Avenir modèle pour les réseaux de distribution d’électricité

L'offre et la demande d'énergie ne cessent de gagner en complexité sur les réseaux de distribution d'électricité, de nos jours. On le doit d'une part, à l'arrivée des énergies renouvelables du côté de l'offre et d'autre part, à l'émergence de nouvelles composantes dans la demande, tels les véhicules électriques, ainsi qu'à la croissance de la consommation dans les régions éloignées.

Jusqu'à présent, l'Amérique du Nord est parvenue à satisfaire à la demande sans faiblir, vingt-quatre heures par jour et 365 jours par année, cela grâce à un système bien rodé de planification, d'approvisionnement et d'exploitation. On a le système bien en main, on connaît intimement ses composantes et la chaîne d'approvisionnement est solide.

Cependant, lorsque surgissent de nouvelles technologies comme le stockage de l'énergie, il faut concevoir des outils qui en modéliseront avec précision les fonctionnalités et les caractéristiques, et ces outils doivent être validés afin que les planificateurs et les exploitants sachent où et comment ils pourront les intégrer sans risque et de manière fiable au réseau en vue d'en tirer profit.

Ces modèles de l'avenir des réseaux de distribution d'électricité sont d'ores et déjà en train de voir le jour.

La prochaine vague : outils de demain pour modéliser et planifier la consommation d'énergie

Comparativement à la population des pays membres de l'OCDE, ceux de l'Europe de l'Ouest^Footnote1 surtout, les Nord-Américains n'ont jamais payé très cher leur électricité.

Pourquoi l'électricité en Amérique du Nord est-elle aussi fiable et si bon marché? Une raison est que les personnes qui aménagent les réseaux et qui les exploitent recourent depuis toujours à des logiciels qui les aident à évaluer les conséquences des changements apportés au réseau. De tels outils leur permettent d'intégrer de nouvelles technologies au réseau ou d'en modifier la charge et les capacités avec un minimum de risques, matériels ou financiers, afin de le préserver et de l'améliorer. Bien sûr, la réglementation et les procédures existantes encadrent ces activités, qui profitent aussi du vaste bagage de connaissances et d'expérience des ingénieurs qui veillent sur le réseau. Néanmoins, en examinant attentivement les répercussions possibles de l'équipement sur le réseau avant son raccordement, les planificateurs et les exploitants gèrent en toute sécurité une ressource extrêmement puissante et complexe, et font circuler le courant 24 heures par jour, 365 jours par année.

Actuellement, nos sources d'énergie laissent de côté les combustibles fossiles, qui assurent une production de base fiable depuis toujours, pour se tourner vers des énergies renouvelables au caractère plus imprévisible. Cette modification du bouquet énergétique et les pressions exercées par l'électrification des transports ainsi que des demandes accessoires continuent de complexifier le système.

Pour composer avec ces changements, il faut apporter des améliorations majeures à l'infrastructure^Footnote2, et les planificateurs, à l'instar des exploitants, doivent recourir à de nouveaux outils et stratégies pour poursuivre le déploiement du réseau de la prochaine génération. Parce qu'ils ont été relativement graduels, le développement des sources d'énergie renouvelable (le vent, le soleil, la géothermie, les marées, etc.) et leur intégration au réseau ont permis aux outils de modélisation d'évoluer et de gagner en maturité, si bien qu'à présent, ils sont devenus assez précis et souples pour qu'on les applique sans crainte dans de nombreuses situations où entrent en jeu les moyens de production, de réglementation et de protection usuels.

Cependant, les modèles qui reproduisent les technologies de stockage de l'énergie ne sont pas encore parvenus au niveau de maturité qui en permettrait l'exploitation. En effet, plusieurs technologies de stockage ont été mises en marché rapidement, ce qui a engendré des lacunes notables qui empêchent les planificateurs et les exploitants d'en évaluer exactement les avantages potentiels ainsi que d'optimiser leur déploiement et leur utilisation.

Premiers pas vers un nouveau modèle

Pour l'instant, la plupart des logiciels de planification et d'exploitation disponibles sur le marché reflètent mal le fonctionnement particulier des divers systèmes de stockage de l'énergie. C'est ce qui ressort d'une étude de Navigant Research réalisée pour l'Energy Storage Association intitulée « Survey of Modelling Capabilities and Needs for the Stationary Energy Storage Industry »^Footnote3 (sondage sur les capacités et les besoins de modélisation pour le stockage stationnaire de l'énergie). L'étude, qui se penche sur les différents aspects de l'aménagement des réseaux de distribution, de leur exploitation et du stockage de l'énergie, clarifie les capacités des outils actuels tout en soulignant les lacunes qui subsistent.

Outils de modélisation et de planification nécessaires à l'intégration des technologies de stockage de l'énergie au réseau de distribution d'électricité

De cette étude, de certains projets ainsi que des discussions tenues avec les intervenants, il ressort clairement que l'industrie a désespérément besoin de nouveaux outils sur divers plans capitaux. De nouveaux ou meilleurs modèles permettraient ce qui suit.

