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Centrale Électrique Virtuelle

Définition

Une centrale électrique virtuelle est un ensemble d’unités décentralisées du réseau électrique reliées par un système de régulation commun. Les unités peuvent être des producteurs d’électricité comme par exemple des installations éoliennes, photovoltaïques, hydrauliques, au biogaz ou de cogénération, des consommateurs d’électricité, des dispositifs de stockage d’électricité et des installations Power-to-X (Power-to-Gas, Power-to-Heat). L’objectif d’une telle centrale électrique virtuelle ? La commercialisation commune d’électricité et la flexibilité de l’ensemble des installations globales. Tout acteur qui produit, accumule ou consomme de façon décentralisée au sein du marché de l’électricité, peut faire partie d’une centrale électrique virtuelle.

Un système de gestion centrale gère l’ensemble des unités individuelles et coordonne, grâce à un algorithme spécial, les installations individuelles au sein de la centrale électrique virtuelle. Il réagit également à l'état du réseau et aux instructions d’émission d’énergie de régulation des gestionnaires des réseaux de transport, tout comme une grande centrale. Dans le contexte du commerce d’électricité, la centrale électrique virtuelle est par ailleurs capable de répondre efficacement et rapidement aux signaux de prix émis par les marchés de l’électricité et d’adapter son mode opératoire en fonction de ceux-ci.

L’évolution des installations de production individuelles vers un ensemble de centrales électriques

Une révolution énergétique ne peut pas se résumer à une seule installation : pour pouvoir s'imposer sur le marché de l’électricité, le producteur d’électricité provenant d’énergies renouvelables doit clairement rejoindre des unités fonctionnelles plus importantes. C’est à la suite de cette idée que d’importants concepts de centrales électriques virtuelles encore au stade théorique à l’époque, sont apparus dans la foulée de la libéralisation générale du marché de l’électricité à la fin des années 1990. Le niveau de développement de la technique informatique et du réseau ainsi que le contexte de régulation de l'époque n’ont pas permis d’établir des projets correspondants de plus grande envergure qui soient profitables et systématiquement utiles.

L’année 2010 a vu deux événements en parallèle qui ont fortement contribué au développement des centrales électriques virtuelles : l’arrivée d’une informatique nettement plus performante, permettant la création d’un système de gestion puissant et hautement disponible avec une infrastructure en temps réel d’une part. Le gouvernement fédéral allemand imposait, par la sortie du nucléaire, une nouvelle approche du marché de l’électricité et établissait moyennant l’amendement de la loi sur les énergies renouvelables (Erneuerbare-Energien-Gesetzes, EEG) les bases légales et d’économie du marché de la transition énergétique, d’autre part – il s’agissait de l'avènement des centrales électriques virtuelles.

L’intelligence collective d’un groupe d’unités décentralisées

Au sein du marché, les centrales électriques virtuelles remplissent un rôle similaire à celui d'une grande centrale électrique, et peuvent atteindre la taille d’une ou de plusieurs centrales nucléaires en fonction de leur puissance installée. Leur production change toutefois continuellement, étant donné qu’elles se basent essentiellement sur des installations connectées qui fabriquent de l’électricité à partir d’énergies renouvelables. Par exemple, si le soleil ne brille pas et/ou que le vent est trop faible, les installations éoliennes et photovoltaïques alimentent très peu la centrale électrique virtuelle. Une multiplicité théorique illimitée de producteurs d’électricité tout comme des consommateurs d’électricité, des dispositifs de stockage d’électricité et des solutions Power-to-X comme Power-to-Gas (P2G) ou Power-to-Heat (PtH) peuvent également être intégrés dans l’ensemble d’installations.

Il est particulièrement crucial, pour prévenir un déséquilibre du bilan énergétique, de disposer d’installations de production d’électricité avec différentes sources énergétiques dans une centrale électrique virtuelle. En raison des possibilités de stockage réduites, il est uniquement possible en effet de stocker qu'une quantité d'électricité équivalente aux quantités prélevées simultanément, avec des tolérances minimes. Le portefeuille d’une centrale électrique virtuelle se compose outre des sources énergétiques volatiles comme le vent ou le soleil, de sources énergétiques réglables comme le biogaz et l’énergie hydraulique (centrales au fil de l'eau et centrales à pompage-turbinage), ainsi que de consommateurs d’électricité flexibles, de dispositifs de stockage d’électricité et d’installations Power-to-X particulièrement précieux . L’ensemble de ces unités peuvent rétablir - positivement ou négativement - des écarts au niveau des quantités injectées, écarts qui sont nés à la suite de l’absence de vent et de la présence d’une certaine nébulosité. L'offre et la demande en termes de flexibilité : gestionnaire de réseau, bourse de l’électricité et centrale électrique virtuelle.

