Face à l'augmentation de la population humaine et à l'émergence de nouvelles industries, la demande en énergie électrique ne cesse d'augmenter chaque année. La production d'électricité d'origine fossile, qui représente la majorité des demandes actuelles en énergie, sert également à répondre à ces besoins accrus en énergie. Ceci aboutit lentement à l'épuisement des combustibles fossiles et à l'augmentation du prix du charbon et du gaz naturel. Selon l'Agence internationale de l'énergie, les prix moyens du gaz naturel étaient 4 fois plus élevés en Europe au cours du premier semestre 2022 en comparaison avec la même période en 2021, tandis que les prix du charbon étaient 3 fois supérieurs. Les combustibles fossiles contribuent aussi énormément aux gaz à effet de serre et sont responsables du réchauffement climatique à l'échelle mondiale.
De ce fait, les sources d'énergie renouvelables sont vues comme une alternative aux combustibles fossiles, car elles ont le potentiel de surmonter les problèmes précédemment cités. Les sources d'énergie, telles que les énergies solaire, éolienne et hydraulique, sont abondantes et renouvelables par nature ; la question de leur épuisement ne se pose donc pas ici. Ces ressources ne génèrent aucun sous-produit dérivé nuisible et constituent une énergie plus propre et plus verte. Nombreux sont les pays qui ont commencé à adopter ces sources d'énergie alternatives et qui ont pour objectif de générer autour de 40 %, voire la moitié de la demande énergétique totale, à partir de ces sources sur les 10 prochaines années.
Malgré leurs avantages, les énergies renouvelables n'augmentent pas suffisamment vite pour répondre aux demandes énergétiques en hausse. À l'heure actuelle, les pays sont loin de la neutralité carbone et sont donc forcés de continuer à utiliser le charbon et le gaz naturel pour assurer leur sécurité énergétique. La plupart des problèmes sous-jacents à une si lente croissance peuvent être solutionnés par les microgrids ou micro-réseaux, et nous allons en discuter davantage dans la suite de cet article.
Rôle des micro-réseaux dans la gestion des énergies renouvelables
Il existe différents types de sources d'énergie renouvelables et c'est ce qui explique principalement leur lente croissance. Toutes ces sources ne fournissent pas la même puissance de sortie et ces différences occasionnent de l'intermittence et de la variabilité. Tout ceci aboutit à un énorme décalage entre la source d'énergie et la demande qui peut être traité en utilisant des microgrids ou micro-réseaux. Du fait de la nature discontinue des sources renouvelables, les micro-réseaux sont généralement reliés au réseau principal pour la fiabilité, ce qui en font des systèmes hybrides. Concernant les systèmes hors réseau présents sur des îles ou des lieux reculés, de nombreuses sources renouvelables sont utilisées pour garantir la fiabilité du système d'approvisionnement. Par exemple, l'énergie solaire n'est disponible qu'en journée, il faut donc également miser sur une source hydraulique ou éolienne pour répondre à la demande nocturne.
En introduisant plusieurs sources d'énergie renouvelables dans un système unique, on contrôle efficacement le courant électrique en provenance de plusieurs sources vers la charge, ce qui devient un défi, en particulier lorsque le réseau principal y est lié. Par conséquent, plusieurs stratégies de gestion de l'énergie sont mises en place pour veiller à ce qu'aucun courant généré ne soit pas perdu. Un système optimal viserait à utiliser un système renouvelable hybride avec des systèmes de secours comme des accumulateurs sur batterie ou des groupes électrogènes à moteur diesel. Les systèmes de stockage de l'énergie sont également utiles pour stocker l'énergie excédentaire générée quand les conditions de recharge sont faibles.
(Crédit image : Wenbo Shi, Université de Californie, Los Angeles)
Stratégies de gestion de l'énergie en micro-réseaux
Comme indiqué plus haut, une stratégie de gestion de l'énergie optimale permet d'améliorer la fiabilité du système. Ces stratégies, basées sur les entrées de capteur et la technologie d'information avancée, fournissent une planification des ressources optimale. Ces techniques ont pour but d'optimiser la puissance de sortie et la durée de vie, tout en réduisant les coûts environnementaux et d'exploitation
Stratégie de contrôle centralisé
Comme son nom l'indique, le contrôle centralisé se compose d'un contrôleur principal, ou central, qui acquiert toutes les informations (courant généré par chaque source renouvelable, par exemple, données météorologiques, etc.) Il se charge de la gestion des interfaces électroniques de puissance au niveau de chaque unité de source d'énergie en envoyant des paramètres de contrôle optimaux. Cela contribue à équilibrer la puissance active et réactive dans un régime permanent. Le contrôleur central peut aussi analyser la consommation énergétique de chaque utilisateur pour réaliser la planification optimale des ressources.
