Comment un appareil pourrait-il contribuer à transformer notre réseau électrique

De l'État du Colorado à l'État de Washington, de l'Ohio à la Pennsylvanie, les centrales électriques au charbon ferment. Les États-Unis devraient retirer la moitié de leur capacité de production d'électricité à partir du charbon d'ici 2026. Il s'agit d'un déclin remarquablement rapide par rapport au pic du charbon en 2011 - et d'une étape majeure dans la transition vers les énergies propres et la lutte contre le changement climatique.

Mais il y a un inconvénient surprenant à la retraite des grandes centrales électriques. Ces centrales aident à maintenir la stabilité du réseau électrique. À mesure qu'elles se déconnectent, autre chose doit prendre le relais pour faire ce travail.

Un réseau électrique est un réseau complexe comprenant des systèmes de production d'énergie, tels qu'une centrale nucléaire ou une éolienne, et des systèmes de stockage et de transmission d'énergie, tels que des batteries et des lignes de transmission. Un réseau peut cesser de fonctionner pour toutes sortes de raisons, comme la chute d'un arbre sur une ligne électrique ou une vague de chaleur dépassant la capacité du système. Aux États-Unis, l'électricité circule dans le réseau comme un battement de cœur à une fréquence standard de 60 hertz. Cette fréquence peut varier si la demande dépasse l'offre ou si quelque chose dans le système, comme un grand générateur, se déconnecte. Même une petite interruption de ce battement de cœur à 60 hertz peut provoquer des effets en cascade auxquels le réseau a du mal à se remettre.

Les grandes centrales électriques sont conçues pour aider le réseau à résister à ces effets en cascade. L'inertie de leurs génératrices en rotation donne du temps en cas de panne de courant imprévue, et elles ajustent continuellement leur production d'énergie en fonction de la fréquence du réseau, en maintenant la stabilité de tout. Mais un réseau électrique qui intègre de grandes quantités d'énergie renouvelable, comme celle produite par des éoliennes et des panneaux solaires, fonctionne très différemment. Il repose sur des dispositifs appelés onduleurs pour convertir le courant continu, ou CC, produit par les installations éoliennes et solaires en courant alternatif, ou CA, pour le réseau. Et les systèmes d'énergie renouvelable impliquant des onduleurs ne se comportent pas comme le font les centrales électriques traditionnelles. "Nous avons affaire à un système physique complètement différent", explique Patricia Hidalgo-Gonzalez, ingénieure en électricité à l'Université de Californie, San Diego.

Une plus grande partie de l'électricité aux États-Unis provient désormais de sources renouvelables. Les onduleurs formant le réseau joueront probablement un rôle important dans l'intégration en toute sécurité de l'énergie dans le réseau électrique.

Ainsi, les chercheurs cherchent des moyens de maintenir la stabilité du réseau à mesure que les grandes centrales électriques sont retirées et que l'énergie renouvelable représente une plus grande part de la production d'électricité aux États-Unis. La réponse pourrait résider dans un type spécial d'onduleur, appelé onduleur formant le réseau. Ces équipements électriques, dont la taille varie de celle d'un four à micro-ondes à celle d'un conteneur d'expédition, sont spécialement programmés pour fonctionner à l'interface entre quelque chose qui produit ou stocke de l'énergie - comme les éoliennes, les panneaux solaires et les batteries - et le réseau. Surtout, ils sont capables de contrôler rapidement et de manière réactive le flux d'énergie renouvelable dans le réseau, de manière similaire au contrôle exercé par les grandes centrales électriques.

En intégrant certains onduleurs formant le réseau dans un réseau électrique existant, les ingénieurs peuvent aider à remplacer les fonctions perdues lors du retrait des grandes centrales. Les onduleurs formant le réseau ont également d'autres avantages, tels que le redémarrage automatique d'un réseau qui s'est déconnecté. Cela peut rendre la société plus résiliente face aux pannes de courant causées par les conditions météorologiques extrêmes alimentées par le changement climatique, telles que les vagues de chaleur et les ouragans.

La quantité d'électricité aux États-Unis produite à partir de l'énergie solaire et éolienne a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie.

Pensez à un onduleur formant le réseau comme une mère canard suivie d'une ribambelle de petits canetons, explique Dominic Gross, ingénieur en électricité à l'Université de Wisconsin-Madison. Un onduleur formant le réseau peut injecter du courant dans un réseau, puis ajuster sa fréquence en fonction de la quantité d'énergie circulant dans le système. D'autres sources d'électricité entrant dans le réseau, les petits canetons, peuvent alors se synchroniser avec cet onduleur formant le réseau, tout comme ils le faisaient avec le flux d'électricité pulsé par les centrales électriques.

