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Transition énergétique numérique avec contrôle de haute technologie

L’expansion des énergies renouvelables ne réussira que si la fluctuation de l’apport des énergies solaire et éolienne est compensée par des consommateurs d’électricité et des installations de stockage flexibles. La technologie numérique peut aider à résoudre le problème : les systèmes intelligents transforment le réseau électrique analogique en un réseau intelligent communicant et ouvrent la voie à des centrales électriques virtuelles reliant producteurs et consommateurs.

L'énergie éolienne est au niveau du col. Bien que les éoliennes en Allemagne doivent fournir la part du lion de l'approvisionnement en électricité à long terme, le gouvernement allemand souhaite ralentir considérablement le nouveau bâtiment dans le nord de l'Allemagne. À partir de 2017, seulement un maximum de 902 mégawatts d'énergie éolienne devraient être générés à Brême, Hambourg, Schleswig-Holstein, Mecklembourg-Poméranie occidentale et dans le nord de la Basse-Saxe - moins de soixante pour cent de l'énergie qui y a été installée pour la dernière fois. Parce que les lignes électriques dans les régions côtières orageuses atteignent leurs limites de capacité : les éoliennes doivent de plus en plus être arrêtées dans le cadre de la gestion dite de l'injection, car la grande quantité d'électricité verte mettrait en danger la stabilité du réseau.

La transition énergétique devient numérique - découvrez comment WAGO vous accompagne :

Les contrôleurs WAGO assurent une communication et un contrôle sécurisés.
La nouvelle norme de communication VHPready simplifie l'interaction des systèmes décentralisés.
Le chiffrement des données et les connexions spécialement sécurisées protègent contre les accès non autorisés.

Énergie stockée contre les fluctuations du réseau

La question difficile est : Comment peut-on relâcher le frein de rotation d'énergie ? De nouvelles lignes électriques sont censées transporter l'énergie éolienne de la côte de la mer du nord au sud, mais l'expansion du réseau est problématique car la pose des câbles souterrains prend plus de temps que prévu. Un autre défi consiste à faire face à la production fluctuante d'électricité verte due aux conditions météorologiques. En Allemagne, les systèmes solaires et les éoliennes fournissent déjà un tiers de l'électricité requise - cette part devrait atteindre 100% d'ici 2050. Du point de vue des experts, des ajustements techniques et de nouveaux modèles commerciaux pour la commercialisation de l'énergie produite à partir de sources renouvelables seront nécessaires de toute urgence. « Nous comptons sur un type de production qui fluctue, est distribué de manière décentralisée et est très petit. Cela se traduit par de nouvelles exigences sur l'infrastructure, le réseau, le contrôle et la flexibilité qui étaient auparavant dans les centrales électriques contrôlables », explique Tobias Kurth d'Energy Brainpool, expert du marché de l'énergie de Berlin.

L'industrie est confrontée à une tâche colossale : elle doit développer des solutions qui maintiennent le réseau électrique stable à une fréquence de 50 Hz, même avec l'augmentation de la production d'électricité verte. Cela comprend le stockage de la batterie, qui peut rapidement absorber l'excès d'électricité et le libérer si nécessaire. S'ils sont installés au pied de grands parcs éoliens, par exemple, l'énergie stockée pourrait être utilisée comme énergie d'équilibrage pour compenser les fluctuations à court terme du réseau électrique - cela éviterait l'arrêt forcé des éoliennes. La combinaison de batteries avec des systèmes photovoltaïques est également logique. Si le stockage solaire est couplé à des bornes de recharge, les bornes de recharge peuvent fournir de l'énergie solaire aux voitures électriques 24h/24. Ou les batteries sont utilisées dans la zone de la maison privée comme stockage de cave. Celles-ci peuvent augmenter la consommation propre du ménage et en même temps couper les pics solaires de déjeuner qui grèvent le réseau.

La numérisation de la transition énergétique est la condition sine qua non pour pouvoir gérer un marché de l'énergie décentralisé.

