La distribution d’énergie fait face à des défis croissants en raison de la demande accrue, de la variabilité des sources renouvelables et de la nécessité d’une résilience renforcée. Dans ce contexte, les micro-réseaux émergent comme une solution innovante et s’imposent progressivement comme une solution de choix dans un monde où la production d’électricité est de plus en plus décentralisée, et le raccordement à un réseau n’est pas toujours possible. Les micro-réseaux off-grid, c’est à dire non-connecté au réseau électrique, sont ainsi particulièrement utilisés dans les pays où le réseau public de distribution n’est pas développé, et qui jouissent d’un fort ensoleillement permettant l’installation de panneaux photovoltaïques (PV) ou d’un bon gisement de vent propice à l’installation d’éoliennes. Par ailleurs, les micro-réseaux sont également une solution très pertinente dans les pays disposants d’un réseau électrique sûr, et n’ont plus seulement vocation à électrifier des territoires reculés. Le développement des solutions d’autoconsommation, collective ou non, industrielles ou pour les particuliers, couplées au développement des smart-grids1, permettent de mettre en place de nouveaux modèles de réseaux urbains.
Comme le reste du réseau électrique, les micro-réseaux sont pour l’instant majoritairement développés en courant alternatif. Cependant, les micro-réseaux en courant continu (DC MG) émergent, en partant de l’observation suivante : le système de production d’électricité le plus abondant, et le plus adapté à l’autoconsommation produit du DC ; que le système de stockage le plus couramment utilisé et efficace se recharge également en DC; et que de plus en plus d’appareils de consommation fonctionnent en DC avec l’essor de l’électronique moderne. Ainsi, le développement des micro-réseaux en courant continu semble inévitable.
Cet article vise à explorer les différentes typologies de micro-réseaux, en mettant un accent particulier sur les micro-réseaux DC, afin de mieux comprendre leur fonctionnement et leurs avantages dans le paysage énergétique actuel.
Différents types de micro-réseaux : AC, DC et hybrides
Le micro-réseau est une solution permettant de fournir de l’électricité à un petit nombre de personnes dans un périmètre restreint (à l’échelle d’un village, d’un campus, voire d’un bâtiment). Il peut fonctionner de manière autonome ou en connexion avec le réseau public. La Figure 1 montre l’exemple d’un micro-réseau typique constitué d’un réseau électrique, de sources de génération distribuée (comme l’énergie solaire et éolienne), un système de stockage, de diverses charges, et d’outils de supervision et de pilotage d’énergie.
Chaque type de micro-réseau présente des caractéristiques spécifiques en fonction des sources d’énergie, des types de charges, et de l’interaction avec le réseau principal. Ils se déclinent principalement en trois types : AC (courant alternatif), DC, et mixtes (AC-DC).
Micro-réseaux AC
Ils utilisent un bus en courant alternatif pour distribuer l’énergie. Les équipements standards, comme ceux connectés aux réseaux nationaux, sont principalement conçus pour le courant alternatif, ce qui rend cette configuration simple pour l’intégration avec le réseau public.
Micro-réseaux DC
Ils reposent sur un bus en courant continu, ce qui est idéal pour des charges et des sources qui fonctionnent en DC, comme le stockage de batteries et certains dispositifs électroniques. Ce type de réseau minimise les pertes liées aux conversions AC-DC.
Micro-réseaux mixtes (AC-DC)
Ce modèle combine les avantages des réseaux AC et DC. Les deux types de bus sont connectés, permettant une flexibilité pour intégrer différentes sources et charges sans conversions excessives, ce qui optimise l’efficacité énergétique.
Micro-réseaux en courant continu (DC MG) : fonctionnement et avantages clés
Le DC MG s’impose progressivement comme un modèle de référence, reposant sur le constat que les systèmes de production d’énergie adaptés à l’autoconsommation, tels que les PV, produisent principalement du DC, que les dispositifs de stockage, comme les batteries électrochimiques, utilisent également ce type de courant, et que de nombreux appareils modernes – notamment les LEDs, ordinateurs, téléphones et véhicules électriques – consomment du DC, rendant ainsi le développement des DC MGs presque incontournable. L’ensemble de ses composants est orchestré par un système de gestion de l’énergie (EMS), permettant une optimisation efficace des flux énergétiques.
Les avantages spécifiques du DC MG (voir Figure 2.) illustrent son potentiel comme solution performante et adaptée aux exigences des systèmes énergétiques modernes, notamment en termes d’efficacité, de résilience et de compatibilité avec les énergies renouvelables2.
- Efficacité énergétique et réduction des pertes de conversion : le DC MG minimise les conversions de courant (comme de DC à AC et vice-versa), qui sont souvent sources de pertes d’énergie et rend plus facile le contrôle des convertisseurs DC-DC et AC-DC nécessaires pour certaines applications.
- Réduction des pertes d’acheminement : la production et la consommation d’énergie étant localisées, les pertes de transport d’électricité, courantes dans les réseaux traditionnels, sont réduites.
