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C’est le milieu du XXIè siècle, et le système électrique européen, plus grand appareil industriel du monde,
a poursuivi son aventure pour aller au-devant de nouveaux défis : électrification de la société,
développement des énergies renouvelables et de l’autoconsommation, avènement du digital …
L’UFE décrit sa vision du système électrique du futur,
en décrypte les enjeux et réalise des recommandations
afin de s’y préparer dès aujourd’hui.
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H2

Synthèse

Logements confortables et connectés, centres urbains sains et peu bruyants, véhicules autonomes et partagés... Le monde de demain est agréable à vivre, sobre en énergie et neutre en émissions de CO2. La consommation d’énergie a diminué et l’électricité en représente désormais la majeure partie. Le plus grand appareil industriel du monde, le système électrique européen, a poursuivi son aventure pour braver ses nouveaux défis : certains consommateurs ont choisi de produire leur électricité eux-mêmes, les énergies renouvelables sont devenues la principale source de production et les usages de l’électricité participent à l’équilibre du système électrique. Les réseaux électriques se sont adaptés pour maintenir l’indispensable équilibre entre consommation et production et permettre les échanges croissants d’informations associées aux flux énergétiques. Cette mue a parfois nécessité de repenser certains fondamentaux du système électrique. Plus important encore, la transformation du système électrique a été menée dans la continuité, en préservant la disponibilité et la qualité de l’électricité. L’UFE lève le voile sur sa vision du système électrique du futur et ses recommandations pour y parvenir.

USAGES

Faiblement émettrice de CO2 et peu polluante, l’électricité a répondu aux attentes des citoyens et se trouve désormais au cœur de la société de demain. Elle s’est substituée aux énergies fossiles et polluantes, notamment dans le chauffage et le transport, et répond à tous les types de besoins de l’activité économique : chauffage, process industriels, éclairage, numérique, mobilité... La simplicité d’utilisation des équipements, leur efficacité et leur intelligence sont source de confort et permettent aux usagers de choisir de décaler dans le temps une partie de leurs consommations pour bénéficier de conditions économiques plus avantageuses. En y ajoutant sa capacité à répondre aux attentes d’une partie des usagers de consommer local, l’électricité du futur continue de bénéficier de sa réputation « branchée ».
Mobilité électrique

Mobilité électrique

Besoins de mobilité et enjeux climatiques, de qualité de l’air et de nuisances sonores sont réconciliés : les transports en commun électriques sillonnent les villes et les territoires, les véhicules particuliers sont devenus électriques, autonomes et pour la plupart partagés. Grâce à ce partage, les véhicules sont moins nombreux sur les routes et leur utilisation est maximisée. Les recharges des véhicules sont optimisées afin de bénéficier des conditions économiques les plus intéressantes possibles, par exemple lorsque les énergies renouvelables produisent le plus. Ils peuvent aussi participer directement au système électrique, en stockant et déstockant l’énergie sur le réseau par exemple.
Usages thermiques électriques

Usages thermiques électriques

Une part significative des usages thermiques des logements (chauffage, climatisation, production d’eau chaude sanitaire) sont assurés par des solutions électriques performantes : pompes à chaleur, radiateurs performants, chauffe-eaux thermodynamiques. Ces équipements, efficaces et pilotables, permettent de réduire les consommations tout en améliorant le confort de l’usager, (et donc les coûts) et participent au bon fonctionnement du système électrique.
Power to X

Power to X

Le système électrique n’est pas isolé du système énergétique : le power to x consiste à transformer l’électricité en une autre énergie, telle que la chaleur (power to heat) ou le gaz (power to gas). L’électricité sans carbone participe ainsi à la décarbonation des autres énergies. Lorsque c’est rentable, l’énergie produite est réutilisée pour produire de l’électricité (power to x to power). Cette réutilisation permet de répondre aux besoins de stockage saisonnier, liés à la part importante d’énergies renouvelables variables dans la production d’électricité.
Recommandations de l’UFE

Recommandations de l’UFE

Où en est-on ?
L’électricité n’est encore que la 4e énergie de chauffage en France et les véhicules électriques représentent seulement 1 % des ventes de véhicules neufs. Au total, en 2016, l’électricité représentait environ 25 % de la consommation d’énergie nationale, loin derrière le pétrole. Quant à la décarbonation des autres énergies par l’électricité, si la technologie est déjà disponible, elle est toujours à la recherche de son modèle économique.