1. Les planificateurs pourraient comparer avec précision les différentes possibilités de stockage de l'énergie. Ceux qui planifient à long terme doivent pouvoir évaluer les technologies de stockage dans diverses situations et pour des applications variées, puis les comparer aux solutions courantes en vue d'en déterminer le coût et les avantages sur le plan opérationnel. Le processus de planification par portefeuille, avec lequel on évalue les plans à long terme concernant la capacité des réseaux régionaux, se prête mal à l'évaluation du stockage, car les modèles sur lesquels il repose ne peuvent optimiser le marché de l'énergie en fonction des services auxiliaires. Beaucoup de modèles des coûts de production ont également du mal à intégrer, à analyser et à évaluer d'autres avantages comme une mise en service rapide sans passer en mode spécial ou prendre un temps d'exécution excessif, parce que l'intervalle de commande est plus long (se comptant souvent en heures).
2. Ils feraient en sorte qu'on saisisse bien l'impact de l'intégration des installations de stockage. Quand on planifie le transport et la distribution de l'électricité, on fait souvent appel aux outils existants pour élaborer des modèles spécialement destinés au stockage de l'énergie. Cette façon d'agir réclame toutefois de sérieux efforts et le fait que les outils actuels soient mal harmonisés et s'intègrent mal laisse croire que des améliorations permettraient une analyse plus uniforme et cohérente de l'emplacement idéal des installations de stockage dans le réseau, de même que l'étude de divers scénarios concernant la maîtrise des installations. Une plus grande précision à ce niveau et à celui des systèmes de gestion de la distribution permettrait aussi aux intervenants de valider le comportement des nouvelles technologies en toute sécurité, par le biais de simulations, donc de bien comprendre les situations au niveau de la protection et de la maîtrise du réseau avant d'entreprendre des travaux.
3. Ils faciliteraient les opérations et les prévisions pour ceux qui réglementent et exploitent le réseau. Sur les marchés où l'on anticipe la situation d'une journée ou d'une heure, il est capital d'obtenir des prévisions détaillées sur le prix de l'énergie et des services auxiliaires. Si la chose s'avère de plus en plus difficile avec la multiplication des sources produisant une quantité variable d'énergie tels les panneaux solaires et les éoliennes, les outils qu'utilisent présentement les exploitants de réseaux indépendants ont dans une large mesure été adaptés afin d'inclure de telles évaluations. Il semble qu'un nombre croissant de ces outils commencent aussi à prendre en compte les installations de stockage, mais ceux qui participent au marché de l'électricité ne peuvent établir clairement la place que le stockage de l'énergie occupe dans les prévisions, ce qui empêche, dans une certaine mesure, les développeurs et les exploitants des installations de stockage de faire en sorte que les réseaux sont conçus et bâtis afin de répondre aussi efficacement que possible à de tels besoins.

Les membres de l'industrie doivent collaborer absolument et fortement, si l'on veut garantir l'efficacité des nouveaux outils de modélisation et de prévision. En effet, il importe que ceux qui possèdent l'information sur les techniques, le réseau et les finances développent les modèles de concert afin qu'on dispose d'une méthodologie robuste, que l'industrie épousera, et que cette méthodologie soit uniformément appliquée, d'un champ de compétence à l'autre. De cette façon, ceux qui développent les technologies feront en sorte que chaque outil facilitant la prise de décisions tienne correctement compte des fonctionnalités et de la performance de leurs systèmes, et que les résultats issus des simulations puissent être comparés, ce qui aboutira à de meilleures décisions, plus éclairées.

Le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) et l'Alberta Electric System Operator (AESO) ont récemment fait avancer d'un petit pas le statu quo des modèles de simulation servant à évaluer la performance du stockage de l'énergie sur les réseaux d'électricité.

Étude de cas de l'AESO

À la demande de l'Alberta Electric System Operator (AESO), le CNRC a piloté il y a peu un projet ayant pour but d'évaluer l'impact relatif de l'inclusion de systèmes de stockage de l'énergie à réaction rapide au mélange de réserves employées pour réguler l'approvisionnement. Les résultats de la simulation révèlent qu'on pourrait réaliser de nettes améliorations au niveau de la performance en adoptant les capacités innovantes d'une technologie générique de stockage de l'énergie. Néanmoins, la même simulation a fait ressortir plusieurs limites du cadre de modélisation présentement utilisé par l'industrie.

Découvrez-en plus sur l'étude du CNRC effectuée pour l'AESO. (disponible en anglais seulement)

Que retenons-nous de cette expérience?