- Gestion des charges : de plus en plus d’appareils et d’équipements modernes fonctionnent en courant continu, notamment les véhicules électriques, les centres de données, et les systèmes d’éclairage. Le DC MG permet une gestion plus précise et stable de ces charges, ce qui est essentiel pour maintenir l’efficacité et la longévité des appareils tout en garantissant une alimentation fiable.
- Adaptabilité aux énergies renouvelables : le DC MG intègre facilement les sources d’énergie renouvelable, comme le solaire, qui produisent naturellement du DC. Cela simplifie la connexion de ces sources au réseau sans conversions additionnelles, ce qui est particulièrement utile pour des énergies intermittentes nécessitant des adaptations rapides en fonction de la production.
- Alimentation stable : le DC MG offre une alimentation stable et fiable, ce qui est crucial pour des applications sensibles dans des secteurs comme les centres de données, les télécommunications et les hôpitaux, où une alimentation constante est nécessaire pour éviter les pertes de données et garantir la sécurité des utilisateurs.
- Contrôle simplifié et absence de synchronisation: en DC, il n’y a pas de fréquence à gérer ni de puissance réactive à compenser, ce qui simplifie la gestion du réseau et réduit les besoins en équipements et systèmes complexes. Egalement, les DC MG, contrairement aux AC, n’ont pas besoin de synchronisation des phases, ce qui élimine les défis liés à la gestion de la synchronisation de la fréquence et rend l’exploitation plus flexible et moins contraignante.
- Réduction des coûts de maintenance : comme il nécessite moins d’équipements pour le filtrage harmonique et la stabilisation, le DC MG réduit les coûts associés à la maintenance et prolonge la durée de vie des équipements.
- Résilience accrue : le DC MG peut fonctionner en mode autonome (îloté), même en cas de défaillance du réseau principal, ce qui le rend particulièrement résilient et idéal pour des sites critiques.
- Flexibilité : le DC MG permet d’ajouter de nouvelles sources ou charges avec facilité, sans affecter la stabilité générale du réseau. Cela permet une évolution progressive et adaptée aux besoins énergétiques changeants, notamment pour les sites en pleine croissance ou pour des installations évolutives.
Le sujet vous intéresse ?
Parlons-en !
Exemples concrets et démonstrateurs de DC MG dans le monde
Bien que le développement des DC MG apparaisse, en théorie, comme une solution évidente, il convient de noter qu’ils restent encore peu nombreux en fonctionnement. Néanmoins, quelques exemples concrets existent, comme celui de l’usine de thé de la vallée de Mbogo, au Kenya, où un DC MG a été déployé pour remédier aux coupures fréquentes qui perturbaient la production.
Un système photovoltaïque de 400 kW a été installé en toiture, couplé à un bus DC via un convertisseur DC-DC conçu pour optimiser la puissance générée par le champ PV. Le bus DC est directement connecté à un système de stockage composé d’une batterie Lithium-Ion Phosphate d’une capacité de 544 kWh.
L’architecture en DC MG permet une isolation complète par rapport au réseau principal et à ses fluctuations. Le convertisseur DC-DC, spécialement développé pour optimiser la production des différentes chaînes de panneaux, offre une granularité supérieure dans la gestion du MPPT (Maximum Power Point Tracking – suivi du point de puissance maximale), permettant ainsi d’extraire davantage de puissance qu’un onduleur classique.
De plus, l’architecture en DC renforce la stabilité du micro-réseau grâce à l’élimination du besoin de synchronisation entre les systèmes PV et de stockage. Cette caractéristique ajoute une flexibilité accrue dans la gestion des variations de charge3.
Le projet européen DC-POWER illustre une avancée majeure dans la gestion de l’énergie grâce à une architecture novatrice de bus de distribution en DC à moyenne tension, dénommée D3bus (Dual DC Distribution Bus). Ce concept vise à optimiser la distribution d’électricité au niveau local, en intégrant des charges industrielles à forte puissance, ainsi que des systèmes de production et de stockage d’énergie directement sur site.
Deux démonstrateurs sont prévus dans le cadre de ce projet : un centre de données (data center) et un électrolyseur de 2 MW. L’objectif principal est de démontrer les bénéfices d’un réseau local DC à moyenne tension, notamment dans un contexte de production renouvelable locale, importante et fluctuante. Selon les projections, cette architecture devrait permettre une réduction significative des pertes énergétiques liées à la distribution, de la quantité de cuivre nécessaire dans les conducteurs, ainsi que des interruptions provoquées par les coupures réseau.
Lancé en janvier 2024, ce projet est piloté par le CEA, en collaboration avec divers partenaires européens issus des secteurs public et privé, et bénéficie d’un financement de l’Union européenne4.
