Dimensionnement et pilotage optimal de batteries connectées au réseau moyenne tension pour l'autoconsommation industrielle et la réserve de fréquence primaire.

Sizing and optimal management of battery storage units connected to medium voltage grid for industrial self-consumption and frequency containment reserve.

• Auteur / Autrice : Laurine Ferrando
• Direction : Raphael Caire
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie Electrique
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Systèmes et Réseaux électriques

Mots clés

Mots clés libres

Batterie

Ems

Autonconsommation

Vieillissement de batterie

Services systèmes

Réseaux moyenne tension

Battery

Ems

Self-consumption

Battery ageing

Ancillary services

Medium voltage grid

Résumé

Nos infrastructures d'énergie ont subi, depuis quelques années, de profondes mutations. En effet, le paysage énergétique européen a fortement été bouleversé, à la suite de l'aspiration des citoyens à un développement durable, aux objectifs chiffrés en termes de mitigation du réchauffement climatique et à l'arrivée à maturité d'un certain nombre de technologies de productions renouvelables. L'initiation de cette transition énergétique a, pris racine dans l'ouverture des marchés de l'énergie qui a dopé les investissements dans les nouveaux moyens de production et de consommation des citoyens sur les deux dernières décennies. Cela contribue à un bouleversement majeur sur plusieurs fronts à savoir la révolution dite des 4 D (Décarbonation, Décentralisation, Digitalisation et Démocratisation). Le secteur de l'électricité a été le premier et le plus profondément impacté. En effet, avec des réseaux présents quasiment partout en France et qui dépassent 1,4 million de kilomètres, cette infrastructure a été logiquement sollicitée pour collecter les gisements locaux de ressources renouvelables. D'une manière assez rapide et logique, cette dernière a présenté des limites techniques locales quant à sa capacité de transport bidirectionnel. Nos infrastructures électriques sont le fruit d'une optimisation au long cours qui a conduit à des ouvrages dimensionnés au plus juste en vue initiale d'alimenter des consommateurs terminaux dans un respect de l'accessibilité pour tous, mais aussi de l'investissement collectif et de l'efficacité énergétique. Avec l'avènement des unités de productions décentralisées réparties sur ces brins de réseau, de nouvelles contraintes techniques sont apparues localement : inversions possibles du sens des courants, saturation de la capacité de transport inverse, et avec corollaire des augmentations de tension locale voire des surcharges potentiellement destructrices et donc remettant en cause les règles de conception et gestion de ces réseaux. De plus d'une manière plus globale, l'augmentation conséquente de la part des EnR intermittentes dans le mix électrique, remet en cause les investissements et les dimensionnements dans les moyens de production centralisés, mais avec pour conséquence des incertitudes à terme sur la garantie de l'équilibre permanent de Production/Consommation essentiel à la stabilité de notre système électrique. En 2009-2010, pour limiter l'effet pervers d'aubaine financière créé par le cumul de mécanismes d'encouragement pour l'amorçage du développement des énergies renouvelables (tarif 2006 d'obligations de rachat, crédit d'impôts, et accès quasi gratuit au réseau), le législateur a mis en place un certain nombre de règles de recadrage. Parmi celles-ci, le transfert vers les investisseurs privés des coûts de renforcements ou de création des réseaux les plus impactés par les demandes de raccordement pour des installations EnR simples sans systèmes de lissage et d'écrêtage nécessitant ainsi des réseaux surdimensionnés pour absorber les variations et pointes de productions intermittentes subies et fatales. Ce changement de dogme a induit donc les notions de couplage de ces productions avec des systèmes de stockage, avec le pilotage intelligent de charges en phase avec les périodes de production, puis par effet rebond, l'apparition de notions de services réseaux, de Smartgrid et d'autoconsommations individuelles et collectives. Ainsi l'Allemagne a été la première à s'engager sur la voie de l'autoconsommation individuelle. Le principe est simple : réussir à recorréler spatialement et temporellement les sources et charges locales. L'Allemagne a depuis abandonné cette approche suite à une explosion des coûts pour la société pour se concentrer sur des primes liées au stockage. La France a néanmoins souhaité, au travers d'une réglementation hardie, explorer l'autoconsommation collective, permettant des regroupements de ressources (sources, charges pilotables et stockages) entre plusieurs entités proches géographiquement. Cette règlementation permet de revoir les stratégies de stockage individuelles pour une mutualisation/cohérence des investissements et une meilleure prise en compte des foisonnements locaux bénéfiques dans le dimensionnement global des solutions technologiques. Ce paysage énergétique s'avère donc propice à l'émergence à l'échelle locale de solutions de mutualisation de stockages, à l'instar de la production mutualisée dans les centrales villageoises. En effet, qu'il s'agisse de l'autoconsommation individuelle ou collective, la concentration des investissements dans le stockage ou son externalisation permet une diminution de la part consommation des factures et l'émergence de nouveaux services pour les clients ou pour le système. On peut, ainsi, imaginer un rôle de facilitateur d'échanges locaux d'énergie en asynchrone mais aussi la participation de ce moyen de réglage au règlement des contraintes techniques locales (régulation en puissance pour de la stabilisation de plans de tensions), un mode de secours par ilotage local en cas de défaillance du réseau ou encore à la fourniture de services systèmes à l'échelle régionale ou nationale notamment en prenant compte les effets de foisonnement. Néanmoins de nombreux verrous scientifiques, technologiques et réglementaires persistent et sont présentés plus précisément dans le plan de thèse ci-dessous. C'est ainsi que la startup Wattmen a décidé de s'associer avec le G2Elab pour créer une offre différenciante et technologiquement avancée afin de créer des niveaux de pilotages harmonisés locaux (Power Management System - PMS) et globaux (Energy Management System - EMS) en prenant donc en compte les aspects dimensionnement modulaire, pilotage et mise au point de services aux clients, collectivité et pour le gestionnaire réseau.

