Interactions des systèmes multi-énergies dans les réseaux de distribution

Objectifs et méthodologie

Les travaux avaient pour objectif d'étudier les configurations, les impacts et les perspectives des systèmes multi-énergies (MES) qui permettent la mise en œuvre de solutions plus performantes de systèmes électriques intelligents, de stockages d'énergie et de gestion par  la demande, dans les systèmes électriques intégrant une part croissante de sources décentralisées d'énergie (DER). Il s'agit de d'identifier les avantages qu'apportent les systèmes multi-énergie, tels qu'une efficacité énergétique supérieure de l'ensemble du système d'énergie, comme la possibilité d'exploiter plus de sources d'énergie renouvelables, l'utilisation de nouveaux moyens de stockage d'énergie (chaleur, froid, gaz,  et électricité, c. à d. application des concepts V2G), les possibilités de compenser des fluctuations de la production d'électricité d'origine renouvelable et d'exploiter l'énergie fatale perdue de l'industrie. Pour atteindre ces objectifs le Groupe de Travail (GT) a réalisé les activités exposées ci-après.

Le GT a tout d'abord adopté une définition partagée des systèmes multi-énergies (MES) vus du point de vue des réseaux de distribution, qui représentait les différents points de vue et les intérêts d'une grande variété de parties prenantes. Partant de cette définition les membres du GT ont utilisé leur expertise pour définir les aspects pertinents des technologies et des systèmes de conversion d'énergie. Leur contribution à la flexibilité, à la réponse de la demande et aux services système, a été confirmée,  en regard du fonctionnement des MES. Le GT a ensuite défini de façon plus détaillée les architectures préférentielles, les cadres réglementaires, et les  perspectives de mode d'exploitation, de planification et de conception des MES,  pour analyser leur impact sur les réseaux de distribution d'électricité. La planification, la conduite et l'exploitation requièrent une modélisation du système et des outils, et le GT a identifié des candidats à la pointe de l'état de l'art qui sont capables de décrire les MES et les réseaux, aussi bien à l'échelle d'un simple bâtiment, que d'une région ou d'un état. Des exemples provenant de 13 pays de 5 continents sont fournis, illustrant les avancées en matière de pertinence et d'applicabilité des travaux.

Ce cadre clair et ces bases solides étant en place, le GT a identifié les pratiques qui avaient cours, des exemples d'utilisation pour différents scénarios, et des études de cas de MES opérationnels connus. Ces systèmes connus ont permis au GT de bien identifier un ensemble de barrières technico-économiques, de marché ou de nature réglementaire, mais aussi des solutions pour guider une mise œuvre pratique de MES dans le futur. Les principaux défis technico-économiques, les barrières de marché et de réglementation, et les opportunités de mise œuvre  de MES dans le monde réel,  sont explicitées.

Enfin le GT propose un ensemble de recommandations complémentaires concernant un futur dans lequel on pensera plus normalement, et naturellement, aux systèmes multi-énergie comme des solutions globales intégrées.

Description de la BT

Dans un système multi-énergie la structure globale et les flux d'énergie peuvent être illustrées, à titre d'exemple, par la  Figure 1.

On voit comment les différents vecteurs d'énergie sont couplés par le biais d'unités de conversion d'énergie, ce qui rend le système plutôt complexe du fait des nombreuses interconnexions entre les différents vecteurs d'énergie. Pour faire fonctionner un tel système il faut donc une compréhension approfondie de ces interrelations, des réglementions, et des parties prenantes nécessaires, et c'est là la principale contribution de la BT.

La Figure 2 donne un exemple d'architecture conceptuelle à haut niveau du fonctionnement d'un système MES, qui montre clairement que de nombreuses parties prenantes différentes devront  à l'avenir être impliquées dans l'exploitation d'une structure MES.

Le Résumé Exécutif de la BT propose une  synthèse des enseignements tirés des travaux.

Dans le Chapitre 1 on présente les opportunités et les impacts des systèmes multi-énergie, comment on les définit de manière standard, et le cadre et les concepts fondamentaux nécessaires à la compréhension du sujet du couplage des secteurs.

Une palette de technologies énergétiques et de services de réseaux est examinée dans le Chapitre 2, parmi lesquelles la technologie "électricité vers gaz" (P2G), la combinaison entre chaleur, froid et réseaux électriques, le couplage électricité et transport, et le rôle du stockage dans le couplage entre secteurs.

Le Chapitre 3 est consacré à l'analyse du rôle de la flexibilité, de la réponse de la demande et des services systèmes dans le contexte de l'exploitation d'un système multi-énergies, et aborde la question  de leurs applications à des immeubles, à des charges ou des processus individuels et à la fourniture des services  système.

Le Chapitre 4 décrit l'architecture et les perspectives en matière de conception et de planification des systèmes multi-énergies, avec des détails sur leurs impacts sur les systèmes de distribution (tels qu'ils sont définis classiquement), et des idées de structures de contrôle.

Les modélisations et  les outils nécessaires pour les activités de planification, de contrôle, d'exploitation et d'optimisation des réseaux de distribution d'électricité de différentes tailles, qui sont des composantes  des systèmes multi-énergie et des réseaux, sont définis dans le Chapitre 5.

Dans le Chapitre 6 on présente les pratiques actuelles, des cas d'application pour différents scénarios, des retours d'expériences et des études de cas de systèmes multi-énergie opérationnels.

Les barrières de nature technico-économiques, de marché et réglementaires, et les solutions permettant la mise en œuvre des systèmes multi-énergies dans les modèles électricité vers gaz, électricité vers chaleur, et électrification des transports, sont décrites dans le Chapitre 7.

Les conclusions collectives du GT sont exposées dans le Chapitre 8. Elles portent sur l'approche intégrée définie, sur le besoin d'une évaluation économique cohérente, sur les recherches futures et les activités d'innovation, et elles expliquent  comment les véhicules électriques et la cogénération chaleur et électricité appartiennent à l'écosystème MES, et  quels sont les apports attendus des cadres réglementaires. Un ensemble de recommandations du GT clôture les travaux.

Une bibliographie très complète est donnée tout à la fin, et on y retrouve toutes les publications citées dans le texte.

Conclusions et principales suites

Le GT a formulé les observations  suivantes: Le système énergétique du futur va demander plus d'intégration et de dynamique entre les chaînes de valeurs liant les ressources spécifiques d'énergie et les utilisateurs finaux. Une vision d'un Système de Systèmes dans lequel l'électricité devient le vecteur principal de l'énergie, et dans lequel les réseaux électrique sont la colonne vertébrale de la décarbonation de tous les secteurs d'énergie, donnera  à l'ensemble de la société la possibilité de profiter des systèmes totalement multi-énergie.

Le GT préconise une approche intégrée pour éviter de potentiels obstacles futurs, avec une vision élargie au plan technico-économique. Il recommande de poursuivre des recherches et des innovations sur les couplages hétérogènes, une intégration bidirectionnelle des systèmes d'énergie renouvelable, des investissements destinés à améliorer la maturité des technologies centrales ou clés identifiées, de répondre aux besoins d'évolution ou de développement des réglementations et des marchés qui faciliteront l'indispensable couplage des secteurs. Est préconisée aussi par le GT une évaluation structurée et systémique des projets de couplage de secteurs, qui puisse être réalisée de façon aussi cohérente que possible, et qui permette des comparaisons économiques objectives. Enfin, un certain nombre d'indicateurs concernant l'utilisation des systèmes multi-énergies pour le couplage électricité vers transport, sont proposés par le GT.