Smart Grid : réalisations et perspectives. Maison des Arts et Métiers 17 / 05 / 2010 Benoît MARTIN

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1 Smart Grid : réalisations et perspectives Maison des Arts et Métiers 17 / 05 / 2010 Benoît MARTIN

2 Changement de modèle dans les réseaux : Un nouvel âge de l électricité 19 ème Siècle 20 ème Siècle Début du 21 ème Siècle Fin du 21 ème Siècle Electrification L âge du charbon Production centralisée d électricité L âge des énergies fossiles Transition vers un nouvel âge de l électricité Challenges liés 1.) Changements démographiques 2.) raréfaction des ressources 3.) Changement climatique Un nouvel âge de l électricité L électricité comme principal vecteur de source d énergie Système électrique intégré avec le réseau comme colonne vertébrale ' Coordination étroite de la charge et de la production' Alimentation d îlots Charge stochastique La production suit la consommation Réseaux connectés, production centralisée, charge stochastique mais modèles de prédiction, flux unidirectionnel d énergie Modification des comportements Augmentation de la production décentralisée, peu prédictible, prosommateur = producteur + consommateur La consommation suit la production' Production centralisée et décentralisée, Réseaux communicants, Flux bidirectionnels d énergie Charbon Hydroélectricité Energies fossiles Hydroélectricité, Nucléaire Energies fossiles Hydroélectricité, Nucléaire EnR EnR Charbon propre, gaz Nucléaire Prise en compte des contraintes environnementales Page 2 04/2010 Siemens SAS

3 Quelques clés à long terme pour comprendre le marché de l électricité Une demande croissante Parc vieillissant Protection de l environnement 2.2 % p.a. 20,300 TWh 1 3% 16% 13% 21% 6% 41% Sources d énergie fossiles 68% 54% 33,000 TWh ENR 17% Hydro 15% Nucléaire 15% Gaz 20% Oil 2% Charbon 32% Besoin de remplacement d infrastructures vieillissantes Exemple du réseau de transport US: 70% des transformateurs et 60% des disjoncteurs ont plus de 25 ans >2 milliards d par an pour le seul besoin de remplacement Local Replacement Rareté des ressources Changement climatique Source: UBS/ NERC 1) TWh = Terawatt hours Page 3 04/2010 Siemens SAS

4 Une mise en perspective : Des besoins qui évoluent, une demande qui croît Dérégulation des marchés de l énergie Efficacité énergétique Complexité et vulnérabilité des réseaux électriques Critères techniques liés au réseau Développement des interconnexions Infrastructure vieillissante / renouvellement des compétences Intégration des installations de production à partir d énergies renouvelables Influences externes Interaction avec le réseau et les utilisateurs Configuration du réseau Distance entre les centrales et les consommateurs Integration des installations décentralisées de production Réduction des émissions de gaz à effet de serre Intégration des bâtiments intelligents Haute qualité de l alimentation électrique Contexte juridique et réglementaire Facteurs liés à l exploitation Page 4 04/2010 Siemens SAS

5 Problématique de la tenue de tension (1) Dans les réseaux BT Planification de la distribution BT dans les réseaux jusqu à récemment: +10% Profils de consommations standardisés Puissance appellée par Client Norme EN 50160: % des tensions dans une bande 230 V +10/-15%) Zone tampon de réserve U max 230 V U min -15% Pas de consommation réserve Consommation importante réserve EN 50160:2010 nouvelle : 100 % des tension dans une bande +/- 10% la réserve de tension est diminuée de 5 % +10% U max 230 V -10% -15% U min Pas de consommation réserve Consommation importante Remontée de la tension au point de raccordement +10% U max 230 V U min -10% Réserves réduites Page 5 04/2010 Siemens SAS

6 Problématique de la tenue de tension (2) Effets complémentaires Déséquilibre entre phases Consommation réelle Potentiel de dépasser la bande normalisée de tension de distribution +10% Surtension liée à un Déséquilibre entre phases U max > 230 V -10% U min Les réseaux de distribution sont très faiblement instrumentés pour connaître l effet des déséquilibres entre phase d une part et le profil de consommation réelle d autre part au niveau d un départ Page 6 04/2010 Siemens SAS

