La recharge intelligente comme solution de flexibilité à l’échelle du microréseau

Depuis 2018, une initiative économique et juridique encourage vivement la consommation d'énergie d'origine locale et décentralisée. Cette politique permet non seulement de renforcer notre indépendance énergétique, mais également de stimuler la croissance des énergies renouvelables, contribuant ainsi à la durabilité environnementale. En parallèle, la mise à disposition de systèmes électriques pilotables (comme des batteries) afin d’assurer l’équilibre offre-demande du réseau électrique peut être rémunérée en tant que service au réseau électrique.

Dans ce contexte favorable, une occasion remarquable se dessine autour des zones industrielles où l'affluence quotidienne de véhicules offre un potentiel largement sous-exploité à ce jour à travers la mise en place d’une recharge intelligente et flexible. Celle-ci consiste en un ajustement de la puissance de recharge en fonction de signaux externes. Les opportunités du concept de recharge intelligente gagnent en pertinence lorsque l'on intègre la technologie de communication V2G, ou Vehicle-to-Grid. Cette innovation permet aux véhicules électriques non seulement de puiser de l'énergie du réseau pour leur recharge, mais également de redistribuer de l'énergie vers le réseau électrique en cas de besoin.

Le projet SunnYparc a été conçu pour servir d’exemple concret d’une implémentation à grande échelle d’un tel système. SunnYparc est un microréseau avec pilotage intelligent, qui vise à intégrer de manière optimale les productions décentralisées et la mobilité électrique future dans l'approvisionnement électrique du parc industriel Y-PARC à Yverdon-les-Bains dans le Canton de Vaud. Ce projet permettra de démontrer en conditions réelles l'optimisation de la pénétration des énergies renouvelables grâce à la technologie Vehicle-to-Grid (V2G).

L'objectif central de SunnYparc est de réaliser une synergie entre le potentiel de flexibilité de la mobilité électrique, l’intermittence de la production d’énergies renouvelables et les besoins énergétiques industriels. Grâce à la technologie V2G et à un système de pilotage intelligent, le projet cherche à maximiser l'efficience énergétique du site en exploitant la capacité de stockage des véhicules électriques pour servir les besoins du réseau lorsqu'ils sont branchés.

SunnYparc s’articule autour de plusieurs partenaires clés, incluant le principal investisseur Yverdon-les-Bains Énergies, la société d’ingénieurs conseils Planair pour la coordination du projet, le fournisseur de solutions de recharges intelligentes EATON, le fournisseur de solution de pilotage de l’énergie au sein du microréseau Smart Energy Link (SEL) ainsi que l’agrégateur de flexibilité Virtual Global Trading (VGT). Le financement du projet SunnYparc repose sur une combinaison d’investissements de la part de ces entreprises, et de soutien public de la part de l'office fédéral de l'énergie ainsi que du canton de Vaud. Ce soutien reflète l'importance accordée au projet dans le contexte des objectifs nationaux et cantonaux en matière de développement durable.

Flexibilité du V2G pour le microgrid et Swissgrid

Les véhicules passent près de 95 % de leur temps en stationnement. Alors qu’un véhicule thermique stationné est inactif, un véhicule électrique connecté à une borne de recharge peut être exploité comme une batterie stationnaire. Cela ouvre la voie à une flexibilité potentielle pour le réseau électrique et à une meilleure intégration des énergies renouvelables telles que le photovoltaïque. Pour y parvenir, on distingue deux niveaux de flexibilité. Le premier consiste en un pilotage de la puissance de recharge en fonction de la disponibilité d’énergie sur le réseau. L’acronyme V1G est parfois utilisé pour décrire cette capacité d’adaptation de la puissance dans une seule direction (du réseau vers le véhicule). La deuxième consiste en l’exploitation de la capacité de la batterie à décharger de l'énergie dans le réseau en fonction des besoins (V2G). Ainsi trois avantages significatifs émergent : l’optimisation de l’autoconsommation, le lissage des pics de puissance de consommation et la valorisation des services systèmes.

