Smart Grids : le numérique au service du réseau électrique

De quoi s’agit-il ?

De façon très simple et pour paraphraser wikipedia, un réseau électrique intelligent, ou « smart grid » en anglais, est un réseau de distribution d'électricité qui favorise la circulation d'information entre les fournisseurs et les consommateurs afin d'ajuster le flux d'électricité en temps réel et d'en permettre une gestion plus efficace.

Autrement dit, le numérique et les technologies de l’information au service du réseau électrique pour optimiser la production, la distribution, la consommation, et éventuellement le stockage de l'énergie afin de mieux coordonner l'ensemble des mailles du réseau électrique, du producteur au consommateur final.

Cela peut permettre notamment de lisser et « tamponner » les pointes de production et de consommation, en diminuant les capacités de production en pointe qui sont les plus coûteuses, avec pour effet d'accroître la sécurité du réseau et d'en réduire le coût.

L’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie) a une définition officielle un peu plus complexe que celle de wikipedia, mais qui résume bien tous ces aspects : les « smart grids » sont des systèmes énergétiques capables d’intégrer, de prévoir et d’inciter efficacement et de manière intelligente les actions et comportements  des différents utilisateurs, consommateurs et producteurs (industriels, tertiaires et résidentiels) qui y sont raccordés, et ce afin de maintenir une fourniture d’énergie efficace, durable, économique et sécurisée.

Alors à quoi tout cela sert-il ?

La transition énergétique, ainsi que la diversification des sources de production ont modifié en profondeur le secteur de l’énergie au cours des dernières décennies. Par ailleurs, sous l’impulsion d’initiatives nationales ainsi que d’accords internationaux comme  le Grenelle de l’environnement en 2007 et la Cop21 en 2015, le déploiement d’éoliennes, de panneaux solaires ou de centrales biomasses se sont accélérés dans de nombreux pays.

Mais ces productions décentralisées et aux rendements souvent irréguliers ont des conséquences : pour les intégrer, il faut revoir de fond en comble le mode de gestion de l’énergie et du réseau énergétique.

Et c’est en cela que les smart grids montrent toute leur utilité, car ils permettent, grâce aux technologies de l’information, de coordonner tous les acteurs de la production électrique et de mettre en communication fournisseurs et consommateurs.

Grâce au smart grid, comme on l’a vu au début de cet article, il devient possible d’optimiser au plus haut niveau la production, la distribution et le stockage de l’énergie, le tout en temps réel.

Les gains sont évidemment multiples : la production est maitrisée, la sécurité du réseau est renforcée, les coûts sont réduits, tout comme in fine les émissions de gaz à effet de serre.

Ainsi, imaginons une ville où la majorité des bâtiments neufs sont autosuffisants dans leur production d’énergie, et même excédentaires. Des panneaux photovoltaïques sont installés sur tous les toits, des éoliennes sont édifiées sur les mers et dans les campagnes, et les véhicules électriques sont devenus majoritaires. L’exploitation des énergies fossiles et du nucléaire a peu à peu cédé la place à des sources nettement ayant moins d’impacts sur l’environnement.

Un tel projet, bien qu’il soit extrêmement ambitieux, n’est nullement utopique à un échelon de temps de quelques dizaines d’années.

La promesse des Smart grids est d’être  justement la technologie qui permettra de réguler ces sources d’énergie décentralisées. Chaque foyer, chaque bâtiment sera ainsi équipé de compteurs « intelligents » permettant de gérer la répartition d’une énergie régulée par de puissants systèmes d’information. Des milliards d’euros pourraient ainsi être économisés, tout en réduisant les rejets de gaz à effet de serre.

Et concrètement, comment mettre ces projets en œuvre ?

