Pour réussir la transition énergétique, il est essentiel de développer des réseaux électriques intelligents où producteurs et consommateurs peuvent interagir. Dans le cadre d'un projet Innosuisse, la HES-SO Valais/Wallis collabore avec son partenaire industriel WAGO pour trouver les meilleures solutions techniques en matière de commande afin de répondre à ces exigences.
Les installations photovoltaïques et éoliennes produisent de l'électricité verte, ce qui est excellent pour l'environnement et le climat. Toutefois, les distributeurs d'électricité ne sont pas aussi enthousiastes à propos de cette approche durable. Comme l'électricité ne circule plus uniquement dans une seule direction, c'est-à-dire du producteur vers le consommateur, ces derniers doivent désormais déployer un effort beaucoup plus important pour stabiliser le réseau électrique. Et cela augmente à mesure que chaque installation photovoltaïque supplémentaire est raccordée au réseau.
Les causes de la surcharge du réseau
Comment alléger la pression sur les réseaux de distribution ? L'une des solutions serait de stocker l'énergie excédentaire, comme c'est le cas dans les centrales de pompage-turbinage. Lorsqu'il y a une forte demande, les opérateurs libèrent l'eau, qui entraîne les générateurs en aval. Inversement, ils utilisent l'énergie excédentaire pour remplir à nouveau leurs réservoirs de stockage. Un procédé éprouvé utilisé avec succès dans le monde entier depuis des décennies.
Mais cette approche perturbe également les réseaux de distribution, puisque l'électricité solaire doit d'abord circuler du toit des maisons vers les réservoirs via le réseau local. Cette inversion de flux représente un défi même pour d'autres méthodes de stockage. Par conséquent, les grands systèmes de stockage par batteries ou les procédés Power-to-X sont peu adaptés à une stabilisation efficace du réseau.
Solutions pour alléger la surcharge du réseau
Quelles sont les options pour gérer efficacement l'excédent d'électricité solaire dans le réseau ? Une première approche consiste à étendre le réseau électrique. Cependant, cette solution est coûteuse et n'offre qu'un soulagement temporaire, car la production d'électricité issue des installations photovoltaïques devrait augmenter d'un facteur dix à moyen terme. Déjà aujourd’hui, dans certaines régions, jusqu’à 30 % des demandes de raccordement sont rejetées, un phénomène en augmentation. Paradoxalement, cette situation contraste avec les débats politiques actuels qui encouragent l'expansion du photovoltaïque.
Une alternative plus durable serait d'optimiser et de renforcer l'infrastructure existante. Pour améliorer l'utilisation des capacités de transmission actuelles, cela pourrait inclure le remplacement des conducteurs par des modèles dotés d'une section plus grande et d'une meilleure résistance thermique. L'adoption de systèmes de transmission flexibles en courant alternatif FACTS (Flexible AC Transmission Systems) et de compensateurs synchrones est également envisageable pour la compensation de la puissance réactive.
Une autre solution pour stabiliser le réseau consiste à optimiser la consommation propre. Si l’électricité est consommée sur place de manière flexible, c’est-à-dire au moment où elle est produite, elle n’a pas besoin d’être acheminée vers des stations de pompage-turbinage, des batteries ou d’autres systèmes de stockage. L’optimisation de la consommation propre, et donc l’augmentation de la rentabilité de l’installation, est principalement réalisée à l’aide d’un système de gestion de l’énergie domestique (Home Energy Management System, HEMS), un logiciel qui relie intelligemment l’installation photovoltaïque, le système de stockage à batterie et les gros consommateurs d’électricité tels que les bornes de recharge ou les pompes à chaleur. En tant que chef d’orchestre du système énergétique local, le HEMS enregistre et analyse la production photovoltaïque, l’état du système de stockage et la consommation électrique du foyer, puis contrôle la distribution de l’électricité solaire en fonction des besoins.