Cela confère aux onduleurs formant le réseau un rôle clé dans l'intégration de plus d'énergie renouvelable dans le réseau électrique. Des fabricants tels que General Electric, Siemens, Tesla et Hitachi fabriquent déjà ces dispositifs, et ils sont utilisés depuis des décennies dans des réseaux électriques isolés, tels que ceux des petites îles. Aujourd'hui, leur utilisation se développe rapidement dans le monde entier, alors que les grandes compagnies électriques se tournent vers ces dispositifs pour gérer l'essor de l'énergie renouvelable.

Intégrer des capacités de formation de réseau dans les systèmes d'énergie renouvelable est une première étape facile qui peut faire une différence spectaculaire dans la construction d'un réseau solide pour l'avenir, déclare Julia Matevosyan, ingénieure en chef au Energy Systems Integration Group à Austin, Texas. "Nous avons vraiment cette opportunité maintenant", dit-elle.

Les centrales électriques au charbon et au gaz naturel sont le socle du réseau électrique américain actuel. Les fermes éoliennes et solaires jouent un rôle plus petit et utilisent des onduleurs suivant le réseau (orange) pour injecter davantage d'électricité intermittente dans le système. Mais les onduleurs formant le réseau (bleus) pourraient faciliter l'avènement d'un réseau futur reposant principalement sur les énergies renouvelables. Dans le réseau du futur, chaque foyer pourrait avoir des panneaux solaires et les véhicules électriques pourraient assurer une charge bidirectionnelle, leur permettant de restituer de l'énergie au réseau. Si vous avez des panneaux solaires sur votre maison, vous avez probablement un onduleur dans votre garage. Les compagnies d'énergie utilisent des onduleurs similaires dans les fermes éoliennes et solaires pour convertir de grandes quantités d'électricité en courant continu en électricité en courant alternatif à injecter dans le réseau. Mais la plupart d'entre eux sont ce qu'on appelle des onduleurs suivant le réseau. Ils sont comme des canetons qui suivent leur mère - ils peuvent faire quelques choses par eux-mêmes, mais ils ne sont pas capables de gérer le système comme le ferait un adulte. Un onduleur formant le réseau, en revanche, peut détecter les changements dans le réseau et y répondre en temps réel pour ajuster sa fréquence, ce qui injecte plus ou moins de puissance selon les besoins pour stabiliser le réseau. Florian Dörfler, ingénieur électricien à l'ETH Zurich, compare un groupe d'onduleurs formant le réseau dans un réseau électrique à un groupe de roues de vélo tournant reliées par un élastique. Si l'une des roues ralentit pour une raison quelconque, l'élastique transférera le mouvement des autres roues et le ramènera en synchronisation avec le groupe. Les onduleurs formant le réseau ne sont pas entièrement nouveaux ; ils sont utilisés depuis des décennies dans le monde entier à certaines fins. Aux États-Unis, ils se trouvent principalement dans les microréseaux, de petits systèmes d'alimentation électrique fournissant des zones isolées telles que des îles ou de petites installations. Dans les années 2010, par exemple, un groupe de chercheurs et de professionnels de l'industrie a construit un microréseau intégrant des onduleurs formant le réseau à la prison de Santa Rita à Dublin, en Californie. Ce microréseau utilisait des panneaux solaires sur le toit, cinq éoliennes, une pile à combustible et des batteries de stockage pour créer un système d'alimentation autonome qui fonctionnait pour un usage quotidien mais pouvait également continuer à fonctionner indépendamment du réseau électrique principal en cas de panne - un aspect crucial pour assurer la sécurité. D'autres microréseaux utilisant des onduleurs formant le réseau comprennent une base militaire sur l'île hawaïenne de Kauai et l'île caribéenne de St. Eustatius. Le défi actuel est de passer de ces petits systèmes autonomes à des réseaux électriques plus importants intégrant une grande quantité d'énergie renouvelable. Plusieurs pays ont entrepris cet effort en ajoutant des onduleurs formant le réseau à leurs systèmes. L'Australie est peut-être le leader mondial, avec trois grandes installations d'énergies renouvelables intégrant des onduleurs formant le réseau qui sont récemment devenues opérationnelles et trois autres installations de ce type en projet, pour une puissance totale de 480 mégawatts. Certaines d'entre elles se trouvent en Australie du Sud, où l'énergie éolienne a connu un essor ces dernières années. En décembre, l'Agence australienne des énergies renouvelables a annoncé qu'elle investissait 176 millions de dollars australiens (environ 118 millions de dollars) dans huit nouveaux projets visant à produire de l'énergie renouvelable en utilisant des technologies formant le réseau. Ces huit projets, pris ensemble, sont conçus pour générer 2 gigawatts de puissance - 10 fois la capacité de formation de réseau du pays à ce jour, et constituent une étape "révolutionnaire" dans la bonne direction, selon Matevosyan. Le Royaume-Uni investit également dans cinq nouveaux projets, dont une installation de 300 mégawatts en Écosse qui devrait être terminée en 2024. En revanche, les États-Unis ont peu fait au niveau national pour encourager l'adoption d'onduleurs formant le réseau, même si la production d'énergie renouvelable a doublé environ au cours de la dernière décennie et représente maintenant plus de 20% de la production d'électricité du pays. "Les États-Unis ont probablement 10 ans de retard", déclare Dörfler. Cela pourrait être en train de changer. Le Département de l'Énergie des États-Unis finance un effort de 25 millions de dollars pour promouvoir l'utilisation d'onduleurs formant le réseau dans le système électrique américain. Le consortium, connu sous le nom de UNIFI (pour "universal interoperability for grid-forming inverters"), en est à sa deuxième année de recherche sur cinq. Il est dirigé par le National Renewable Energy Laboratory à Golden, dans le Colorado, en collaboration avec l'Université du Texas à Austin et l'Electric Power Research Institute à Palo Alto, en Californie. Les réseaux électriques montrent leur vieillissement - et ils sont particulièrement vulnérables aux effets en cascade qui peuvent survenir en cas de conditions météorologiques extrêmes. Voici un aperçu de certains événements récents qui ont mis les réseaux à rude épreuve. Février 2021 : Un froid glacial sur une grande partie du Texas (illustré ci-dessus) a paralysé les équipements électriques et mis une grande partie du réseau de l'État hors service, entraînant des centaines de décès. Septembre 2021 : L'ouragan Ida a privé d'électricité plus d'un million de personnes en Louisiane, en partie parce que les lignes de transmission n'ont pas résisté aux vitesses du vent de l'ouragan.

