La Smart Grid en Californie : acteurs et enjeux

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1 Ambassade de France à Washington Mission pour la Science et la Technologie 4101 Reservoir Road, NW - Washington, DC Tél. : Fax : Mail : publications.mst@ambafrance-us.org Domaine Document Titre Auteur(s) Date ContactSST URL : Réseau de distribution d électricité intelligent Rapport d Ambassade / Consulat Général de France à San Francisco, California La Smart Grid en Californie : acteurs et enjeux Arnaud SOUILLE Novembre 2010 science@consulfrance- sanfrancisco.org Numéro Mots- clefs Résumé Energie. Energie renouvelable. Réseau. Réseau intelligent. Smart grid. Véhicule électrique. Électricité. Consommation. Transmission. Distribution. Communication. Infrastructure. Stockage énergétique. Régulation. Batterie. Effacement énergétique. Microgrid. Cyber sécurité. La Californie est engagée dans la lutte contre le changement climatique, et cela passe par la modernisation de son infrastructure électrique. L intégration de sources d énergies renouvelables et le déploiement de véhicules électriques vont amener leur lot de perturbations sur un réseau vieillissant et en mauvais état. Mais c est aussi pour cet état qui reste un champion de l efficacité énergétique une formidable opportunité de remettre les compteurs à zéro en installant une infrastructure capable de flexibilité dans la gestion de toutes ces ressources variables. Pour beaucoup d entreprises et de startups c est aussi une occasion unique de se positionner sur un marché gigantesque. On s est donc dans ce rapport attaché à comprendre les particularismes régionaux du déploiement du réseau dit intelligent mais que tout le monde désigne ici par «Smart Grid». NB : Retrouvez toutes nos publications sur bulletins- electroniques.com L accès est libre et gratuit : electroniques.com

2 La Smart Grid en Californie Acteurs et Enjeux Arnaud Souillé ABSTRACT La Californie est engagée dans la lutte contre le changement climatique, et cela passe par la modernisation de son infrastructure électrique. L intégration de sources d énergies renouvelables et le déploiement de véhicules électriques vont amener leur lot de perturbations sur un réseau vieillissant et en mauvais état. Mais c est aussi pour cet état qui reste un champion de l efficacité énergétique une formidable opportunité de remettre les compteurs à zéro en installant une infrastructure capable de flexibilité dans la gestion de toutes ces ressources variables. Pour beaucoup d entreprises et de startups c est aussi une occasion unique de se positionner sur un marché gigantesque. On s est donc dans ce rapport attaché à comprendre les particularismes régionaux du déploiement du réseau dit intelligent mais que tout le monde désigne ici par «Smart Grid». 2 LA SMART GRID EN CALIFORNIE

3 Table des Matières LE PAYSAGE ELECTRIQUE CALIFORNIEN. ETAT ACTUEL DU RESEAU UN RESEAU VIEILLISSANT UNE CONSOMMATION D ELECTRICITE EN AUGMENTATION UNE PRODUCTION ET UNE DISTRIBUTION MULTIPLE REPARTITION DE LA CONSOMMATION LES ORGANISMES DE REGULATION LA CALIFORNIA ENERGY COMMISSION (CEC) LA CALIFORNIAN PUBLIC UTILITY COMMISSION (CPUC) LE CALIFORNIA INDEPENDANT SECURITY OPERATOR (CISO). LA REGULATION ET LA TARIFICATION EN PLACE LE DECOUPLING UNE TARIFICATION REPARTIE EN TRANCHES DE CONSOMMATION AMBITIONS POLITIQUES ET CHALLENGES A VENIR EN CALIFORNIE. UNE POLITIQUE AGRESSIVE EN MATIERE D ENVIRONNEMENT. LE NET- ENERGY METERING (NEM) COMME INCITATION SUPPLEMENTAIRE INTEGRATION DES ENERGIES RENOUVELABLES D UNE PRODUCTION CENTRALISEE VERS UNE PRODUCTION REPARTIE SUR L ENSEMBLE DU TERRITOIRE. LES ENERGIES RENOUVELABLES : UNE SOURCE ENERGETIQUE INSTABLE. INTEGRER LES VEHICULES ELECTRIQUES. REDUIRE OU MAINTENIR LA CONSOMMATION ELECTRIQUE GERER LES PICS DE CONSOMMATION UN PIC DE CONSOMMATION ENTRE 14H ET 18H UN PIC DE CONSOMMATION QUI COUTE CHER LA SMART GRID, UNE REPONSE TECHNOLOGIQUE A CES DEFIS. AMELIORER ET OPTIMISER LE RESEAU ELECTRIQUE STRUCTURE DU RESEAU ELECTRIQUE AMELIORER LE RESEAU DE TRANSMISSION. AMELIORER LE RESEAU DE DISTRIBUTION UN RESEAU DE COMMUNICATION APPOSE AU RESEAU ENERGETIQUE UNE SEGMENTATION DU RESEAU DE COMMUNICATION CALQUE SUR L INFRASTRUCTURE ELECTRIQUE. L INFRASTRUCTURE AMI /FAN LE WAN LE HAN AJOUTER UNE INFRASTRUCTURE DE STOCKAGE. DES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES ENCORE A L ETAT DE RECHERCHE. LES BENEFICES DU STOCKAGE POUR LES RESEAUX INTELLIGENTS. LES INSTANCES DE REGULATION EN FAVEUR DU STOCKAGE ENERGETIQUE EN CALIFORNIE LA SMART GRID EN CALIFORNIE