Harmonisation des interfaces
Or, un réseau électrique intelligent a un coût, et plusieurs questions cruciales restent en suspens. À ce jour, il manque une interface standardisée permettant aux fournisseurs d’électricité et aux dispositifs consommateurs d’énergie de communiquer entre eux. De plus, l’intégration des pompes à chaleur et des bornes de recharge en tant qu'équipements consommateurs, ainsi que des installations photovoltaïques en tant que producteurs, dans un réseau intelligent n’a pas encore été définie. L’absence de normes pour ces deux aspects constitue un défi, auquel SmartGridready s’attaque précisément.
L’association, basée à Berne, mise ainsi sur une harmonisation rigoureuse des interfaces de communication. Selon Stefan Minder, cette harmonisation est essentielle pour permettre aux distributeurs d’électricité de stabiliser et étendre leur réseau en utilisant des données en temps réel, mais aussi pour créer de nouveaux modèles commerciaux comme les tarifs dynamiques ou les incitations comportementales en faveur de l’équilibre du réseau.
Martial Beutler, résident de Bösingen, est l’un de ceux qui s'intéressent à ces modèles de facturation dynamique. Propriétaire d’une maison individuelle, il est à la fois consommateur et producteur d’électricité et cherche avant tout à optimiser ses coûts énergétiques. « Je souhaite recharger nos véhicules électriques au tarif le plus bas possible. Si cela implique de les charger entre 3 h et 6 h du matin, cela doit se faire automatiquement », explique-t-il, avant d’ajouter : « Actuellement, je devrais régler mon réveil pour déclencher la recharge moi-même. »
Il est évident qu'une telle solution n'est pas viable à long terme ! C'est pourquoi Martial Beutler a immédiatement accepté lorsque son employeur, WAGO Contact SA à Domdidier, lui a proposé de participer à un projet Innosuisse mené par la HES-SO Valais/Wallis. Dans ce cadre, douze foyers Suisse romande ont été équipés d’un système de mesure avancé pour enregistrer les flux d’électricité entrants et sortants sur une période de deux ans. Les données collectées seront utilisées pour perfectionner un logiciel destiné à réguler de manière autonome les sources de production et les dispositifs de consommation électrique.
Connexion entre OT et IT
Stéphane Rey, collègue de Martial Beutler, explique pourquoi cette intégration est essentielle : « Ce n’est qu’en assurant la communication entre tous ces appareils que l’on pourra optimiser la gestion énergétique des maisons individuelles à un coût maîtrisé. » Il fait particulièrement référence à l’énergie de régulation, idéale pour des services futurs comme le « Peak Shaving ». Comme cette énergie n'est pas requise à des heures fixes, elle est idéale pour réduire de manière ciblée la consommation des gros consommateurs, tels que les pompes à chaleur et les bornes de recharge électriques. Mais une question clé se pose : comment piloter efficacement une telle maison ? «
Il faut une plateforme fiable où un contrôleur industriel peut communiquer via le cloud, par exemple depuis un PC ou une tablette », précise Stéphane Rey. Fort de son expérience en tant qu’ingénieur d’application, il maîtrise depuis longtemps l’intégration entre les technologies opérationnelles (OT) et informatiques (IT).
Toutefois, une solution de contrôle industrielle serait trop complexe et coûteuse pour la plupart des utilisateurs en tant que système de gestion de l’énergie domestique. C’est pourquoi WAGO travaille à l’optimisation de l’un de ses contrôleurs industriels pour l’adapter aux besoins du marché de l’énergie. L’objectif est clair : permettre aux installateurs‑électriciens d’intégrer facilement pompes à chaleur, onduleurs et autres équipements dans le réseau électrique intelligent.
Un projet pilote pour une communication flexible
Cette intégration simplifiée est l’un des axes de travail de la HES-SO Valais/Wallis dans le cadre du projet Innosuisse. Le professeur Frédéric Revaz, fort de ses recherches sur l’optimisation de l’autoconsommation, les tarifs dynamiques et les services pour les gestionnaires de réseaux de distribution, anticipe dans quelle direction évolue le marché de l’énergie : « De nouveaux modèles économiques émergent, permettant de gérer de manière flexible la demande énergétique des bâtiments. »
La clé d’une communication fluide au sein du « smart grid » réside dans l’intégration simplifiée des équipements. « Nous développons les pilotes nécessaires à cette interconnexion », explique Frédéric Revaz. Le but est que l'intégration des appareils compatibles avec Smart Grid soit aussi simple que l'ajout d'une imprimante à un réseau domestique.
