N. HADJSAIDProfesseur Grenoble INP G2ELAB

Smart Grids et transition énergétique

•2

ÉconomieLibéralisation Multiplicité d’acteursPrix de l’énergie

EnvironnementLois et objectifs sur l’environnement (3x20%)

SociétalConsommateur acteur du système électrique, Accessibilité, services énergétiques

Sécurité d’approvisionnement

Vieillissement actifsSécurité, qualité, fiabilité

stockage

Technologie+Démocratisation TIC,+Maturation technos de

petites génération et de stockage

Contexte et enjeux

Le système électrique :Un système complexe

■ De l’énergie au système électrique� L’énergie électrique

� N’est pas un produit de consommation banal, mais un vecteur énergétique d’une importance stratégique

� L’électricité est un produit spécial� Aspect physique: n’est pas stockable à grande échelle� Aspect social et économique : développement

économique et social, service public, progrès…

� Infrastructures hétérogènes : TIC, gaz, …

■ Système électrique: Système complexe� Grande dimension – Système multi-niveaux – interdépendant� Comportement chaotique, difficile à maîtriser� Sujet à diverses perturbations

■ Vulnérabilité du système & défaillances � Assurer l’intégrité du système quelque soit la perturbation� Conséquences économiques considérables � De moins en moins acceptées

Photo source:

Peoria Journal Star

ouragan2012.com

Les pannes généralisées (blackouts): une menace constante…

■ Mais aussiGuadeloupe (2012), Malaisie (2005), Jordanie (2004), Grèce (2004), Finlande (2003), Suède&Danemark (2003), Londres (2003), ….

■ Coût variable mais peut avoisiner 1% PIB

15Toronto, blackout August 2003 (wiki)

14-08-200355 MillionsUSA

29-09-200350 MillionsItalie

18-08-2005100 MillionsIndonésie

10-11-200987 MillionsBrésil & Paraguay

30-07-2012670 MillionsInde

datePopulation affectée

Pays

■ Quelques Blackouts d’envergure récents

MV/LV20kV/400V

HV/MV63kV/20kV

400kV/63kV400kV/63kV

HV/MV63kV/20kV

MV/LV20kV/400V

■ Impacts positifs et négatifs

■ Plupart ENR

■ Gestion du patrimoine

■ Risque de pannes

■ Coût et acceptabilité

■ Évolution des réseaux

Changement de paradigme

Système centralisé de production Système décentralise de production

Source: Eltra

Central production plantsOther plantsWind turbines

Contexte – exemple du Danemark

Une évolution Française et mondiale…

Source: ERDF

+67%

Exemples d’impacts techniques et économiques

Impact sur le profil de tension

+ 5% Un- 5% Un

Max. Tension réseau

Min. Tension réseau

1 an

Impact sur les pertes techniques

Impact sur les harmoniques Impact sur l’évolution des prix spot

Source: PV Upscale

Intégration de l’énergie intermittente et VEHR

■ VEHR� 1 Mo Bornes de recharges rapides – 43 GW� Effets stochastiques – géographiques et

temporels

Puissance de sortie d’une ferme éolienne sur 1 mois , RU Ex : Vinon sur Verdon (31 mai 2009)

mutualisation des sources et des charges :

∑∑ ≥eschi

consomméescentralesi

instalées PParg

Principe Physique:Production=Consommation

Pc=7.4 kW

MV/LV20kV/400V

HV/MV63kV/20kV

400kV/63kV400kV/63kV

HV/MV63kV/20kV

MV/LV20kV/400V

123456789101112131415161718192021222324252627282930310510152025303540

Le réseau électrique : Un bien commun, un facteur d’économie

Constraintes techniques

aux points de consom.

Constraintes techniques aux points d’injection

Stockage très limité����

Équilibre dynamique

Equilibre Production -Consommation : Une réalité physique

Grandes pannes et impact fréquence/tension

290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 40049

49.5

50

50.5

Time in seconds after 2003-09-23 12:30

Fre

quen

cy [Hz]

290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 4000.4

0.6

0.8

1

Time in seconds after 2003-09-23 12:30

Vol

tage

[pu

]

Suède/Danemark

USA

Italie

Besoin de plus d’intelligence…

� Accroissement de la complexité: comment la gérer?� Répondre à des besoins changeants

� Nouveaux usages, consomm’acteur, ….� Production décentralisée, Gérer la liberté� Equilibre du système dans un environnement incertain

� Contraintes:� Technologiques:

