Smart Grids : Les réseaux d’une nouvelle ère

Les réseaux qui nous apportent l’électricité sont en train d’être modernisés. On appelle ces nouveaux réseaux le « Smard Grid ». C’est un réseau d’énergie électrique avancé auquel on a ajouté un moyen de communication numérique bidirectionnelle entre le fournisseur et le consommateur, un moyen ressemblant fort à l’Internet. Un système intelligent de mesure (Smart Metering) utilise cette communication électronique entre la plateforme informatique du fournisseur et le compteur intelligent (Smart Meter) du consommateur. On peut alors ajouter des informations qu’un compteur classique ne donne pas. Ceci est indispensable quand le consommateur est aussi un micro-producteur d’électricité d’origine renouvelable, par exemple s’il possède des panneaux solaires photovoltaïques (PV). Le fournisseur peut alors réguler la charge électrique du réseau entre les micro-producteurs et la compléter avec l’électricité provenant d’autres sources, par exemple d’éoliennes, de stockages hydrauliques par pompage, de stockages en hydrogène, ou par défaut d’autres sources d’énergie polluantes par les gaz à effet de serre qu’elles produisent.


Jusqu'à présent nous avions un réseau unidirectionnel, où l’électricité se déplaçait des centrales nucléaires et fossiles vers le consommateur. Avec les énergies renouvelables distribuées par nature sur tout le territoire (PV et éolien), l’électricité est produite et consommée sur place, localement. Les micro-producteurs d’électricité peuvent produire des biens durables pour un marché local, et ainsi devenir des micro-industriels durables grâce à la production de leurs propres énergies. On peut parler ainsi d’un début de capitalisme durable.
Un exemple de ces micro-industriels est Buzzcar.com qui travaille dans le secteur de la mobilité locale et durable. Ayant observé qu’un grand nombre de propriétaires d’autos utilisent leurs véhicules moins d’une ou deux heures par jour, Buzzcar les met en relation avec des conducteurs, avec le slogan : « Rentabilisez votre voiture en la louant ; Louez une voiture à la journée ou à l’heure ». Ainsi, les voitures ne s’éloignent pas beaucoup de leurs propriétaires. Et ça fonctionne aussi bien avec des voitures rechargées avec de l’électricité renouvelable, locale et distribuée sur tout le territoire.


Bientôt ces micro-producteurs vont adapter la surface de leurs panneaux PV pour produire l’électricité de leur voiture électrique (EV). Encore mieux, ils vont stocker leurs besoins futurs de mobilité électrique dans des batteries ou mieux dans l’hydrogène⁽¹⁾ produit localement, et utilisé sous forme électrique dans une plie à combustible (locale ou d’un véhicule). Ces micro-producteurs vont se regrouper en associations, coopératives, ou avec l’aide de leurs administrations communales de manière à vendre leurs surplus d’électricité. Ils pourront aussi, par ce moyen, mutualiser le prix d’un stockage local pour leurs besoins futurs (heures de pointe, EV). Ces groupements de micro-producteurs vont se regrouper aux niveaux national et européen, de manière à défendre leurs intérêts vis-à-vis des fournisseurs traditionnels qui possèdent les réseaux de transport d’électricité à longue, moyenne et courte distance (haute tension, moyenne tension et basse tension).


Ces gestionnaires de grands réseaux vont progressivement se déconnecter des centrales impactant l’effet de serre, ou dont l’approvisionnement est basé sur une source fossile devenant rare et chère. Parce que les sources d’énergie renouvelables sont surabondantes⁽²⁾ et déjà plus économiques (y compris le nucléaire⁽³⁾). Les réseaux Smart Grid transeuropéens permettront à ces gestionnaires d’employer les énormes capacités inutilisées de stockage en hydraulique dont dispose l’Italie, au bénéfice des consommateurs et du climat européen et mondial.


