Systèmes hybrides pour la fourniture d'électricité hors réseau

Pour respecter les objectifs de décarbonation des Accords de Paris tout en assurant l'accès universel à l'électricité, il faut faire appel à des solutions basées sur les énergies renouvelables. Fournir une alimentation en électricité pour tous au moyen de solutions durables est une option stratégique clé de CIGRE.

Un système hybride est une combinaison de plusieurs types de générateurs, par exemple générateurs conventionnels et générateurs utilisant des énergies renouvelables (RE), avec souvent des systèmes de stockage d'énergie. Pour les régions éloignées des réseaux, les systèmes hybrides sont des avancées prometteuses en matière de décarbonation. Des petits volumes de production renouvelables peuvent être ajoutés aux générateurs diesel ou gaz sans avoir à faire appel des technologies additionnelles de contrôle ou de stabilisation de réseau. Quand la contribution des productions renouvelables atteint un certain niveau, un système de contrôle est nécessaire pour stabiliser la qualité de la fourniture. Quand des volumes importants de productions renouvelables sont ajoutés il faut intégrer du stockage pour stabiliser le réseau électrique. Un système performant de contrôle d'un microgrid, combiné à un système de conversion d'énergie adapté à la formation d'un réseau peuvent stabiliser le réseau, même dans une situation à 100% de renouvelables, et assurer une qualité de fourniture stable et suffisante dans toutes les circonstances. Les coûts de plus en plus faibles des productions renouvelables et du stockage de l'énergie, associés à des systèmes modernes de contrôle et de conversion de l'énergie font que l'on aboutit fréquemment aujourd'hui à une convergence des considérations économiques et environnementales. Dans beaucoup de cas la meilleure solution économique consiste à ajouter des volumes significatifs de stockage et de productions renouvelables pour réduire les émissions des productions conventionnelles.

La Brochure Technique (BT) partage des expériences en matière d'études économiques de préfaisabilité. En outre elle montre le besoin d'études de stabilité et expose des exemples d'alimentation électrique au moyen de systèmes hybrides hors réseau. Elle présente en plus les retours d'expérience de systèmes qui sont exploités avec succès depuis plusieurs années. Ceci démontre que le concept de système hybride pour la fourniture d'électricité hors réseau est déjà l'état de l'art, et que l'on peut poduire des proportions importantes de production renouvelables tout en maintenant la qualité de service dans des limites prescrites.

On voit à terme l'importance de plus en plus importante des modélisations et des études de stabilité, et un modèle de benchmark des systèmes hybrides et microgrids hors réseau constituera une adjonction utile au Benchmark CIGRE. Il permettra de prendre des décisions élaborées au moyen d'une comparaison performante de différents algorithmes de contrôle et systèmes de conversion d'énergie, par ex. dans les phases de soumissions d'offres des projets.

Objectifs du Groupe de Travail

L'Objectif de Développement Durable Des Nations Unies n° 7 appelle à un accès universel à une énergie durable pour 2030. Des initiatives telles que "Energie Durable pour Tous" (SE4ALL) constituent une plateforme globale qui donne aux responsables le pouvoir de rassembler les parties prenantes et de dégager les moyens financiers pour atteindre l'objectif d'accès universel à une énergie durable. L'objectif de la BT est de combler les lacunes de savoir en matière de systèmes hybrides destinés à fournir l'électricité aux zones hors réseau électrique et éloignées. Elle constitue un guide à destination des gouvernements, des entrepreneurs, des experts techniques et des organismes financiers.

Description de la BT

Elle comporte cinq chapitres, et une annexe consacrée à la description des exemples de cas.

Introduction

Les systèmes hybrides sont une combinaison de productions décentralisées, parmi lesquelles des productions solaires, éoliennes, hydrauliques, à biomasse, et à combustibles fossiles, associées à du stockage d'énergie et contrôlées par un système de gestion de l'énergie. En présentant les expériences de systèmes hybrides existants utilisés pour la fourniture hors réseau de l'électricité pour différentes utilisations, ces travaux peuvent apporter une aide importante à la préparation des installations destinées à fournir l'énergie électrique à des zones éloignées, et plus spécialement à celles utilisant des sources renouvelables d'énergie.