Concrètement, au lieu de faire des investissements importants dans les mises à jour ou extensions  de réseau par exemple, l’alternative offerte par les smart grids s’appuie, comme on l’a vu, sur une gestion de proximité du réseau, avec pour objectif l’équilibre local entre production et consommation, en utilisant des outils numériques d’observation, de collecte, de supervision, et d’ « intelligence ». L’intelligence distribuée permet d’harmoniser les apports des différentes sources de production et de faire converger les différents réseaux d’énergie pour les anciens et les nouveaux usages :

• Production centralisée d’énergies renouvelables (fermes photovoltaïques, centrale hydraulique, parc éolien, cogénération, géothermie)
• Production décentralisée d’énergies renouvelables (panneaux photovoltaïques, hydroliennes, piles à combustible, micro-cogénération et biogaz)
• Optimisation des réseaux énergétiques : coordination, flexibilité et pilotage local des réseaux (électricité, gaz, chaleur et froid)
• Maîtrise de la demande (effacement lors des pointes de consommation énergétique ; efficacité énergétique des bâtiments)
• Nouveaux usages : autoconsommation, véhicule électrique, éclairage public intelligent, datacenter

On peut définir ces réseaux intelligents selon quatre grandes caractéristiques  :

• flexibilité pour gérer plus finement l’équilibre entre production et consommation
• fiabilité notamment sur l’efficacité et la sécurité des réseaux
• accessibilité en particulier dans l’intégration des sources d’énergies renouvelables sur l’ensemble du réseau
• Optimisation et économie en apportant, grâce à une meilleure gestion du système, des économies d’énergie et une diminution des coûts

Tout ceci fonctionne en mettant en place un certain nombre d’éléments :

• Un contrôle des flux en temps réel : des capteurs installés sur l’ensemble du réseau vont indiquer de façon instantanée les flux électriques et les niveaux de consommation. Cela permettra aux opérateurs du réseau de réorienter les flux énergétiques en fonction de la demande. Par ailleurs, des adaptations de prix pourront être proposées aux particuliers pour qu’ils adapter leur consommation (volontairement ou de façon automatique).
• L’interopérabilité des réseaux : l’ensemble du réseau électrique comprend d’une part le réseau de transport et d’autre part le réseau de distribution. Le réseau de transport relie les sites de production d’électricité aux différentes zones de consommation : il représente de grands axes qui quadrillent tout le territoire. Le réseau de distribution quant à lui s’apparente aux axes secondaires. Il permet d’acheminer l’électricité jusqu’aux consommateurs finaux. L’objectif des smart grids est de favoriser une interopérabilité entre les gestionnaires du réseau de transport et ceux du réseau de distribution grâce à l’échange instantané d’informations
• L’intégration des énergies renouvelables au réseau : les réseaux intelligents reposant sur un système d’information qui permet de prévoir à court et à long terme le niveau de production et de consommation, les énergies renouvelables (qui ont la particularité de souvent fonctionner par intermittence et de façon peu prévisible (comme l’éolien par exemple) pourront ainsi être mieux gérées.
• Une gestion plus responsable des consommations individuelle : les compteurs communicants (comme  « Linky » pour l'électricité par exemple) sont les premières illustrations d’application du réseau intelligent. Installés chez les consommateurs, ils fournissent des informations sur les prix, les heures de pointe de consommation, la qualité et le niveau de consommation d’électricité du foyer. Les consommateurs peuvent alors réguler eux-mêmes leur consommation au cours de la journée.

Tout ceci est évidemment très complexe à mettre  en œuvre, et la création d’un smart grid nécessite la mobilisation de nombreux acteurs :

