Par Philippe Vié (Vice-President), Alexandra Bonanni (« Energy Transition Strategy Lab ») – Capgemini Consulting, Justine Roure (Senior Consultant)

Le développement des énergies renouvelables décentralisées rapproche production et consommation, créant un nouveau paradigme pour le secteur de l’énergie. L’émergence de micro-grids rend possible l’existence d’une boucle autonome et locale de production-consommation au bénéfice d’une communauté. Autonomes ou connectés à un réseau, les micro-grids concernent à la fois des bâtiments, des éco-quartiers, des centres d’affaires, des campus, en quête d’autonomie, d’amélioration de service pour leurs occupants ou des structures publiques recherchant une sécurité d’approvisionnement (hôpitaux, prisons, …), avec à chaque fois des différences de périmètre et d’usage. Le développement des énergies renouvelables décentralisées rapproche production et consommation, créant un nouveau paradigme pour le secteur de l’énergie. L’émergence de micro-grids rend possible l’existence d’une boucle autonome et locale de production-consommation au bénéfice d’une communauté. Autonomes ou connectés à un réseau, les micro-grids concernent à la fois des bâtiments, des éco-quartiers, des centres d’affaires, des campus, en quête d’autonomie, d’amélioration de service pour leurs occupants ou des structures publiques recherchant une sécurité d’approvisionnement (hôpitaux, prisons, …), avec à chaque fois des différences de périmètre et d’usage.

Nous proposons ici une segmentation des micro-grids qui s’appuie sur une vision internationale et qui détermine pour chaque catégorie de micro-grid, les acteurs impliqués, les caractéristiques socio-économiques ainsi que les conditions techniques. Nous déterminerons pour chacune de ces catégories, quels sont les grands facteurs « déclencheurs » de ce développement.

Un contrôle de la charge et du stockage rendu possible par le digital

Par micro-grid, on considère a minima un système contenant une source distribuée d’énergie renouvelable ainsi qu’une capacité de stockage. Un micro-grid peut être exploité de manière contrôlée et coordonnée, soit lorsque celui-ci est connecté au réseau électrique principal, soit en îlotage. Les générateurs locaux d’énergie couvrent toutes les sources possibles à l’échelle et dans le cadre d’un micro-réseau : chaleur et électricité à petite échelle (CHP) fossile ou biomasse, modules solaires photovoltaïques, petites éoliennes, mini-hydroélectricité, etc. Dans les petits réseaux électriques, la variabilité de la charge sera plus extrême que dans les systèmes à l’échelle de services publics. Le corollaire est alors qu’un micro-grid couvre à la fois le contrôle de charge et le stockage, basculant la production en consommation ou en stockage. Ce contrôle de la charge, de la consommation et de la bascule entre micro-grid et réseau est rendu possible grâce à l’essor des technologies digitales, qui fourniront l’intelligence nécessaire pour gérer, à tous les instants, l’équilibre offre-demande.

Un fonctionnement de micro-grid différent selon le type de communauté

Les micro-grids se déterminent en fonction des catégories d’usage mais également des niveaux de complexité de fonctionnement. Nous distinguerons d’abord les « Customers micro-grids ». Dans cette catégorie, le distributeur électrique peut être impliqué dans l’opération de ces micro-réseaux, mais ceux-ci peuvent également être exploités par un tiers, intervenant pour le compte du propriétaire de l’infrastructure.

  • Eco-quartiers : zones dans lesquelles plusieurs consommateurs producteurs d’électricité (« prosumers ») et autres petites charges privées sont connectés. Les prosumers peuvent être à la fois résidentiels et commerciaux.
  • Micro-réseaux « Business » qui impliquent plusieurs bâtiments d’entreprise. Si la taille est à la dimension d’un quartier, on observe beaucoup moins d’acteurs (souvent les facility managers ou propriétaires fonciers) et les systèmes de stockage sont beaucoup plus gros que dans les éco-quartiers très décentralisés.

Une autre catégorie concerne les micro-réseaux publics. Dans cette famille, il existe une différence entre les modèles d’affaires Campus et Hôpitaux / prisons / complexes militaires, mais les structures et modes de fonctionnement sont similaires.

Les éco-quartiers, une démarche portée par les politiques publiques répondant aux attentes citoyennes d’une consommation locale

Quartier à vocation de bonne gestion environnementale, les éco-quartiers se sont peu à peu développés en incorporant des micro-grids. Dans ces zones, fortement consommatrices d’électricité, les besoins en énergie ne sont pas tous identiques et peuvent s’équilibrer dans une journée. Majoritairement connecté au réseau, le micro-grid peut être géré et opéré par un distributeur lui-même, mais le distributeur n’a pas le monopole de cette gestion et de plus en plus de micro-grids sont opérés par des opérateurs spécialisés.

En matière d’inducteurs, on assiste à une émergence de « Consommer local » et le micro-grid est perçu comme un moyen de reprendre la main sur l’origine de son électricité. Cette typologie de micro-grids a notamment surgi dans les pays développés. De nombreux projets se situent aux Etats-Unis (Borrego Springs, Brooklyn) et au Japon. En Europe, ces réseaux sont à plus petite échelle et très localisés, notamment en Allemagne (Wildpoldsried, Mannheim-Wallstadt, …).

