Génération distribuée

Les systèmes de ressources énergétiques distribuées ( RED ) sont des technologies de production ou de stockage d'énergie à petite échelle (généralement de 1 kW à 10 000 kW) utilisées pour proposer une alternative ou un complément au réseau électrique traditionnel. Les systèmes RED se caractérisent généralement par des coûts d'investissement initiaux élevés par kilowatt . Ces systèmes servent également de dispositifs de stockage et sont souvent appelés systèmes de stockage d'énergie distribuée (SSED)

Les systèmes DER peuvent inclure les dispositifs/technologies suivants :

• La production combinée de chaleur (PCC), également connue sous le nom de cogénération ou trigénération
• piles à combustible
• Systèmes d'énergie hybrides ( systèmes hybrides solaires et éoliens )
• Micro-cogénération (MicroCHP)
• Microturbines
• Systèmes photovoltaïques (généralement des panneaux solaires photovoltaïques sur les toits )
• Moteurs alternatifs
• petits systèmes éoliens
• Moteurs Stirling
• ou une combinaison des éléments ci-dessus. Par exemple, les systèmes hybrides photovoltaïques , de cogénération et de batteries peuvent fournir une alimentation électrique complète aux maisons individuelles sans frais de stockage excessifs.

Pour des raisons de fiabilité, les ressources de production décentralisée seraient interconnectées au même réseau de transport que les centrales électriques. L'intégration de ces ressources au réseau soulève diverses problématiques techniques et économiques. Des problèmes techniques surviennent notamment en matière de qualité de l'énergie , de stabilité de la tension, d'harmoniques, de fiabilité, de protection et de contrôle. Le comportement des dispositifs de protection du réseau doit être examiné pour toutes les combinaisons de production décentralisée et de production centralisée. Un déploiement à grande échelle de la production décentralisée peut affecter les fonctions du réseau, telles que la régulation de fréquence et l'allocation des réserves. En conséquence, des fonctions de réseau intelligent , des centrales électriques virtuelles et des systèmes de stockage d'énergie, comme l'alimentation des stations-service, sont intégrés au réseau. Des conflits peuvent survenir entre les distributeurs d'électricité et les organismes de gestion des ressources.

Chaque source de production décentralisée présente ses propres problèmes d'intégration. L'énergie solaire photovoltaïque et l'énergie éolienne, toutes deux intermittentes et imprévisibles, engendrent de nombreux problèmes de stabilité de tension et de fréquence. Ces problèmes de tension affectent les équipements mécaniques du réseau, tels que les changeurs de prises, qui réagissent trop fréquemment et s'usent beaucoup plus vite que prévu par les gestionnaires de réseau. De plus, en l'absence de stockage d'énergie lors des pics de production solaire, les entreprises doivent augmenter rapidement leur production au coucher du soleil pour compenser la perte de production solaire. Cette forte variation de production engendre ce que l'industrie appelle la « courbe en canard » , une préoccupation majeure pour les gestionnaires de réseau. Le stockage peut résoudre ces problèmes s'il est mis en œuvre. Les volants d'inertie ont démontré leur excellente capacité de régulation de fréquence. Par ailleurs, contrairement aux batteries, les volants d'inertie sont hautement cyclables : ils conservent la même énergie et la même puissance après un nombre important de cycles (de l'ordre de 10 000 cycles). À grande échelle, les batteries à usage ponctuel peuvent contribuer à aplanir la courbe en canard, à prévenir les fluctuations de la production des générateurs et à maintenir le profil de tension. Toutefois, le coût constitue un facteur limitant majeur pour le stockage de l'énergie, car chaque technique est excessivement coûteuse à produire à grande échelle et, comparativement, sa densité énergétique est faible par rapport aux combustibles fossiles liquides. Enfin, une autre méthode facilitant l'intégration consiste à utiliser des onduleurs intelligents capables de stocker l'énergie lorsque la production excède la consommation.

Des efforts ont été déployés pour atténuer les problèmes de tension et de fréquence liés à l'essor de la production décentralisée (PD). La norme IEEE 1547, notamment, définit les exigences d'interconnexion et d'interopérabilité des ressources énergétiques distribuées. Elle établit des courbes spécifiques indiquant le moment opportun pour éliminer un défaut en fonction du temps écoulé depuis la perturbation et de l'amplitude de l'irrégularité de tension ou de fréquence. Les problèmes de tension offrent également aux équipements existants de nouvelles possibilités de fonctionnement. En particulier, les onduleurs peuvent réguler la tension de sortie des PD. La modification de l'impédance des onduleurs permet de contrôler les fluctuations de tension des PD, ce qui leur confère la capacité de les maîtriser. Afin de réduire l'impact de l'intégration de la PD sur les équipements mécaniques du réseau, les transformateurs et les changeurs de prises en charge peuvent mettre en œuvre des courbes de fonctionnement spécifiques en fonction de la tension, atténuant ainsi les effets des irrégularités de tension dues à la PD. Autrement dit, les changeurs de prises en charge réagissent à des fluctuations de tension de plus longue durée que celles générées par les équipements de PD.

Il est désormais possible de combiner des technologies telles que le photovoltaïque , les batteries et la cogénération pour créer des systèmes de production distribuée autonomes.

Des travaux récents ont montré que de tels systèmes ont un faible coût actualisé de l'électricité .