Que faut-il faire ?
• Cibler l'efficacité énergétique sur les usages les plus émetteurs de CO2 et développer la mobilité bas carbone.
• Offrir la liberté aux consommateurs de gérer leurs usages et leurs productions selon leurs propres critères.
• Poursuivre les efforts de recherche sur la décarbonation des énergies grâce à l’électricité.

PRODUCTION

Pour des raisons de maturité économique, les énergies renouvelables se sont développées beaucoup plus rapidement dans l’électricité que dans les autres énergies. La production d’électricité est désormais assurée pour une part importante par des énergies renouvelables variables, complétées par des moyens de production pilotables. Ces productions renouvelables sont distribuées sur tout le territoire et pénètrent des niveaux géographiques auparavant inaccessibles : les villes, les quartiers, les bâtiments. Tous les moyens de production participent désormais à la stabilité du système électrique, à toutes ses mailles, en agissant sur la fréquence par exemple.
Autoconsommation

Autoconsommation

Si certaines énergies renouvelables se prêtent à la production via de grands parcs, elles ont aussi permis de répondre à une appétence sociale forte dans les territoires : l’autoconsommation, qui consiste à consommer tout ou partie de sa production. Dans le cas de l’autoconsommation photovoltaïque, cas le plus répandu, la production coïncide avec les nouveaux besoins estivaux de climatisation. Par ailleurs, certains usages pilotables tels que les recharges des véhicules électriques ou la production d’eau chaude sanitaire sont pilotés pour coïncider avec les heures de forte production in situ. En revanche, autoconsommation ne signifie pas autonomie énergétique, puisqu’un auto-consommateur conserve le plus souvent un accès au réseau, notamment pour faire face aux périodes de déficit ou d’excès de production. Une batterie est parfois couplée aux moyens de production pour compenser la variabilité de la production et éviter des coûts de renforcement de réseaux.
Complémentarité des technologies

Complémentarité des technologies

Malgré les aléas météorologiques, l’électricité est disponible tout le temps, car le système électrique est considéré globalement. La diversité des sources d’énergie et leur répartition géographique sur le territoire permettent de lisser des dynamiques de vent ou d’ensoleillement géographiquement différents. Par exemple, lorsqu’une région bénéficie de conditions venteuses et connait des excédents de production éolienne, elle peut les évacuer vers le reste du système électrique. A contrario, lorsque le vent faiblit, les ressources pilotables telles que les centrales nucléaires et hydrauliques (en complément du stockage et du pilotage de la demande) en assurent la sécurité d’approvisionnement. Plus les énergies renouvelables variables se développent, plus les ressources doivent être mutualisées grâce aux réseaux électriques.
Gestion dynamique

Gestion dynamique

La gestion du système électrique, en présence d’une production renouvelable importante et injectée sur le réseau via des interfaces électroniques – dits d’électronique de puissance – , représente un véritable changement de paradigme par rapport aux interfaces électromécaniques. La stabilité du système électrique repose moins sur l’inertie mécanique de machines en rotation et davantage sur la capacité à piloter ces interfaces numériques. Pour maintenir la qualité de l’onde électrique, une partie de l’injection de puissance des énergies renouvelables n’est plus en simple « suivi » du signal fréquence délivré par le réseau mais contribue activement à sa formation et à sa stabilité.
Recommandations de l’UFE

Recommandations de l’UFE

Où en est-on ?
Les énergies renouvelables électriques se développent grâce à des coûts en baisse et représentaient 18% de la production totale d’électricité en 2016 (hydraulique compris). Dans le même temps, des centrales fioul ont fermé, et l’arrêt des centrales charbon est déjà prévu. La transition entre centrales pilotables et production variable posera des enjeux sur la stabilité du système électrique.
Avec les technologies actuelles, le système connaîtrait des situations d’instabilité à partir de 30 à 40 % d’EnR variables. Au-delà, le système électrique se trouvera dans un nouveau paradigme. De nouveaux défis de stabilité apparaitront pour lesquels les solutions opérationnelles n’existent pas encore. L’enjeu est d’anticiper dès aujourd’hui ce changement profond de fonctionnement en considérant l’importance de la temporalité de l’évolution du système pour assurer la continuité du service rendu.