Les micro-grids comme moyen de sécurité d’approvisionnement

Au-delà des éco-quartiers, certains sites – certains micro-grids – ont été développés afin d’assurer une sécurité d’approvisionnement en électricité pendant des durées assez courtes dans le prolongement des moyens de secours (ex. groupes électrogènes). Cela concerne des hôpitaux, des bases militaires ou autres structures stratégiques. Cette typologie de micro-grids s’est développée très en amont des autres, le micro-grid répondant à un besoin spécifique et stratégique. Par la suite, d’autres sites moins stratégiques mais à la merci d’un réseau de mauvaise qualité se sont orientés vers la mise en place de micro-grids : les campus universitaires aux Etats-Unis.

Dans ce cas, le micro-grid relie plusieurs bâtiments appartenant tous à un même site / structure. Le site dans son ensemble dispose à la fois de composants de production d’énergie, ainsi que de capacités de stockage. La production d’énergie décentralisée est exploitée principalement en cas de rupture du service de distribution d’électricité ou de question de compétitivité économique d’une source de production.

De nombreux campus universitaires, bases militaires et hôpitaux bénéficient d’un micro-grid à l’échelle du site. Les Etats-Unis sont les plus représentés (UCSD, Campus of Savona), notamment au regard de leur programme SPIDERS « Smart Power Infrastructure Demonstration for Energy Reliability and Security » initié dès les années 2010 et déployé sur les bases militaires dont Pearl Harbor.

Le cas des pays émergents : le micro-grid comme opportunité de l’amélioration de l’accès à l’énergie

Le micro-grid se développe également dans les pays émergents, sous un profil plus spécifique. Dans beaucoup de pays où l’électricité est intermittente, des centres d’affaires se développent en intégrant des équipements de production et de stockage d’électricité. L’électricité peut être d’origine renouvelable ou fossile. A l’origine développés par le secteur privé détenant les centres d’affaires, ces micro-grids ont tendance à moins se développer qu’auparavant, notamment du fait de lancement de plans nationaux d’électrification d’envergure. On dénombre plus de 500 projets et initiatives nationales en Asie émergente, Afrique et Amérique Latine. A titre d’exemple, la Malaisie prévoit un taux d’électrification de 99% dans le pays d’ici 2020, ainsi que des investissements colossaux pour renforcer la distribution du réseau via le développement de micro-réseaux.

Le réseau électrique du futur, une constellation de micro-grids ?

Les opportunités de développement sont importantes : le marché des micro-grids devrait atteindre 46 Mds€ en 2020 selon SIEMENS, ce qui impactera fortement les distributeurs qui peuvent s’attendre à une défection de leur clientèle captive depuis très longtemps.

Les marchés attendus sont principalement l’Amérique du Nord, l’Union européenne et la région Asie-Pacifique. Aux États-Unis, la génération de revenus dans le marché du micro-grid devrait atteindre près de 1 Md$ d’ici 2024. Au sein de l’Union européenne, le développement des micro-réseaux repose principalement sur le soutien de l’UE (DG Energy et Smart Grids Task Force) et se concrétise via différents programmes. En Asie, le marché en est à ses prémices mais s’annonce déjà stratégique. C’est dans cette optique que Schneider vient d’annoncer l’implantation à Singapour d’un centre spécialisé sur le sujet des micro-grids, afin d’aider les entreprises asiatiques à adapter ces innovations technologiques à leur territoire.

Toutefois, le développement des micro-grids ne peut être envisagé dans les pays développés comme une addition d’entités de production et de consommation d’électricité qui se développeraient de façon indépendante de l’opération du réseau existant. Bien au contraire, les conditions de développement des micro-grids sont liées à l’adaptabilité des réseaux qui doivent les intégrer.

Et si paradoxalement, on allait en fait vers non pas moins, mais vers plus de services réseau ?

L’intégration des micro-grids suppose souvent « plus de réseau ou un meilleur service réseau ». Le réseau existant doit se déformer pour s’adapter à la maille locale et les moyens d’opération doivent être renforcés. Deux conditions clés sous-tendent alors l’évolution des micro-grids, notamment en Europe :

  • Un flux d’électricité bidirectionnel, qui couvrira la situation lorsque la production locale (par exemple éoliennes individuelles ou panneaux photovoltaïques) ne produit pas suffisamment d’électricité pour la consommation locale. Le réseau principal fournit alors l’approvisionnement nécessaire. Dans le cas contraire, la production locale injecte l’excédent sur le réseau principal. Il est fort probable que la majorité des micro-grids restent connectés au réseau principal, ne serait-ce que pour se ménager des moyens de back-up. Ce type d’opération assurantielle pourra être valorisé comme un service à part entière par l’opérateur de réseau, sous réserve de tarifs adaptés.
  • Une meilleure interconnexion des réseaux existants pour créer un véritable réseau paneuropéen : plus la superficie est grande, plus grande est la probabilité d’être en mesure d’équilibrer la production et la demande.

A quelle vitesse, les micro-grids vont-ils se développer en Europe ?

De fait, les micro-grids sont créés majoritairement pour des installations nouvelles ou pour des très grosses rénovations, et lorsque les conditions économiques le justifient (en regard de la fourniture via le réseau traditionnel). On sait que dans les pays développés, il y a moins de constructions neuves que dans les zones en développement. De plus, la compétitivité économique de ces solutions ne sera évidente que dans quelques années lorsque le coût du stockage aura significativement baissé. Ce développement prendra donc un peu de temps, mais nous paraît pourtant certain – à défaut d’être massif. Preuve en est que des opérateurs spécialisés Ingénierie, Construction et Opération commencent à voir le jour, comme Mongoose en Grande Bretagne.

Article publié dans Enerpresse, le jeudi 2 Novembre 2017, N°11940