Comment les micro-réseaux et les DER peuvent maximiser la durabilité et la résilience des installations industrielles et commerciales

Les ressources énergétiques distribuées (DER) telles que l'énergie solaire, l'énergie éolienne, la production combinée de chaleur et d'électricité (CHP), les systèmes de stockage d'énergie sur batteries (BESS) et même les générateurs conventionnels peuvent contribuer de manière significative à l'amélioration de la durabilité et de la résilience des installations commerciales et industrielles, en particulier lorsqu'elles sont combinées dans un micro-réseau avec un système de contrôle automatisé pour coordonner et gérer intelligemment la production, le flux, le stockage et la consommation d'énergie.

Pour maximiser les avantages environnementaux et économiques des micro-réseaux, le contrôleur doit équilibrer le fonctionnement et l'intégration des ressources énergétiques distribuées en temps réel, gérer les charges intelligentes telles que l'éclairage, les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC), la recharge des véhicules électriques (VE) et les installations informatiques, utiliser les informations d'historique de la demande pour projeter les futurs profils de charge, fournir des connexions sûres et efficaces au réseau électrique et prendre en charge les fonctions de gestion de la demande avec des données de tarification de l'énergie en temps réel.

Cet article détaille les éléments qui composent un micro-réseau, étudie les architectures de micro-réseau, puis présente un aperçu de la norme IEEE 1547, qui établit les exigences pour l'interconnexion des ressources énergétiques distribuées, et de la norme IEEE 2030 qui fournit un processus technique complet pour décrire les fonctions d'un contrôleur de micro-réseau. Il examine ensuite comment les contrôleurs de micro-réseaux peuvent améliorer la durabilité, la résilience et les avantages économiques, et se termine par un bref aperçu des problèmes de cybersécurité pour les micro-réseaux.

Exigences pour créer un micro-réseau

Les micro-réseaux sont très différents dans leurs implémentations et leurs composants. Pour comprendre comment les micro-réseaux et les ressources énergétiques distribuées peuvent maximiser la durabilité et la résilience, il est préférable de commencer par une définition et quelques exemples de composants et d'architectures de micro-réseaux. Le Département américain de l'énergie (DOE) définit un micro-réseau comme « un groupe de ressources énergétiques distribuées et de charges interconnectées dans des limites électriques clairement définies, qui agit comme une seule entité contrôlable par rapport au réseau. Un micro-réseau peut se connecter et se déconnecter du réseau pour lui permettre de fonctionner en mode connecté au réseau et en mode îlot ».

Si la définition d'un micro-réseau est simple, il existe une diversité de catégories de micro-réseaux, de modes de fonctionnement et de sous-systèmes possibles parmi lesquels choisir lors de la création d'un micro-réseau, et la concrétisation de la durabilité et de la résilience maximum d'un micro-réseau implique de nombreux choix architecturaux et opérationnels. L'automatisation est une considération importante. Les exemples de sous-systèmes automatisés incluent (Figure 1) :

• Production au sein du micro-réseau, y compris une gamme diversifiée de DER et de CHP
• Réseaux de distribution d'énergie
• Systèmes BESS
• Charges telles que les systèmes CVC, les machines et les moteurs dans les installations industrielles
• Gestion de la recharge des véhicules électriques et des connexions V2G (vehicle-to-grid)
• Appareillage de commutation et contrôleurs de micro-réseaux
• Interconnexions au réseau électrique pour les installations connectées au réseau

Figure 1 : Les micro-réseaux peuvent inclure plusieurs DER, CHP et charges. (Source de l'image : Schneider Electric)

Catégories de micro-réseaux

Les micro-réseaux peuvent être classés selon qu'ils sont hors réseau ou connectés au réseau :

Les installations hors réseau sont la catégorie la plus courante. Les cas d'utilisation incluent les zones éloignées non desservies par le réseau électrique commercial, comme les mines, les sites industriels, les maisons de montagne et les bases militaires.

Les communautés hors réseau se trouvent également dans des endroits isolés. Les cas d'utilisation incluent les villages, les îles et les communautés isolées. Alors que les micro-réseaux d'installations sont contrôlés par une seule entité, les micro-réseaux de communautés doivent répondre aux besoins d'un groupe d'utilisateurs. Ils peuvent nécessiter des systèmes de commande et de contrôle plus complexes.

Les installations connectées au réseau ont un propriétaire unique et sont utilisées pour améliorer la fiabilité dans les zones où le réseau principal n'est pas fiable et où l'électricité est nécessaire, ou dans les cas où il existe des incitations économiques pour les charges délestées et d'autres services du propriétaire du micro-réseau. Les cas d'utilisation peuvent inclure les hôpitaux, les data centers, les usines de fabrication en continu et d'autres bâtiments à haute disponibilité.