7 Problématique de la tenue de tension (2) Influence de la production décentralisée Des surtentions locales peuvent apparaître suivant la puissance raccordée et l impédance du réseau U max +10% 230 V U min -10% Overvoltage caused by decentralized generation La production décentralisée n est pas toujours compatible avec la tenue du plan de tension ; Une limitation de la puissance injectée sur le réseau pourrait permettre de continuer à injecter sur le réseau tout en permettant la tenue du plan de tension Transformateur MT BT I Production décentralisée (par ex. µ-chp) R+jX R+jX R+jX R+jX ~ Profil en long de la tension U charges Source: AIT Page 7 04/2010 Siemens SAS l

8 La solution : Les réseaux intelligents ou smart grid Page 8 04/2010 Siemens SAS

9 Les challenges à relever par le smart grid. De Congestion, goulots d étranglement et prévention des blackouts Solutions télécoms hétérogènes en capacité et en bande passante Exploitation et ingénierie complexe et nécessitant de nombreuses ressources Fonctionnement de l appareillage haute tension non supervisé Production centralisée Consommation décentralisée Réactions dans les situations critiques liées à l expérience et l empirisme Demande en énergie non maîtrisée et peu transparente Cycle de vie des bâtiments déconnecté des problématiques de l énergie Vers Sécurité, Acceptabilité et efficacité de l alimentation électrique Solutions télécoms homogènes adaptées aux smart grids Support IP / Ethernet Solution générique de contrôle commande des sous-stations Modélisation du réseau électrique Monitoring de l appareillage haute tension pour une meilleure gestion du patrimoine, de la maintenance et de l exploitation Agrégation de production décentralisées par le mécanisme de virtual power plants VPP Réseau intelligent / Gestion de la contingence / auto-cicratisation des réseaux Gestion de la charge / Information du consommateur lui permettant de prendre des décisions Participation active des bâtiments en tems que producteur / consommateur et moyen de stockage d énergie Focus Distribution Transport Page 9 04/2010 Siemens SAS

10 La conséquence : Une intégration des systèmes d information Planification des ressources de l entreprise Processus client et marché Exploitation du réseau Intégration de la production décentralisée Réseau de distribution Télécom et systèmes d information Smart Grid Télécom et systèmes d information Production Transport Distribution Consommation Page 10 04/2010 Siemens SAS

11 Siemens prend la main et propose une vision de l intégration des smarts technologies Fiabilité et planification Gestion de l exploitation Optimisation des ressources Production Intelligente Smart Grid Consommation intelligente Réseau de Transport Réseau de distribution Prévision et modélisation en temps différé ou en temps réel Eolien Solaire Sources de production décentralisées Système expert Basé sur la détection de la phase Monitoring des conditions de fonctionnement Advanced Energy Mgmt. System (EMS) Protection et CCN de sous-station Management du patrimoire Outage Mgmt Services (OMS) Distribution Management Systems (DMS) Automatisation de la distribution et protection Meter Data Management (MDM) Comptage intelligent / Prévision de la demande Clients Industriels ou PME Clients résidentiels E-cars, batteries Modèle communs du noeud de réseau et protocoles de communication communs E-cars, batteries Page 11 04/2010 Siemens SAS

12 HVDC et FACTS Des solutions pour le transport d électricité De Congestion, goulots d étranglement et prévention des blackouts Vers Sécurité, Acceptabilité et efficacité de l alimentation électrique Les plus : Réduction des pertes de transport sécurisation du système électrique Réduction des émissions de GES par l accès aux réseaux d importantes centrales de production éoliennes, solaires ou hydroélectrique Transport de puissance de l ordre du gigawatt sur des distances supérieures à 1000 km Augmentation de la qualité de la fourniture à tous les niveaux de tension Stabilité du réseau améliorée Page 12 04/2010 Siemens SAS

13 Projet de câble sous-marin, USA : La sécurité de l approvisionnement en Californie Contraintes du réseau Avant mise en place câble 2010 Contraintes du réseau Après mise en place câble Echange d énergie par câble Pas d augmentation de la Pcc P = 400 MW Q = +/ MVAr Elimination des goulots d étranglement Soutien au plan de tension Page 13 04/2010 Siemens SAS