4 DEVELOPPER LES INFRASTRUCTURES VE UNE MISE A JOUR DU RESEAU NECESSAIRE POUR SUPPORTER UNE SURCONSOMMATION. DEUX MODELES EN COMPETITION POUR LA RECHARGE DES BATTERIES VERS DE NOUVEAUX MODELES ECONOMIQUES UNE TARIFICATION EN TEMPS REEL OU DU MOINS VARIABLE EN FONCTION DU TEMPS. EFFACEMENT ENERGETIQUE (D.R) LE MODELE LES AGREGATEURS DOMINANT LE MARCHE EN CALIFORNIE FEED IN TARIFF MICROGRID VEHICLE TO GRID REGULATIONS ET STANDARDS IMPORTANCE DE LA REGULATION ET INCIDENCE SUR LE MARCHE. RESEAUX OUVERT OU FERME? UN ARBITRAGE, AU NIVEAU FEDERAL. VERS UNE INTEROPERABILITE ET UNE MISE EN PLACE DE STANDARDS UNE CYBER- SECURITE POUR LE RESEAU ELECTRIQUE. UN MARCHE POTENTIEL ENORME POUR LA CALIFORNIE A SAISIR. UN INVESTISSEMENT MASSIF DES OPERATEURS ELECTRIQUES. UN NOUVEAU MARCHE POUR L'INDUSTRIE INFORMATIQUE. EDUQUER LE CONSOMMATEUR SMART GRID, UN CONCEPT INCONNU DU GRAND PUBLIC LE DEPLOIEMENT DU RESEAU VERSUS LE COMPORTEMENT DES CONSOMMATEURS. DE NOMBREUX PROGRAMMES DE RECHERCHE SUR LE SUJET. LE RESEAU INTELLIGENT, ATTRACTIF POUR LES INVESTISSEMENTS AUX ETATS- UNIS. LA SILICON VALLEY : UN ECOSYSTEME FAVORABLE POUR INVESTIR DANS LA SMART GRID CONCLUSION LA SMART GRID EN CALIFORNIE

5 Liste de Figures Figure 1: Evolution de la consommation d'électricité en Californie (Source : California Energy Commission )... 8 Figure 2 : Provenance de l'énergie consommée en Californie (source : California Energy Commission)... 9 Figure 3 : Production des énergies renouvelables en Californie (source : California Energy Commission)... 9 Figure 4 : Répartition de la consommation électrique par secteur (source :CEC) Figure 5: Modèle de tarification en tranche utilisé en Californie (Source : Southern California Edison) Figure 6: Production du solaire versus le pic de consommation (source : Green Manufacturer- ) Figure 7 : Stabilisation de la consommation électrique par tête en Californie (source CEC) Figure 8: Répartition de la consommation électrique au cours de la journée par secteur économique (source : LBNL) Figure 9: Mix énergétique quotidien Figure 10 Schéma du réseau électrique (Source : J. J Messerly, from Wikipedia - Electrical Grid) Figure 11: Carte des lignes de transmission existantes en Californie (Source CEC) Figure 12 Schéma d'un SCADA (Source Wikipedia : SCADA) Figure 13: Exemple de réseau de communication entre les sous stations (Source : Cisco) Figure 14: les réseaux de communication et leurs applications (GTM Research) Figure 15: Architecture du réseau de communication apposé sur le réseau électrique (GTM Research) Figure 16 : Compteurs intelligents utilisés par PG&E (PG&E) Figure 17: Technologies de communication disponibles pour le WAN/FAN (GTM Research) Figure 18: comparaison entre le BPL et le 4G/WiMAX (Source : Spectrum IEEE) Figure 19 : HAN composé de la technologie Zigbee et CPL (Source : Renesas) Figure 20 : Liste des projets de stockage électrique en Californie Figure 21: Domaines potentiel définis par le NIST, pour la création de standards(source : NIST) Figure 22: La consommation énergétique par appareil dans une maison (Source : kilowatt- house.com) Figure 23: Comparaison des transactions liées au secteur Smart Grid entre Q1 et Q (Source Mercom Capital Group) Figure 24: Détail du capital risque au second trimestre 2010 pour le secteur Smart Grid (Source Mercom Capital Group) Figure 25: les principaux acteurs du secteur Smart Grid par segment de marché (Source GTM Research) LA SMART GRID EN CALIFORNIE 5

6 Remerciements Pour commencer ce rapport, je souhaiterais remercier tout particulièrement Thomas Deschamps, attaché scientifique au consulat de San Francisco. Son aide précieuse pour la prise de contacts, la recherche d information et le travail complémentaire effectué sur ce document ont rendu possible l écriture de ce rapport. Je tiens également à lui témoigner toute ma reconnaissance pour l expérience enrichissante qu il m'a permis de vivre depuis son arrivée dans l'équipe et pour mon initiation aux problématiques actuelles du réseau intelligent. Je souhaiterais également remercier l ensemble du personnel du consulat pour leur générosité et leur gentillesse, et plus particulièrement mes collègues de la mission scientifique: Raegen Salais, Véronique Mini, Myriam Laïc et Marion Franc, pour leur soutien quotidien durant ma mission. Un grand merci enfin a Yvan Castilloux, Antoines Aslanides, Christian Keller et Grégory Vincent, pour leur aide et leurs conseils durant nos différentes entrevues. 6 LA SMART GRID EN CALIFORNIE

7 Introduction Smart Grid est un terme peu connu du grand public. Selon une étude réalisée par Harris Interactive 1, 68% de la population américaine n en a jamais entendu parler et 63% ne saurait décrire un compteur intelligent. Littéralement Smart Grid signifie réseau intelligent, c est à dire un réseau capable de communiquer, d observer et de prendre des décisions en conséquence. La réalité est que le terme Smart Grid a dépassé l aspect technologique pour devenir un concept à part entière incluant, en plus de la composante technologique, une composante économique et sociale. L an dernier, le président Américain avait annoncé un financement de $3.4 milliards dédié au réseau intelligent. Il avait alors comparé cette initiative aux grands travaux lancés par Eisenhower pour construire des autoroutes entre les états : de même qu Eisenhower avait voulu moderniser le transport routier pour relancer l économie et l emploi, Obama veut aujourd hui moderniser le transport de l énergie avec pour ambition de porter les Etats- Unis au rang de leader mondial de cette industrie et relancer ainsi une partie de l économie. Et la Californie dans tout cela? La Californie reconnue à elle seule comme la 8ème puissance mondiale, terre d innovations, ayant connu tour à tour plusieurs révolutions industrielles (or, argent, pétrole, internet), est aujourd hui fragilisée. Surendettée, elle fait face actuellement à un taux de chômage de 12.4% un des plus élevés de son histoire2. Elle a connu ces dernières années de nombreux problèmes énergétiques : En 2001, une énorme coupure de courant avait paralysé pendant plusieurs jours l économie provoquant dans le même temps la faillite de son plus grand opérateur électrique, PG&E. Plus qu une remise à jour de son réseau, la Californie voit dans le réseau intelligent une opportunité pour entrer dans une nouvelle révolution industrielle. «Go Green for Green»tel pourrait être son leitmotiv à l heure actuelle. 1 Engaging your Consumers for Smart Grid Success - Electric Energy Online Magazine, September Evolution du taux de chômage Californien sur Google Public data explorer LA SMART GRID EN CALIFORNIE 7