Que faut-il faire ?
• Soutenir le développement des énergies renouvelables et l’autoconsommation en adaptant les marchés afin de rémunérer tous les acteurs à la hauteur des services qu’ils rendent au système électrique.
• Profiter des retours d’expérience de la France d’Outre-Mer dont les niveaux d’énergies renouvelables croissent rapidement.
• Prendre la mesure du changement de modèle que représentent les énergies renouvelables sur le fonctionnement du système électrique en stimulant les efforts de R&D sur l’électronique de puissance.

STOCKAGE

Le stockage est une réponse technologique au besoin d’équilibrer l’offre et la demande d’électricité à chaque instant. Des Stations de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) aux batteries des véhicules électriques, différentes technologies ont rencontré leur modèle économique aux différents échelons du système électrique. Le stockage permet notamment d’éviter des investissements dans de nouvelles capacités de production ou de réseaux. Les « constantes de temps » du stockage qui caractérisent la durée pendant laquelle il peut restituer de l’électricité sont des facteurs déterminants de sa performance économique.
Valorisation de l’énergie

Valorisation de l’énergie

Le rôle « historique » du stockage d’électricité est de stocker pendant les périodes de faible demande (où elle peut être produite à bas coût) pour la restituer aux moments de forts appels de puissance, en évitant alors des coûts de production plus élevés. Ainsi, une partie de la production photovoltaïque est stockée pour être consommée en soirée par exemple. En faisant circuler de l’eau entre deux bassins situés à des altitudes différentes, les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) assurent ce rôle au niveau national voire européen, tout comme le stockage par air comprimé. A la maille locale, les batteries électrochimiques, y compris celles des véhicules électriques, jouent également ce rôle. La gestion dynamique des capacités de stockage est assurée par des signaux économiques qui permettent d’optimiser l’économie générale du système.
Gestion de l’équilibre du système électrique

Gestion de l’équilibre du système électrique

Lorsque l’offre et la demande d’électricité ne sont pas parfaitement équilibrées, la qualité de l’onde électrique se dégrade et des coupures de courant peuvent subvenir. Des mécanismes de flexibilité sont prévus, auxquels les capacités de stockage contribuent, pour compenser les déséquilibres. La pénétration des énergies renouvelables variables dans le système électrique européen a accru ses besoins de flexibilité et donc la valeur du stockage, qui est complémentaire des effacements de consommation par exemple.
Réduction des besoins de renforcement des réseaux

Réduction des besoins de renforcement des réseaux

Les réseaux électriques permettent la mutualisation des ressources du système électrique, notamment en évacuant les productions d’une zone excédentaire vers le reste du système électrique. Le développement des EnR s’accompagne du renforcement et de l’optimisation des capacités d’acheminement de l’énergie. Bien localisées sur les réseaux, les capacités de stockage, telles que les batteries lithium-ion, peuvent rendre le même service que celui fourni par un renforcement des lignes saturées ou la création de nouvelles lignes physiques.
Recommandations de l’UFE

Recommandations de l’UFE

Où en est-on ?
La France et le système électrique européen disposent déjà de capacités de stockage à grande échelle, notamment sous la forme de STEP, qui permettent de valoriser l’énergie et la puissance. Le développement des batteries électrochimiques en est encore à ses prémices. Les véhicules électriques sont aujourd’hui peu nombreux et leur capacité à interagir avec le réseau est limitée. En particulier, ils ne sont pas utilisés pour stocker et déstocker l’énergie. Les autres technologies (stockage par air comprimé ou volant d’inertie notamment) sont encore confrontées à des enjeux de compétitivité.