14 Une offre aujourd hui aboutie : Le smart metering De Demande en énergie non maîtrisée et peu transparente Vers Gestion de la charge / Profil Information du consommateur lui permettant de prendre des décisions Par rapport aux utilisateurs Transparence améliorée dans l accès donné à des relevés plus réguliers Nouvelles offres tarifaires adaptées Par rapport au processus internes Plateforme multi-usage, avec un nombre important de données permettant des accès temps réel et temps différés Opportunité pour offrir des services complémentaires Par rapport aux obligations réglementaires Contribution directe dans le sens de la directive européenne sur l efficacité énergétique Solution privilégiée par les autorités de régulation du marché Accès non discriminatoire à tous les parties prenantes Une relation clientèle améliorée / une connaissance des pertes approfondies / une acceptabilité réglementaire élevée Page 14 04/2010 Siemens SAS

15 AMIS Infrastructure de smart metering (1) Composants du système Nom : MDM Meter Data Management Engergy IP Automatisation des réseaux Toolbox Gestion des réseaux Niveau : Serveur de transaction Data centre Data Concentrator (2 ème niveau) Poste HT/MT Data Concentrator (1 er niveau) Poste MT/BT Compteur ou E-Meter Domicile Household Compteur Gaz ou/et eau Compteurs gaz ou/et eau Page 15 04/2010 Siemens SAS

16 AMIS Infrastructure de smart metering (2) Comptage et automatisation du réseau Smart Grids = Smart Metering + Smart Automation Compteur électronique 4-quadrants pour la mesure de l énergie active et réactive Communication CPL basse tension intégrée Paramétrage à distance des différents modèles de comptage Changement de registre de tarif (contrôle temporel ou en fonction de la charge) 12 registres d énergie active (injectée/soutirée) 2 registres d énergie réactive (injectée/soutirée) Mémorisation des profils de puissance sur une période 60 jours Fonctions de pré paiement Relais de coupure partielle/totale de l alimentation intégré Interface pour des compteurs gaz / eau (par exemple via M-Bus) Intrinsèquement home automation (interface M-Bus/passerelle IP) Détection de la fraude Contact liés au bornier de raccordement et au circuit de calibrage Immunisation et détection de champs magnétiques Page 16 04/2010 Siemens SAS

17 AMIS Infrastructure de smart metering (3) Comptage et automatisation du réseau Smart Grids = Smart Metering + Smart Automation Smart automation au niveau du compteur (domicile) Monitoring des tensions, de la symétrie des phases, des courants, du sens de rotation des phases, Détection et enregistrement des pertes d alimentation et des creux de tension, Possibilité de faire des photographies du réseau snapshot à un temps préprogrammé, Fonctions d automatisme en boucle ouverte ou PID pour le contrôle de la consommation et de la production Relais de coupure intégré et adjonction d une box dissociée avec 5 relais individuels Intégration de compteurs d eau / de gaz par un système de slot intégré au compteur électrique Page 17 04/2010 Siemens SAS

18 AMIS Infrastructure de smart metering (3) Comptage et automatisation du réseau Smart Grids = Smart Metering + Smart Automation Smart automation à la sous station électrique MT/BT ou HT/MT Fonctions de poste asservi intégré au data concentrator Mesure des paramètres électrotechniques du réseau (tension, courant) Intégration de compteurs auto-alimentés par les TC Intégration d indicateur de défaut homopolaire ou de court-circuit Régulation de tension Smart automation au niveau du centre de conduite Intégration des protocoles de communication CEI ou CEI Page 18 04/2010 Siemens SAS

19 Smart metering Référence Projet de smart metering d Energie AG Oberösterreich, Autriche : Les principales motivations du Client Processus automatisé de lecture des compteurs (lecture des compteurs, blocage des compteurs ou limitation de puissance, facturation, système de pré-paiement) Amélioration des processus au sein de l entreprise Mise en place d une offre tarifaire plus diverse et plus adaptée Meilleure maîtrise de la consommation du fait de relevé mensuels des compteurs Remplacement de la télécommande centralisée Etablissement de courbes de charge par type de Clients ou/et par Client Automation des postes de distribution publique Participation au programme national de MDE Page 19 04/2010 Siemens SAS