� Bâtir sur l’existant� Maturité des technologies� Approche centralisée vs décentralisée

� Économiques� Viabilité/modèles économiques

� Régulation� Incitations vs réglementation

Réseau de distribution

Opérateur Système

■ AMM est un élément clé des SmartGrids mais pas le seul

Production Transport Distribution

L’Evolution SmartGrids: Chaîne de valeur et implication

Chaîne de valeur SmartGrids

Déploiement Smartgrids: Mêmes fondamentaux, priorit és différentes

Quelques Définitions…

■ Europe (1):A smart grid is an electricity network that can intelligently integrate the actions of all users connected to it –generators, consumers and those thatdo both – in order to efficiently deliver sustainable, economic and secureelecricity supply.

■ USA (2):A smart grid is self healing, enables active participation of consumers, operate resiliently against attack and natural disasters, accomodate all generation and storage options, enable introduction of new products,services and markets, optimize asset utilization and operate efficiently, provide power quality for the digital economy

■ France (3):Réseau électrique capable de gérer l’équilibre production/consommation de manière optimale dans un environnement de plus en plus complexe. ■ Utilisation croissante des énergies intermittentes mais aussi de productions décentralisées ■ Faire face aux besoins de maîtrise de la consommation, de gestion des pointes et de l’amélioration de

l’efficacité énergétique■ La multiplicité d’acteurs dans un environnement de libéralisation des marchés de l’énergie

Le SG n’est pas une techno spécifique mais un concept impliquant des technos permettant d’atteindre des objectifs précis de gestion des réseaux en tirant parti des TIC

•14(1) : European technology Platform smartgrids(2) : US department of energy(3) : Ministère

L’Evolution Smart Grid

•15

Les compteurs: communicants ou smart?

•16

Le compteur LINKY

Source:ERDF

•17

EnergyBox

Coffret électrique

Rése

au

éle

ctri

qu

e

Compteur

communicant

Terminaux de

communicationAppareils délestables

Stockage d’électricité

Production d’électricité

Appareils « prioritaires »

Flux d’informations

Flux d’électricité

Le smart Grid chez le client finalL’energy box comme « Energy Manager »

Internet Box

Effect d’un pilotage de la demande sur les limites d’un départ de “distribution”

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 224

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

x 106

Houre [h]

Pow

er [

w]

Consumption without load control

Consumption with load control

Treshold value = 8.0MW

Supply after load control = 15minCluster of buildings = 14

Source: IDEA

UFLS relays

Bulk Generation

Primary

Substation

Peer-to-peer

Business as usual

FCR supplier

Primary

Support

Coordination

Agent PrimarySupport

Coordination Agent

Bottom-up

P OFF

(f)

fLoad 1

…Load i…Load 3Load 2

UFLS FCR

Range of operationFb

Marketplatform

Clearingresults

Fa

SecondarySubstation

Large scale architectureCEMS (customer energy management services architect ures)

Targeted step-by-step droop curve

Innovative strategy for stability of microgrids

Initiatives mondiales et projets de d émonstration

� Livres blancs et roadmapsInstitutionnelles & gouvernementsOrganisations industrielles Agences nationales et internationalesProjets de démo d’envergure

� Technology Push vs Market Pull

� EU SRA 2035

* Source: EEGI, EU Smartgrids technolgy plarform

*

•21

Financement projets SG

France vs. Europe

22Source: JRC

Projets Smart Grid en France

23

Actuellement, plus de 100 projets sur le territoire Français

source : CRE - 2013

Nombre de projets par

fonctionnalité

Intégration

GEDStockage Pilotage de

charge

AutreVéhicule électrique

1er démonstrateur FR à large échelle

1000 consommateurs résidentiels

40 sites commerciaux

4 ans du durée d’expérimentation

43 M€ investissement

12 partenaires impliqués

GreenLys:Démonstrateur Smart grids sur l’ensemble du

système: Grenoble et Lyon

Lyon : Quartier Confluence

Confluence district

Cogénératio

nPhotovoltaïqu

ePoste HTA/BT

de distribution

P12

5P13

7

PB1PB4

290 kW

104 kW

51 kW

Grenoble : 2 quartiers (caserne de bonne et presqu’ile)

Caserne de Bonne and Bouchayer-Viallet

Quelques illustrations d’innovation GreenLys:

Pilotage de tension avec forte pénétration des EnR

� RES insertion limitWith P/Q classical controlSmax = 2 * 900 kWWith D-VVCSmax = 2 * 2600 kW

t = 1200 s : Tension sur le réseau

0.95 p.u.