Quand on s'intéresse à la fourniture d'une énergie moderne à des zones éloignées d'un réseau électrique, trois éventualités doivent au départ être envisagées:

1. Une extension à partir du réseau d'une compagnie d'électricité, bien qu'elle soit rendue difficile par des contraintes géographiques, et des difficultés techniques propres au réseau de la compagnie d'électricité.
2. La mise en œuvre de microgrids, qui peuvent être à base de combustibles fossiles, être 100% renouvelables ou en être une combinaison ^[1]. Les microgrids peuvent fonctionner en réseau séparé ou être connectés à un réseau. S'ils sont séparés du réseau ils sont quelquefois appelés minigrids.
3. Des petits systèmes indépendants, soit des réseaux solaires domestiques pour le secteur résidentiel, ou des systèmes de production PV alimentant des activités économiques.

On s'intéresse essentiellement aux systèmes hybrides hors réseau. Dans ce cadre on fait référence aux microgrids comme la solution technologique commune pour l'alimentation en électricité hors réseau. Cette technologie peut aussi être déployée dans une approche à la frontière d'un réseau, avec des productions décentralisées dans une logique traditionnelle d'une planification et d'une exploitation centralisées.

Besoin de solutions hybrides dans les zones éloignées

Ce chapitre est essentiellement destiné aux institutions financières et aux responsables des compagnies de distribution d'électricité et des compagnies minières. On y discute à la fois des problèmes techniques et économiques liés aux systèmes hors réseau. On propose une méthodologie d'étude des cas d'affaire qui montre dans quelles hypothèses et dans quels scénarios un système hybride conduit à des résultats intéressants de temps de retours sur investissement, de taux interne de retour et de coût actualisé net.

Des outils de modélisation sont essentiels pour garantir le succès d'un projet particulier de solution hybride.  A l'origine il faut déterminer ce qui est techniquement possible et économiquement viable dans le projet, tout en respectant les exigences sociales et environnementales. Comme il est noté dans le Réseau des acteurs  de l'accès à l'énergie des Nations Unies (Energy Access Practitioner Network), "comprendre comment on peut combiner au mieux les productions traditionnelles et renouvelables, le stockage et la gestion de la demande, pour une installation spécifique au site optimale, au moindre coût, est la clé du déploiement des solutions efficientes de minigrids" ^[2]. Ceci garantira que le projet répondra probablement aux objectifs globaux et améliorera la probabilité d'un financement par les investisseurs. Il faudra ensuite, probablement, procéder à des modélisations additionnelles pour finaliser la conception et les hypothèses techniques.

Dans la BT on présente une évaluation technico-économique initiale d'un réseau électrique hybride pour améliorer un réseau insulaire d'une compagnie. L'île modélisée dessert une charge moyenne de 11,2 MW, avec des pics occasionnels allant jusqu'à 15 MW. La compagnie peut choisir une série d'investissements échelonnés ou des investissements incrémentaux d'hybridation pour étaler les investissements en capital et procéder à une transformation moins brusque du modèle énergétique. Un investissement dans un système de stockage de l'énergie (BESS) est recommandé, dès le début, pour apporter une amélioration de la stabilité du réseau et de la qualité de la fourniture, et garantir que les investissements suivants de production renouvelable seront utilisés de façon plus optimale et avec moins de perte de production. A la suite de l'investissement initial de BESS, il est possible d'installer des quantités significatives de PV et des BESS complémentaires pour réduire les coûts et augmenter la proportion de production renouvelable. Finalement plus de PV et de BESS peuvent être installés pour réduire encore plus les coûts et accroître la contribution des renouvelables, tout cela à moindre coût global.

