Le réseau électrique pour l’avenir de l’e-mobilité

La décarbonation du secteur de la mobilité fait augurer de grands changements dans le secteur de l’énergie. Les décisions politiques de la Confédération, des cantons et de la Ville (Ville de Zurich: «2000-Watt-Gesellschaft» (en allemand)) intensifient encore davantage le bouleversement dans le paysage électrique. Le nombre de véhicules électriques dans une zone d’approvisionnement va fortement augmenter ces prochaines années, d’après des scénarios des autorités (OFEN: «Perspectives énergétiques 2050+»; Ville de Zurich: «Ein neues Klimaschutzziel für Zürich» (en allemand)). Cela constitue un défi pour ewz. Outre les véhicules électriques, les pompes à chaleur et les installations photovoltaïques ont elles aussi de nouveaux profils de soutirage et d’injection, ainsi que des puissances de soutirage et d’injection élevées (M. Auer, E. Kaffe und R. La Fauci: «Impact of Fast Charging and Home Charging Infrastructure for Electric Vehicles on the Power Quality of the Distribution Grid»). De ce fait, le flux de charge dans le réseau électrique sera considérablement modifié, ce qui pourrait entraîner des surcharges ponctuelles des moyens d’exploitation. La mesure la plus souvent appliquée jusque-là pour réagir à cela est l’extension conventionnelle du réseau, appelée «renforcement de réseau». Cette mesure est généralement synonyme de coûts élevés. Avec la digitalisation qui progresse en parallèle, de nouvelles possibilités de recours à ces technologies dans le réseau se font néanmoins jour pour ewz. C’est pourquoi une combinaison optimale d’intelligence et d’extension conventionnelle du réseau est recherchée.

Les installations construites dans le réseau ont une durée de vie pouvant aller jusqu’à 50 ans, raison pour laquelle un gestionnaire de réseau de distribution doit planifier à long terme. Afin de pouvoir gérer les incertitudes, la planification à long terme nécessite un scénario-cadre conçu pour les 30 à 40 prochaines années. Il faut pour cela identifier différents éléments qui peuvent influencer le développement du réseau (par exemple les pompes à chaleur, les véhicules électriques ou le photovoltaïque). Ces éléments s’appuient en outre sur les Perspectives énergétiques 2050+ de la Confédération, ainsi que sur les conditions-cadre de l’objectif zéro émission nette d’ici à 2040 fixé par la Ville de Zurich (voir ci-dessus «Ein neues Klimaschutzziel für Zürich»). À partir du scénario-cadre, on élabore un scénario de référence qui est régulièrement actualisé et sert de base de planification pour l’ensemble des projets dans le réseau de distribution d’ewz. L’entreprise a planifié et commencé à mettre en œuvre le déploiement du smart grid dans la Ville de Zurich au moyen de cette méthode.

Du monitoring au pilotage

La croissance attendue de l’électromobilité fera augmenter fortement les besoins en électricité. La puissance, notamment, est déterminante pour le dimensionnement du réseau. Avec des puissances de charge élevées et une forte simultanéité, l’électromobilité génère des pics de puissance dans le réseau (voir graphique ci-dessous). Étant donné que le réseau de distribution de la Ville de Zurich fait l’objet d’extensions en fonction de la charge, ces charges doivent, en premier lieu, être considérées de manière plus critique que la production décentralisée d’électricité. La hausse attendue de la charge aura donc une influence sur l’infrastructure de réseau et mènera à certains endroits à une extension forcée du réseau. Toutefois, cette extension coûte cher et prend beaucoup de temps. C’est pourquoi on crée des conditions-cadre qui combinent l’extension conventionnelle du réseau avec le développement du smart grid. Afin que l’extension conventionnelle du réseau puisse être maintenue aussi faible que possible, il faut optimiser le soutirage et décaler les pics de charge; ewz poursuit à cet effet un plan à quatre niveaux.

• Sensibilisation: la sensibilisation doit permettre de modifier le comportement de consommation de la population, d’adapter les prescriptions des distributeurs d’électricité et d’attirer l’attention du personnel spécialisé sur les défis qui se présentent dans le réseau de distribution.
• Monitoring: grâce au monitoring, les moyens d’exploitation présents dans le réseau sont surveillés au moyen de mesures. Il est ainsi possible d’établir des prévisions sur l’état de réseau au niveau de réseau 7, d’identifier suffisamment tôt les congestions potentielles et, sur cette base, d’engager des mesures pour les éviter.
• Incitations tarifaires: afin d’éviter que les pics de charge existant pendant la journée ne continuent à augmenter en raison de profils de charge engendrés par de nouveaux consommateurs dans le réseau, on dévie les pics de ces derniers par rapport aux pics de charge existants, et ce au moyen d’incitations tarifaires. ewz a été l’un des premiers gestionnaires de réseau de distribution à introduire un tarif pour les véhicules électriques (ewz: «Tarifübersicht. Stromtarife für Privatkundinnen und -kunden» (en allemand)).
• Pilotage: si, néanmoins, la sollicitation du réseau augmente localement de façon critique, il faudra, à l’avenir, intervenir activement au moyen du pilotage. Par exemple, la puissance de charge pour les bornes de recharge électrique pourra être jugulée ou décalée dans le temps afin d’éviter les congestions. Ces interventions ne sont toutefois autorisées qu’en cas d’urgence, lorsqu’il existe un danger pour la sécurité de l’exploitation du réseau, ou dans la mesure où la clientèle a donné son consentement. Dans ce deuxième cas, la flexibilité de la part du client est rétribuée.