De nombreux auteurs estiment désormais que ces technologies pourraient permettre une déconnexion massive du réseau électrique , car les consommateurs peuvent produire de l'électricité grâce à des systèmes hors réseau , principalement basés sur la technologie photovoltaïque . Par exemple, le Rocky Mountain Institute a suggéré qu'une déconnexion à grande échelle du réseau électrique est possible . Cette hypothèse est étayée par des études menées dans le Midwest.

Les cogénérateurs sont privilégiés car la plupart des bâtiments utilisent déjà des combustibles, et la cogénération permet d'en optimiser l'utilisation. La production locale élimine les pertes liées au transport de l'électricité sur les lignes à haute tension , ainsi que les pertes d'énergie dues à l' effet Joule dans les transformateurs, où 8 à 15 % de l'énergie est généralement perdue (voir également le coût de l'électricité par source ). Certaines installations de grande envergure utilisent un cycle combiné. Ce dernier se compose généralement d'une turbine à gaz dont les gaz d'échappement vaporisent l'eau alimentant une turbine à vapeur dans un cycle de Rankine . Le condenseur de cette dernière fournit la chaleur nécessaire au chauffage des locaux ou à un refroidisseur à absorption . Les centrales à cycle combiné avec cogénération présentent les rendements thermiques les plus élevés connus, dépassant souvent 85 %. Dans les pays disposant d'un réseau de distribution de gaz à haute pression, de petites turbines peuvent être utilisées pour abaisser la pression du gaz aux niveaux domestiques tout en extrayant de l'énergie utile. Si le Royaume-Uni appliquait cette méthode à l'échelle nationale, 2 à 4 GW supplémentaires seraient disponibles. (Il est à noter que l'énergie est déjà produite ailleurs pour fournir la pression initiale élevée du gaz ; cette méthode consiste simplement à distribuer l'énergie par un autre itinéraire.)

Les micro-réseaux ont été mis en œuvre dans de nombreuses communautés à travers le monde. Par exemple, Tesla a installé un micro-réseau solaire sur l'île samoane de Ta'u, alimentant l'île entière en énergie solaire. Ce système de production locale a permis d'économiser plus de US ) de gazole. Il est également capable d'alimenter l'île pendant trois jours complets en cas d'absence totale de soleil. C'est un excellent exemple de la manière dont les systèmes de micro-réseaux peuvent être mis en place au sein des communautés pour encourager l'utilisation des énergies renouvelables et la production locale.

Pour planifier et installer correctement les micro-réseaux, une modélisation technique est indispensable. De nombreux outils de simulation et d'optimisation permettent de modéliser les impacts économiques et électriques des micro-réseaux. Parmi les outils d'optimisation économique les plus utilisés, on trouve le DER-CAM (Distributed Energy Resources Customer Adoption Model) du Laboratoire national Lawrence Berkeley . Homer Energy , initialement conçu par le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL), est un autre outil de modélisation économique commercial fréquemment utilisé . Des outils de calcul de flux de puissance et de conception électrique sont également disponibles pour guider les développeurs de micro-réseaux. Le Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest ( PNNL ) a conçu l'outil GridLAB-D, accessible au public, et l' EPRI (Electric Power Research Institute) a conçu OpenDSS pour simuler le système de distribution des micro-réseaux. Une version professionnelle intégrant DER-CAM et OpenDSS est disponible via BankableEnergy du 11 juillet 2018 sur la Wayback Machine ). EnergyPLAN, développé par l' Université d'Aalborg au Danemark , est un outil européen permettant de simuler la demande en électricité, en refroidissement, en chauffage et en chaleur de procédé.

• La norme CEI 61850-7-420 est publiée par le comité technique 57 de la CEI : Gestion des réseaux électriques et échanges d’informations associés. Elle fait partie des normes CEI 61850, dont certaines sont des normes fondamentales requises pour la mise en œuvre des réseaux intelligents. Elle utilise des services de communication compatibles avec le MMS , conformément à la norme CEI 61850-8-1.
• L'OPC est également utilisé pour la communication entre les différentes entités du système DER.
• La norme IEEE 2030.7 de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) définit un contrôleur de micro-réseau. Ce concept repose sur quatre blocs : a) le contrôle au niveau des dispositifs (par exemple, le contrôle de la tension et de la fréquence), b) le contrôle local (par exemple, la communication de données), c) le contrôleur de supervision (logiciel) (par exemple, l'optimisation prévisionnelle de la répartition des ressources de production et de consommation), et d) la couche réseau (par exemple, la communication avec le distributeur d'électricité).
• Il existe une grande variété d'algorithmes de contrôle complexes, ce qui rend difficile la mise en œuvre de systèmes de gestion et de contrôle de l'énergie pour les petits utilisateurs et les particuliers disposant de ressources énergétiques distribuées (RED). En particulier, les mises à niveau des systèmes de communication et d'information peuvent s'avérer coûteuses. C'est pourquoi certains projets tentent de simplifier le contrôle des RED grâce à des produits disponibles sur le marché et de le rendre accessible au grand public (par exemple, avec un Raspberry Pi).

En 2010, le Colorado a promulgué une loi exigeant que d'ici 2020, 3 % de l'électricité produite dans l'État provienne d'une source d'énergie décentralisée.

Le 11 octobre 2017, le gouverneur de Californie, Jerry Brown, a promulgué la loi SB 338, qui oblige les entreprises de services publics à planifier des « alternatives décarbonées à la production d’électricité à partir de gaz » afin de répondre aux pics de demande. Cette loi exige des entreprises de services publics qu’elles évaluent des aspects tels que le stockage de l’énergie, l’efficacité énergétique et les ressources énergétiques distribuées.