8 Le paysage électrique californien. Etat actuel du réseau Un réseau vieillissant A l image du réseau électrique américain, le réseau californien est vieillissant, intégrant des technologies et des appareils âgés, parfois de plus de 50 ans. Les disfonctionnements ont coûté et coûtent encore énormément d argent(entre $11 milliards et 18 milliards 3 ) à un état qui est aujourd hui surendetté 4. En 2001 la crise énergétique, surnommée également la Western U.S Energy crisis, représenta une perte de plus de 40 milliards de dollars pour la Californie. Une consommation d électricité en augmentation Alors que la population augmente en Californie la consommation en électricité suit cette tendance (Figure 1). Et selon la California Energy Commission (CEC), ce phénomène ne devrait pas s estomper dans les prochaines années. La Californie doit donc construire chaque année de nouvelles centrales pour assurer la production d électricité ou importer plus d énergie. Figure 1: Evolution de la consommation d'électricité en Californie (Source : California Energy Commission ) Une production et une distribution multiple En 2008, la Californie produisait 73,2% de son électricité alors qu elle en importait 27,8% (Figure 2). La Californie est donc dépendante de ses voisins pour assurer son ravitaillement énergétique. Parmi les sources utilisées pour produire l électricité en 2008, le gaz naturel était le plus utilisé et représentait à lui seul 46.5%. Venaient ensuite le charbon (15.5%) et le nucléaire (14.9%). Les 3 The cost of power disturbances to industrial and digital economy companies EPRI 4 Has the golden state gone bust? San Francisco Gate, February LA SMART GRID EN CALIFORNIE

9 énergies renouvelables représentaient 13.5% et se positionnaient juste devant l hydraulique avec 9.6%. Figure 2 : Provenance de l'énergie consommée en Californie (source : California Energy Commission) Parmi les énergies renouvelables, l éolien et la géothermie sont les deux sources les plus utilisées. A elles deux elles représentent plus de la moitié de la production des renouvelables. Alors que l hydraulique, la biomasse, les biogaz et la géothermie assurent une production stable au cours de la journée, le solaire et l éolien sont plus efficaces respectivement en milieu de journée ou pendant la nuit. La production totale devient donc dépendante de l heure de la journée (Figure 3). Figure 3 : Production des énergies renouvelables en Californie (source : California Energy Commission) Une vingtaine d opérateurs électriques coexistent sur le territoire. Certains comme Sacramento Municipal Utility District (SMUD) sont publics, les autres dont les 3 plus grands Pacific Gas & Electric (PG&E), San Diego Gas & Electric (SD&E) et Southern California Edison (SCE) sont privés. Cependant LA SMART GRID EN CALIFORNIE 9

10 ces derniers sont responsables de plus des ¾de la distribution. Le nombre d opérateurs n est pas fixe, et s ils se partagent géographiquement le territoire, il peut arriver qu un comté ou une municipalité décide de prendre son indépendance et de créer son propre service d électricité. Ce fut le cas en début d année lorsque le comté de Marin créa le Marin Energy Authority 5, prenant alors son indépendance vis- à- vis de PG&E, le plus grand opérateur de Californie. Parmi les autres opérateurs il est bon de citer : Alameda Municipal Power, Azusa Light & Water, City of Palo Alto Utilities, Glendale Public Service Department, Gridley Municipal Utilities, Healdsburg Municipal Electric Department, Los Angeles Department of Water and Power, Pacific Power, Riverside Public Utilities, Santa Clara Electric Department (a.k.a. Silicon Valley Energy), Sierra- Pacific Power, Southern California Public Power Authority, Pasadena Water & Power, Burbank Water & Power, Anaheim Public utilities. 6 Répartition de la consommation L électricité en Californie est consommée pour la plus grande partie par les habitations et les bâtiments commerciaux. Comme on peut le voir sur la courbe ci- dessous (Figure 4) l agriculture et l industrie ne représentent qu un faible pourcentage de l énergie utilisée et ont peu d impact sur la hausse de consommation observée depuis plusieurs décennies. Figure 4 : Répartition de la consommation électrique par secteur (source :CEC) Les organismes de régulation Pour réguler le marché de l électricité et assurer une bonne entente entre les opérateurs, les consommateurs et les tiers acteurs des organismes de régulation ont été mis en place au niveau 5 Marin County Goes Renewable By Establishing Its Own Energy Authority, Planet Green Blog 6 La liste complète sur Wikipedia : 10 LA SMART GRID EN CALIFORNIE

11 californien. A noter également l existence de la Federal Energy Regulation Commission (FERC) qui dicte la politique et la régulation énergétique à l échelle fédérale. La California Energy Commission (CEC) La CEC a pour responsabilité de prévoir les besoins futurs en énergie, de promouvoir l efficacité énergétique à travers la mise en place de standards pour les appareils électriques ainsi que pour le bâtiment, et de supporter les technologies impliquées dans les énergies renouvelables. Sa mission se traduit notamment par l entretien de l historique des données énergétiques, le financement de projets de recherche et la certification des sources d énergies dites renouvelables. La Californian Public Utility Commission (CPUC) Le CPUC joue le rôle d arbitre entre les opérateurs privés et les consommateurs (les opérateurs publics dépendent des municipalités). Le CPUC s assure auprès des consommateurs que le degré de service offert par les opérateurs satisfait suffisamment les requis imposés par la régulation de l état. Il est, entre autres, responsable de fixer en accord avec les opérateurs et les consommateurs le prix de l électricité en fonction des zones géographiques et économiques. Il est également responsable de la mise en application du modèle de «decoupling» utilisé en Californie. Du point de vue des opérateurs, le CPUC veille au bon accomplissement des objectifs imposés par le gouvernement comme par exemple l obligation de produire 20% de son électricité en provenance des énergies renouvelables. Le California Independant Security Operator (CISO). Le California ISO est l organisme en charge d assurer la fiabilité et l efficacité du réseau. Il régule l accès au réseau de transmission et promeut le développement de l infrastructure de transmission. Par ailleurs il fournit régulièrement de l information sur l état du réseau, sur la consommation et la production d électricité. La régulation et la tarification en place Le decoupling Suite à la crise énergétique de 2001, le gouvernement en place a opté pour une régulation renforcée de la filiale énergétique. Le modèle alors choisi par l état Californien a été le «decoupling», encore aujourd hui en place. Ce terme désigne le modèle selon lequel les profits réalisés par les opérateurs sont dissociés de leur vente de l électricité. En conséquence une plus grande quantité d électricité vendue ne rapporte pas plus d argent. Le but est d inciter les opérateurs à réaliser une meilleure efficacité énergétique étant donné qu une baisse de la quantité d électricité vendue n implique aucune réduction des bénéfices. Il permet également de limiter les spéculations, en partie responsables de la crise de Ce schéma s oppose à celui choisi par le Texas qui a opté pour une plus grande dérégulation du marché énergétique. En cas de réussite des objectifs imposés par le CPUC en termes de sauvegarde d énergie, les opérateurs reçoivent des récompenses sous forme de nouveaux fonds. Cependant, en cas de non respect des objectifs et de résultats très éloignés des LA SMART GRID EN CALIFORNIE 11