Tobias Kurth, Energy Brainpool

L'électricité devient chaleur et combustible

Les systèmes Power-to-Heat et Power-to-Gas offrent une autre option de flexibilité. Ils convertissent l'électricité verte en chaleur au moyen d'une chaudière électrique ou en hydrogène par électrolyse puis en méthane. La chaleur peut être injectée dans le réseau de chauffage urbain local, les gaz peuvent être stockés dans le réseau de gaz naturel existant, qui alimente les ménages, les centrales électriques et les stations-service, sur une longue période. De cette façon, le chauffage-électricité et le gaz-électricité allègent non seulement la charge sur le réseau électrique, mais intègrent également les secteurs de la chaleur et de la mobilité, qui n'ont jusqu'à présent joué qu'un rôle mineur dans la transition énergétique. "Nous pourrions faire de l'Allemagne du Nord un gigantesque laboratoire d'essais pour les secteurs de couplage : production de gaz ou chauffage à énergie éolienne excédentaire, programmes de soutien locaux pour les pompes à chaleur ou les voitures électriques, pistes d'essai pour camions électriques avec lignes aériennes et lignes de bus électriques - ce ne sont que quelques-unes des possibilités. Ensuite, l'expansion rapide de l'énergie éolienne pourrait se poursuivre", explique Volker Quaschning, professeur en énergie à Berlin, de l'Université des sciences appliquées de Berlin.

Mais développer des options de flexibilité comme le stockage n'est pas le seul défi. Ceux-ci doivent également être mis en réseau avec les producteurs et les consommateurs décentralisés. Dans un système dominé par les systèmes solaires et les éoliennes, l'énergie provient de milliers de systèmes et circule dans de nombreuses combinaisons dans de nombreuses directions différentes, comparables aux données sur Internet. Par conséquent, des systèmes numériques intelligents sont nécessaires pour mesurer les flux énergétiques complexes et réguler et contrôler les usines en fonction de la situation du réseau. Et les systèmes doivent permettre une communication absolument sécurisée entre les systèmes et le système de contrôle, car les attaques de pirates contre les centrales électriques et le réseau ne sont pas rares et peuvent mettre en danger la sécurité de l'approvisionnement. "La numérisation de la transition énergétique est une condition préalable pour pouvoir gérer un marché de l'énergie décentralisé", explique Kurth.

Les centrales électriques virtuelles soulagent le réseau électrique

La bonne nouvelle : plus des deux tiers des sociétés d'approvisionnement en énergie attribuent une grande pertinence aux solutions énergétiques décentralisées et voient la numérisation comme un levier pour améliorer l'efficacité de leurs processus, selon le résultat de l'étude en cours "Les fournisseurs d'énergie allemands passent au numérique" par la société de conseil pwc. La numérisation offre des opportunités tout au long de la chaîne de valeur énergétique. Les tarifs flexibles de l'électricité, qui sont basés sur la disponibilité de l'électricité verte, sont une approche, en particulier pour les clients commerciaux et industriels : si les systèmes solaires et les éoliennes produisent beaucoup d'énergie, les services publics proposent de l'électricité à un prix particulièrement avantageux. Cela encourage les clients à ajuster leur consommation à une production fluctuante. Et ce n'est que la première étape : "De plus en plus de ménages produisent leur propre électricité à l'aide de petites centrales combinées de chaleur et d'électricité et de modules solaires - ils passent des consommateurs aux prosommateurs qui non seulement consomment de l'énergie, mais peuvent également la fournir", explique Kurth.

Si ces ménages sont interconnectés, l'offre et la demande peuvent s'équilibrer. Les centrales électriques virtuelles vont dans le même sens. Ils combinent des producteurs décentralisés tels que le biogaz et les systèmes solaires, les éoliennes, les unités de cogénération, les pompes à chaleur, les générateurs électriques de secours et le stockage avec une technologie de contrôle intelligente pour former un réseau contrôlable de manière flexible. Pour compenser les fluctuations du réseau de transport de niveau supérieur, les gestionnaires de réseau se procurent de l'énergie d'équilibrage auprès des fournisseurs enregistrés. Certaines entreprises proposent déjà ce service à partir de centrales électriques virtuelles. La coopération municipale des services publics de Trianel, par exemple, regroupe des technologies de production et de stockage d'une puissance totale de plus de 700 mégawatts dans son pool d'énergie d'équilibrage. Dans la pratique, les installations de biogaz, les installations de stockage et similaires de la centrale virtuelle Trianel fonctionnent normalement. Si l'opérateur du réseau appelle la puissance de contrôle, un algorithme dans le système de contrôle sélectionne les systèmes appropriés et les contrôle à partir du centre de contrôle. L'avantage de la centrale Trianel : elle comprend 400 centrales individuelles et présente donc une grande flexibilité. Il peut donc amortir particulièrement bien les fluctuations à court terme.

