Smart Grid de Paris Saclay
Tracé d'un réseau électrique
Notre projet à Paris-Saclay
Au sein du programme MIG (Métiers de l'Ingénieur Généraliste) de l'école Mines Paristech, il a été demandé à notre équipe une étude de l'intégration des smarts grids dans une zone géographique délimitée de Paris Saclay (voir ci-contre). Le projet, commandé par Enedis visait à nous faire étudier ces réseaux dits "intelligents" afin de voir dans quelle mesure ils pouvaient être économiquement viables.
Le développement récent de cette zone nécessite l’établissement d’un réseau électrique partant d’un poste source au Nord, et pouvant être connecté au réseau de l’Ecole Polytechnique déjà existant et actuellement surchargé.
Zone d'étude à l'Ouest de l'Ecole Polytechnique
L'objectif est de concevoir un réseau permettant l’alimentation en électricité du plateau
Le réseau électrique doit prendre en compte certains objectifs liés au développement durable. Dans notre étude nous avons envisagé plusieurs solutions relevant du concept de Smart Grid afin d’en évaluer la pertinence.
Le cahier des charges impose de concevoir un réseau à énergie positive, à ambition zéro carbone, intégrant 20% ou 100% de véhicules électriques et résiliant à la plupart des pannes.
Qu'est-ce qu'un Smart Grid ?
Le terme Smart Grid désigne un réseau électrique s'inscrivant dans un objectif d'économie d'énergie et de développement durable. Les Smarts Grids visent à réduire les coûts réseaux, en agissant par exemple sur la consommation des différents usagers, les pertes énergétiques et autres émissions (directes ou indirectes) de pollution.
Les solutions étudiées ici seront :
- Un moyen alternatif de charger les véhicules électriques
- L'installation d'une quantité importante de panneaux photovoltaïques
- L'utilisation de batteries
- Le vehicule-to-grid
- L'autoconsommation
LE fonctionnement des Réseaux électriques en France
Le réseau électrique français est constitué de 3 parties :
- Le réseau HTB, géré par RTE, est un réseau Haute Tension (plus de 50 kV), permettant de transporter sur de longues distances l'énergie produite par les centrales.
- Le réseau HTA, moyenne tension (1 à 50 kV), alimente certains industriels et achemine l'électricité jusqu'aux postes HTA/BT où la tension est encore abaissée.
- Le réseau BT, réseau basse tension géré par ENEDIS, permet l'approvisionnement en électricité des particuliers et des entreprises nécessitant une tension inférieure à 1000V.
Comment modéliser la consommation électrique ?
Le dimensionnement du réseau doit être adapté à son utilisation, en particulier la zone étudiée est dense et contient une variété de bâtiments nécessitant des puissances diverses. Par exemple un bâtiment d'une centaine de logements requiert une quantité d'énergie bien plus faible qu'un centre de recherche contenant de nombreux bureaux et laboratoires.
Nous avons utilisé deux méthodes pour établir la courbe de charge de chaque bâtiment : l'utilisation du logiciel Mosaic développé par le centre PERSEE et notre propre modélisation de la demande électrique de chaque consommateur, que nous appellerons méthode ALEF.
Pour la méthode ALEF, nous avons modélisé les appels en puissance de chaque bâtiment en considérant une courbe de charge moyenne pour chaque type d'utilisateur : employé de bureau ou de laboratoire, logement étudiant ou appartement familial... puis nous avons dressé la liste des occupants de chaque bâtiment. Enfin, nous avons intégré la variabilité des comportements des usagers.
Avec ces deux méthodes nous avons obtenu une courbe de charge précise pour chaque bâtiment ainsi que la valeur de la consommation énergétique totale du plateau, 30,5 GWh/an.
Prévoir la consommation électrique de chaque usager est une étape délicate nécessaire à la création du réseau
Consommation observée d'un particulier
Ces résultats n'intègrent pas encore la consommation engendrée par la recharge des voitures électriques sur le plateau.
quels sont les Enjeux des véhicules électriques ?
Un des points fondamentaux du projet est de concevoir un réseau intégrant les véhicules électriques, perçus comme le moyen de transport de demain.
Ainsi, il a été décidé d'équiper au moins 20% des 1895 places de parking de la zone en bornes de recharge électriques.
La Nissan Leaf choisie comme modèle pour cette étude
Intégrer 20% de véhicules électriques n'implique pas d'importants surcoûts sur le réseau
Pour le dispositif que nous proposons, la puissance crête consommée serait de 310kW, valeur qui n'implique pas d'importants surcoûts.