12 attentes, les opérateurs peuvent recevoir des pénalités jusqu à un montant de $25 millions. Dans les faits ceci ne s est jamais produit. Une tarification répartie en tranches de consommation Du point de vue du consommateur, la tarification appliquée dépend de sa consommation totale. En effet, de façon à pénaliser les gros consommateurs, un système de tranches de tarif a été mis en place 7. Comme le montre le schéma ci- dessous (Figure 5), la première tranche (Tier) est censée représenter la consommation basique comme l éclairage, le chauffage, et les usages quotidiens (réfrigérateurs, cuisine, ). Lorsque la consommation dépasse celle attribuée à la première tranche, la quantité supplémentaire sera facturée au taux donné par la seconde, et ainsi de suite pour les tranches restantes. Ce modèle incite lui aussi à une meilleure efficacité énergétique et à une réduction de la consommation 8. Figure 5: Modèle de tarification en tranche utilisé en Californie (Source : Southern California Edison) 7 Tranches de prix pour PG&E, SCE et SDG&E en juillet 2010 : 8 Getting consumers to rethink cost of solar: it s the electricity, The Solar Home & Business Journal, November LA SMART GRID EN CALIFORNIE

13 Ambitions politiques et challenges à venir en Californie. Une politique agressive en matière d environnement. L Etat de Californie mène une politique agressive en matière d environnement en comparaison de la majorité des autres états américains et est devenu, de fait, l un des meneurs dans ce domaine aux USA. En 2006 le gouvernement californien a voté l Assembly Bill 32 9 (AB32), ordonnant la mise en place d un programme de plusieurs années pour réduire les émissions de gaz à effets de serre. L objectif fixé est le retour du niveau des émissions en 2020 à celui de Comme pour prouver son ambition, le gouvernement californien accéléra en 2006 la mise en place de la Senate Bill 1078, établie en 2002 et donnant naissance au Renewables Portfolio Standard (RPS). Le RPS est l un des plus ambitieux standards du pays et prévoit qu une part de 20% de son électricité soit produite à partir d énergie renouvelable en Ce taux devrait passer à 33% en 2020, bien que cette initiative soit confrontée à une forte opposition 10, 11. Dans les énergies renouvelables, il faut entendre ici le solaire, l éolien, la géothermie, la biomasse et les barrages hydrauliques de petite taille principalement. Le nucléaire et les barrages hydrauliques de grande capacité ne sont pas comptabilisés comme sources d ENR en raison de leur impact sur l environnement. En 2009, les 3 plus gros opérateurs californiens ont affiché un taux moyen de 15% de leur mix énergétique en provenance d ENR. Le détail pour chacun d entre eux est donné ci- dessous : Pacific Gas and Electric (PG&E) % Southern California Edison (SCE) % San Diego Gas & Electric (SDG&E) % Une liste des projets en Californie programmés par les opérateurs privés pour parvenir au 33% RPS est également disponible sur le site du CPUC 12. La California Solar Initiative (CSI) Bien que bénéficiant d'une dizaine d'années d'aides gouvernementales en matière de solaire, la Californie a connu une accélération du développement de son parc grâce au démarrage en 2004 du projet "Million Solar Roof", visant à installer des panneaux solaires sur un million de toits californiens, et posant ainsi les fondations de la California Solar Initiative 13. Disposant d'un budget de $3,3 Milliards sur dix ans (de 2006 à 2016), ce projet modifie radicalement le système d'incitations et d'aides de l'état. Comportant plusieurs volets, notamment un programme d'aide à l'accès au solaire pour les foyers les 9 Assembly Bill 32 website 10 Meg Whitman, Prop 23, and AB 32, Legal Planet Blog, September Meg Whitman Tries to Have it Both Ways With California Climate Change Law, Green Tech Media, Sept Liste au format Excel des projets du CPUC 13 The California Solar Initiative Website LA SMART GRID EN CALIFORNIE 13

14 plus modestes, la CSI a permis la mise en place d'une réelle politique incitative adaptée en fonction de la consommation de l'utilisateur. La première mesure : Expected Performance- Based Buy- Down (EPBB), concerne les installations générant moins de 30 kw avec la possibilité de toucher directement en une fois une aide calculée à partir des performances estimées du système et indexée sur une grille tarifaire particulière en fonction de la catégorie de l'utilisateur. La deuxième mesure : Performance Based Incentive (PBI), s'applique aux installations de plus de 50 kw. Une aide mensuelle étalée sur une durée de cinq ans est versée en fonction des capacités de production de l'installation. Ces deux aides qui constituent à elles seules une réelle avancée sont en plus complétées par un allègement fiscal de 30% du coût total de l'installation réservé aux particuliers et entreprises de négoce (offert par le gouvernement fédéral) 14. Le Net- Energy Metering 15 (NEM) comme incitation supplémentaire Jusqu'en octobre dernier, le système en place ne permettait pas aux utilisateurs de systèmes photovoltaïques de capacité inférieure à 1 MW d'être rémunérés pour leur surproduction redistribuée au réseau. Depuis la directive AB920 approuvée par le Gouverneur Schwarzenegger, il existe désormais une option avantageuse pour ces "clients- producteurs", à la condition d'installer un compteur intelligent permettant d'accéder à l'électricité consommée tout autant que celle produite. Les utilisateurs qui produisent plus qu'ils ne consomment ont la possibilité de se voir racheter leur production excédentaire au tarif de leur catégorie. Cette initiative permet donc aux usagers d'être véritablement acteurs de leur consommation puisqu'ils ont la possibilité d'adapter leur utilisation d'électricité en fonction de l'heure de la journée et de la période de l'année afin d'engranger des bénéfices. En effet, un consommateur qui bénéficie du NEM peut produire de l'électricité pendant les heures "de pointe", électricité qui lui sera rachetée plus cher que le prix qu'il paie en consommant en dehors de ces périodes (Figure 6). Le procédé permet conjointement de diminuer la demande énergétique à ces moments de la journée et donc de faire réaliser des économies aux opérateurs énergétiques. 14 Quelle politique incitative pour le solaire en Californie?, Bulletin Electronique, June California incentives/policies, Database of State Incentives for Renewables and Efficiency website 14 LA SMART GRID EN CALIFORNIE