Les centrales électriques virtuelles offrent une flexibilité sur le marché de l’électricité

Cette flexibilité, capacité d’équilibrage rapide et multiple, est le principal atout des centrales électriques virtuelles et les distingue nettement par rapport aux grandes centrales traditionnelles : grâce à leur adaptation rapide au volume d’électricité présent sur le réseau et à leur performance globale, elles peuvent suivre de façon optimale les prix sur la bourse de l’électricité et proposer d’une façon particulièrement efficace, l'électricité qu'elles produisent. En effet, l'électricité ne présente pas toujours la même valeur : le prix de l’électricité des transactions intrajournalières change 96 fois par jour sur la bourse de l’électricité et des différences de prix pouvant aller jusqu’à deux voire trois chiffres (Spreads) par mégawatt-heure sont légion.

L’électricité n’affiche pas toujours la même valeur - et le volume d’électricité disponible fluctue.

Basées sur un approvisionnement continu avec de puissants producteurs d’électricité de plusieurs centaines de mégawatts, les grandes centrales électriques atteignent, quant à elles, rapidement leurs limites techniques : une centrale au lignite doit tout comme un grand porte-conteneurs, prendre en compte une importante « distance de freinage » avant de pouvoir réagir, par exemple, à une production éolienne en hausse en raison d'une tempête, par le ralentissement des turbines. Pour prévenir toute surcharge du réseau, il faut alors supprimer du réseau des turbines éoliennes climatiquement neutres.

En revanche, pendant une phase éolienne excédentaire, la centrale électrique virtuelle régule tout simplement la production de ses centrales hydrauliques et au biogaz via un ordre aux installations connectées. Si, toutefois, l’électricité sur le réseau est présente en trop faible quantité, le système de gestion augmente la production grâce aux centrales hydrauliques et au biogaz. De cette façon, la centrale électrique virtuelle compense immédiatement et en temps réel d'éventuelles fluctuations dans la production d’électricité, et prévient une surcharge du réseau électrique public. À l’aide des interfaces IT (API) ou des commandes à distance intégrées dans l’installation, le système de gestion transmet les ordres d’augmentation ou de réduction des quantités injectées.

Interfaces et connexion au réseau au sein de la la centrale électrique virtuelle

Cette transmission des ordres et données est réalisée dans la centrale électrique virtuelle entre les installations et le système de gestion redondant hautement sécurisé, par le biais de connexions de données via tunnel spécialement sécurisées qui utilisent l’infrastructure de communication publique. Elles sont toutefois protégées de tout autre trafic de données au niveau de leurs protocoles. À ce propos, les termes à la mode comme « Internet des choses », « Industrie 4.0 » et « M2M » pourraient également être choisis – en pratique, il s’agit de connexions fixes et mobiles protégées et très sûres.

Ces connexions de données bidirectionnelles d’installations individuelles à une centrale électrique virtuelle permettent non seulement d’échanger des ordres, mais aussi de fournir continuellement et en temps réel des données valides concernant l’état d’utilisation des installations connectées et, dès lors, de la centrale électrique virtuelle. Des pronostics précis peuvent dès lors être émis pour le commerce d’électricité ainsi que pour la planification future des centrales réglables, par exemple sur la base de la capacité d’injection transmise par des installations éoliennes et photovoltaïques, mais aussi moyennant des données de consommation et des états des batteries de stockage. L’exploitation et la préparation des données fonctionnent essentiellement de manière autonome par le biais de l’architecture logicielle de la centrale électrique virtuelle, qui réalise également des tâches cruciales lors de l’ébauche et de la concrétisation des transactions commerciales à la bourse de l’électricité.

Énergie de réglage des centrales électriques virtuelles

Les installations réglables pour la production d’électricité au départ d’énergies renouvelables, comme les installations au biogaz ou les centrales hydrauliques, ainsi que les centrales de cogénération thermique et les générateurs de secours se caractérisent en particulier par le fait qu’ils permettent non seulement de réduire ou d'interrompre la production d’électricité en cas d’offre excédentaire (énergie de réglage négative), mais aussi d’injecter de l’électricité supplémentaire dans le réseau en cas de manque (énergie de réglage positive).