L’application concrète de cette communication entre consommateurs d’énergie fait l’objet d’un autre projet mené par la HES-SO Valais/Wallis. Plusieurs pompes à chaleur y sont regroupées au sein d’un pool et alimentées avec de l’énergie de régulation. Grâce à un tarif dynamique, elles sont pilotées de manière optimisée en fonction des coûts : si la consommation dépasse l’énergie prévue, un signal ajuste automatiquement leur fonctionnement à la hausse ou à la baisse.
HEMS comme nœud central
Les rôles de WAGO et de la HES-SO Valais/Wallis sont clairement définis dans le projet Innosuisse. Mais où se positionne SmartGridready dans ce contexte ? « Ce qui nous intéresse avant tout, c'est de simplifier au maximum l'intégration des systèmes et la connexion au réseau pour un déploiement rapide du « smart grid », explique Stefan Minder. Il ajoute : « C'est pourquoi les expériences de la HES-SO Valais/Wallis et de WAGO contribueront à l’évolution du label SmartGridready. »
Selon lui, cette approche est essentielle puisque les systèmes de gestion de l’énergie domestique (HEMS) deviendront à l’avenir les nœuds centraux du « smart grid ». « Ils fourniront aux gestionnaires de réseau et aux fournisseurs d’énergie toutes les données de charge pertinentes, recevront des signaux de tarification et de contrôle, réguleront automatiquement les équipements du bâtiment et contribueront ainsi à stabiliser le réseau, sans compromis sur le confort. »
Ainsi, selon le directeur de SmartGridready, ces systèmes, en complément d'un développement raisonnable du réseau, sont indispensables à la transition énergétique : « Seuls des systèmes intelligents permettent de gérer le changement des flux énergétiques ainsi que l'augmentation des énergies renouvelables. »
Remarque : Cet article a été publié initialement dans la revue spécialisée Bulletin Electrosuisse.
Les installations photovoltaïques et éoliennes produisent de l'électricité verte, ce qui est excellent pour l'environnement et le climat. Toutefois, les distributeurs d'électricité ne sont pas aussi enthousiastes à propos de cette approche durable. Comme l'électricité ne circule plus uniquement dans une seule direction, c'est-à-dire du producteur vers le consommateur, ces derniers doivent désormais déployer un effort beaucoup plus important pour stabiliser le réseau électrique. Et cela augmente à mesure que chaque installation photovoltaïque supplémentaire est raccordée au réseau.
Les causes de la surcharge du réseau
Comment alléger la pression sur les réseaux de distribution ? L'une des solutions serait de stocker l'énergie excédentaire, comme c'est le cas dans les centrales de pompage-turbinage. Lorsqu'il y a une forte demande, les opérateurs libèrent l'eau, qui entraîne les générateurs en aval. Inversement, ils utilisent l'énergie excédentaire pour remplir à nouveau leurs réservoirs de stockage. Un procédé éprouvé utilisé avec succès dans le monde entier depuis des décennies.
Mais cette approche perturbe également les réseaux de distribution, puisque l'électricité solaire doit d'abord circuler du toit des maisons vers les réservoirs via le réseau local. Cette inversion de flux représente un défi même pour d'autres méthodes de stockage. Par conséquent, les grands systèmes de stockage par batteries ou les procédés Power-to-X sont peu adaptés à une stabilisation efficace du réseau.
Solutions pour alléger la surcharge du réseau
Quelles sont les options pour gérer efficacement l'excédent d'électricité solaire dans le réseau ? Une première approche consiste à étendre le réseau électrique. Cependant, cette solution est coûteuse et n'offre qu'un soulagement temporaire, car la production d'électricité issue des installations photovoltaïques devrait augmenter d'un facteur dix à moyen terme. Déjà aujourd’hui, dans certaines régions, jusqu’à 30 % des demandes de raccordement sont rejetées, un phénomène en augmentation. Paradoxalement, cette situation contraste avec les débats politiques actuels qui encouragent l'expansion du photovoltaïque.