Gérez facilement les flux d'énergie complexes

Les stations de réseau local intelligent (iONS) peuvent également jouer un rôle important dans la numérisation du réseau. Les transformateurs précédents étaient des éléments plutôt passifs qui réduisaient la tension électrique du réseau moyenne tension dans un rapport fixe à la tension inférieure utilisée dans le réseau local. Un iON, d'autre part, permet l'acquisition de diverses données de mesure dans le réseau moyenne tension et offre la possibilité de lire les valeurs à distance. Cela permet à l'opérateur du réseau d'ajuster le niveau de tension à tout moment. Si, par exemple, une grande partie de l'énergie solaire est alimentée par temps clair et que la tension augmente en conséquence, un iON peut être utilisé pour la contrer rapidement - cela augmente la capacité du réseau et évite les goulots d'étranglement qui ralentissent finalement l'expansion des énergies renouvelables. Avec ses développements, WAGO peut contribuer à faire avancer la numérisation de l'approvisionnement énergétique. Afin de convertir les stations du réseau local commun en iONS, la conformité fiable et standardisée des composants de la technologie primaire et secondaire est élémentaire.

En collaboration avec les partenaires du projet, WAGO a déjà mis en place un système correspondant et l'a équipé de la technologie d'automatisation complète : le contrôleur PFC200 XTR côté moyenne tension et le contrôleur PFC200 côté basse tension, le panneau e!DISPLAY pour la visualisation des données de mesure et de contrôle directement sur la station de réseau local elle-même ainsi que la technologie de connexion complète. Les contrôleurs WAGO, librement programmables avec CoDeSys, collectent toutes les données des différents systèmes de la station via des signaux numériques et analogiques et, par exemple, via MODBUS RTU, les traduisent dans les protocoles de communication requis par le fournisseur, tels que CEI 60870-5-101/-104 ou CEI 61850 et l'envoient via une ligne de données à la salle de contrôle. Dans la direction opposée, la salle de contrôle peut, via les contrôleurs, accéder aux systèmes de la station, tels que l'installation de commutation moyenne tension, les dispositifs de protection ou les systèmes de mesure de différents fabricants.

Protégé des hackers

Le flux de données des contrôleurs WAGO est protégé contre les accès non autorisés - d'une part en cryptant les données via TLS1.2, et d'autre part via des connexions spécialement sécurisées telles que IPsec ou OpenVPN conformément au White Paper BDEW. La technologie WAGO permet également une communication et un contrôle sécurisés dans les centrales électriques virtuelles. Les producteurs et les consommateurs réunis dans une telle centrale parlent des langues différentes et peuvent donc difficilement communiquer entre eux. Le nouveau standard de communication ouvert VHPready (Virtual Heat and Power Ready) peut changer cela. Comme un interprète, cela garantit que la salle de contrôle et les systèmes décentralisés se comprennent. Au lieu d'utiliser un ensemble de variables spécifique aux installations comme précédemment, VHPready communique via des profils prédéfinis avec des listes de points de données uniformes. En plus de la communication, VHPready définit également des directives spécifiques au domaine telles que les spécifications pour le comportement de fonctionnement et les temps de réaction. Cela donne la possibilité de contrôler les installations via des horaires. Cela signifie que la salle de contrôle d'une centrale électrique peut transférer les paramètres de contrôle au système pendant une période de 24 heures. La transition énergétique ne peut réussir sans la numérisation - les systèmes de contrôle intelligents deviennent ainsi une technologie clé sur le marché de l'énergie.

Texte : Heiko Tautor

Photo : Manfred H. Vogel | vor-ort-foto.de, iStockphoto.com

Aperçu des produits

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« L'âge de pierre prévaut encore sur le marché de l'énergie »

Heiko Tautor, expert de WAGO, en entretien avec Tobias Kurth du cabinet de conseil Energy Brainpool (à gauche) sur la transformation dans le secteur de l'énergie.

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