15 Figure 6: Production du solaire versus le pic de consommation (source : Green Manufacturer- ) Intégration des énergies renouvelables D une production centralisée vers une production répartie sur l ensemble du territoire. En 2006, Arnold Schwarzenegger avait lancé l initiative «Million Solar Roof Plan 16 qui consiste à atteindre un niveau d un million de toits solaires d ici 2018 en Californie. Si les objectifs sont atteints, les opérateurs électriques verront apparaître sur leur réseau une multitude de sources d énergies potentiellement connectables. Ces derniers ont également lancé de nombreux projets de fermes solaires, éoliennes ou géothermiques, multipliant les sources d énergie propre afin de satisfaire les objectifs du RPS. On assiste donc aujourd hui à une décentralisation des moyens de production qu il devient de plus en plus difficile à gérer sur le réseau. En effet, connaître la quantité en temps réel d électricité disponible sur le réseau devient complexe et pose des problèmes pour l ajustement des moyens de production pour suivre la demande. Les énergies renouvelables : une source énergétique instable. Les énergies renouvelables, comme le solaire ou l éolien, posent par ailleurs des problèmes d intermittence et de disponibilité des ressources. Le solaire photovoltaïque sans stockage ne fournit pas d électricité la nuit. De même, un nuage affectera directement la production solaire. Le vent varie en fonction des jours, de l exposition, et n est pas de force constante. Intégrer et relier les énergies renouvelables au réseau demande donc des moyens techniques supplémentaires comme les onduleurs. Les courants sur le réseau sont contrôlés étroitement et leurs caractéristiques comme la phase, la tension et le courant, doivent être parfaitement maîtrisées. Il devient donc nécessaire d ajouter une interface entre l électricité produite et l électricité envoyée sur le réseau. Par ailleurs, pour compenser les surproductions ou les sous productions une infrastructure de stockage devient un outil indispensable. Le Texas par exemple est victime de surproduction en temps de grands vents avec pour résultat un surcroît de stress sur le réseau et une perte énergétique importante Million Solar Roofs website 17 Strong growth but are rocky times coming for wind?, Green Tech Media, August LA SMART GRID EN CALIFORNIE 15

16 Intégrer les véhicules électriques. Du véhicule électrique (VE) ou de l'infrastructure, lequel devrait être construit et déployé en premier? Cette question revient fréquemment lors des discussions sur la pénétration du VE. Cependant la fin du débat pourrait être proche : L'arrivée des V.E est programmée sur le marché d'ici la fin 2010 avec notamment la Nissan Leaf et la Chevrolet Volt 18. Les infrastructures devront donc être prêtes pour accompagner l'arrivée de ces premiers VE. Les véhicules électriques ont reçu de nombreuses aides l'an dernier aux Etats- Unis, avec notamment un investissement fédéral de $2.4 milliards 19. Cependant un déploiement des véhicules électriques à grande échelle nécessite la mise en place d'une infrastructure, en particulier pour recharger les batteries. Plusieurs questions viennent alors à l'esprit : quelle est la taille optimale de l'infrastructure? On peut imaginer que les particuliers auront une station de recharge dans leur garage, mais ils auront aussi besoin d'une station sur le lieu de travail. Qui devra payer pour l'installation? Les entreprises seront- elles prêtes à financer de tels systèmes? La distance moyenne parcourue par jour aux Etats- Unis est d'environ 65 kilomètres (40 miles) par conducteur. Comment recharger sa voiture lorsqu'on part en vacances? Des stations de recharge seront nécessaires sur la route mais il reste à connaître le nombre à installer, leur propriétaire, le modèle économique et financier à appliquer, notamment pour payer l'électricité. Réduire ou maintenir la consommation électrique La consommation d électricité par habitant en Californie est restée stable depuis la moitié des années 70 alors que la moyenne nationale a augmenté d environ 50% (voir Figure 7). Figure 7 : Stabilisation de la consommation électrique par tête en Californie (source CEC) 18 L.A. gets wired with new electric- car charging stations, LA Times, June President Obama Announces $2.4 Billion in Grants to Accelerate the Manufacturing and Deployment of the Next Generation of U.S. Batteries and Electric Vehicles, White House statements & releases, August LA SMART GRID EN CALIFORNIE

17 En 1976, faisant suite à l impossibilité de construire de nouvelles centrales nucléaires, le gouvernement tenta de réduire la consommation. Les dirigeants se sont rendus compte que la consommation des réfrigérateurs à elle seule représentait la construction de 5 centrales. Améliorer l efficacité des réfrigérateurs a permis de répondre aux besoins de nouvelles constructions de centrales. Depuis la Californie n a cessé d adopter de nouvelles mesures pour améliorer l efficacité des appareils électriques et tenter de freiner l augmentation de la consommation. Gérer les pics de consommation Un pic de consommation entre 14h et 18h Comme présentée sous la courbe ci- dessous (Figure 8), la consommation électrique n est pas uniforme au cours de la journée. La nuit, la consommation électrique est très basse, alors qu elle progresse rapidement au cours de la journée formant un pic généralement entre 14h et 18h. L intensité du pic dépend généralement des conditions climatiques et de facteurs extérieurs mais en Californie les plus hauts niveaux atteints se situent pendant l été, lors des journées très chaudes et lorsque les appareils de climatisation fonctionnent à plein régime. De nombreuses études ont été réalisées pour comprendre ce comportement de consommation et il est intéressant de remarquer sur la courbe suivante que le pic de consommation a lieu en fin de journée lorsque la consommation sur le lieu de travail est haute et la consommation à la maison augmente. Le pic est donc lié à la fois à la consommation résidentielle mais également à celle des bâtiments commerciaux. Figure 8: Répartition de la consommation électrique au cours de la journée par secteur économique (source : LBNL) LA SMART GRID EN CALIFORNIE 17