Une alternative plus durable serait d'optimiser et de renforcer l'infrastructure existante. Pour améliorer l'utilisation des capacités de transmission actuelles, cela pourrait inclure le remplacement des conducteurs par des modèles dotés d'une section plus grande et d'une meilleure résistance thermique. L'adoption de systèmes de transmission flexibles en courant alternatif FACTS (Flexible AC Transmission Systems) et de compensateurs synchrones est également envisageable pour la compensation de la puissance réactive.
Une autre solution pour stabiliser le réseau consiste à optimiser la consommation propre. Si l’électricité est consommée sur place de manière flexible, c’est-à-dire au moment où elle est produite, elle n’a pas besoin d’être acheminée vers des stations de pompage-turbinage, des batteries ou d’autres systèmes de stockage. L’optimisation de la consommation propre, et donc l’augmentation de la rentabilité de l’installation, est principalement réalisée à l’aide d’un système de gestion de l’énergie domestique (Home Energy Management System, HEMS), un logiciel qui relie intelligemment l’installation photovoltaïque, le système de stockage à batterie et les gros consommateurs d’électricité tels que les bornes de recharge ou les pompes à chaleur. En tant que chef d’orchestre du système énergétique local, le HEMS enregistre et analyse la production photovoltaïque, l’état du système de stockage et la consommation électrique du foyer, puis contrôle la distribution de l’électricité solaire en fonction des besoins.
Harmonisation des interfaces
Or, un réseau électrique intelligent a un coût, et plusieurs questions cruciales restent en suspens. À ce jour, il manque une interface standardisée permettant aux fournisseurs d’électricité et aux dispositifs consommateurs d’énergie de communiquer entre eux. De plus, l’intégration des pompes à chaleur et des bornes de recharge en tant qu'équipements consommateurs, ainsi que des installations photovoltaïques en tant que producteurs, dans un réseau intelligent n’a pas encore été définie. L’absence de normes pour ces deux aspects constitue un défi, auquel SmartGridready s’attaque précisément.
L’association, basée à Berne, mise ainsi sur une harmonisation rigoureuse des interfaces de communication. Selon Stefan Minder, cette harmonisation est essentielle pour permettre aux distributeurs d’électricité de stabiliser et étendre leur réseau en utilisant des données en temps réel, mais aussi pour créer de nouveaux modèles commerciaux comme les tarifs dynamiques ou les incitations comportementales en faveur de l’équilibre du réseau.
Martial Beutler, résident de Bösingen, est l’un de ceux qui s'intéressent à ces modèles de facturation dynamique. Propriétaire d’une maison individuelle, il est à la fois consommateur et producteur d’électricité et cherche avant tout à optimiser ses coûts énergétiques. « Je souhaite recharger nos véhicules électriques au tarif le plus bas possible. Si cela implique de les charger entre 3 h et 6 h du matin, cela doit se faire automatiquement », explique-t-il, avant d’ajouter : « Actuellement, je devrais régler mon réveil pour déclencher la recharge moi-même. »
Il est évident qu'une telle solution n'est pas viable à long terme ! C'est pourquoi Martial Beutler a immédiatement accepté lorsque son employeur, WAGO Contact SA à Domdidier, lui a proposé de participer à un projet Innosuisse mené par la HES-SO Valais/Wallis. Dans ce cadre, douze foyers Suisse romande ont été équipés d’un système de mesure avancé pour enregistrer les flux d’électricité entrants et sortants sur une période de deux ans. Les données collectées seront utilisées pour perfectionner un logiciel destiné à réguler de manière autonome les sources de production et les dispositifs de consommation électrique.