20 Automatisation des réseaux BT et MT De Réactions dans les situations critiques liées à l expérience et l empirisme Vers Réseau intelligent Gestion de la contingence Auto-cicratisation des réseaux Les plus Apporter les solutions simples telles que le monitoring des points de fonctionnement, les PA, les réenclencheurs et les analyses électrotechniques associées, Minimisation des temps de coupure à la Clientèle Auto-cicratisation des réseaux Sélectivité améliorée Système expert pour la détection des défauts et de réalimentation lors d incidents majeurs Gestion des coupures Analyse des réseaux, intégration aux systèmes d informations géographiques Page 20 04/2010 Siemens SAS

21 Caractéristiques de l automatisation des réseaux de distribution BT et MT Standard actuel Pas de monitoring, de contrôle et d automatismes Pas de communication Pas de sources de secours et d appareillage motorisé Pas d intégration active dans le centre de conduite (mise à jour manuelle) Evolution Automatismes dans les sous-stations Communication dans les réseaux de distribution Application décentralisées douées d intelligence Supervision de la conduite avec gestion de la contingence Harmonisation des processus Système de smart grid Fonctions d autocicatrisation des réseaux Systèmes experts Informations en temps réel telles que la qualité de la fourniture Page 21 04/2010 Siemens SAS

22 Exemple de références Automatisation des réseaux BT et MT Postes asservis Réenclencheur Comptage Page 22 04/2010 Siemens SAS

23 Des solutions télécom sous-jacentes au concept de smart-grid De Solutions télécoms hétérogènes en capacité et en bande passante Vers Solutions télécoms homogènes adaptées aux smart grids Support IP / Ethernet Les plus : Minimiser les durées de pannes et optimiser le coût total de propriété à travers le monitoring en temps réel et le contrôle de toutes les ouvrages du réseau Intégration de comptage intelligent et des installations de production décentralisées, développement de nouveaux modèles économiques à travers la mise en place d un réseau de communication jusqu au Client. S appuyer sur l offre de smart metering pour offrir une solution mixte «smart metering + automatisation des réseaux BT / MT» Page 23 04/2010 Siemens SAS

24 Permettre l interaction Une solution de télécom efficace pour les utilités inclut IP solutions SDH/PDH solutions Courant porteur en ligne MT et BT (première application Siemens : 1929!) Equipement de téléprotection Solutions sans fil Solutions optimisées pour les réseaux BT et HTA Installation de F.O. lignes live Une solution Télécom de bout en bout de la chaîne de valeur est à la base du développement du Smart Grid Page 24 04/2010 Siemens SAS

25 Contrôle commande numérique des sous-stations électriques De Exploitation et ingénierie complexe et nécessitant de nombreuses ressources Vers Solution générique de contrôle commande des sous-stations Les plus : Gain de productivité sur les opérations d ingénierie et de mise en service Réduction du volume de câblage et du nombre de folios Monitoring du process amélioré Exploitation améliorée et plus sûre Protections numérique, modules d analyse en temps réel du réseau et visualisation de phénomènes physiques intervenant sur le réseau Page 25 04/2010 Siemens SAS

26 Caractéristiques génériques des contrôles commandes de sous-station Normes actuelles Evolution Smart Sous-station Systèmes partiellement numériques sur base de postes asservis Protocoles et systèmes de communications hétérogènes Peu de fonctionnalités et d automatismes Ingénierie très orientée Hardware Système numérique maintenable à long terme Normalisation Automatisation totalement intégrée (ingénierie, communication, cyber sécurité) Solutions et applicatifs simples Approche Plug & Play Fonctions d autocicatrisation du réseau Applications intelligentes Informations en temps réel (exploitation et maintenance) Page 26 04/2010 Siemens SAS