18 Un pic de consommation qui coûte cher Parce qu il faut construire des centrales d appoint onéreuses pour compenser la surconsommation, les pics électriques coûtent très chers aux opérateurs électriques qui répercutent le prix sur les utilisateurs. Ceci est accentué par l augmentation de l intensité des pics dans le secteur résidentiel comme dans le secteur commercial. Par ailleurs, comme il est présenté sur la Figure 9, le gaz naturel - énergie non renouvelable - est utilisé pour l ajustement. En effet les centrales au gaz naturel ont l avantage de pouvoir varier leur production avec un temps de latence réduit permettant une meilleure flexibilité. Les barrages hydrauliques de grande taille, grâce à leur grande capacité de stockage, sont également utilisés en grande quantité pour combler le déficit de production. Cependant ces barrages ne sont pas considérés en Californie comme une énergie propre, en raison des problèmes environnementaux causés, comme la destruction de la faune et de la flore et la dégradation des paysages. Figure 9: Mix énergétique quotidien 18 LA SMART GRID EN CALIFORNIE

19 La Smart Grid, une réponse technologique à ces défis. Améliorer et optimiser le réseau électrique Structure du réseau électrique Le réseau électrique peut être décomposé en 2parties, montrées sur le schéma ci- dessous (Figure 10). Chacune de ces parties correspond à une gamme de voltage différente et induit en conséquence des infrastructures, des fonctions et des technologies différentes. La première partie inclut les tensions élevées voire très élevées, qui sont typiquement supérieures à 110 kv. Elle inclut la production dans le cas des grandes centrales et moyennes centrales, et la transmission. La seconde partie comprend les tensions inférieures à 110kV, qui correspondent à la distribution et aux petites centrales de production. Figure 10 Schéma du réseau électrique (Source : J. J Messerly, from Wikipedia - Electrical Grid) LA SMART GRID EN CALIFORNIE 19

20 Améliorer le réseau de transmission. Situation actuelle Lors du Berkeley Energy Symposium en mars dernier, Philip Moeller, un des cinq représentants à la tête de la Federal Regulatory Energy Commission (FERC), avait rappelé le besoin pour les USA de mettre à jour le réseau des lignes de transmission : "Il est de notoriété publique que nous avons besoin de plus de lignes transmissions... Il n'y a aucun moyen de capter plus d'énergie renouvelable sans transmission». Figure 11: Carte des lignes de transmission existantes en Californie (Source CEC) 20 LA SMART GRID EN CALIFORNIE

21 Un rapport publié en août de l année dernière, écrit par les régulateurs californiens et les opérateurs électriques, prévoit un coût de $15.7 milliards dans le déploiement de lignes de transmission pour parvenir aux objectifs ambitieux de la Californie. Ceci prend notamment en compte le transport, jusqu'aux grands centres de populations, de grandes quantités d'énergie provenant de lieux de production éloignés comme des éoliennes dans le Midwest ou des centrales géothermiques dans le Southwest. Une carte proposant de nouvelles infrastructures de transmissions 20 ainsi qu'une carte recensant la situation actuelle (Figure 11) sont disponibles. "Dans le futur nous pourrions voir le développement de larges centrales comme des fermes d'éoliennes capables de produire 5 à 10 GW, mais situées loin des centres urbains. Il deviendra alors nécessaire de transporter de larges quantités d'énergie sur des longues distances" affirmait Arshad Mansoor, vice président du Power Delivery and Utilization de l'electricity Power Research Institute (EPRI). Comment y parvenir Pour faire face aux problèmes relatifs à la transmission, la Renewable Energy Transmission Initiative (RETI) 21 a été créée. C'est une initiative californienne mise en place pour aider l'identification des projets de transmissions nécessaires pour atteindre les objectifs dictés par la politique énergétique de la Californie. La mission du RETI est de définir toutes les zones favorables aux énergies renouvelables, dites "competitive renewable energy zones (CREZ)", en Californie et dans les états voisins qui pourraient fournir des quantités significatives d'énergie à la population d'ici Une fois cette étape validée, il s'agit ensuite d'identifier quelles sont les zones avec le meilleur potentiel de développement, à savoir le meilleur rapport qualité/prix, tout en prenant aussi en compte les critères écologiques. L'étude se termine par des plans détaillés des transmissions nécessaires pour le développement. Pour pouvoir initier et planifier le déploiement du réseau de transmission, les dirigeants auront besoin de se fier à des simulations aussi détaillées que possible. Afin de fournir les meilleures prévisions possibles, le Renewable and Appropriate Energy Laboratory (RAEL)22, affilié à l'université de Berkeley, a développé son propre logiciel de simulations. Solar, Hydro and Conventional generators and Transmission (Switch)23 peut explorer différents scénarios pour le futur réseau électrique des Etats- Unis. Le modèle suggère les décisions d'investissement à prendre en fonction du coût, pour répondre à la future demande en électricité, tout en tenant compte du réseau actuel mais aussi des projections quant au prix des carburants, des développements technologiques, des potentiels d'énergie renouvelable et des politiques proposées. Promotion de nouvelles lignes grâce à des technologies plus efficaces comme les supraconducteurs Transporter de grandes quantités d'énergie sur de longues distances pourrait être plus aisé dans les prochaines années si les producteurs d'électricité adoptaient un nouveau système de transmission utilisant du courant continu (DC) plutôt qu'alternatif (AC) et des câbles supraconducteurs selon l'epri. 20 Carte des lignes de transmissions potentielles : 21 Présentation de l'initiative RETI : 22 Présentation du laboratoire RAEL: 23 Présentation du projet Switch : LA SMART GRID EN CALIFORNIE 21