Que faut-il faire ?
• Révéler la valeur du stockage grâce à un cadre économique adapté.
• Réinventer les rôles du stockage qui a de nombreuses valorisations possibles dans un système à forte composante renouvelable.
• Développer une filière industrielle d’excellence des batteries en coordination avec les partenaires européens.

RÉSEAUX

Plus que jamais, l’électricité est l’énergie de l’économie du partage, permettant à chacun de disposer d’une électricité à un coût beaucoup plus faible que dans le cas d’une superposition de systèmes électriques isolés. Les réseaux électriques se sont développés pour profiter de la complémentarité des profils de consommation et de production de chacun. Les flux d’énergie ne sont plus seulement descendants (de la centrale vers le consommateur) mais multidirectionnels : certains consommateurs sont aussi producteurs et les équipements pilotés participent au bon fonctionnement du système global. Les réseaux se sont aussi adaptés pour améliorer la gestion des flux d’information qui accompagnent désormais les flux d’énergie, ainsi que pour intégrer les solutions de stabilité nécessaires à un mix électrique très renouvelable.
Interconnexions

Interconnexions

L’interconnexion européenne des réseaux de transport d’électricité est bénéfique à triple titre :
• elle permet l’assistance mutuelle entre systèmes électriques en cas d‘imprévu (indisponibilité fortuite d’un groupe de production, appel de demande extrême, ou erreur de prévision météorologique) ;
• elle valorise au mieux les ressources en optimisant l’utilisation des moyens de production de manière transfrontalière ;
• elle réduit les besoins de capacité installée nécessaire à sécuriser l’alimentation en électricité.
Les réseaux de transport ont été davantage développés, notamment pour mutualiser les productions photovoltaïques du sud de l’Europe, les capacités hydrauliques scandinaves et les énergies offshore des différentes façades maritimes.
Postes intelligents

Postes intelligents

La part importante d’énergies renouvelables variables dans le système électrique a accru le besoin de connaître l’état du système électrique en temps réel et sa capacité à réagir dans des délais très courts. C’est pourquoi les systèmes de contrôle-commande des postes électriques ont été numérisés. L’intégration de fonctions numériques permet de connaître l’état des réseaux électriques en temps réel à une maille fine et, en cas de besoin, d’agir plus rapidement à distance. Ainsi, les postes intelligents aiguillent l’électricité dans les différentes lignes qui y sont connectées, pour optimiser son acheminement sur le territoire en répondant à la demande en temps réel. En cas de défaut (foudre, surcharge…), ils coupent la ligne défaillante afin de maintenir le reste du réseau opérationnel. La communication entre les postes intelligents est assurée par le recours à des liaisons haut-débit.
Les postes « de quartier » sont équipés de capteurs communicants et bénéficient de la digitalisation des réseaux. Ceux qui constituent les nœuds du réseau sont également équipés de dispositifs de commande. L’ensemble de ces équipements digitaux permet de limiter les temps de défaillance lors des incidents ou des aléas climatiques et d’optimiser les équilibres entre les différents utilisateurs du réseau local (producteurs, consommateurs, batteries…).
Interdépendance des infrastructures

Interdépendance des infrastructures

Si différentes énergies primaires sont utilisées pour produire de l’électricité, l’électricité 100% décarbonée est aussi utilisée pour produire de la chaleur, de l’hydrogène ou du gaz dans l’objectif de réduire le contenu CO2 de ces énergies. Cette complexification du système énergétique global exige de doubler les flux énergétiques par des flux de données, qui utilisent les réseaux de télécommunications pour transiter. Le système électrique est donc imbriqué avec les autres systèmes énergétiques et les réseaux de communication.
Recommandations de l’UFE

Recommandations de l’UFE

Où en est-on ?
Le système électrique français est déjà fortement interconnecté avec les systèmes limitrophes. Les projets de développement des interconnexions sont soumis à des conditions de rentabilité qui dépendent directement de l’évolution des mix de production électrique. Plus les EnR se développeront, plus il y aura besoin d’interconnexions. A la maille locale, c’est-à-dire à la maille principale du raccordement des énergies renouvelables, la digitalisation des réseaux est en cours pour garantir la stabilité des réseaux de distribution. Pour les réseaux de transport, les postes intelligents, qui sont une partie de la réponse à cet enjeu, sont en phase de démonstration.