Mai 2022Une tempête de vent intense a balayé l'Ontario et le Québec, au Canada, renversant des lignes électriques et laissant près d'un million de personnes sans électricité.

Juin 2022Une défaillance dans une centrale électrique de l'ouest du Texas a provoqué d'autres pannes sur le réseau du Texas, entraînant la mise hors service de 1,7 gigawatt de production d'énergie solaire.

Janvier 2023Une surtension a provoqué l'arrêt du réseau électrique national du Pakistan, laissant plus de 200 millions de personnes sans électricité.

Juin 2023Un dôme de chaleur sur le nord du Mexique et le Texas a presque poussé la demande d'électricité du Mexique à dépasser son approvisionnement.

Jusqu'à présent, UNIFI s'est concentré sur des problèmes basiques tels que l'élaboration de lignes directrices suggérées sur la façon dont les entreprises devraient construire des onduleurs formant des réseaux. Jusqu'à présent, les fabricants du monde entier ont fabriqué leurs propres types d'onduleurs formant des réseaux sans coordination ou presque entre eux. En décembre, UNIFI a publié des normes provisoires destinées à servir de première étape vers un code national du réseau qui comprend des spécifications techniques pour les équipements; une deuxième version mise à jour devrait être publiée d'ici la fin de l'année.

UNIFI a récemment apporté une poignée d'onduleurs formant des réseaux, provenant de différents fabricants, au laboratoire du Colorado du NREL. Là-bas, les chercheurs les testent dans un système d'énergie d'un mégawatt pour voir comment ils fonctionnent dans le même réseau. Un projet similaire d'UNIFI teste les performances d'un plus grand nombre d'onduleurs formant des réseaux fabriqués par deux fabricants différents dans un système de 20 mégawatts sur Kauai.

L'objectif est de voir si les onduleurs de différents fabricants peuvent être intégrés en douceur dans un grand réseau électrique, et combien de travail de programmation il faudra pour les faire fonctionner ensemble. "Comment faire fonctionner des millions de ces choses ensemble, de manière collaborative, dans un contexte de systèmes de réseau à grande échelle ?" demande Gross, qui travaille avec UNIFI. De tels tests ne sont que les premières étapes pour que les États-Unis rattrapent d'autres pays qui ont déjà des onduleurs formant des réseaux fonctionnant dans leurs grands réseaux électriques.