Une installation de production d’électricité doit pour pouvoir proposer une énergie de réglage, au moins pouvoir présenter une performance d’un mégawatt (auparavant cinq mégawatts). Ce seuil peut être atteint par l’assemblage d’une installation avec d’autres dans une centrale électrique virtuelle. Le réseau de centrales électriques peut ainsi répondre à des demandes plus importantes d’énergie de réglage provenant des gestionnaires des réseaux de transport, et le revenu de la commercialisation de l’énergie de réglage est réparti. Les consommateurs d’électricité peuvent également proposer une énergie de réglage négative : la centrale électrique virtuelle peut par exemple donner l’ordre à une entreprise industrielle connectée à la centrale électrique virtuelle d’augmenter sa production ou de retirer l’électricité excédentaire du réseau.

Les consommateurs d’électricité des centrales électriques virtuelles

Les flux de données rassemblées dans la centrale électrique virtuelle permettent aux consommateurs d’électricité commerciaux et industriels d’également profiter directement des signaux de prix du marché de l’électricité. L’électricité peut ainsi être consommée au moment où celle-ci est disponible en surabondance à la bourse, et donc à un prix plus avantageux. Si une entreprise de production déplace la plus grande partie de sa consommation d’électricité vers ces périodes de prix avantageux, ceci lui permet d’épargner jusqu’à un tiers des frais d’électricité.

Cette optimisation peut être réalisée à la demande de manière totalement automatique par la centrale électrique virtuelle : le système de gestion de la centrale électrique virtuelle envoie alors des signaux au poste de commande de l’entreprise. Ce système intervient bien entendu uniquement dans les processus de consommation lorsque c’est possible et nécessaire. Un compteur électrique de puissance enregistrée qui n’est prévu qu'à partir d’une consommation annuelle de 100 000 kWh, est dès lors nécessaire.

Introduction de compteurs intelligents pour les ménages

Les ménages privés qui n’ont pas de telles consommations, ne pourront être intégrés dans une centrale électrique virtuelle qu’avec l’introduction généralisée de compteurs intelligents qui viendront rapidement remplacer, espérons-le, les anciens compteurs qui datent des années 1920, soit environ cent ans après l'introduction de ces derniers. Les appareils électriques peuvent s’utiliser plus efficacement au sein du ménage grâce à l’optimisation intelligente des temps de fonctionnement du chauffage, de la cuisinière, du lave-linge, du congélateur et du chauffe-eau en fonction de l’évolution temporelle du prix de l’électricité.

Digitalisation de l’économie énergétique par les centrales électriques virtuelles

L’avenir est à la digitalisation et l’économie énergétique n'y fait pas exception. Comme dans tous les autres secteurs d’entreprise, l’approvisionnement en électricité change de manière structurelle au niveau mondial : fini les grandes centrales fossiles – vive les petites unités décentralisées interconnectées grâce à la numérisation en plein essor qui offre des possibilités.

Comme pour les plateformes d’hôtels, qui ne possèdent plus leurs propres hôtels, et pour les plateformes de partage de véhicules, qui ne disposent plus de leur propre flotte, les centrales électriques virtuelles connaissent une démocratisation de l’approvisionnement en électricité qui rend la responsabilité de l’approvisionnement à la société. Après tout, l’opérateur d’une centrale électrique virtuelle ne possède plus aucune centrale étant donné qu’il optimise uniquement l’utilisation des petites centrales électriques connectées qui appartiennent à autrui. Les plus grandes centrales électriques virtuelles ont aujourd'hui déjà, largement dépassé les plus grandes installations nucléaires en termes de capacité installée, et produisent dans l’ensemble des centrales de l’électricité climatiquement neutr afin de répondre aux défis futurs du marché de l’électricité.

Tant l’électrification du secteur des transports que le nombre exponentiel de nœuds de réseau et de centres de données généré par la numérisation exigent en effet d’importants volumes d’électricité - qui ne peut être produite de façon conventionnelle et/ou à partir d’une seule source énergétique, en raison de la protection du climat. Les centrales électriques virtuelles offrent par leur approche décentralisée, hybride et ouverte tant au niveau de la technologie que des sources d’énergie, les outils pour le monde de l’énergie de demain.