Les micro-industriels durables sont déjà devenus dans certains cas des entreprises importantes. On s’aperçoit qu’ils sont peu impactés par la crise économique, et qu’ils continuent à créer des emplois durables. Ce qui n’est pas le cas pour les entreprises qui veulent se développer sur les énergies fossiles. Ainsi, l’économiste en chef de l’Agence Internationale de l’Énergie, Fatih Birol, a reconnu que la croissance de la production économique et les cours du pétrole sont devenus indissociables. Ainsi l’économie mondiale s’est arrêtée en juillet 2008 quand le pétrole avoisinait 140 $ le baril. L’économie a été relancée. Mais aujourd’hui à près de 120 $ le baril de nombreux pays européens sont entrés en récession et ont de plus en plus de difficultés face à la dette publique. Le chômage s’étend partout. Certains appellent ceci le « pic de la mondialisation », après le pic du pétrole.
Désormais une relance de l’économie doit clairement cibler le capitalisme durable, les entreprises non basées sur le pétrole, les micro-industriels durables et l’installation de capteurs d’énergies renouvelables (PV et éolien) chez ces derniers et chez les micro-producteurs d’électricité. La croissance économique ne peut plus venir que de là !


Auparavant, les gestionnaires de grands réseaux se disaient incapables de connecter des millions de micro-producteurs d’électricité. Désormais les nouveaux Smart Grid le permettent avec des gestions plus locales et plus proches des micro-producteurs. Le Smart Grid permet aussi une gestion transeuropéenne des flux d’énergie. Il est légitime d’attribuer aux Smart Grids l’entrée dans une nouvelle économie durable qui est une véritable révolution industrielle.
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⁽¹⁾ Voir l’article : Quel carburant dans l’avenir pour les autos

⁽²⁾ Voir l’article : L’énergie solaire est surabondante
⁽³⁾ Voir l’article : Le nucléaire un an après Fukushima

Quel carburant dans l’avenir pour les autos ?

Face au changement climatique, il faut appliquer le principe de précaution. Les carburants d’avenir ne devront donc pas produire de gaz à effet de serre (GES), comme le CO₂ et le méthane CH₄ entre autres. Et ça ne sera pas simple pour l’aviation, les transports maritimes et les transports routiers. La masse du véhicule, du bateau ou de l’aéronef est déterminante à cet égard. Mais voyons ce qu’il en est pour les voitures et autres véhicules légers.

L’étude menée par l’Institut Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST) sur l’approvisionnement énergétique pour l’avenir¹ dégage quelques réponses. La rareté croissante des énergies d’origine fossiles tirées du pétrole, du gaz naturel, du charbon et de l’uranium va nous forcer à utiliser de plus en plus d’énergies renouvelables d’origine solaire et éolienne, donc des énergies orientées vers la production d’électricité. A cet égard, la question « Quel carburant pour les autos ? » devient « Sous quelle forme faut-il stocker l’énergie pour la propulsion des autos ? ».

Comme on sait, l’électricité a des caractéristiques différentes des énergies fossiles. L’usage de l’électricité requiert un couplage entre consommation et production. L’électricité peut être stockée, mais au prix d’une perte substantielle qui est due au rendement médiocre des systèmes de stockage.

Mais le rendement du stockage importe peu si l’électricité stockée provient d’une énergie gratuite et surabondante, comme les énergies solaire et éolienne justement. Le prix de cette électricité juste au moment de son déstockage dépend des coûts d’amortissement et d’entretien des systèmes de capture et de stockage uniquement.

Les biocarburants et la biomasse ne sont pas une solution viable pour le secteur des transports. Déjà parce qu’il est insoutenable, à mes yeux, de mettre des surfaces agricoles en concurrence entre la production de carburants et l’alimentation des êtres humains dont les peuples les plus pauvres sont les premiers touchés. Ce qui induit une concurrence sous jacente pour l’eau nécessaire à l’homme et à la croissance de la biomasse ; et pour les engrais nécessaires à la croissance de la biomasse et grands consommateurs d’énergie.

Pour le stockage de l’énergie dans les autos, la densité d'énergie représente l'énergie par unité de volume sous forme de carburants dans les réservoirs, ou d’électricité dans les batteries des voitures. Dans le diagramme, on compare la densité d’énergie des carburants et des batteries pour la traction potentielle des voitures.

On notera dans ce diagramme que les batteries Lithium-Ion ont une densité d’énergie d’un ordre de grandeur 10 fois moindre que l’hydrogène liquide. Alors que la densité d’énergie de l’hydrogène liquide est d’un ordre 3 fois moindre que l’essence.

L’essence (et le diesel) sont des hydrocarbures issus de la distillation du pétrole. Leur combustion relâche des GES. Ces carburants peuvent être mortels en cas d'ingestion et de pénétration dans les voies respiratoires ; ils peuvent provoquer le cancer.

