Miniréseaux – Un ancien concept extrêmement dynamique
Contexte
D’année en année, aux quatre coins du globe, les miniréseaux gagnent du terrain. Aux États-Unis, l’ouragan Sandy a été l’un des principaux moteurs ayant fait progresser le concept. Cet ouragan, qui a frappé le nord-est des États-Unis en 2012, a causé des ravages dans les réseaux de transport et de distribution. Ces réseaux plus petits et autonomes comportaient de nombreux avantages, et c’est sans surprise que l’engouement autour d’eux a augmenté.
Cependant, le concept de miniréseau n’a rien de bien nouveau. Retour dans le passé : c’est dans les années 1800 que le concept de miniréseau voit le jour. En 1882, Thomas Edison construit la première centrale électrique à courant continu (CC). Cette centrale, appelée Pearl Street Station, fait alors partie d’un petit réseau desservant 82 clients sur une zone restreinte à quelques coins de rue. Elle sert à ce moment-là de centrale à production combinée de chaleur et d’électricité, les batteries servant à stocker l’énergie avant qu’elle ne soit fournie aux clients. Cette distribution prenait la forme d’un système autonome sans réseau externe. Au fil des années, le courant alternatif (CA) a dépassé et pris de l’avance sur le courant continu (CC), transformant lentement le réseau électrique pour lui donner la forme que nous connaissons aujourd’hui. Le secteur de l’énergie s’est ensuite développé, a évolué, avec la croissance des fournisseurs d’électricité qui produisaient, transmettaient et distribuaient de l’électricité. Cela se traduisit par un immense maillage de réseaux interconnectés couvrant l’ensemble des États-Unis. Une évolution similaire a eu lieu en Europe, puis en Asie et dans d’autres parties du monde.
La prochaine grande étape, dans le secteur de l’énergie électrique aux États-Unis, a eu lieu en 1978. Cette année-là, une loi intitulée « Public Utility Regulatory Policies Act » (PURPA) a été adoptée, suite à la crise de l’énergie des années 70. L’objectif de la PURPA était d’encourager la cogénération et l’utilisation de sources renouvelables susceptibles de favoriser la concurrence et la conservation. Cela a conduit plusieurs installations industrielles à mettre en place des dispositifs de génération par turbines à vapeur et/ou à gaz. Les générateurs locaux fournissaient à la fois de l’électricité et de la vapeur utilisables par l’usine. Ils fonctionnaient en parallèle avec le réseau. L’usine était en mesure de vendre l’électricité en surplus à l’entreprise de services publics hôte. En cas de perte du réseau électrique, les générateurs prenaient le relais et alimentaient la centrale locale. Certaines usines alimentaient la zone en électricité, et ce n’est qu’en cas de perte du générateur local que l’entreprise de services publics hôte commençait à fournir de l’électricité à l’usine de manière transparente. En cas de sous-tension sur le réseau, le générateur local injectait une puissance réactive pour stabiliser la tension.
Plus tard, plusieurs producteurs d’électricité indépendants ont commencé à construire des centrales électriques pour vendre de l’électricité aux fournisseurs d’électricité. La PURPA comportait une clause qui obligeait l’entreprise de services publics hôte à acheter de l’électricité à ces entités à des prix raisonnables. Dans plusieurs cas, ces entreprises proposaient des tarifs attractifs si les propriétaires d’usine acceptaient de soutenir la stabilisation du réseau en fournissant des MW et des MVAR.
Différences et similitudes entre les anciens concepts de cogénération et les nouveaux miniréseaux
La production locale d’électricité, associée à la distribution, formaient en réalité un miniréseau. Le générateur alimentait la zone en électricité et l’usine pouvait basculer sur celle du réseau. On constate que ce mode de fonctionnement est proche de ce que nous voyons aujourd’hui avec les miniréseaux.
La production en interne est également utilisée dans les zones d’activités, les établissements pénitentiaires, les grands centres de télécommunications, et il en va de même pour les miniréseaux d’aujourd’hui.