Concept de monitoring pour le réseau basse tension

Ce concept permet une surveillance et une évaluation du réseau basse tension. Il est fondé sur trois piliers: les données des smart meters, les valeurs mesurées en temps réel provenant des stations de transformation, et le modèle de réseau calculable, qui représente le jumeau numérique du réseau physique. Le réseau de fibre optique et le cloud computing (ou informatique en nuage) constituent les fondements des trois piliers. Le réseau de fibre optique offre suffisamment de bande passante pour transmettre les données des smart meters et le données de mesure depuis les stations de transformation. Afin de simuler le réseau basse tension, il faut, en plus, une puissance de calcul correspondante, qui est rendue possible par le cloud computing.

Le déploiement des smart meters prescrit par la loi donne naissance à un monde d’observation qui est enrichi toutes les 24 heures par des valeurs de mesure selon un schéma de 15 minutes d’intervalle, ce qui permet d’avoir à disposition des données infiniment plus précises qu’avec les valeurs énergétiques annuelles fournies actuellement par les anciens compteurs. Si ewz reçoit de nouvelles demandes de raccordement technique pour des bornes de recharge pour véhicules électriques avec une puissance supérieure à 22 kilowatts ou que quelqu’un souhaite bénéficier du tarif d’électromobilité, ewz exige en outre, depuis longtemps déjà, l’utilisation d’un smart meter. Dans les futures étapes d’extension du monitoring, les valeurs de mesure seront enregistrées et utilisées avec une résolution plus élevée, pouvant aller jusqu’à une minute (pour les flexibilités). Dans les bâtiments équipés de smart meters, on installe un building gateway supplémentaire qui collecte les données des smart meters au niveau du bâtiment et les transmet à ewz via le réseau de fibre optique. Les données des smart meters sont ensuite utilisées d’une part pour le décompte d’électricité et d’autre part pour le monitoring. L’utilisation des données de smart meters se fait ici en tenant compte des directives de protection des données, de sorte qu’aucune déduction relative aux différents appartements ne puisse être tirée.

Pour la signalisation des stations de transformation, on a élaboré un concept de monitoring qui permettra à l’avenir de créer une liaison de communication avec les quelque 800 stations de transformation et de saisir les données de mesure aussi bien côté basse tension que côté moyenne tension. Pour cela, les données seront mesurées à intervalles d’une minute et transmises en temps réel. Les données de mesure basse tension (électricité et tension) sont un complément aux données des smart meters dans le réseau basse tension. Elles offrent la possibilité de surveiller le réseau basse tension en temps réel. La signalisation des stations de transformation combinée au déploiement complet des smart meters permet, une fois obtenu le consentement du client, le pilotage de flexibilités dans le réseau basse tension, à des fins d’optimisation du réseau.

Pour que le réseau puisse devenir intelligent, il est nécessaire de créer un jumeau numérique du réseau physique. En reliant topologiquement les différents moyens d’exploitation, on crée un modèle qui est enrichi automatiquement par des paramètres provenant des systèmes sources. Celui-ci est représenté sur la plate-forme de monitoring et enrichi, en plus, de données de mesure.

Au moyen des données provenant des stations de transformation et des smart meters, ewz peut surveiller le réseau dans le modèle de réseau calculable et intervenir en cas d’urgence. Si, donc, leur parviennent des informations sur l’état qui enfreignent les valeurs limites, voire détectent une perturbation, il est possible de prendre des contre-mesures. Afin de faciliter l’identification, ewz a formulé les états du réseau selon un modèle à quatre couleurs (voir graphique ci-dessous) pour le réseau basse tension. Ces quatre couleurs indiquent le niveau de menace dans le réseau. Ensuite, dans le modèle, différents scénarios peuvent être représentés et les états du réseau sont ainsi analysés. En fonction de l’état de menace, soit la zone de réseau concernée est sous simple observation, soit des mesures sont directement prises.

Prêts pour le smart grid

Les gestionnaires de réseau de distribution sont la clé pour que la transition énergétique soit tout simplement possible. C’est pourquoi ewz s’engage beaucoup pour mettre sur pied, aujourd’hui, le réseau électrique correspondant aux besoins de demain. Avec la mise en œuvre de projets pilotes, tels que celui-ci de Greencity à Zurich-Wollishofen en 2019/2020, des concepts de smart grid ont pu être testés, et des partenariats fructueux ont été conclus.

Le recours aux smart meters et la signalisation des stations de transformation permettent de mieux comprendre le comportement dans le réseau. En combinaison avec le jumeau numérique, cela crée de la transparence et une vue d’ensemble globale du réseau de distribution. Étant donné qu’on dispose de valeurs de mesure au jour près, il est possible de surveiller le réseau; la base est ainsi posée pour faire en sorte qu’à l’avenir, on puisse réagir aux situations critiques dans le réseau. L’interaction de tous les éléments du concept de monitoring représente la base qui permettra de mettre à la disposition de la clientèle un réseau électrique performant et intelligent, autrement dit un smart grid.