Dans la BT on envisage, pour l'évaluation, quatre scénarios. La Figure 1 illustre les scénarios "renouvelable moyen" et "renouvelable fort", à titre d'exemples. On a porté son attention sur les options d'investissement qui conduisent à un temps de retour viable, un taux de rendement interne (IRR) approprié et un coût total satisfaisant sur le cycle de vie. Dans cet exemple le scénario "renouvelable fort" représente le mix de production correspondant au moindre coût total actualisé de l'énergie (LCOE). Des projets conduisant à des émissions carbonées plus faibles et à une utilisation plus forte des renouvelables sont possibles, et une approche similaire est utilisable pour détecter les options  de coût moindre qui répondent aux exigences sociales et environnementales. Le Tableau 1 résume les investissements incrémentaux sélectionnés.

Avec la décroissance des coûts de production PV et du stockage, et la robustesse croissante des algorithmes de contrôle, les systèmes hybrides sont devenus des options économiquement viables de fourniture d'électricité hors réseau. Il sera important de faire prendre conscience de l'intérêt de cette technologie éprouvée, si on veut déployer plus rapidement ces systèmes pour les sites éloignés.

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Planification des systèmes hybrides hors réseau à forte pénétration de renouvelables

Un ensemble d'études est nécessaire pour définir le dimensionnement et les conditions d'utilisation – elles commencent par la faisabilité technico-économique, puis se poursuivent par des études de stabilité du système électrique avec les outils de simulations appropriés. Le chapitre présente des exemples d'études d'ingénierie de systèmes hybrides hors réseau, pour des applications particulières d'exploitation minière, d'une part, et on y examine de façon approfondie des études de stabilité concernant des systèmes insulaires  et des systèmes servant des communautés éloignées, d'autre part.

Un système hybride peut comporter différentes productions décentralisées, telles que des productions utilisant le diesel ou le gaz, des systèmes photovoltaïques, des éoliennes ou de l'hydraulique, ainsi que des systèmes de stockage d'énergie (ESS), et des charges, le tout géré par un système de contrôle.

Les systèmes hors réseau, ou isolés, sont différents des systèmes électriques centralisés en termes de capacité et de niveau de tension. La capacité installée des systèmes hors réseau est inférieure à quelques centaines de MW, alors que les systèmes centralisés sont plutôt dans la plage des Gigawatt. La tension maximale des systèmes hors réseau  varie avec le cas d'utilisation et se situe dans les plages des moyenne et basse tensions, alors que les réseaux centralisés comporte des lignes de transport, avec des hautes tensions. Les systèmes hors réseau ne sont pas connectés à des réseaux voisins, ce qui leur permettrait de compenser les écarts entre production et consommation, alors que les réseaux centralisés sont connectés aux réseaux voisins au moyen de lignes d'interconnexion. Les systèmes hors réseau présentent une inertie faible et des fluctuations de fréquence, alors que les réseaux centralisés sont stables, avec une inertie élevée.

Dans la BT on présente les paramètres à prendre en compte pour simuler le comportement des générateurs, des stockages et des charges d'un système hors réseau, en s'intéressant plus particulièrement aux cas des exploitations minières, des iles et des communautés éloignées. Un exemple, portant sur un système insulaire, est consacré à la simulation de la réponse à des échelons de la charge; les résultats sont résumés dans le Tableau 2, pour différents scénarios d'échelons de charge. Les déviations maximales de la fréquence associées aux échelons de charge sont fortement réduites en cas d'introduction d'un BESS et d'un système de contrôle  de microgrid dans le système insulaire. La réponse très rapide du stockage d'énergie permet d'éviter un appel au délestage. Le temps de réponse du BESS est calculé comme le temps nécessaire au BESS pour rattraper 90% de l'échelon de charge. Ce temps peut être de six millisecondes, temps mesuré entre l'instant où l'échelon de charge est appliqué et le moment où le BESS a repris 90% de l'échelon. La durée totale doit inclure les délais propres au capteur et à la transmission, rassemblés sous le terme de temps de réponse PLC (Power line carrier – transmission par courant porteur) qui sont estimés de l'ordre de 0,5 seconde. Cette réponse rapide assure la régulation de la fréquence et le contrôle de la prise de charge des installations éoliennes proposées, et les opérations de remise sous tension du réseau.