Défis et limites des micro-réseaux DC : obstacles à surmonter
Les micro-réseaux représentent une solution innovante pour répondre aux besoins croissants en énergie et intégrer davantage de sources renouvelables. Cependant, ils posent des défis majeurs, ici on liste les principaux :
- Contrôle : Les micro-réseaux doivent équilibrer la production et la consommation pour garantir une tension et une fréquence stables. Plusieurs approches existent : le contrôle centralisé (qui gère tout depuis une unité centrale), le contrôle décentralisé (où chaque élément réagit de façon autonome), et le contrôle hiérarchique (qui combine les deux pour plus de flexibilité).
- Protection : La protection des micro-réseaux, notamment en DC, reste un défi car les courants de défaut peuvent y être plus rapides et intenses que dans les réseaux traditionnels. Des dispositifs spécifiques sont nécessaires pour protéger ces systèmes, mais les solutions restent coûteuses et les standards limités.
- EMS: La gestion de l’énergie permet aux micro-réseaux d’optimiser l’utilisation des énergies renouvelables tout en minimisant les coûts et en réduisant les émissions. Cette gestion se base soit sur des règles simples, soit sur des optimisations plus complexes, mais qui nécessitent des prévisions précises de la demande et de la production.
- Connectivité avec le réseau AC existant : la majorité des réseaux électriques mondiaux fonctionnent en AC donc la connexion d’un DC MG à ces réseaux nécessite des convertisseurs, augmentant non seulement les coûts mais aussi les pertes.
- Fiabilité des convertisseurs : les conversions AC/DC et DC/DC sont encore des technologies en développement, avec des défis en termes de fiabilité, de durabilité et de rendement. Une défaillance des convertisseurs peut entraîner des interruptions importantes dans le micro-réseau.
- Coût initial élevé : les convertisseurs et les dispositifs de protection spécifiques aux systèmes DC peuvent être coûteux. De plus, comme cette technologie est encore émergente, les économies d’échelle ne sont pas encore au rendez-vous, ce qui limite son adoption.
- Manque de régulation claire : dans de nombreux pays, les régulations concernant les DC MG sont limitées ou absentes, ce qui peut poser des défis juridiques pour les interconnexions, la gestion des données et le respect des normes de sécurité.
- Pertes et distance de transmission : bien que les pertes en ligne soient généralement moindres en DC, la transmission sur de longues distances reste un défi, surtout sans technologies de conversion appropriées.
Les DC MG : un levier stratégique pour une transition énergétique durable
Les micro-réseaux, en particulier les DC MG, s’imposent comme des solutions clés pour relever les défis énergétiques modernes grâce à leur efficacité, leur compatibilité avec les sources d’énergie renouvelable et leur résilience. Ils jouent un rôle central dans la transition énergétique mondiale, favorisant une décentralisation accrue de la production et de la gestion de l’énergie.
Malgré des défis persistants liés à la protection, à la connectivité AC et à la régulation, les avancées technologiques, notamment dans les systèmes de gestion intelligente et les protocoles de communication, accélèrent leur adoption. Ces solutions offrent également une réponse robuste aux enjeux d’électrification des zones isolées, contribuant à réduire les inégalités énergétiques tout en répondant aux objectifs globaux de décarbonations.
À l’avenir, l’émergence de modèles hybrides combinant bus AC et DC pourrait transformer les infrastructures énergétiques traditionnelles, permettant une intégration optimisée des sources renouvelables et des systèmes de stockage. Par ailleurs, les innovations dans les technologies de batteries, la baisse des coûts des énergies renouvelables et les politiques incitatives devraient catalyser leur déploiement à grande échelle. Les DC MG apparaissent ainsi comme un levier stratégique pour atteindre un système énergétique plus durable, résilient et inclusif à l’échelle mondiale.
Les DC MG représentent bien plus qu’une avancée technologique : ils incarnent une opportunité stratégique de transformation des systèmes énergétiques. Yélé se positionne comme un acteur clé de cette transition en renforçant son expertise, en développant des solutions innovantes et en accompagnant ses clients dans la mise en œuvre de réseaux durables, résilients et adaptés aux défis de demain. Nos actions incluront l’identification de nouvelles applications, la promotion de modèles hybrides AC/DC, et le soutien à l’adoption des DC MG par des projets pilotes et des partenariats ciblés.
Le sujet vous intéresse ?
Parlons-en !
Sources
1 Smart Grid, l’intelligence dispatchée dans le réseau pour la transition énergétique – Yélé Consulting (yele.fr)
2 M. Sechilariu, F. Locment, Chapter 1 – Connecting and integrating variable renewable electricity in utility grid, in: Manuela Sechilariu, Fabrice Locment (Eds.), Urban DC Microgrid, Butterworth-Heinemann, 2016, pp. 1–33
3 How a DC Microgrid Helps Over 10,000 Kenyan Tea Growers Bring Their Product to Market | AltEnergyMag
4 DC-Power – Medium voltage DC grids to drive industrial applications in the MW range
5 Ines-solaire.org
Rédacteurs : Fadi AGHA KASSAB, Ikram MAATOUG, Jamila AOURIR MAZIAN & Melvil COLAS
Référent : Aurelien Pallavisini