Le méthanol CH₃OH se présente sous la forme d’un liquide léger, volatil, incolore, inflammable, toxique en cas d'ingestion et de contact cutané ou d’inhalation. Le méthanol est dangereux pour les yeux et peut rendre aveugle. C’est le plus simple des alcools. Le méthanol brûle dans l'air en formant du dioxyde de carbone CO₂ et de l'eau : 2 CH₃OH + 3 O₂ → 2 CO₂ + 4 H₂O. On produit du méthanol par reformage du méthane CH₄ par la vapeur d’eau, puis par catalyse du CO sous produit du reformage. Le méthane est un composant du gaz naturel d’origine fossile. Quand il est relâché dans l’atmosphère, le méthane contribue 21 fois plus à l’effet de serre que le CO₂.

Moins inflammable que l’essence, le méthanol est cependant peu utilisé dans les moteurs à combustion interne du fait de la corrosion de certains métaux dont l’aluminium. Il ne peut donc pas être utilisé dans les moteurs à essence modernes sans modification du moteur.

Les piles à combustible à méthanol direct ou DMFC (Direct-Methanol Fuel Cell) produisent de l’électricité. Leur efficacité énergétique est faible comparé à d’autres piles à combustible. C’est pourquoi elles sont principalement utilisées dans des appareils portables. Les rejets de la DMFC sont le dioxyde de carbone CO₂ et la vapeur d’eau H₂O.

Les dangers du méthanol pour la santé, sa contribution à la production de GES mauvaise pour le climat, sa production liée au gaz naturel d’origine fossile, et les difficultés techniques liées aux moteurs pour la propulsion des véhicules, écartent le méthanol comme carburant potentiel.

L’hydrogène H₂ est stocké sous forme liquide ou gazeuse. Les expériences avec l’hydrogène comprimé à 700 bars pour la propulsion des véhicules sont plus satisfaisantes qu’avec de l’hydrogène liquide. D’une part, on économise l’énergie nécessaire pour réfrigérer et pour comprimer l’hydrogène dans sa forme liquide. D’autre part, l’hydrogène comprimé à 700 bars présente une densité d’énergie d’un ordre de 10 fois plus grand que les batteries au lithium. On peut faire facilement 300-400 Km avec un réservoir d’hydrogène à 700 bars de capacité habituelle.

On produit de l’hydrogène H₂ soit à partir des hydrocarbures, soit avec de l’électricité par électrolyse de l’eau. Pour des raisons historiques, c’est la filière des hydrocarbures qui est la plus développée : On obtient de l’hydrogène par reformage d’hydrocarbures. Ce procédé présente l’inconvénient pour le climat de produire du CO₂ qui est un gaz à effet de serre. C’est donc la filière de l’électrolyse de l’eau qui doit être retenue pour la production d’hydrogène.

L’hydrogène H₂ est le carburant vert de l’avenir. C’est un des moyens de stocker les énergies renouvelables intermittentes provenant du soleil et du vent et produites respectivement par des panneaux photovoltaïques et par des éoliennes. Le stockage de l’électricité en H₂ peut ainsi se faire localement, au plus près de la production d’énergie renouvelable. On dispose ainsi localement du carburant vert pour les véhicules à hydrogène de l’avenir.

Cependant, l’hydrogène est un gaz extrêmement inflammable. Voici quelques extraits de sa « Fiche de Données de Sécurité » :

• Sous pression il peut exploser sous l'effet de la chaleur. Il peut causer l'asphyxie à concentration élevée. Ne pas éteindre une fuite de gaz enflammée, une réinflammation spontanée et explosive peut se produire. Tenir à l’écart de la chaleur/des étincelles/des flammes nues/des surfaces chaudes. Ne pas fumer. Il faut stocker le récipient dans un endroit bien ventilé, à température inférieure à 50°C. Entreposer à l'écart des gaz oxydants. L’hydrogène n’a pas d'effet connu sur l’environnement et le climat.

Le transport par pipelines de l’hydrogène H₂ sur de longues distances a été réalisé par le passé. La production centralisée d’hydrogène dans la filière des hydrocarbures nécessitait un transport par pipelines. La production actuelle d’électricité renouvelable est complètement décentralisée. Elle permet le transport de cette énergie par les réseaux électriques à longue distance jusqu’aux unités de stockage local d’hydrogène H₂ avec des coûts moindre que ceux du transport par pipelines.