Un autre exemple, dans la BT, montre comment une étude de l'impact d'un réseau (ou étude d'impact d'un système électrique) peut être utilisée pour évaluer l'impact de l'intégration des productions renouvelables ou des productions décentralisées dans les communautés éloignées, en cas de création d'un système hors réseau. Plusieurs études peuvent être menées pour déterminer non seulement quelles congestions particulières pourraient empêcher une plus forte pénétration de renouvelables, mais aussi les limites spécifiques qui autorisent une intégration  responsable ^[3].

L'adéquation du système est déterminée au moyen d'une série d'analyse quasi statiques qui permettent d'évaluer l'équilibre statique du système ^[4]. L'objet de ces études est de s'assurer que l'équilibre de puissance peut être obtenu à tout moment durant la durée de vie projetée des installations du système hybride, dans toutes les conditions d'exploitation. Les marges de réserve, les profils de tension, et les points de fonctionnement des générateurs et des autres productions décentralisées contrôlables peuvent être déterminées pour vérifier que les seuils limites opérationnels ne sont franchis. Comme principe général, quand on doit intégrer des nouvelles sources de production dans un système hors réseau, il est plus favorable de les connecter sur le jeu de barres des générateurs diesel existants. Ceci parce que :

1. La production diesel peut réguler la tension du point de couplage commun sans faire appel à des services réseau de la source additionnelle, d'une part,
2. Le transit normal de puissance aval du système est maintenu et ceci est compatible avec la coordination des protections préexistante.

La résilience du système est vérifiée par une analyse aux petits signaux de la stabilité. Comme dans une communauté éloignée le profil de la charge fluctue en permanence l'analyse de la stabilité aux petits signaux va vérifier si les contrôles primaires du système peuvent garantir la stabilité pour les petites perturbations. Le fonctionnement dynamique des équipements du système et les contrôles primaires sont linéarisés autour d'un point de fonctionnement quasi statique, et les valeurs propres du système linéarisé donnent mathématiquement un point de vue sur les marges de stabilité du système. Si les valeurs propres sont toutes dans la partie gauche du plan, le point de fonctionnement est stable pour des petites perturbations autour de ce point. Ceci doit être pour tous les points de fonctionnement équilibré du système qui ont été identifiés dans l'analyse quasi statique de la série de temps.

On vérifie la sécurité en identifiant la perturbation acceptable la plus forte à laquelle le système hybride peut être soumis (souvent elle est en relation avec la connexion ou la déconnexion d'une production renouvelable), en simulant la réponse du système, et en vérifiant qu'aucun seuil de fonctionnement n'est franchi pour un quelconque des équipements ou le système. L'analyse en régime permanent doit traduire le scénario le pire pour une perturbation forte, et les modèles adaptés des équipements et des contrôles trouvés dans le système hors réseau doivent refléter de façon précise leur dynamique de fonctionnement. Un exemple des résultats de cette étude est présenté sur la Figure 2, qui montre comment évoluent la fréquence et la tension du jeu de barres de la centrale après la perte de 256 kW de production solaire dans le système hors réseau de Old Crow ^[5]. La sécurité des personnes est analysée par l'analyse du système de protection. En outre le risque de courant de retour et la coordination des protections doivent être évalués.

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Exemples de systèmes hybrides de fourniture d'électricité hors réseau