22 Ce dernier décrit dans un récent rapport un système à base de tels câbles permettant de transporter plusieurs gigawatts d'électricité. Deux autres rapports associés au premier expliquent les problèmes principaux pour l'intégration sur de longues distances, la connexion des câbles supraconducteurs de type DC avec le réseau existant, les transmissions de type AC à de plus faibles tensions et les systèmes de distribution. Comme défini dans le rapport principal, le nouveau système pourrait fournir une capacité de 10 GW avec un courant et une tension nominale de 100 kiloampères et de 100 kilovolts. Le rapport met également en avant le potentiel d'amélioration de la sécurité, la fiabilité et l'efficacité sur le réseau AC existant. De plus, il indique que les constructeurs de telles transmissions pourraient se reposer sur des technologies déjà disponibles sur le marché et des méthodes de construction similaires à celles utilisées dans la construction des pipelines de gaz naturel. En se fondant sur les tendances notamment dans le domaine des améliorations dans le secteur des câbles supraconducteurs, l'epri a affirmé que les transmissions de type DC pourraient être à l'avenir plus efficaces que des lignes haute tension de type AC pour le transport de grandes quantités d'énergie sur de longues distances. Synchrophaseurs Une des solutions pour rendre le réseau plus fiable est l'ajout de synchrophaseurs appelés également Phase Measurement Units (PMU) 24. Placés à l'intersection des lignes de transmissions et sur une partie du réseau de distribution, les PMU permettent de mesurer la phase du courant 30 fois par seconde, soit une fréquence 120 fois supérieure aux systèmes actuels. A l'aide d'un système GPS, les informations récoltées sont alors comparées entre elles, permettant de tracer une carte en temps réel des phases du réseau électrique. Grâce à ces données, il est possible d'estimer le stress sur le réseau et de synchroniser les lignes de transmissions entre elles. Ce système devrait également permettre d'estimer les risques de panne et d'éviter les coupures de courant à grande échelle, de parvenir à une meilleure optimisation des lignes de transmission, de faciliter l'intégration des sources d'énergie intermittentes et enfin, d'améliorer la sécurité sur le réseau. Afin d'accélérer et de cadrer le déploiement des synchrophaseurs, la North American Synchrophasor Initiative (NASPI) 25 a été mise en place. La NASPI est une collaboration entre l U.S Department of Energy (DoE), la North American Electric Reliability Corporation (NERC) ainsi que plusieurs distributeurs, centres de recherche et industriels. Grâce à la NASPI plusieurs projets ont pu voir le jour. Le DoE a ainsi attribué une bourse de $53.9 millions pour lancer le Western Interconnection Synchrophasor Program. Neuf autres partenaires ont également investi dans le projet, rassemblant un total de $107,8 millions. Le programme, mené par le Western Electricity Coordinating Council (WECC) qui gère la sécurité et la robustesse du réseau électrique pour 11 états de l'ouest, devrait permettre d'économiser près de $2 24 Phasor Measurement Unit Wikipedia 25 Site officiel de la NASPI : 22 LA SMART GRID EN CALIFORNIE

23 milliards dans les 40 prochaines années, selon les prévisions. Depuis son lancement 137 PMU ont été installés 26. A l'heure actuelle, grâce aux PMU installés, les distributeurs sont parvenus à améliorer la compréhension et le contrôle en temps réel de l'état du réseau. Cependant, seul le distributeur Southern California Edison a mis en place un véritable système opératoire automatisé. Les projets de construction de ligne de transmission en Californie. Plusieurs projets ont déjà démarré. La liste ci- dessous, fournie par la Californian Energy Commission (CEC) 27, fait état des projets en cours : SB 1059 State Corridor Planning Imperial Valley Study Group (terminé) Renewable Energy Transmission Initiative (RETI) Solar Programmatic Environmental Impact Statement (PEIS) West- Wide Federal Energy Corridor Programmatic Environmental Impact Statement (PEIS) California ISO Regional Transmission Planning California Public Utilities Commission - Transmission Information and Projects U.S. Department of Energy National Interest Electric Transmission Corridors (NIETC) U.S. Department of Energy Wind Energy Development Programmatic Environmental Impact Statement Information Center Améliorer le réseau de distribution La règle des «trois neufs». Selon la Galvin Electricity Initiative, le système actuel est construit sur une norme de fiabilité des trois neufs, ce qui signifie que dans 99.9% des cas, le réseau fonctionne normalement. Ce qui veut aussi dire que 0.1 % du temps le réseau n est plus fiable, entraînant des risques d accidents, une perte de productivité, un effet négatif pour le commerce et une entrave à la sécurité du pays. En particulier dans les sous stations ou la quantité d énergie est énorme, la sécurité est un facteur prioritaire. Qui plus est certains appareils nécessitent plus d un an de construction et représentent un coût significatif pour un opérateur. Pour protéger le réseau et améliorer sa sécurité, les opérateurs électriques l ont équipé de composants électroniques intelligents, nommés en anglais Intelligent Electronics Devices (IEDs). Ces appareils servent de protections posées sur les relais, de régulateurs de tension, et d'enregistreurs de perturbations. Ils peuvent intervenir de façon automatisée sur le réseau dans le cas d anomalies de tension, de courant ou de fréquence. 26 Carte des PMU installés dans la Western Interconnection : electroniques.com/xcmxh 27 Les différents projets de lignes de transmission : LA SMART GRID EN CALIFORNIE 23

24 Surveiller et contrôler le réseau : Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) Le terme SCADA réfère habituellement à un système centralisé capable de surveiller et de contrôler un ensemble de systèmes complexes étendus sur une large zone. La grande majorité des actions est réalisée automatiquement par des terminaux de contrôle à distance (RTU) ou par des contrôleurs logiques programmables (PLC). Dans le cas du réseau électrique le système sera capable de mesurer les caractéristiques du réseau comme la tension, la fréquence ou encore le courant, et d agir automatiquement en cas de faille sur le réseau (voir Figure 12). Automatiser le réseau de distribution Figure 12 Schéma d'un SCADA (Source Wikipedia : SCADA) Afin d augmenter l efficacité sur le réseau de distribution et de minimiser les pertes, les opérateurs électriques se tournent vers une plus grande automatisation du réseau. Ceci inclut par exemple des composants intelligents permettant une augmentation de la fiabilité du réseau et l amélioration des capacités de restauration du réseau en cas de panne. Ceci comprend également des logiciels capables d automatiser les facteurs de correction d énergie et la réduction de la conservation de tension. Pour parvenir à une optimisation maximale, les composants sont connectés entre eux (Figure 13), les opérateurs ayant alors une vue d ensemble instantanée du réseau. 24 LA SMART GRID EN CALIFORNIE