UNIFI espère élever le profil des onduleurs formant des réseaux et fournir des orientations pour ce qui est actuellement un paysage de Far West avec différentes entreprises qui les fabriquent. Mais il devra agir rapidement pour faire la différence. "Nous parlons littéralement de transformer l'ensemble du secteur de l'électricité en 15 ans", déclare Ben Kroposki, directeur du centre d'ingénierie des systèmes électriques au NREL et directeur de l'organisation d'UNIFI. "Il a fallu 140, 150 ans pour construire ce que nous avons aujourd'hui. Et donc c'est tout simplement un changement monumental dans le secteur de l'énergie électrique."

Les onduleurs dans un système typique de panneaux solaires domestiques peuvent coûter plusieurs milliers de dollars, avec un coût plus élevé pour les systèmes à grande échelle. Mais les équipements formant des réseaux ne sont pas nécessairement plus chers à produire que les équipements suivant le réseau. Les fabricants facturent un peu plus pour couvrir leurs coûts de recherche et développement, mais la différence est minime pour le bénéfice obtenu, déclare Matevosyan. Même si certains pays incitent les entreprises énergétiques à utiliser des technologies formant des réseaux, elle affirme que toute personne construisant des composants de réseau aujourd'hui devrait les incorporer en routine. "Cela a simplement du sens de les avoir formant des réseaux", dit-elle. "Vous pouvez le préparer pour l'avenir."

Même si les onduleurs formant des réseaux sont adoptés, il reste des questions de recherche à résoudre. Un défi est qu'il n'est pas encore clair combien d'onduleurs dans les réseaux futurs devront être formant des réseaux. Des calculs théoriques suggèrent que certains réseaux fonctionneront très bien en obtenant de 60 à 70 % de leur électricité à partir de sources renouvelables en utilisant des onduleurs suivant le réseau. Mais d'autres pourraient s'effondrer dès 20 % et auront besoin de plus d'onduleurs formant des réseaux mélangés, déclare Gross.

Le nombre pour chaque réseau dépendra de facteurs tels que l'âge, la stabilité et la géométrie du réseau. Un réseau densément interconnecté d'installations de production d'énergie comme en Europe pourrait avoir besoin d'un pourcentage beaucoup plus faible d'onduleurs formant des réseaux qu'un réseau long et étendu comme celui le long de la côte australienne.

Le réseau électrique américain est en réalité constitué de trois réseaux distincts, dans l'est et l'ouest du pays ainsi qu'au Texas, tous avec des besoins d'onduleurs différents. Et certains opérateurs d'électricité pourraient choisir de déconnecter leurs centrales à charbon ou à gaz mais de conserver certaines grandes centrales nucléaires ou hydroélectriques, qui continueront à maintenir la synchronie du réseau et nécessiteront moins d'onduleurs formant des réseaux.

Other research frontiers include figuring out new ways to diagnose and fix problems in the grid. A short circuit in a grid component, for example, can suddenly inject large amounts of current, a surge that traditional power plants can handle automatically by disconnecting the malfunctioning part. Grid-forming inverters cannot tolerate large spikes in current, making it harder to solve these problems in real time. “How to do so efficiently and safely is still a big research question,” says Rodrigo Henriquez-Auba, an electrical engineer in Mountain View, Calif., who works with UNIFI.

Some scientists, including Dörfler, are exploring how a power grid with a lot of grid-forming inverters could provide power in new ways. By taking extra steps to optimize how the inverters work together, researchers can move the system closer to what some describe as a virtual power plant — in which many small-scale renewable energy devices effectively function as a single traditional power plant. That might mean programming inverters to quickly draw power out of a battery and inject it to make the grid more robust to unexpected fluctuations. Machine learning techniques may help, by training inverters on real-world data to fine-tune operations.

Of course, there are many other challenges to building the grid of the future, such as figuring out better ways to store electricity from solar and wind farms, how to build the necessary transmission lines and how to speed up the connection of renewable power facilities to the grid, currently backlogged due to regulatory issues.

Hidalgo-Gonzalez says that the electrical grid of the future needs to be stronger and more resilient for everyone. Today’s U.S. power grid fosters a lot of societal inequities. It tends to be weak and less reliable, for example, in lower-income communities that are more vulnerable to extreme weather than it is in wealthier communities. In 2021, for instance, Hurricane Ida knocked out power to more than 1 million people in Louisiana, with some lower-income communities not getting it back for weeks.

Renewable energy, bolstered by grid-forming inverters, can play a big role in making the grid more resilient and equitable, Hidalgo-Gonzalez says. “We need to go really fast,” she says, “if we want to take climate change seriously.”

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