1 p.u.

1.05 p.u.

Classical P/Q ControlOvervoltagesD-VVC

GreenLys Accusinefor VVC with RES Manufactured by Schneider Electric

PV panels located in Lyon Confluence on which the

"Accusine" solution was tested.

The voltages varies :by +/-1% with the AccusineAnd by +/-8% without the Accusine.!

•28

POSTE HTA/BT

K

PA Réseau Capteurs

WAN GPRS

Compteurs

SI CENTRAL

SI RESEAU

Réseau

Linky

Centre Appel Dépannage

Conduite/Exploitation

Système d’Information

Géographique

Agence Centrale de Supervision Linky

LV observability

Linky data for grid operation and upgrading

00:…

01:…

02:…

04:…

05:…

06:…

08:…

09:…

10:…

12:…

13:…

14:…

16:…

17:…

18:…

20:…

21:…

22:…

Pu

issa

nce

(W

)

Puissance réalisée Référence

Rebound / Shift

Curtailment

Quelques illustrations d’innovations GreenLys:Observation BT et pilotage intelligent de la demande

.

� if TI ∈ and IJ ⊆ then TJ ∈ , � if TJI ∈, and JI ≤ , then TzI ∈+ for some

Jz∈ \ I . E, set of branches of graph G

T, collection of all spanning trees of

graph G

Spannig tree of graph G

Branch of G graph

(E, T) = matroïde)1..(,, =⋅∪∃∈∀ ΠΠ k

n

kk

n

kjiji zjzieiCCNxx

Optimisation du réseau en présence de la production décentralisée (PED)

La configuration est codée avec des Matroïdes

Optimisation avec des algo évolutionnaires et des Ma troïdes

Gain jusqu’à 20% sur les pertes avec PEDSource: Bertrand Raison

30

Projet SOGRID : Un système énergétique communicant par CPL G3

de bout en bout de la chaîne

Benjamin Wilsch

- Reconstruction of magnetic vector potential within

the black circle, using more orders (N=1..4) the

approximation is more precise

- Measurement geometry

- Development of a miniature contact-less current sensor for smart grids

- Current magnitude is determined by magnetic flux measurements

- Requires: geometrical selectivity between field sources

Exemple d’innovation SoGrid :Capteurs MEMS

Que vaut l ’int égration du smart grid?Estimations

We expect the smart grid market to grow 100% in the next five years and 400% by

2030, from $20 billion today to $100+ billion in 2030. Since 2001, investors have provided ~$3.6 billion of private funding to smart grid companies

Morgan Stanley

Les acteurs industriels du Smart Grid en FranceA

pplic

atio

n se

gmen

tC

omm

unic

atio

n se

gmen

tP

hysi

cal P

ower

se

gmen

t

Generators Transmitters Substation Distributors Consumers Home appliances

Storage & Intermittent Sources

Integration

Demand Response

Infrastructure Optimization &

AGC1

E-Cars

Advanced Metering Infrastructure

Future Applications and Services

Home Area Network

Field Area NetworkWide Area NetworkLocal Area Network

Home / Building Energy Management

Source : BEM Analysis1. Advanced Grid Control

Providers

•34

■ Fédérer la filière REI en France et en assurer la promotion

■ Conseil scientifique (stratégie R&D) , commission formation , commission « international »

■ Campus REI■ Déploiement à grande échelle

Association REI: Smart Grids France

L’association REI Smart

Grids France

Un lieu de rencontres PME/ grandes

entreprises, monde académique

Un lieu de promotion de la filière en France et à l’étranger

Un lieu de réflexion et de

discussions

Un lieu de représentation des

membres

Page de publicité

Chaire ERDF industrielle d’excellence « SmartGrids »http://www.fondation-grenoble-inp.fr/smartgrids-fr

Formation aux frontières de deux disciplines: Energie &TIC

http://ense3.grenoble-inp.fr/international-masters/

Master International

Conclusion

■ Enjeux sociétaux majeursClimat – Énergie - sécurité d’approvisionnementTransition énergétique et changement de paradigme

■ Complexité croissanteEnR sur la montée et évolution des usagesContraintes technologiques, économiques et régulatoiresInterdépendance des systèmes Niveau d’incertitudes croissant

■ Smart Grids: Facilitateur pour la transition énergétique■ Des champs de développement technos

Besoin d’une vision système: éviter une réflexion par segmentComplémentarité des actions locales et globalesOpportunité d’innovation

Le réchauffement planétaire semble se confirmer!