Our energy infrastructures have undergone profound changes in recent years. Indeed, the European energy landscape has undergone a major upheaval as a result of citizens' aspirations for sustainable development, quantified objectives in terms of global warming mitigation and the arrival of a certain number of renewable production technologies. The initiation of this energy transition is rooted in the opening of energy markets, which has boosted investments in new means of production and consumption by citizens over the past two decades. This contributes to a major upheaval on several fronts, namely the so-called 4 D revolution (Decarbonization, Decentralization, Digitalization and Democratization). The electricity sector has been the first and most deeply impacted. Indeed, with networks present almost everywhere in France and exceeding 1.4 million kilometers, this infrastructure was logically solicited to collect the local deposits of renewable resources. In a rather quick and logical way, this infrastructure has presented local technical limits as to its bidirectional transmission capacity. Our electrical infrastructures are the result of a long term optimization that has led to works sized as accurately as possible with the initial aim of supplying terminal consumers while respecting accessibility for all, but also collective investment and energy efficiency. With the advent of decentralized production units distributed on these network strands, new technical constraints have appeared locally: possible reversals of the direction of the currents, saturation of the reverse transmission capacity, and with the corollary of local voltage increases or even potentially destructive overloads and therefore calling into question the design and management rules of these networks. Moreover, in a more global way, the consequent increase of the share of intermittent RE in the electrical mix, calls into question the investments and the dimensioning of centralized production means, but with the consequence of uncertainties in the long term on the guarantee of the permanent balance of Production/Consumption essential to the stability of our electrical system. In 2009-2010, in order to limit the perverse financial windfall effect created by the accumulation of incentive mechanisms for the development of renewable energies (2006 feed-in tariffs, tax credits and virtually free access to the grid), the legislator introduced a number of reframing rules. Among these, the transfer to private investors of the costs of reinforcement or creation of networks most impacted by connection requests for simple RE installations without smoothing and clipping systems, thus requiring oversized networks to absorb the variations and peaks of intermittent and fatal productions. This change in dogma has led to the coupling of these productions with storage systems, with the intelligent management of loads in phase with production periods, and then, by rebound effect, the appearance of network services, Smartgrid and individual and collective self-consumption. Germany was the first country to embark on the path of individual self-consumption. The principle is simple: succeed in spatially and temporally recorrelating local sources and loads. Germany has since abandoned this approach following an explosion of costs for society to focus on premiums related to storage. France has nevertheless wished, through bold regulations, to explore collective self-consumption, allowing the grouping of resources (sources, controllable loads and storage) between several geographically close entities. This regulation allows individual storage strategies to be reviewed in order to pool/coherence investments and to better take into account beneficial local multiplication in the global dimensioning of technological solutions. This energy landscape is therefore conducive to the emergence of shared storage solutions on a local scale, similar to the shared production in village power plants. Indeed, whether it is individual or collective self-consumption, the concentration of investments in storage or its outsourcing allows a reduction in the consumption part of the bills and the emergence of new services for customers or for the system. We can, thus, imagine a role of facilitator of local exchanges of asynchronous energy but also the participation of this means of regulation in the settlement of local technical constraints (power regulation for the stabilization of voltage plans), a backup mode by local islanding in case of network failure or even in the supply of system services on a regional or national scale, in particular by taking into account the effects of overflow. Nevertheless, many scientific, technological and regulatory barriers remain and are presented more precisely in the thesis plan below. This is why the startup Wattmen has decided to join forces with the G2Elab to create a differentiating and technologically advanced offer in order to create harmonized local (Power Management System - PMS) and global (Energy Management System - EMS) control levels, thus taking into account the aspects of modular dimensioning, control and development of services for customers, communities and for the network manager.