• L'analyse révèle que les systèmes à réaction rapide ont un impact positif sur le temps de réaction du réseau dans certaines circonstances, la performance générale de ce dernier dépendant fortement de la façon dont il opère aussi près que possible des limites autorisées par les réserves qui le régulent. Il faudrait entreprendre d'autres études pour étayer correctement une réforme spécifique des politiques ou la modification des exigences relatives aux réserves de régulation, car l'analyse est complexe, tout comme les interactions des paramètres techniques et commerciaux.
• Quand la substitution est totale (c'est-à-dire si toutes les installations habituelles étaient remplacées par des installations à réaction rapide), la performance résultante n'est pas concluante, car la simulation ne révèle rien d'autre qu'une maîtrise instable. On pourrait le devoir au fait que la philosophie actuelle de régulation automatique de la tension est incompatible avec les installations à réaction rapide. Les planificateurs et les exploitants ont besoin d'outils de simulation et de modélisation plus modernes pour évaluer ces nouvelles technologies et s'en servir efficacement.
• Les régulateurs et les auteurs de politiques souhaitent de meilleures données sur la façon dont la structure du marché et les déclencheurs pourraient empêcher ceux qui aménagent et exploitent les réseaux de profiter de l'utilité potentielle des nouvelles technologies comme le stockage de l'énergie.

Les possibilités

À dire vrai, on ne parle pas de conception, modélisation, construction, déploiement et utilisation des technologies de stockage d'énergie qu'au Canada. D'autres responsables des réseaux de distribution d'électricité s'y intéressent aussi, ailleurs dans le monde. Le CNRC s'efforce de mettre de meilleurs outils et conseils à la disposition des utilisateurs canadiens en lançant divers projets et en collaborant avec des organisations canadiennes et internationales.

• Feuille de route du stockage de l'énergie : Pour la première fois, ce projet met en place une approche holistique qui aboutira à l'élaboration et au maintien d'une feuille de route pluriannuelle (2016-2021) pour le stockage de l'électricité au Canada. L'objectif est de mieux comprendre les possibilités commerciales, les obstacles et les mesures qui s'imposent aux étapes de la planification, de l'acquisition, de la tarification, de l'interconnexion, du marché et de la réglementation, afin que les technologies de stockage trouvent leur place au Canada. Plus précisément, le projet fera ressortir les cas où l'on recourt au stockage de l'énergie et il définira les contraintes d'applications spécifiques, précisera les impacts au niveau de l'aménagement et de l'exploitation du réseau, et passera en revue les possibilités commerciales actuelles sur chaque marché de l'électricité du Canada en faisant appel à des cadres et à des méthodes qui s'appuient sur la version améliorée des modèles dont il a été question plus haut. On disposera donc de régimes d'encadrement et de mécanismes équitables et pratiques, divulgués et actualisés chaque année, avec lesquels évaluer avec justesse l'utilité du stockage de l'énergie au niveau du portefeuille.
• Réseau des technologies de stockage de l'énergie du CRSNG (NEST) : Ce réseau de recherche, annoncé en mars 2016 et que pilote le Centre for Urban Energy de l'Université Ryerson, a été structuré pour combler les lacunes identifiées au niveau de la recherche fondamentale dans quatre domaines : (1) les technologies de stockage, (2) l'électronique de puissance, (3) l'intégration des systèmes ainsi que (4) l'économique, les politiques et l'environnement. Le CNRC et CanmetÉNERGIE ont participé au développement et à l'approbation du réseau, et comptent des représentants dans ses comités d'orientation de la recherche. Certains chercheurs des deux organismes coopèrent aussi étroitement avec ceux du réseau. Par cette participation, le CNRC souhaite faire en sorte que les progrès réalisés dans chaque domaine soient correctement orchestrés et qu'on en tire parti, s'il y a lieu, pour garantir un passage efficace de l'invention à l'innovation, notamment par le déploiement de nouveaux cadres et méthodes de modélisation.
• Energy Storage Integration Council (ESIC) (disponible en anglais seulement) : Avec le concours des compagnies d'électricité, des intégrateurs, des organisations de recherche et des spécialistes de l'industrie, l'Electric Power Research Institute (EPRI) a mis sur pied l'Energy Storage Integration Council (ESIC) dont la mission consiste à orienter le débat et à trouver des approches communes à une normalisation quelconque des moyens fiables, sûrs et économiques de stocker l'énergie pour le secteur de l'électricité. Le CNRC appuie l'ESIC en participant à plusieurs de ses groupes de travail, notamment ceux sur 1) les applications, 2) le rendement, 3) le développement des systèmes, 4) l'intégration au réseau et 5) l'analyse. Dans ce contexte, le CNRC s'efforce d'uniformiser la collecte des données destinées aux modèles, notamment sur les gabarits relatifs aux coûts, l'intégration et les lignes directrices pour la mise en service. Le groupe de travail sur l'analyse s'intéresse particulièrement à l'élaboration de méthodes et à la définition des contraintes des données et des modèles qui permettront d'envisager le stockage de l'énergie lors de la planification et de l'exploitation des réseaux. Une fois adaptés aux besoins des compétences canadiennes, les résultats de ces travaux serviront de base au développement de nouveaux modèles de planification.

C'est avec des projets de ce genre que les outils de demain aideront ceux qui exploitent et aménagent les réseaux de l'avenir à y intégrer les installations de stockage d'une manière efficace, sûre et économique. Découvrez comment vous pouvez participer à ces projets de recherche et à d'autres, en gestation.