Connexion entre OT et IT
Stéphane Rey, collègue de Martial Beutler, explique pourquoi cette intégration est essentielle : « Ce n’est qu’en assurant la communication entre tous ces appareils que l’on pourra optimiser la gestion énergétique des maisons individuelles à un coût maîtrisé. » Il fait particulièrement référence à l’énergie de régulation, idéale pour des services futurs comme le « Peak Shaving ». Comme cette énergie n'est pas requise à des heures fixes, elle est idéale pour réduire de manière ciblée la consommation des gros consommateurs, tels que les pompes à chaleur et les bornes de recharge électriques. Mais une question clé se pose : comment piloter efficacement une telle maison ? «
Il faut une plateforme fiable où un contrôleur industriel peut communiquer via le cloud, par exemple depuis un PC ou une tablette », précise Stéphane Rey. Fort de son expérience en tant qu’ingénieur d’application, il maîtrise depuis longtemps l’intégration entre les technologies opérationnelles (OT) et informatiques (IT).
Toutefois, une solution de contrôle industrielle serait trop complexe et coûteuse pour la plupart des utilisateurs en tant que système de gestion de l’énergie domestique. C’est pourquoi WAGO travaille à l’optimisation de l’un de ses contrôleurs industriels pour l’adapter aux besoins du marché de l’énergie. L’objectif est clair : permettre aux installateurs‑électriciens d’intégrer facilement pompes à chaleur, onduleurs et autres équipements dans le réseau électrique intelligent.
Un projet pilote pour une communication flexible
Cette intégration simplifiée est l’un des axes de travail de la HES-SO Valais/Wallis dans le cadre du projet Innosuisse. Le professeur Frédéric Revaz, fort de ses recherches sur l’optimisation de l’autoconsommation, les tarifs dynamiques et les services pour les gestionnaires de réseaux de distribution, anticipe dans quelle direction évolue le marché de l’énergie : « De nouveaux modèles économiques émergent, permettant de gérer de manière flexible la demande énergétique des bâtiments. »
La clé d’une communication fluide au sein du « smart grid » réside dans l’intégration simplifiée des équipements. « Nous développons les pilotes nécessaires à cette interconnexion », explique Frédéric Revaz. Le but est que l'intégration des appareils compatibles avec Smart Grid soit aussi simple que l'ajout d'une imprimante à un réseau domestique.
L’application concrète de cette communication entre consommateurs d’énergie fait l’objet d’un autre projet mené par la HES-SO Valais/Wallis. Plusieurs pompes à chaleur y sont regroupées au sein d’un pool et alimentées avec de l’énergie de régulation. Grâce à un tarif dynamique, elles sont pilotées de manière optimisée en fonction des coûts : si la consommation dépasse l’énergie prévue, un signal ajuste automatiquement leur fonctionnement à la hausse ou à la baisse.
HEMS comme nœud central
Les rôles de WAGO et de la HES-SO Valais/Wallis sont clairement définis dans le projet Innosuisse. Mais où se positionne SmartGridready dans ce contexte ? « Ce qui nous intéresse avant tout, c'est de simplifier au maximum l'intégration des systèmes et la connexion au réseau pour un déploiement rapide du « smart grid », explique Stefan Minder. Il ajoute : « C'est pourquoi les expériences de la HES-SO Valais/Wallis et de WAGO contribueront à l’évolution du label SmartGridready. »
Selon lui, cette approche est essentielle puisque les systèmes de gestion de l’énergie domestique (HEMS) deviendront à l’avenir les nœuds centraux du « smart grid ». « Ils fourniront aux gestionnaires de réseau et aux fournisseurs d’énergie toutes les données de charge pertinentes, recevront des signaux de tarification et de contrôle, réguleront automatiquement les équipements du bâtiment et contribueront ainsi à stabiliser le réseau, sans compromis sur le confort. »
Ainsi, selon le directeur de SmartGridready, ces systèmes, en complément d'un développement raisonnable du réseau, sont indispensables à la transition énergétique : « Seuls des systèmes intelligents permettent de gérer le changement des flux énergétiques ainsi que l'augmentation des énergies renouvelables. »
Remarque : Cet article a été publié initialement dans la revue spécialisée Bulletin Electrosuisse.