25 Le sujet n est pas nouveau, l EPRI travaille déjà depuis quelques années sur le projet Intelligrid 28. Mais ce n est que depuis peu que de nombreux opérateurs se sont lancés dans de tels programmes. On peut citer le cas du SMUD 29, de PG&E 30 ou encore de SCE 31 Figure 13: Exemple de réseau de communication entre les sous stations (Source : Cisco) Un réseau de communication apposé au réseau énergétique Une segmentation du réseau de communication calqué sur l infrastructure électrique. Les fondations des réseaux intelligents reposent sur l apposition d une infrastructure de communication sur l ensemble du réseau énergétique. Le format du réseau de communication est encore à définir, et de nombreuses solutions technologiques parfois divergentes sont présentées. Cependant une architecture générale semble se dessiner. Cette architecture reprend les fonctionnalités principales du réseau que sont la production, la transmission, la distribution et la consommation. Comme présenté sur les schémas ci- dessous, le réseau peut être divisé en 4 sous- réseaux (Figure 14), correspondant chacun à une infrastructure du réseau électrique (Figure 15) : 28 Architecture for the Intelligent Electricity, Energy and Utility Services Grid of the Future, EPRI 29 Distribution Automation and Efficiency Document, Sacramento Municipal Utility District 30 PG&E Smart Meter Program, PG&E Website 31 Lower Costs and Customer Focus Regenerates Distribution Automation, Electric Light & Power LA SMART GRID EN CALIFORNIE 25

26 1. Local Area Nework (LAN) : Restreint à des zones confinées, le LAN est utilisé typiquement pour transmettre des données aux points sensibles du réseau comme le cœur des opérateurs électriques ou des centrales. 2. Wide Area Network (WAN): De par sa grande couverture, le WAN est utilisé pour transférer les données du réseau électrique sur de longues distances pour être ensuite stockées sur des serveurs centraux (cloud computing) ou encore pour communiquer le long des lignes de transmission 3. Field Area Network (FAN/AMI) : Disposant d une portée généralement plus faible que le WAN est utilisé en majorité pour les communications sur le réseau de distribution. C est pourquoi il est souvent assimilé au réseau AMI. 4. Home Area Network (HAN) : Il supporte les communications au niveau des bâtiments commerciaux et des lieux de résidence. Figure 14: les réseaux de communication et leurs applications (GTM Research) 26 LA SMART GRID EN CALIFORNIE

27 Figure 15: Architecture du réseau de communication apposé sur le réseau électrique (GTM Research) L infrastructure AMI /FAN L advanced metering Infrastructure (AMI) réfère à un système capable de collecter, de mesurer et d analyser les usages d énergie en permettant l envoi de données sur un réseau de communication bidirectionnel connectant les compteurs intelligents et les systèmes de contrôle des opérateurs. L AMI fournit aux opérateurs des capacités de gestion sans précédent, ouvrant la voie à un échange d information avec l utilisateur final et des choix en temps réel relatifs à leur consommation. Les deux composants principaux sur l AMI sont le compteur intelligent lui- même, qui remplace les anciens compteurs mécaniques incapables de communiquer, et le réseau de communication nécessaire pour transporter les données que le compteur génère. L AMI peut donc être représenté par l association de deux structures, la première incluant la couche d application, et la seconde représentant la couche de transport. La couche d application est responsable de la collecte des données, de leur analyse et des fonctions de contrôle dans le but d améliorer l efficacité du réseau. La couche application a également pour but de LA SMART GRID EN CALIFORNIE 27

28 traiter les données pour que l information, provenant de millions de points finaux, soit transformée en données utilisables par les opérateurs pour gérer le réseau, interagir automatiquement et assurer une meilleure efficacité, optimisation, fiabilité et sécurité. La couche transport est quant à elle vouée aux échanges d informations entre les opérateurs et les consommateurs finaux. Ceci est réalisé grâce l ajout d une infrastructure de réseaux interconnectés. Ce réseau de communication a attiré l attention des opérateurs parce que, d une part, les technologies impliquées dans la construction des compteurs intelligents sont assez simples, et parce que d autre part, il rend possible de nouvelles applications en connectant les opérateurs aux consommateurs finaux. Une infrastructure AMI permet de nombreuses nouvelles applications comme la lecture des compteurs à distance, la capacité de connecter et de déconnecter à distance, de détecter et de gérer des coupures de courant, la détection de vol, la lecture de la consommation sur de petits intervalles, le suivi et la gestion d une production dispersée. Selon les phases planifiées par PG&E, le déploiement du réseau AMI, devrait suivre les étapes suivantes : 1. Test initial du système 2. Processus de déploiement et de prévision des compteurs intelligents 3. Support des compteurs intelligents pour le paiement de la consommation 4. Application de nouveaux tarifs. 5. Ajout de nouvelles fonctionnalités (ex : information sur les coupures de courant) 6. Proposer des applications mobiles ou sur Internet dédiées au consommateur. 7. Applications avancées. Aujourd hui, les opérateurs les plus avancés en Californie, comme PG&E 32, en sont à la seconde phase. Leur déploiement des compteurs intelligents est presque terminé et la technologie de communication est déjà en grande partie déterminée. Cependant beaucoup d autres opérateurs ne sont pas aussi avancés et leur choix des technologies n est pas encore défini. Les compteurs intelligents, piliers du déploiement du réseau intelligent Les compteurs intelligents sont des appareils capables de mesurer la consommation d électricité presque en temps réel. La question de la fréquence de mesure a été longuement discutée et il semble que la majeure partie des opérateurs prévoit dans le meilleur des cas une mesure toutes les 15 minutes 33. Mais ce qui rend ces compteurs «intelligents» est la possibilité d établir des communications avec les opérateurs à travers le FAN et le WAN, la nouvelle génération de compteur, étant capable de communiquer de façon bidirectionnelle. L introduction des compteurs intelligents et leur déploiement sont régulés, pour les opérateurs privés, par le CPUC. 32 PG& Smart Meter Report 33 Smart Meters Raise Privacy Concerns, Smart Money November LA SMART GRID EN CALIFORNIE