• les consommateurs, qui, en régulant eux-mêmes leur consommation d’électricité, participent à l’efficacité du système
• les producteurs d’électricité qui alimentent les réseaux de transport  d’électricité et doivent être capables de répondre en temps réel à la demande. Le développement des smart grids permet également aux producteurs décentralisés de petites capacités (ex : les éoliennes ou les panneaux photovoltaïques appartenant à des particuliers) d’être raccordés
• les gestionnaires des réseaux de transport (comme RTE en France) et de distribution (ERDF en France) ainsi que les constructeurs de matériel électrique qui gèrent et installent les équipements de mesure assurant la sécurité et le fonctionnement des réseaux. Ils sont les acteurs techniques majeurs du développement des smart grids
• Les sociétés informatiques, groupes de télécoms, équipementiers, ou start-ups qui développent les technologies d’information indispensables au fonctionnement des réseaux intelligents ;
• les pouvoirs publics qui soutiennent et encadrent le développement des réseaux intelligents notamment par la définition de normes de communication et la protection des systèmes contre les intrusions ou détournements
• Les collectivités territoriales qui ont un rôle fort à jouer

Certains pays comme les Etats-Unis ou le Japon se sont montrés particulièrement volontaristes dans la mise en place de smart grids. Cela a d’ores et déjà permis de montrer le concept est non seulement réalisable, mais aussi parfaitement viable et fonctionnel. Si les investissements représentent des sommes très élevées, l’amortissement à moyen terme semble désormais acquis, de par les économies effectuées dans un secteur où les coûts se chiffrent en milliards.

Et les collectivités territoriales dans tout ça ?

Les collectivités, garantes d’une politique énergétique globale, ont un rôle clé à jouer dans la mise en œuvre de déploiements smart grids sur leur territoire ! Elles sont au cœur de ces enjeux. D’ailleurs la loi TEPCV (Territoire à Energie Positive et Croissance Verte) et dès 2015, les conventions « Territoires à énergie positive pour la croissance verte » témoignent de l’importance croissante donnée aux territoires dans la mise en œuvre des objectifs de la transition énergétique. L’ambition est claire : il s’agit de faire des collectivités territoriales les maîtres d’œuvre de la construction du futur modèle énergétique français.

Et c’est dans la continuité de ces convention que sont nés les Contrats Territoriaux de Transition Ecologique (CTE) entre l’Etat et les collectivités territoriales.

Les régions et EPCI (Etablissements Publics de Coopération Intercommunale) sont les principaux acteurs de la politique énergétique locale, même si, dans les faits, celle-ci demeure répartie entre tous les échelons territoriaux. La Loi relative à la Transition Energétique et à la croissance verte décrit précisément le nouveau rôle des EPCI :

• L’intercommunalité devient « coordinatrice de la transition énergétique ». Elle peut réaliser des actions de maîtrise de l’énergie auprès des consommateurs
• Les EPCI peuvent disposer plus facilement des données de transport, de production, et de consommation d’énergie, mises à disposition par les gestionnaires de réseaux de transport et de distribution d’électricité et de gaz naturel
• Les EPCI, en lien avec l’Autorité Organisatrice de la Distribution d’Energie, peuvent proposer au gestionnaire du réseau public de distribution d’électricité la réalisation d’un service de flexibilité local sur des portions de réseaux pour optimiser localement la gestion des flux, en vue de réduire les coûts d’investissement ou de gestion des réseaux
• Les Projets d’Aménagement et de Développement Durable (PADD) des Plans Locaux d’Urbanisme (intercommunaux) doivent intégrer des orientations générales concernant les réseaux d’énergie

Les bonnes raisons pour les collectivités de s’engager dans ces projets sont multiples, mais on peut au moins en retenir trois :

• Ces projets leur offrent de nouveaux moyens de pilotage des politiques énergétiques locales en ayant un accès plus opérationnel aux données des opérateurs (électricité, gaz, chaleur et froid).
• Ces projets leur permettent une meilleure gestion des ressources : les collectivités devant faire face à des budgets de plus en plus contraints, cela leur permet d’établir des priorités et d’optimiser leurs investissements.
• Ces projets sont synonymes de démultiplication des leviers d’action avec le numérique : méthodes de gestion frugales, culture de l’innovation, gestion d’un écosystème complexe…

Sous le pilotage de la collectivité, les réseaux énergétiques peuvent être orchestrés en synergie, et par la suite exploités avec un système intelligent combinant les différents fluides.