Que faut-il faire ?
• Permettre aux réseaux électriques d’aller chercher les nouveaux gisements renouvelables.
• Renforcer les interconnexions entre les systèmes électriques européens en fonction des bénéfices économiques générés.
• Réduire les besoins de renforcement des réseaux en permettant aux EnR de participer à la stabilité du système et en développant des solutions de stockage au niveau local.
• Renforcer l’intelligence des réseaux par leur digitalisation, notamment grâce aux compteurs intelligents et à la numérisation des postes électriques.

NUMÉRIQUE

La multiplication des sites de production renouvelables au niveau local, national et européen ainsi que le développement des usages de l’électricité complexifient la gestion en temps réel du système électrique. La bonne tenue du système nécessite des échanges d’information en continu, qui sont le carburant de l’intelligence du système. C’est un véritable changement de paradigme : alors qu’il fonctionnait principalement sur des bases électromécaniques, il s’est adapté en se numérisant à tous les niveaux. Les questions de la protection des données et de la sécurité du système électrique sont cruciales pour la pérennité de ces infrastructures numériques.
Gestion du système électrique

Gestion du système électrique

Les niveaux de développement de l’éolien et du photovoltaïque, associés à de petites erreurs de prévision météorologique, peuvent générer d’importantes erreurs de prévisions de production. Rendu possible par la disponibilité de données considérables et le développement des compétences statistiques, le développement de la science prédictive a permis l’amélioration de la prévision de la demande et de la production variable à court terme. De la même façon, le développement de la maintenance prédictive a réduit les coûts de maintenance et le nombre d’indisponibilités fortuites des infrastructures du système électrique
Gestion de la donnée énergétique

Gestion de la donnée énergétique

Les formats interopérables des données énergétiques facilitent la génération rapide d’une information valorisable. Le croisement des données et leur partage sont une source d’innovation majeure du système électrique, car elles permettent la bonne tenue du système tout en minimisant ses coûts et la création de nouveaux services au profit de la collectivité. La mise en place de mesures de cybersécurité permet non seulement la sécurité des installations et des réseaux électriques mais aussi la protection et la confidentialité des données à caractère privé et leur protection.
Systèmes de transaction

Systèmes de transaction

De nouvelles solutions de transaction émergent pour articuler la multitude d’acteurs et d’équipements connectés présents sur les multiples marchés de l’électricité. Ces solutions permettent de réaliser des transferts (d’énergie, de capacité et de garanties d’origine), de tenir des registres transparents et sécurisés et de conclure automatiquement des contrats à très faibles coûts. La fréquence élevée des transactions s’appuie sur des capacités de calcul importantes pour traiter les données.
Recommandations de l’UFE

Recommandations de l’UFE

Où en est-on ?
Le système électrique européen fonctionne essentiellement de façon électromécanique : il est capable de se passer des applications numériques. Ce ne sera plus le cas avec des niveaux importants de développement des énergies renouvelables. Pour coordonner à la fois les usages et les productions, la stabilité des réseaux, la protection des équipements, les échanges d’information associés aux échanges d’énergie, et pour gérer un système électrique avec de forts niveaux d’énergies variables implantées sur tout le territoire, le numérique sera indispensable. Il faut donc préparer dès maintenant la transition numérique du système électrique et la gestion des données générées.

Que faut-il faire ?
• Faciliter l’utilisation de formats interopérables pour disposer dans le secteur électrique de données homogènes et générer une information à valeur ajoutée.
• Poursuivre les initiatives open data dans l’énergie.
• Tirer profit des nouvelles opportunités économiques rendues possibles par le croisement des données avec d’autres secteurs économiques (télécoms, mobilité...).
• Protéger la confidentialité des données et développer une culture de la cybersécurité.