En tant que société aux États-Unis et dans d’autres parties du monde, nous ne pensons pas beaucoup aux vignes tortueuses de la civilisation qui enchevêtrent nos cieux et serpentent sous nos rues. Les lignes électriques bourdonnantes sur de longs poteaux qui relient nos nations sont tout simplement là. Toujours présent et immuable. Nous prévoyons d’appuyer sur l’interrupteur et de mettre sous tension. Nous ne remarquons le réseau électrique que lorsque quelque chose ne va pas et qu’il y a apparemment une myriade de façons pour que les choses tournent mal. Les coups de foudre, les arbres tombant sur des lignes, les incendies ou même trop de personnes essayant de faire tourner le climatiseur peuvent tous provoquer des pannes de courant. Ou comme nous l’avons découvert ce mois-ci, le temps froid peut détruire les systèmes de production qui n’ont pas été altérés.

On entend souvent le réseau électrique décrit comme vieillissant et tendu. Alors que nous nous tournons vers l’avenir et que nous considérons la pression toujours croissante sur l’infrastructure que nous tenons pour acquise, à quoi ressemble l’avenir du réseau électrique? Pouvons-nous dépasser les pannes de courant et les lignes à haute tension qui sillonnent le pays?

Notre grille actuelle

L’énergie que nous utilisons dans nos maisons est générée par un mécanisme complexe et dynamique de centrales à peaker, de nœuds de distribution et de lignes à haute tension. Nous avons rédigé un guide sur la façon dont l’électricité parvient aux prises de votre maison, ainsi qu’un guide essayant de démystifier le réseau dans son ensemble. Mais un bref récapitulatif n’a jamais fait de mal à personne.

Dans notre réseau actuel, l’électricité part d’une sorte de source de production. Habituellement, il s’agit d’une grande installation telle qu’une éolienne, une centrale nucléaire ou un barrage hydroélectrique. La puissance de sortie du réseau doit correspondre à la charge, elle est donc soigneusement surveillée et contrôlée. À tout moment, différentes sources d’énergie seront connectées pour répondre à la demande, ou dans le cas du Texas au cours de la semaine dernière, certaines parties du réseau sont coupées de sorte que la demande diminue pour correspondre à une capacité réduite.

Certaines centrales électriques sont capables de tourner rapidement pour répondre à la demande (appelées centrales à peaker) tandis que d’autres sont capables de produire un flux constant d’énergie. Cependant, certaines sources d’énergie comme le vent ne peuvent pas être «démarrées» si le vent ne souffle tout simplement pas. C’est quelque chose que les efforts de stockage à grande échelle comme la réserve de marche de Hornsdale cherchent à résoudre car ils peuvent stocker de l’énergie à utiliser en cas de besoin, mais le stockage à l’échelle du réseau reste une rareté.

Les centrales électriques bénéficient d’économies d’échelle et génèrent d’énormes quantités d’énergie dans une zone localisée. La partie délicate est alors de donner du pouvoir à tous ceux qui en ont besoin. Les transformateurs augmentent 10 000 volts des générateurs à 100 000 volts pour la transmission longue distance. Les sous-stations résidentielles redescendent à des dizaines de milliers de volts et les transformateurs locaux le ramènent au 120/240 volts standard sur une prise.

Au fur et à mesure que les villes se développaient rapidement, elles ont corrigé et augmenté le réseau, la demande et la population augmentant plus rapidement que la construction ou les budgets ne le permettaient. Les systèmes s’usent et les systèmes jamais conçus pour desservir ce type de charge sont étendus. C’est un travail difficile et les merveilleux humains qui dirigent et construisent notre réseau travaillent avec des ressources limitées.

Grilles «intelligentes»

L’avenir de l’infrastructure électrique est souvent déclaré comme étant des réseaux intelligents, sans trop réfléchir à ce que signifie réellement l’expression. Nous avons déjà parlé de l’intelligence du réseau sur Hackaday. Des compteurs intelligents commencent déjà à être déployés dans certaines zones, permettant un délestage plus intelligent et des données plus précises. Des batteries à l’échelle du réseau et d’autres systèmes de stockage sont en cours d’installation pour aider à lisser les charges et réduire la dépendance à l’égard des usines de peaker. Le secteur n’a actuellement aucune norme sur laquelle se rallier, de sorte que la plupart des fournisseurs ne font qu’expérimenter en ajoutant à leur infrastructure existante, comme nous l’avons toujours fait. Ajouter une station solaire ici, une batterie locale à grande échelle là-bas, et lutter pour maintenir les millions de kilomètres de lignes électriques.

Décentralisation

Comme mentionné précédemment, les centrales électriques à grande échelle ont eu du sens en rassemblant toute la production d’électricité en un seul endroit, ce qui rend la production, la gestion et la distribution rentables. Cependant, au cours des dernières décennies, nous avons assisté à une baisse constante des coûts en raison des progrès technologiques et de l’échelle de fabrication. Le prix de l’énergie solaire et éolienne a chuté de plus en plus à mesure que l’efficacité augmentait lentement. Le solaire à lui seul a chuté de 70% de son prix au cours de la dernière décennie.

En fait, l’Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) a publié un ensemble de données en juin 2020, suggérant que les nouveaux projets solaires et éoliens sous-évaluent la moins chère des centrales au charbon existantes. L’Energy Information Administration (EIA) aux États-Unis a publié un LCOE projeté (coût actualisé de l’énergie, prix auquel l’électricité produite doit être vendue pour atteindre le seuil de rentabilité) pour 2025 pour différentes sources d’énergie. Dans ces données, l’énergie solaire, éolienne et géothermique étaient les plus performantes en termes de dollars à mégawattheures.