La collectivité ou l’aménageur peuvent ainsi saisir l’opportunité de la création d’un nouveau quartier, ou d’une opération de rénovation urbaine, pour mutualiser les travaux de tranchées inter-réseaux, à la fois énergétiques (électricité, gaz, chaleur) et de télécommunications. Il peut également s’avérer pertinent d’étudier les complémentarités entre réseaux pour limiter le renforcement d’un ou plusieurs réseaux lorsque le dimensionnement des autres réseaux le permet.

Des démonstrateurs, en particulier ceux soutenus par l’ADEME dans le cadre du Programme d’Investissements d’Avenir (PIA), ont permis d’expérimenter des technologies interopérables en conditions réelles, en passant par différentes phases de validation (maturité, modèle d’affaires, acceptabilité)

Les démonstrateurs permettent de tester des modes de collaboration entre métiers ou activités historiquement séparés, et ce à plusieurs niveaux entre structures publiques (y compris de recherche) et privées. Ces projets permettent de casser des silos et favorisent des avancées significatives et constructives.

Quelques points de vigilance à bien avoir en tête

• Les données recueillies sont complexes à gérer et à stocker, compte tenu de l’importante quantité d’informations à traiter. 
  La question de la confidentialité des informations et des données recueillies, notamment au travers des compteurs intelligents, doit bien être prise en compte par tous les acteurs
  Il s’agit en effet de bien assurer une confidentialité optimale de ces informations. En effet, le simple fait d’analyser en temps réel les habitudes d’un foyer ou d’une entreprise pourrait constituer une entorse à la vie privée ou au secret industriel. La question de la protection de ces données est ainsi primordiale.

• L’enjeu de la cybersécurité dans les projets de smart grids est un autre enjeu important.
  Les projets smart grids, en utilisant différents outils  numériques d’exploitation des réseaux, augmentent le risque de cyberattaques sur le réseau (intrusion dans le système, déni de service ou détournement d’informations confidentielles). Par ailleurs, la nature décentralisée d’un projet de réseau intelligent augmente encore les contraintes de sécurité. La vulnérabilité des systèmes d’information associés aux smart grids résulte d’une exposition accrue aux cyberattaques, du fait de la difficulté de contrôler l’accès physique aux équipements chez les particuliers, et de la multiplicité des points d’entrée possibles (objets connectés, réseaux sans fils, protocoles d’accès divers). Ces dangers appellent une vigilance accrue de la part des collectivités et gestionnaires de réseaux, qui peuvent se prémunir contre de telles attaques en renforçant les architectures informatiques des smart grids.

• Un autre point important concerne le coût des investissements qui peut rester élevé. En effet, pour être efficaces, les smart grids doivent être implantés sur l’ensemble du réseau et impliquer tous les acteurs.
  La diversité de ces acteurs peut être, cependant, handicapante, car ils doivent mettre au point des systèmes communicants variés avec des logiques convergentes.

Pour conclure, on notera que les smart grids ne sont pas encore déployés massivement et de manière industrielle en France : notre pays a en effet la chance de disposer d’un réseau électrique de bonne qualité et le parc de production est peu émetteur de CO2. Cela n’incite pas forcément à des objectifs très ambitieux et peut expliquer que nous soyons plus lents que certains de nos voisins européens.

Mais l’heure viendra, n’en doutons pas, de  la mise en place à large échelle de Smart grids qui contribueront à une meilleure gestion de l’énergie et à une atteinte d’objectifs ambitieux pour la TEE et le climat.

Cet article s’est inspiré d’un très bon guide réalisé par le FNCCR, territoire d’énergie, l’ADEME et thinksmartgrids qu’on trouvera en téléchargement ici :

https://www.fnccr.asso.fr/article/guide-recommandations-pour-des-collectivites-smart-grids-ready/