Conclusion332
IX - 7. Références Bibliographiques332
Partie V : Annexes339
Annexe A : Le paysage électrique en France341
La production d'électricité en France
341
La classification des moyens de production342
Le transport et la distribution de l'électricité
343
La consommation électrique
345
L'équilibre entre production et consommation
346
Gestion des risques : réserves primaire, secondaire et tertiaire
347
Références Bibliographiques
349
Annexe B : Marchés et tarifications de l'électricité351
Les marchés de l'électricité et la formation des prix
352
Les différents types de prix de marchés
357
Le marché des forwards
357
Le marché day-ahead
357
Le marché intraday
357
Le mécanisme d'ajustement
358
La tarification de l'électricité en France
358
Tarif TOU (Time of Use)
360
Tarif CPP (Critical Peak Pricing)
360
Tarif PTR (Peak Time rebate)
361
Références Bibliographiques
362
Annexe C : Les mécanismes de capacité365
Raisons de la mise en place d'un marché de capacité
365
Le retour d'expérience américain
366
Le cas français
369
Les caractéristiques du futur marché de capacité français
369
La polémique actuelle
369
Références Bibliographiques
371
Annexe D : Tensions sur les ressources : L'exemple du véhicule électrique373
Les matériaux utilisés dans la batterie Nickel Metal Hydrure
373
Les matériaux utilisés dans les batteries au lithium
374
Projections de la demande de métaux actifs pour les batteries
377
Références Bibliographiques
380
Table de matières générale381