L’EIE a également noté qu’à l’avenir, la part de l’électricité produite au niveau résidentiel continuera d’augmenter. Déjà un tiers de l’énergie solaire produite provient des toits résidentiels. Alors, dans un monde de mini-centrales disséminées sur les toits, à quoi ressemble notre réseau? L’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables au sein du ministère de l’Énergie (DOE) suggère qu’un nouveau modèle pourrait être la voie à suivre. Les ressources énergétiques distribuées (DER) et les microgrids peuvent se réunir pour former quelque chose de nouveau. Les microgrids peuvent être considérés comme un moyen d’augmenter encore la taille de la grille en créant des grilles résilientes plus petites dans la macro-grille plus grande.

Imaginez votre quartier comme un microréseau. À l’heure actuelle, s’il y avait une panne de courant, tout le monde serait coupé, sauf pour ceux qui ont un générateur de secours, des panneaux solaires ou une autre solution d’alimentation. Avec un microréseau, votre quartier peut se reconfigurer et pour que tous les générateurs ou batteries puissent alimenter le quartier. Même lorsque le macro-réseau est opérationnel, votre microréseau peut prêter sa puissance pour aider à lisser les pics de puissance. Il y a même le potentiel des microgrids travaillant ensemble.

L’idée cherche à se débarrasser des jours de pannes de courant massives lorsque les communautés peuvent être autonomes. En distribuant les sources d’énergie dans une zone plutôt qu’en les regroupant en petits groupes, le nombre de lignes à haute tension longue distance pourrait potentiellement être réduit. On estime que les lignes longue distance coûtent environ 1 000 dollars par mégawatt-kilomètre, de sorte que la réduction de la distance entre la production et l’utilisation entraînerait d’importantes économies de coûts pour les consommateurs et les producteurs.

Bien entendu, cette interconnectivité et ce couplage bidirectionnel entre la macro-grille et les micro-réseaux créent des milliers de nouveaux états et cas de bord. Pour aider à gérer un système comme celui-ci, l’IEEE a une proposition de travail pour un schéma de contrôle des microréseaux. Bien que cela prenne plus de contrôle des mains des grandes entreprises électriques et davantage du réseau lui-même, il fournit des fonctionnalités importantes telles que la prédiction et la coordination.

Espace de rangement

Le stockage et la nature intermittente sont les épines persistantes sur les côtés de l’énergie solaire et éolienne. Le soleil ne brille qu’une partie de la journée et le vent ne souffle pas toujours. Traditionnellement, nous allumons simplement une installation peaker pour correspondre à la charge au besoin. Avec une alimentation intermittente, elle doit être stockée et des algorithmes et des plans de délestage doivent être en place.

Malgré les coûts initiaux, le stockage de l’énergie offre des avantages uniques. Les banques de batteries telles que la réserve de marche de Hornsdale sont assez rentables car elles peuvent tourner plus vite que n’importe quel générateur à essence (généralement environ dix minutes pour le gaz et presque instantanément pour la batterie). Cela leur permet de commander une prime sur le marché des services auxiliaires de contrôle de fréquence (FCAS) par rapport aux usines de peaker traditionnelles.

En outre, le stockage d’énergie peut contribuer aux processus de «démarrage au noir», qui est le coup de pouce initial requis pour démarrer les centrales électriques de base après une panne prolongée. Actuellement, il s’agit d’un processus soigneusement contrôlé consistant à démarrer progressivement des générateurs plus gros tout en adaptant la charge. Les fournisseurs ont expérimenté l’ajout de systèmes de stockage dans les zones locales. Bien que la mise à l’échelle à des échelles de mégawatts présente toujours un défi, il y a eu des expériences avec l’air comprimé, le stockage par gravité, les batteries à flux, les réservoirs hydro-pompés et des dizaines d’autres idées. Certains suggèrent même d’utiliser l’excès d’énergie par temps ensoleillé ou venteux pour synthétiser de l’hydrogène ou du gaz naturel, qui peut être utilisé comme stockage.

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Jusqu’à présent, la tendance des microgrids est positive. Chaque année, un grand pourcentage des installations solaires incluent des systèmes de stockage au lieu de l’énergie solaire pure. Dans l’ensemble, la solution de stockage la plus courante pour le résidentiel est les batteries. Nous avons écrit sur l’ajout de batteries de manière modulaire à votre maison. De nouvelles technologies de batteries se profilent à l’horizon, mais pour l’instant, la plupart des autres méthodes de stockage d’énergie n’ont tout simplement pas de sens dans un environnement résidentiel. Un défi amusant à relever avec des collègues ingénieurs ou collègues est d’essayer de concevoir un système de stockage d’énergie qui peut être intégré dans une maison qui n’utilise pas de piles tout en stockant suffisamment d’énergie pendant la majeure partie de la journée (10 kWh par exemple).

Comme de plus en plus de foyers et de zones locales disposent d’un stockage redondant, le microréseau devient plus autonome et capable de résister aux pics ou aux creux.

Et après

Pour l’instant, le DoE a déterminé que les microréseaux sont un élément clé de l’infrastructure dans les décennies communes. Des programmes de recherche sont en cours en Europe, au Japon, en Corée et au Canada. En fait, l’Office of Electricity tient une page des projets de microréseaux en cours ici aux États-Unis. Bien qu’il reste encore un peu à étoffer et à normaliser, l’avenir semble plus radieux. Nous pouvons nous attendre à une alimentation plus fiable avec moins de pannes. Malgré tous les investissements et changements dans la planification du réseau qui se produiront au cours des prochaines décennies, peu de choses changeront pour le consommateur moyen (ce qui est une bonne chose). Les lumières s’allumeront, le réfrigérateur restera froid et la climatisation soufflera. Ce qui est peut-être le plus grand témoignage de l’incroyable système que nous avons tous construit et sur lequel nous comptons tous.