Dans ce chapitre on donne une vue d'ensemble de 26 études de cas/systèmes hybrides hors réseau installés, de toutes les parties du monde, soit 4 exploitations minières éloignées, 16 systèmes insulaires et 6 communautés éloignées. Les cas sont analysés par rapport aux données techniques clés, à l'exploitation, aux conditions économiques et à l'impact sur la décarbonation. Les cas d'étude apportent des points de vue intéressants sur le contrôle de l'équilibre de puissance active et de la tension, bien que l'architecture des systèmes électriques soit très différente de l'un à l'autre. L'analyse des études de cas collectées fait ressortir des meilleures pratiques en matière de maximisation de la production renouvelable et de méthodes d'amélioration de la fiabilité des systèmes hors réseau. Dans les cas où des systèmes à 100% de renouvelables (c. à d. éolien et/ou solaire) doivent être déployés, la mise en œuvre des systèmes de stockage (ESS) est impérative. De plus pour de tels systèmes RE et ESS, le convertisseur du stockage doit être capable de fonctionner en mode de reprise de réseau. Pour des systèmes dotés de productions à base de combustible fossile, l'utilisation du stockage d'énergie peut significativement réduire les risques de perte de production RE. Les détails techniques concernant les systèmes portent sur les productions, la demande, les systèmes de distribution, les contrôles et les communications. L'annexe C donne plus de détails.

Pour chacune des catégories, mines, îles, communautés éloignées, les aspects de technologie, d'exploitation, d'économie, et de décarbonation sont exposés.

Le Tableau 3 donne une synthèse des cas. Les systèmes hors réseau sont classés selon leurs applications typiques :

• Exploitations minières et autres installations industrielles ou commerciales ;
• Systèmes insulaires ;
• Communautés éloignées.

Quatre études de cas concernent des exploitations minières. Les systèmes insulaires représentent 62% des études de cas, ce qui est naturel parce ce type de système a plus de raisons d'augmenter la pénétration des productions renouvelables. Il est à la fois coûteux de connecter les îles au réseau du continent et d'approvisionner le combustible, et les habitants des îles consomment plus d'énergie par tête que les consommateurs comparables du continent.

De nombreuses études de cas offrent des points de vue intéressants sur le contrôle de la puissance active et de la tension, bien que les architectures des systèmes électriques soient très diverses. L'analyse des études de cas permet de dégager quelques bonnes pratiques de maximisation des productions RE et des méthodes d'amélioration de la fiabilité des systèmes hors réseau. Dans le cas où des réseaux 100% renouvelables (c. à d. solaires ou éolien) doivent être déployés l'utilisation de stockages d'énergie est un prérequis, s'il n'existe pas de production renouvelable de base disponible, c. à d. géothermique, hydraulique, ou à biomasse. En plus pour les systèmes basés sur des sources renouvelables variables et des stockages d'énergie électrique, le convertisseur du stockage doit être capable de fonctionner en mode de reconstitution de réseau. Pour des systèmes dotés d'une production à partir de combustible fossile adaptée, la mise en œuvre de stockages ESS peut réduire significativement la perte de production renouvelable.

On escompte qu'l'avenir les systèmes électriques hors réseau feront plus souvent appel à des architectures hybrides (utilisant divers systèmes ESS),  pour accroître la production d'énergie d'origine renouvelable, jusqu'à pratiquement 100%, du fait à la fois de la nécessité de décarboner la production, et de l'intérêt économique, parce que la réduction de consommation de combustible approvisionné à un coût élevé. Pour y parvenir l'utilisation d'algorithmes de contrôle perfectionnés, à action rapide, et de moyens d'équilibre de puissance (contrôle dynamique de la puissance) et de la tension/puissance réactive, sera nécessaire dans les futurs systèmes hybrides contrôlés.

Conclusions et principaux enseignements

La BT confirme que le concept des systèmes hybrides de fourniture d'électricité hors réseau est déjà devenu l'état de l'art, et que de fortes proportions de productions d'origine renouvelable peuvent être atteintes, tout en garantissant une qualité de fourniture respectant les limites prescrites, pour les diverses conditions d'exploitation. Comme les études de modélisation et de stabilité deviennent de plus en plus importantes, un modèle de benchmark des systèmes hybrides hors réseau et des microgrids devient utile, en complément du modèle de benchmark qui existe déjà à CIGRE. Il contribuera à la prise de décisions justifiées, en permettant des comparaisons effectives de différents algorithmes de contrôle et systèmes de conversion de puissance, par ex. lors des phases de préparation des offres des projets.