Les communautés connectées au réseau ont plusieurs utilisateurs et producteurs d'énergie connectés au réseau principal et gérés comme une seule entité. Les cas d'utilisation incluent les campus commerciaux ou universitaires, les villages et les petites villes. Elles peuvent avoir une diversité d'utilisateurs, de producteurs et d'installations de stockage, et peuvent être les plus complexes à contrôler.

Les micro-réseaux sont parfois des îlots

Outre les composants d'un micro-réseau, la définition du DOE fait référence au fonctionnement du micro-réseau en « mode connecté au réseau et en mode îlot ». Les définitions de ces modes sont simples, mais la mise en œuvre est plus complexe et est abordée dans certaines normes IEEE.

La norme IEEE 1547-2018 — Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems — détaille les exigences techniques pour l'interconnexion et l'interopérabilité des ressources énergétiques distribuées avec le réseau électrique. La norme IEEE 1547 est une norme évolutive. Les versions antérieures de l'IEEE 1547 étaient conçues pour de faibles niveaux de pénétration des DER et ne tenaient pas compte de l'impact régional global potentiel des DER sur le système de production-transport. La norme IEEE 1547-2018 a ajouté des exigences plus strictes en matière de régulation de la tension et de la fréquence et de capacité d'adaptation afin de contribuer à la fiabilité du réseau de transport. Plus récemment, l'amendement 1547a-2020 a été ajouté pour tenir compte des performances de fonctionnement anormales.

La norme IEEE 2030.74 décrit les fonctions d'un contrôleur de micro-réseau en termes de deux modes de fonctionnement en régime permanent (SS) et de quatre types de transitions (T) (Figure 2) :

• En mode SS1 (mode connecté au réseau en régime permanent), le micro-réseau est connecté au réseau électrique. Le contrôleur peut utiliser les composants du micro-réseau pour fournir des services tels que l'écrêtement des pointes, la régulation de fréquence, la prise en charge de la puissance réactive et la gestion des rampes.
• Le mode SS2, ou mode îlot stable ou îlotage, est le mode dans lequel le micro-réseau est déconnecté du réseau électrique et fonctionne de manière isolée. Le contrôleur est requis pour équilibrer les charges et les services de production et de stockage d'énergie du micro-réseau afin de maintenir un fonctionnement stable du micro-réseau.
• T1 fait référence à une transition planifiée du réseau connecté au mode îlot en régime permanent. Même lorsque le réseau électrique est disponible, il peut y avoir des incitations économiques ou opérationnelles à passer en mode îlot. De plus, ce mode peut prendre en charge les tests de fonctionnement du micro-réseau.
• T2 est une transition non planifiée du réseau connecté au mode îlot en régime permanent. Ce mode est comparable au fonctionnement d'une alimentation secourue dans un data center et est souvent utilisé en cas de défaillance du réseau principal. Le micro-réseau se déconnecte de manière transparente et fonctionne comme un réseau électrique indépendant.
• T3 fait référence à la reconnexion de l'îlot en régime permanent au réseau de distribution. Il s'agit d'une procédure technique complexe où un générateur de formation de réseau sur le micro-réseau détecte la fréquence et l'angle de phase de l'alimentation réseau et fait correspondre exactement le micro-réseau avec le réseau principal avant la reconnexion.
• T4 est un démarrage à froid en mode îlot en régime permanent. Dans cette situation, le micro-réseau est en panne et doit être isolé du réseau électrique public et redémarré en mode îlot. Cette situation peut se produire en raison d'une panne inattendue que le contrôleur de micro-réseau ne peut pas gérer à l'aide d'une transition stable T2, ou elle peut être nécessaire si l'îlot ne dispose pas d'une réserve de production ou de stockage d'énergie suffisante pour continuer à alimenter toutes les charges et doit arrêter toutes les charges non essentielles avant de mettre le générateur en ligne. En outre, tout système BESS sur le micro-réseau doit être au moins partiellement rechargé avant d'être reconnecté.

Figure 2 : La norme IEEE 2030.74 requiert que les contrôleurs de micro-réseaux prennent en charge deux conditions en régime permanent et quatre types de transitions entre ces états. (Source de l'image : Association nationale des coopératives électriques rurales)

Mise en œuvre des micro-réseaux

Il existe presque autant de combinaisons de ressources énergétiques distribuées et de charges que de micro-réseaux, mais les contrôleurs automatisés et l'appareillage de commutation sont des éléments communs. Dans les grands micro-réseaux comme celui illustré à la Figure 1 ci-dessus, ils sont souvent séparés en une salle de contrôle centralisée, un appareillage de commutation distribué pour les DER et les charges, et pour les conceptions connectées au réseau, une sous-station qui sert d'appareillage de commutation entre le micro-réseau et le réseau électrique.