Optimisation de l’autoconsommation

Les batteries permettent de stocker l'énergie solaire excédentaire durant les pics de production pour une utilisation ultérieure lors de baisses de production, augmentant ainsi l’autoconsommation du site. Pour que l'achat d'un kilowattheure (kWh) depuis un véhicule soit plus avantageux que depuis le microréseau, deux conditions doivent toutefois être remplies. D’abord, le kWh doit être autoproduit, tandis que sa restitution depuis le véhicule doit se faire lors de déficit de production (substitution à l’achat d’électricité plus onéreuse depuis le réseau). Ensuite, il faut veiller à pouvoir assurer une recharge suffisante au véhicule à partir d’énergie autoproduite (idéalement durant la même période de stationnement). Par conséquent, le V2G nécessite des profils d’utilisateurs réguliers avec des véhicules stationnés pendant des périodes prolongées, ce qui se prête bien aux parkings dédiés aux pendulaires, aux résidents et aux véhicules d’entreprises.

Lissage des pics de consommation

Le V2G peut intervenir pendant les pics de consommation pour réduire la demande d'électricité soutirée du réseau, limitant ainsi l'augmentation de la puissance requise. Les factures d'énergie se composent de deux composantes majeures: la quantité totale d'énergie consommée et la puissance maximale prélevée du réseau. La réduction de ces pics de puissance offre donc un potentiel attractif pour les véhicules électriques. Lors de périodes de demande accrue, les utilisateurs pourraient mobiliser une flotte de véhicules disponibles pour compléter la puissance requise, ce qui se traduirait par des économies substantielles.

Pour des industries caractérisées par quelques forts pics de consommation mensuels, le potentiel est considérable, comme illustré dans le schéma ci-dessous. Par exemple, trois véhicules équipés de batteries de 62 kWh pourraient réduire la demande de 30 kW pendant près de six heures, aboutissant à une économie non négligeable sur la facture énergétique. Cependant, ce scénario suppose que les véhicules soient disponibles avec un niveau de charge suffisant au moment de ce pic et que le pic soit de courte durée afin d’assurer une recharge suffisante au terme de la durée de stationnement.

Valorisation des services systèmes

L'équilibre du réseau est vital; il est assuré en partie par l'énergie de réglage. Les acteurs flexibles sont sollicités pour fournir ou absorber de l'énergie selon les besoins aux différents niveaux du réseau (local, régional, national). Les petites entités s'agrègent pour constituer un pool de réglage, permettant aux agrégateurs de vendre ces services sur les marchés primaire, secondaire et tertiaire. Toutefois, l'échelle est déterminante pour la rentabilité, avec des puissances minimales requises élevées.

Les agrégateurs peuvent agréger plusieurs petits acteurs afin d’atteindre la capacité minimale requise, et vendre ces services à l’échelle du réseau de distribution, du groupe bilan ou du réseau de transport. L'échelle minimale de participation varie selon les services, avec 500 kW pour le primaire, 1 MW pour le secondaire et 250 kW pour le tertiaire.

Dans le contexte des véhicules électriques, avec un maximum de 22 kW par véhicule, une capacité d'un mégawatt nécessite 50 véhicules. À SunnYparc, un parking central de 1000 places regroupant véhicules de flottes d’entreprises, pendulaires et visiteurs, permet d’envisager la présence continue de 50 véhicules branchés de manière réaliste, ce qui donne accès au marché de la flexibilité. Ainsi le V2G offre une opportunité supplémentaire de service système au réseau électrique.

Tarifs Dynamiques applications

De nombreux défis restent néanmoins à relever afin de valoriser l'énorme potentiel de flexibilité des véhicules électriques. Certains sont techniques, comme la communication d’information entre l’utilisateur et son véhicule, la borne de recharge, et le réseau électrique (protocoles de communication, sécurisation des échanges), d’autres sont légaux (protection des données). De plus, en l’absence d’une obligation légale, il est nécessaire de trouver un modèle d’affaire adéquat qui incite les propriétaires de véhicules électriques à rendre disponibles les batteries de leur véhicule, ainsi que les opérateurs de bornes de recharges à mettre en place les dispositifs permettant un pilotage intelligent.

Dans le cas d’une recharge flexible (V1G), le fait d’accepter que la puissance de recharge de son véhicule soit modulée en fonction des signaux du réseau doit être récompensée en comparaison à une recharge standard non limitée en puissance, typiquement avec un tarif inférieur ou avec un emplacement privilégié.

