Ambassade de France à Washington Mission pour la Science et la Technologie 4101 Reservoir Road, NW - Washington, DC 20007 Tél. : +1 202 944 6249 Fax : +1 202 944 6219 Mail : publications.mst@ambafrance-us.org Domaine Document Titre Auteur(s) Date ContactSST URL : http://www.ambafrance-us.org 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 : http://www.bulletins- electroniques.com
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
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 8 8 8 8 8 10 10 11 11 11 11 11 12 13 13 14 15 15 15 16 16 17 17 18 19 19 19 20 23 25 25 27 34 36 41 41 44 45 3
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 46 46 47 49 49 51 51 53 53 54 57 58 58 59 60 61 62 64 64 64 67 67 67 69 70 72 74 4 LA SMART GRID EN CALIFORNIE
Liste de Figures Figure 1: Evolution de la consommation d'électricité en Californie (Source : California Energy Commission - 2007)... 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)... 10 Figure 5: Modèle de tarification en tranche utilisé en Californie (Source : Southern California Edison)... 12 Figure 6: Production du solaire versus le pic de consommation (source : Green Manufacturer- )... 15 Figure 7 : Stabilisation de la consommation électrique par tête en Californie (source CEC)... 16 Figure 8: Répartition de la consommation électrique au cours de la journée par secteur économique (source : LBNL)... 17 Figure 9: Mix énergétique quotidien... 18 Figure 10 Schéma du réseau électrique (Source : J. J Messerly, from Wikipedia - Electrical Grid)... 19 Figure 11: Carte des lignes de transmission existantes en Californie (Source CEC)... 20 Figure 12 Schéma d'un SCADA (Source Wikipedia : SCADA)... 24 Figure 13: Exemple de réseau de communication entre les sous stations (Source : Cisco)... 25 Figure 14: les réseaux de communication et leurs applications (GTM Research)... 26 Figure 15: Architecture du réseau de communication apposé sur le réseau électrique (GTM Research)... 27 Figure 16 : Compteurs intelligents utilisés par PG&E (PG&E)... 29 Figure 17: Technologies de communication disponibles pour le WAN/FAN (GTM Research)... 30 Figure 18: comparaison entre le BPL et le 4G/WiMAX (Source : Spectrum IEEE)... 36 Figure 19 : HAN composé de la technologie Zigbee et CPL (Source : Renesas)... 38 Figure 20 : Liste des projets de stockage électrique en Californie... 43 Figure 21: Domaines potentiel définis par le NIST, pour la création de standards(source : NIST)... 61 Figure 22: La consommation énergétique par appareil dans une maison (Source : kilowatt- house.com)... 66 Figure 23: Comparaison des transactions liées au secteur Smart Grid entre Q1 et Q2 2010 (Source Mercom Capital Group)... 70 Figure 24: Détail du capital risque au second trimestre 2010 pour le secteur Smart Grid (Source Mercom Capital Group)... 72 Figure 25: les principaux acteurs du secteur Smart Grid par segment de marché (Source GTM Research)... 73 LA SMART GRID EN CALIFORNIE 5
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
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 2010 2 Evolution du taux de chômage Californien sur Google Public data explorer http://bit.ly/aoq1vg LA SMART GRID EN CALIFORNIE 7
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 - 2007) 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 http://bit.ly/crz8g7 4 Has the golden state gone bust? San Francisco Gate, February 22 2010 8 LA SMART GRID EN CALIFORNIE
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
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 : http://en.wikipedia.org/wiki/list_of_united_states_electric_companies 10 LA SMART GRID EN CALIFORNIE
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 2001. 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
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 : http://bit.ly/bo5unv 8 Getting consumers to rethink cost of solar: it s the electricity, The Solar Home & Business Journal, November 9 2010 12 LA SMART GRID EN CALIFORNIE
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 1990. 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 2010. 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) - 14.4% Southern California Edison (SCE) - 17.4% San Diego Gas & Electric (SDG&E) - 10.5% 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 24 2010 11 Meg Whitman Tries to Have it Both Ways With California Climate Change Law, Green Tech Media, Sept 23 2010 12 Liste au format Excel des projets du CPUC http://bit.ly/akwcat 13 The California Solar Initiative Website LA SMART GRID EN CALIFORNIE 13
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 7 2010 15 California incentives/policies, Database of State Incentives for Renewables and Efficiency website 14 LA SMART GRID EN CALIFORNIE
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 17. 16 Million Solar Roofs website 17 Strong growth but are rocky times coming for wind?, Green Tech Media, August 10 2010 LA SMART GRID EN CALIFORNIE 15
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 29 2010 19 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 5 2010 16 LA SMART GRID EN CALIFORNIE
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
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
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
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