Un microgrid est un système énergétique interconnecté par un réseau électrique « miniature », comparé à celui d’un pays, d’une région ou d’une ville. Ce système est constitué de consommateurs d'électricité (ménages ou entreprises), d'équipements de production (micro-turbines, moteurs diésel, piles à combustibles, panneaux photovoltaïques, mini-éoliennes, petite hydraulique), d'unités de stockage (batteries, hydrogène), d'un réseau électrique, d'un réseau de communication et d'un système de contrôle, d'optimisation et de supervision (Figure 1).  La gamme de puissance d’un microgrid s’étend de quelques kilowatts  (kW), permettant d’alimenter une maison, à quelques mégawatts (MW)  pour un village, un bâtiment ou un campus. Un microgrid peut être connecté en permanence au réseau électrique existant, avec possibilité d’ilotage, ou être îloté de manière permanente. Comment de tels systèmes sont-ils  utilisés et quels avantages peuvent-ils procurer ?

Les îles électriques

Dans nombre de situations iliennes, les besoins énergétiques sont satisfaits par l’importation de produits pétroliers. Le diesel utilisé pour la génération d’électricité provoque des émissions substantielles de CO₂ et une dépendance énergétique importante qui affecte négativement l’économie locale (Figure 2). Dans les îles d’Asie du Sud-est et du Pacifique en particulier, la génération d’énergie électrique provient principalement de groupes diesel.  Les microgrids peuvent largement améliorer de telles situations en fournissant un système de contrôle intelligent qui assure une large pénétration de sources d'énergie  renouvelables dont la mobilisation était préalablement limitée par des problèmes d’instabilité et de coûts (Figure 3). Le démonstrateur Renewable Energy Integration Development Singapore  (REIDS) a démontré la faisabilité d'un taux de pénétration de 30% de sources renouvelables, la diminution de 30% du coût de l’énergie produite, la disparition des limites technologiques liées à l’instabilité des réseaux et la possibilité  de dépasser ce taux de pénétration grâce aux nouvelles technologies de convertisseurs de puissance, de stockage et  de contrôle associé.

Les zones rurales isolées

Sur les 1,1 milliard de personnes qui n’ont toujours pas d’accès à l’électricité dans le monde, 80% habitent des zones rurales et 600 millions vivent en Afrique Subsaharienne (Figure 4).

Face à ce déficit d’accès à l’électricité, des techniques d’électrification individuelle permettent déjà une alimentation de petite puissance à l'échelle d'un foyer familial. Ces systèmes vont des petites lanternes solaires à des systèmes solaires domestiques et/ou des groupes électrogènes de petite taille. En offrant une réponse rapide aux besoins urgents de populations éloignées de tout réseau électrique, ces systèmes ont d’ores et déjà permis d’améliorer les conditions de vie de millions d’Africains.  Ils ne constituent cependant pas une réponse optimale et durable aux lacunes énergétiques des zones isolées, car leur puissance limitée ne permet pas d’alimenter des machines de plus grandes puissances (machines agricoles, pompes à eau, motorisation), indispensables au développement économique de ces zones. En attendant l'installation d’un réseau électrique intelligent dont la complexité demande des adaptations considérables d’infrastructures, ce qui prendra du temps,  les microgrids  constituent une alternative à moins long terme en permettant d'exploiter par un système intelligent des ressources énergétiques distribuées sur de nombreux territoires.  

Les zones urbaines

 Dans le cas d’un immeuble ou d’un campus normalement alimenté par le réseau de distribution d’électricité, l’intégration de sources d’énergie renouvelables et l’optimisation du coût d'approvisionnement en énergie peuvent  être obtenus par un système de contrôle du microgrid capable d’exploiter la meilleure combinaison des techniques énergétiques disponibles telles que le stockage de l’énergie, les panneaux solaires ou encore le load shifting  qui consiste à décaler certaines consommations significatives comme le chauffage ou la climatisation ou, autrement dit, d'utiliser le bâtiment comme un moyen de stocker de l’énergie (Figure 5). Cette optimisation s'effectue à partir de données météorologiques et d’algorithmes.

Si l'on veut favoriser l’autoconsommation d’"énergie verte", des ressources d’énergie locales (solaire, éolien, biomasse, biogaz) peuvent ainsi être utilisées en substitution partielle ou totale des sources d’énergie fossiles ce qui permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Par ailleurs, il est aussi possible d’utiliser les microgrids comme des ressources flexibles et distribuées vis à vis du réseau principal : ils peuvent, par exemple, lui fournir des services en jouant sur la production locale d'électricité, le stockage et la gestion des charges.

Sureté énergétique

 Dans le cas d’un microgrid normalement connecté au réseau électrique principal avec capacité d’ilotage, la résilience énergétique peut être obtenue grâce à la capacité du microgrid à s’îloter et à être auto-suffisant. Lorsque le réseau principal subit des interruptions ou des instabilités, le microgrid est ainsi rapidement découplé et continue de fournir de l’énergie grâce à ses ressources énergétiques locales.

Lorsque les instabilités sont prévisibles, par exemple lorsque de sévères événements climatiques sont prévus, le microgrid peut être préparé en adoptant de manière automatique une stratégie de précaution. Il est en effet possible de réduire la consommation des charges non critiques et de charger l’unité de stockage de manière à améliorer la capacité de résilience du système.

Conclusion

 Au total, le microgrid répond à nombre de défis posés par la transition énergétique dont le premier est la croissance de la demande mondiale  d'électricité qui, selon  l’Agence Internationale de l’Energie (AIE), pourrait se traduire par plus 40% d’ici 2040. Les microgrids permettent par ailleurs une intégration fiable et sûre des sources d'énergie renouvelables et contribuent donc à une réduction des émissions de CO₂ liées à la combustion de sources fossiles. Dans certains pays, enfin,  les réseaux électriques vieillissants manquent de résilience face à des interruptions ou à des instabilités, surtout lorsqu'ils sont soumis à des aléas climatiques sévères. La technologie du microgrid permet de continuer à s’alimenter en énergie dans ces situations.

A lire pour plus de détails l’article « Microgrids, comment contribuent-ils à la transition énergétique ? » publié par encyclopedie-energie.org

*Photo de couverture : par Metamoworks, Shutterstock_1144305950

Un article de Jean WILD : responsable de programme R & D chez Schneider Electric pour les solutions de micro-réseaux et de réseaux intelligents, Ecole Centrale de Marseille, Aix-Marseille Université.

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