Ces derniers consistent en un mélange de productions décentralisées d’énergie, avec des éoliennes, des panneaux solaires, des piles à combustible et de la biomasse. Toutes ces sources, associées à des batteries de stockage adéquates, permettent de disposer d’une alimentation 24 h/24. Les miniréseaux ont deux avantages : la baisse du coût des batteries lithium-ion et l’accessibilité croissante des énergies renouvelables.
Cependant, on décèle tout de même des différences entre les miniréseaux d’aujourd’hui et les installations de cogénération d’hier :
- La production dans les installations industrielles, les installations commerciales, les zones d’activités et les prisons, implique l’utilisation d’un ou plusieurs générateurs situés à un seul et même endroit. Ce n’est pas le cas des miniréseaux, où la production est dispersée sur plusieurs sites.
- Les générateurs conventionnels ne créent pas d’harmoniques, à l’inverse des miniréseaux qui eux en produisent. Pour résoudre le problème qu’ils posent, il est nécessaire de mettre en œuvre un filtrage approprié.
- Le courant de court-circuit, fourni par les générateurs dans les installations de cogénération, suffit pour permettre un relais efficace à la fois sur les barres omnibus moyenne et basse tension. Les sources renouvelables ne fournissent pas de courants de court-circuit adéquats.
- Les miniréseaux ne possèdent pas une inertie suffisante pour assurer la stabilité du système.
- La majorité de leur production se résume à des sources renouvelables, mais on distingue également des sources conventionnelles.
- Les miniréseaux avec des sources renouvelables sont respectueux de l’environnement et fournissent une énergie propre.
- Dans le cas des miniréseaux, les besoins en énergie ne concernent pas nécessairement une usine ou une installation. Ils peuvent regrouper des maisons, des écoles et un hôpital répartis sur une zone spécifique, par exemple.
C’est pourquoi on peut dire que les miniréseaux d’aujourd’hui, à quelques exceptions près, comportent de nombreuses similitudes. Les progrès réalisés dans le domaine de l’automatisation, de la communication et de la numérisation rendent le miniréseau assez différent des anciennes installations de cogénération.
Nouveaux miniréseaux : problèmes et solutions envisageables
Il ne fait aucun doute que les miniréseaux offrent de nombreux avantages. Cependant, les miniréseaux présentent certains problèmes, des défis que l’industrie tente de relever.
Les problèmes et les solutions possibles sont les suivants :
- Lorsque le miniréseau fonctionne de manière isolée, sans générateur synchrone, le démarrage des moteurs imposants peut se révéler difficile.
- La coordination entre les dispositifs de protection, basés sur de simples relais de surintensité, est difficile en raison de l’amplitude et de la durée insuffisantes du courant de court-circuit. Cela se vérifie également avec la coordination entre 480 et 277 V.
- Des relais différentiels à plusieurs endroits (pour les transformateurs et les lignes) seront nécessaires pour fournir un système coordonné avec le niveau de sélectivité souhaité.
- Les systèmes de protection devront comporter des relais adaptatifs associés à une liaison de communication entre divers dispositifs de protection.
- L’installation de dispositifs de protection conformes à la norme CEI 61850 sera utile. Autrement dit, il faudra mettre en place une protection basée sur la satisfaisante messagerie GOOSE.
- Les appareils 480 V avec disjoncteurs à boîtier moulé et disjoncteurs comportant des déclencheurs à semi-conducteurs. Il n’y a pas de mentions formelles des dispositifs 480 V dans la CEI 61850. Cependant, les fabricants ont imaginé des façons d’incorporer ces dispositifs dans des schémas de la CEI 61850.
- L’engouement autour des miniréseaux est notamment dû au fait que, pendant les tempêtes, lorsque le réseau principal est déconnecté, les miniréseaux peuvent continuer à fournir de l’électricité aux entités concernées. Cependant, cela n’est pas le cas si la zone de couverture du miniréseau inclut des lignes de distribution aériennes. La distribution souterraine contribuera à atténuer ce problème.
- De nombreuses recherches sont menées pour améliorer les convertisseurs avec une production d’énergie renouvelable. Les problèmes de l’inertie, ainsi que de l’amplitude et de la durée insuffisantes du courant de court-circuit, sont en cours de résolution.
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