Cependant, il faut garder en tête que notre étude est menée en considérant que les propriétaires de voitures électriques ne profitent pas systématiquement de ces bornes situées sur leur lieu de travail, pour recharger intégralement leurs véhicules.
Quelle Production d'énergie sur le plateau ?
Le quartier ayant pour ambition d'être à énergie positive, il est nécessaire de disposer de sources de production d'électricité locales. Nous avons envisagé l'installation d'un grand nombre de panneaux photovoltaïques (PV) sur le toit des bâtiments ainsi que sur des ombrières disposées sur l'ensemble des parkings. Nous avons tout d'abord évalué la surface disponible pour l'installation de PV, puis il nous a fallu prévoir la production électrique de ces panneaux. Sur la zone de Paris Saclay nous avons la possibilité d'installer au maximum 94 000 m² de panneaux pour une production de 15,5 GWh/an ce qui correspond à 48% de la consommation annuelle estimée du plateau.
Ombrières photovoltaïques
Il nous faut donc trouver d'autres sources d'énergie, et ce d'autant plus que l'utilisation du PV s'accompagne de fortes contraintes liées à son intermittence : le photovoltaïque ne produit par exemple presque rien en hiver là où la consommation électrique est la plus importante.
Mix énergétique du plateau pour 20% de voitures électriques
Pour cela nous avons donc envisagé l'installation d'une petite centrale à cogénération Biomasse ainsi que l'achat de certificats verts correspondant à de l'énergie provenant d'éoliennes implantées au sud du plateau. Ce qui permet de satisfaire aux besoins en électricité du plateau.
Conception du réseau
La connaissance de la consommation en chaque point de la carte nous permet désormais de tracer le réseau électrique à concevoir sur le site.
En analysant la situation il semble plus approprié de relier les équipements des parkings (panneaux photovoltaïques, bornes de recharge pour voitures électriques, etc.) aux réseaux internes des entreprises auxquelles ils appartiennent plutôt qu'au réseau public.
Coût du réseau dans plusieurs configurations
Cela permet aux entreprises de faire de l'autoconsommation et donc de réduire leurs dépenses, et au gestionnaire du réseau d'économiser l'installation de transformateurs.
Réseau électrique avec parkings reliés aux entreprises
Légende :
comment optimiser les flux dans le réseau ?
Une fois le réseau établi, plusieurs pistes dites "Smart" ont été étudiées dans une volonté d'optimisation.
L'utilisation de batteries
Les batteries peuvent servir à diminuer l'appel de puissance sur le réseau HTA, à mieux gérer la production photovoltaïque et à faire du profit.
En effet, en chargeant des batteries situées au sein du réseau BT durant les creux de consommation, on peut accumuler suffisamment d'énergie pour parvenir à réduire la demande sur le réseau HTA lors des pics de consommation. Dans certaines situations, ce type d'installation permet d'économiser un câble HTA (140€/m).
De plus, les batteries peuvent permettre au fournisseur d'électricité de faire du profit, en stockant l'énergie lorsque elle est peu coûteuse et en la déstockant pour la vendre lorsqu'elle est plus chère. Le prix du kWh étant fixé par contrat avec le consommateur, le fournisseur fait donc immédiatement des bénéfices. Selon nos estimations, pour 55 000 € investis en achat de batteries, nous obtenons un revenu de 450€ / an.
Ces bénéfices sont négligeables car la priorité est ici de pouvoir supprimer un ou plusieurs câbles HTA. De plus, les calculs effectués ne prennent en compte que l'alternance des prix heure creuse/ heure pleine qui correspond à ce que paieront effectivement les consommateurs. Cependant, le fournisseur peut souhaiter revendre sur le marché de l'électricité où la fluctuation des prix est bien plus importante, cela s'apparente alors à du trading.
Les coûts d'investissement restent très importants car le prix du kWh pour les batteries Li-ion diminue assez lentement. Actuellement autour de 300€/kWh, Tesla prévoit des batteries au prix de 170€/kWh d'ici 2025. Face à l'importance des investissements nécessaires, nous avons étudié la technologie du vehicule-to-grid.
Ces résultats mettent en évidence une rentabilité des batteries limitée (sauf si les économies engendrées sur le réseau sont conséquentes, ce qui n'est pas le cas ici). Cependant, la part du nucléaire dans le mix énergétique français étant vouée à diminuer au profit de sources renouvelables mais moins contrôlables, nous pouvons parier sur une hausse de l'instabilité du marché de l'électricité. Les batteries verront alors leur rentabilité croître.
L'effacement
L'effacement consiste à demander aux consommateurs de réduire leur consommation aux heures de pointe, moyennant une compensation financière, de manière à réduire la charge qui pèse sur le réseau durant ces périodes.