27 Contrôle commande numérique de sous-station Solution interopérable, indépendante du constructeur, par l intégration à travers les normes CEI Centre de conduite CEI Modèle d échange CIM CEI 61970* CEI Firewall Router Communication vers d autres sous-station* Bus de sous-station CEI IED IED CEI (Ethernet) Protection & Controle Process bus CEI Transformateur de mesure non conventionnel suivant CEI TC TP Unité d acquisition CBC x Armoire Controleur Du DJ *en cours de normalisation Page 27 04/2010 Siemens SAS

28 Gestion du patrimoine Monitoring des points de fonctionnement De Fonctionnement de l appareillage haute et moyenne tension non supervisé Vers Monitoring de l appareillage haute tension et moyenne tension pour une meilleure gestion du patrimoine, de la maintenance et de l exploitation Les plus : Réduction du coût durant le cycle de vie des équipements Maximiser la durée de vie des ouvrages Réduire le temps de coupure Eviter des pénalités pour non fourniture Optimiser l emploi des fonds entre le CAPEX et l OPEX Contrôle des risques Sécuriser la connaissance et les process Page 28 04/2010 Siemens SAS

29 Gestion du patrimoine Monitoring des points de fonctionnement Infrastructure vieillissante Faciliter la conduite des réseaux Problématique technique Pression juridique et réglementaire ISCM Integrated Substation Condition Monitoring Information sur le vieillissement des équipements MT et HT en exploitation Grandeurs mesurées par des capteurs particuliers ou dérivées des données disponibles Utilisation des PA existants, des IHM existants Prévoir la maintenance Réseau de distribution et de transport Maîtrise des coûts GAMS Grid Asset Management Suite Equilibré les décisions économiques et techniques pour une gesion plus efficace du patrimoine Vue complète pour l optimisation et le pilotage du patrimoine Stratégies d investissements et de maintenance Page 29 04/2010 Siemens SAS

30 Installations de production décentralisées et stockage d énergie De Production centralisée Consommation décentralisée Vers Intégration des installations de production décentralisées et de stockage par le mécanisme de virtual power plants VPP Principales caractéristiques des Virtual Power Plant (VPP) : Système de gestion de l énergie pour gérer, planifié et optimisé les productions décentralisées d énergie renouvelable Modèles de prévision de la production des centrales de production éoliennes et photovoltaïques Outil DEMS sur base Windows Page 30 04/2010 Siemens SAS

31 Gestion de la production décentralisée Référence Virtual power plant KonWerl (Allemagne) Prévision et management à coût optimisé du réseau de distribution Production décentralisée d une puissance comprise entre 500 kw et quelques MW avec coordination de la topologie du réseau Page 31 04/2010 Siemens SAS

32 Gestion technique des bâtiments De Cycle de vie des bâtiments déconnecté des problématiques de l énergie Vers Participation active des bâtiments en tems que producteur / consommateur et moyen de stockage d énergie Les plus : Une gestion des charges et des sources à l intérieur des bâtiments Un comptage plus fin des consommations de chaque poste d énergie Communication intégrée entre les systèmes de gestion technique du bâtiment et les systèmes de smart metering Des contrats innovants (par exemple par l adoption de profils de charge plus adaptés aux activités de certains industriels / commerces Page 32 04/2010 Siemens SAS

33 Gestion technique des bâtiments : Quelques exemples d action sur le cycle de vie des bâtiments Concevoir et construire Maintenir et exploiter Rénover et revitaliser Université de Sierra Nevada (US) Label LEED platinum Gain de 60% sur la facture énergétique 1) et 65% sur la facture en eau potable 2) Investissement 7% supérieur à une solution traditionnelle 1) Suivant méthode ASHRAE ) Gain par la gestion technique des bâtiments Borås Schools (Suède) Gain sur la facture de chauffage de 30% en l espace de 2 ans, de 8% sur la facture d électricité et de 22 % sur la facture d eau potable Réduction des émissions de 824 tonnes de CO2 Retour sur investissements : quelques mois Beaux Arts de Berlin (Allemagne) Label Green Building Financement des installations de HVAC Gain sur la facture énergétique de 28 % Réduction des émissions de tonnes de CO 2 Page 33 04/2010 Siemens SAS

34 Prêt à vous lancer dans les Smart Grids?