Les contrôleurs de micro-réseaux ont besoin d'informations, et pour maximiser la résilience et la durabilité, ils doivent être rapides. Les contrôleurs utilisent un réseau de capteurs pour surveiller le fonctionnement des DER et des charges en temps réel. Pour les micro-réseaux connectés au réseau, le contrôleur surveille également l'état du réseau électrique local. En cas d'anomalie, le contrôleur répond en quelques millisecondes et envoie une commande aux DER, à la charge ou à l'appareillage de commutation associé.

Les appareillages de commutation s'étendent de quelques kW à plusieurs MW et doivent répondre aux demandes du contrôleur en quelques millisecondes, sous peine d'entraîner une défaillance grave. Certains appareillages de commutation comportent des disjoncteurs intelligents qui fonctionnent de manière autonome pour fournir une couche de protection supplémentaire.

Pour les petites installations, le contrôleur et l'appareillage de commutation peuvent être combinés en un seul équipement, parfois appelé centre de contrôle de l'énergie (ECC). Les ECC sont disponibles pré-câblés, assemblés et testés en usine. Les ECC simplifient et accélèrent l'installation des micro-réseaux et peuvent gérer plusieurs sources d'énergie, y compris l'alimentation réseau et les DER avec des charges prioritaires. Par exemple, Schneider Electric propose la gamme ECC 1600 / 2500 d'ECC pour les micro-réseaux à l'échelle du bâtiment (Figure 3). Les caractéristiques de la gamme ECC 1600 / 2500 incluent :

• Configuration sur commande avec des puissances nominales de 100 kW à 750 kW et possibilité d'optimisation pour les bâtiments nouveaux ou existants
• Capacité de fonctionnement avec plusieurs DER comme les générateurs photovoltaïques (PV), BESS, éoliens, essence et diesel
• Le contrôleur permet la résilience pendant les pannes, notamment en utilisant le PV avec une ressource d'ancrage telle qu'un générateur de secours ou un système BESS
• La mesure intelligente automatisée donne un aperçu de la qualité de l'énergie, de l'utilisation de l'énergie et de la production DER
• Appareillage de commutation avec un bus de distribution de puissance de 1600 A à 2500 A
• Analyses basées sur le cloud pour maximiser la résilience et le retour sur investissement des DER

Figure 3 : Les ECC combinent le contrôleur de micro-réseau (à gauche) et l'appareillage de commutation (à droite) en un seul équipement. (Source de l'image : Schneider Electric)

Une énergie sûre et sécurisée

La cybersécurité est un aspect important de la sécurité et de la résilience énergétiques. L'Agence internationale de l'énergie (AIE) définit la sécurité énergétique comme « la disponibilité ininterrompue de sources d'énergie à un prix abordable ». Les micro-réseaux peuvent contribuer de manière significative à garantir un approvisionnement en énergie économique, sûr et résilient.

La communication est un élément essentiel des micro-réseaux. Cela implique une communication avec le cloud, et éventuellement avec le réseau électrique local, pour optimiser les performances. De plus, les diverses DER et charges qui composent un micro-réseau typique proviennent de différents fabricants et utilisent des protocoles et des technologies de communication hétérogènes. La connectivité Internet et les technologies sans fil comme le Wi-Fi sont présentes dans presque tous les micro-réseaux et peuvent être essentielles pour un maximum d'avantages. Elles prennent également en charge des fonctions auxiliaires telles que la collecte des prévisions météorologiques et des prix des carburants et de l'énergie en temps réel.

Garantir la cybersécurité est complexe. Outre le matériel sécurisé, des politiques, des procédures et des personnes sont nécessaires pour corriger les cyber-vulnérabilités qui peuvent permettre aux attaquants d'accéder aux réseaux et aux données sensibles et même de manipuler les logiciels de contrôle, ce qui peut nuire au fonctionnement du micro-réseau. Les terroristes ne sont pas la seule source de préoccupation ; il faut également tenir compte des concurrents ou des employés peu scrupuleux. Des erreurs d'utilisation peuvent survenir, les réseaux peuvent présenter des failles inconnues en raison de logiciels obsolètes, etc. (Figure 4). La cybersécurité ne doit pas être remise à plus tard. Pour être efficace, elle doit être intégrée dès le départ dans tous les aspects du matériel, des logiciels et des processus des micro-réseaux.

Figure 4 : Les vulnérabilités liées aux personnes, aux processus et aux failles dans la sécurité physique peuvent constituer des vecteurs d'attaque pour les micro-réseaux. (Source de l'image : Schneider Electric)

Résumé

Les micro-réseaux intègrent de nombreuses ressources énergétiques distribuées et charges dans un seul système pour maximiser la durabilité et la résilience énergétiques. Différentes architectures de micro-réseaux peuvent être utilisées pour répondre à des besoins spécifiques en matière d'énergie et de connectivité. L'augmentation du nombre de micro-réseaux et la pénétration croissante des ressources énergétiques distribuées ont entraîné une évolution de la norme d'interconnexion IEEE 1547 et suscitent une attention accrue en matière de cybersécurité des micro-réseaux.