Un moyen de communication doit être instauré entre le contrôleur central et tous les contrôleurs locaux à l'intérieur des sources d'énergie distribuées. C'est également l'un des principaux inconvénients du système avec la possibilité d'un point de défaillance unique. Si le contrôleur principal n'est plus en ligne, les contrôleurs locaux ne peuvent plus communiquer entre eux et l'ensemble du système est compromis.
Stratégie de contrôle décentralisé
À l'opposé de la stratégie de contrôle centralisé, dans un système de contrôle décentralisé, les contrôleurs locaux peuvent prendre des décisions de manière indépendante. Chaque contrôleur local définit ses paramètres optimaux et envoie la configuration au contrôleur principal qui évalue la planification optimale des ressources avant de la renvoyer vers les contrôleurs locaux. Ce processus de négociation des paramètres de fonctionnement se poursuit jusqu'à ce que les objectifs locaux et globaux soient atteints.
Ainsi, même en cas de défaillance du contrôleur principal, la performance de l'ensemble du système est peu impactée en comparaison avec l'approche centralisée. La fiabilité du système s'en trouve accrue. Autre avantage apporté par cette stratégie : la fiabilité accrue du système. Dans ce cas de figure, des contrôleurs locaux peuvent être ajoutés ou supprimés sans en informer le contrôleur central. Le seul inconvénient étant l'évolutivité limitée du système du fait de l'absence de communication directe entre les contrôleurs locaux.
Stratégie de contrôle hiérarchique
Le contrôle hiérarchique est un mélange de contrôles centralisé et décentralisé. Dans ce cas de figure, les contrôleurs locaux sont divisés en groupes et chaque groupe possède son propre contrôleur central. Ces contrôleurs centraux communiquent entre eux afin d'obtenir l'état général du micro-réseau. L'avantage étant que la vitesse de communication entre les contrôleurs locaux est très rapide et bien plus évolutive et solide pour les grands environnements.
Côté contrôleur, cette stratégie utilise trois niveaux de contrôles : primaire, secondaire et tertiaire, pour améliorer la fiabilité du système en implémentant trois boucles de contrôle. La boucle de contrôle primaire est chargée de contrôler la tension et de fournir la capacité plug-and-play pour les sources d'énergie. La boucle secondaire compense l'écart de tension provoqué par la boucle primaire. La boucle tertiaire, qui peut être présente ou pas, se charge de l'optimisation économique de l'énergie et du contrôle du flux de courant en cas de présence d'un réseau principal.
Gestion efficace des énergies renouvelables dans les micro-réseaux
Pour garantir la continuité de l'approvisionnement et abaisser le coût de production des énergies, dans les systèmes hybrides, on associe généralement la stratégie de gestion de l'énergie à des techniques d'optimisation de l'énergie. Selon le type de micro-réseau utilisé, ces stratégies peuvent être soit centralisées, soit décentralisées. En outre, les technologies basées sur l'Internet des objets (IoD) peut être utilisée ultérieurement pour solutionner le problème du traitement des données dans les systèmes distribués.
Pour construire un micro-réseau pratique et avoir un système efficace, il faut intégrer des semi-conducteurs à bande interdite élevée (SiC) et à large bande interdite (GaN). Si vous prévoyez de développer un onduleur, les outils de simulation des fabricants tels que Semikron Semisel vous aideront à définir les paramètres des composants. En insérant ces paramètres dans la page de recherche d'un produit d'Arrow, vous pouvez sélectionner le produit parfaitement adapté à l'application, par exemple, le module IGBT SKM450GB12T4 de Semikron. Il s'agit d'un module IGBT Fast Trench de 4è génération avec plaque de base en cuivre isolée. De même, des produits similaires chez d'autres fabricants, tels que Analog Devices, MXP Semiconductors et Infineon Technologies, sont également disponibles.