En cas de production locale, l’électricité générée au sein de l’infrastructure de recharge (carport, toit du bâtiment abritant le parking), ou dans une communauté d’autoconsommation (CA), est achetée moins cher que celle soutirée du réseau. En effet, ni l’acheminement (le timbre réseau) ni les taxes et redevances ne sont dues. Cet avantage à l’achat d’électricité par l’opérateur de bornes peut ainsi donner lieu à une tarification plus avantageuse pour les utilisateurs flexibles qui acceptent de recharger de préférence lorsque de l’électricité est produite localement. Cela nécessite néanmoins d’investir dans une communication entre la mesure de la production locale et la borne de recharge.

Néanmoins, la législation actuelle limite cette possibilité d’autoconsommation aux microréseaux indépendants qui n’utilisent pas le réseau électrique, ce qui se réduit dans la majorité des situations à un bâtiment et ses annexes. Il n’est ainsi pas possible, dans le cadre légal actuel, de promouvoir la consommation d’électricité produite localement à l’échelle du quartier. Cela pourrait changer prochainement avec les discussions parlementaires actuelles sur les communautés électriques locales (CEL). Ces communautés permettraient d’appliquer un coût d’acheminement de l’électricité réduit pour la consommation d’électricité produite localement en permettant l’utilisation (contre rémunération) du réseau basse tension.

Dans le cadre des quartiers industriels, cette loi en discussion vise à promouvoir l’installation de sources de production d’énergies renouvelables décentralisées, et peut favoriser l’exploitation de la flexibilité offerte par la recharge intelligente de véhicules électriques.

Le V2G permet de mieux valoriser encore l’énorme potentiel de stockage d’électricité à court terme des véhicules électriques. Ce concept est encore limité à quelques véhicules et quelques modèles de bornes de recharge. Il est néanmoins en passe de devenir standard chez les constructeurs automobiles. De nouveau, ce mécanisme n’est aujourd’hui intéressant financièrement qu'en aval d’un raccordement électrique (échelle du bâtiment), voire de la CA. Il nécessite d’avoir accès à une production d’électricité renouvelable locale bon marché, et à une consommation électrique suffisante qui permette d’amortir le surcoût d’une borne de recharge bidirectionnelle qui est de plusieurs milliers de francs aujourd’hui. A l’échelle du quartier, la situation est peu favorable à cause du coût d’acheminement réseau (local uniquement dans le cas des futures CEL) et des taxes, qui s’ajoutent au prix de l’énergie déchargée depuis le véhicule. Il n’est ainsi à l’heure actuelle pas possible d’établir un modèle d’affaire pertinent pour utiliser le V2G pour équilibrer offre et demande à l’échelle du quartier.

Pour les autres pistes de valorisation, le lissage des pics de puissance se limite à l’aval du point de raccordement électrique similairement à la consommation propre. La troisième piste, les services systèmes est au contraire plus tolérante. En effet, de tels services sont indépendants du point de raccordement et les revenus proviennent directement du gestionnaire de réseau. Néanmoins, il s’agit de répartir les coûts, les revenus, et les responsabilités des différents acteurs de manière équitable afin de maximiser la rentabilité des investissements. Plusieurs modèles seront testés dans le cadre du projet SunnYparc pour la valorisation du potentiel de flexibilité des véhicules électriques.

Conclusions

La mobilité électrique, gérée intelligemment, a le potentiel d’apporter une solution de flexibilité efficace au passage à un approvisionnement entièrement renouvelable. Les zones d’activités industrielles ont dans ce cadre un rôle prépondérant à jouer grâce à leur combinaison de larges surfaces, propices aux installations de production d’énergie renouvelables, et à leur concentration de véhicules stationnés en journée.

La recharge flexible, dont la puissance s’ajuste à la disponibilité d’énergie locale, offre une première option de valorisation alors que le V2G permet d’aller plus loin et d’offrir des services au réseau entier. Aujourd’hui, les technologies émergent afin de tirer profit de cette flexibilité. Les bornes de recharge offrent des possibilités de flexibilité, les systèmes de gestion d’énergie permettent un pilotage global d’un quartier, et les agrégateurs permettent de valoriser la multitude de petits volumes de flexibilité décentralisée sur les marchés. Les exploitants de réseaux de bornes de recharge ont ici un rôle important à jouer, en informant les utilisateurs, et en récompensant de manière adéquate la flexibilité qu’ils acceptent de mettre à disposition. Les nombreux défis en termes d’ingénierie, de législation et de modèles économiques rendent ces développements passionnants.