Dès lors, puisque des raisons climatiques et environnementales nous dictent de stocker l’hydrogène localement, on veillera particulièrement à construire des bâtiments adaptés. Les réservoirs devraient être situés nettement sous le niveau du sol, dans une pièce disposant d’une aération naturelle continue, et conçue pour éviter les fortes chaleurs l’été. Cette pièce de stockage ne doit pas être utilisée pour contenir d’autres appareils, comme l’électrolyse, une pile à combustible ou des appareillages électriques de gestion et de contrôle, ni servir pour d’autres stockages.

La batterie est un moyen adapté à l’automobile et à l’électricité d’origine renouvelable qui est surabondante. Pour avoir la meilleure densité d’énergie, les batteries au Lithium se sont imposées avec de nombreuses variantes.

L’automobile a besoin de batteries au Lithium de grande capacité. Elles présentent l’inconvénient de chauffer. Un système de refroidissement résistant au gel est alors nécessaire. Certaines batteries au lithium se rechargent plus rapidement que d’autres, sur des prises de courants différentes :

• 220 V ou 400 V triphasé
• 10, 16, 32, 64 Ampères ou plus.

L’appareillage de recharge (redresseur, etc.) peut être embarqué dans l’auto ou installé dans une borne de recharge ; avec cependant un avantage pour l’appareillage embarqué.

Les batteries aux nickel-hydrures métalliques NiMH se sont imposées dans des millions de voitures hybrides pour leur absence d’effet mémoire et leur coût, bien qu’elles aient une densité d’énergie inférieure à celles au Lithium. Il s’agissait seulement de récupérer l’énergie du freinage et même au frein moteur, grâce aux moteurs électriques agissant comme dynamo. Puis de réutiliser cette énergie dans les moteurs électriques pour la traction du véhicule. Quand les voitures hybrides sont devenues rechargeables sur le réseau, les batteries NiMH ont été remplacées par des batteries au Lithium : par exemple la Prius de Toyota.

Il existe deux catégories de voitures hybrides. Celles qui donnent la priorité à la traction tout électrique sur la distance maximale, puis se servent du moteur thermique (essence ou diesel) ou d'une pile à combustible à hydrogène pour produire l’électricité nécessaire pour poursuivre le voyage aussi longtemps que le permet le réservoir de carburant : la Volt de General Motors ou l’Ampera d’Opel avec un moteur à essence; la HyKangoo.ZE de Renault et Symbio FCell. Et celles qui donnent la priorité au moteur thermique, et se servent de l’électricité comme un appoint : la Prius+ Plug-In de Toyota ou les Lexus hybrides.

Nous avons vu qu’un moyen de stocker l’électricité localement est l’hydrogène. Il favorise sa disponibilité locale pour les véhicules disposant d’une pile à hydrogène. Au stockage local d’hydrogène, on peut adjoindre une pile à combustible pour produire de l’électricité disponible localement pour la recharge des batteries des voiture rechargeables, et pour la consommation électrique résidentielle locale.

L’autre moyen de stockage des énergies renouvelables est centralisé : L’électricité d’origine renouvelable sert à pomper de l’eau d’un bassin inférieur vers un bassin supérieur. Ensuite, la chute d’eau actionne un certain nombre de turbines permettant d’adapter la production d’électricité verte à la demande des consommateurs. C’est la solution retenue par le Grand Duché de Luxembourg pour commencer à massifier sa production d’électricité verte !

En conclusion, on constate qu’il est plus efficace, dans un premier temps, d’utiliser l’électricité renouvelable dans des véhicules disposant de batteries au Lithium. Mais comme le Lithium n’est pas très abondant sur notre terre, nous serons inéluctablement amenés, dans un second temps, aux véhicules à pile à hydrogène. La transition passe par des installations locales de stockage en hydrogène H₂, comprenant l’électrolyse de l’eau, des réservoirs d’hydrogène, et la pile à hydrogène produisant de l’électricité en fonction de la consommation locale demandée. La pile à hydrogène sera indispensable aux véhicules électriques rechargeables qui continueront à exister encore longtemps après l’avènement des véhicules à hydrogène.
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(1) Future Energy Supply, Dr. Werner Zittel, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST), conférence du 31 mars 2011 à la Chambre de Commerce de Luxembourg.
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Dernières modifications : 16 Décembre 2013.

Transition vers les énergies renouvelables

L'énergie solaire est surabondante pour nos besoins énergétiques toutes consommations confondues. Elle est distribuée sur tout le territoire, et présente donc l’avantage de pouvoir être consommée là où elle a été produite. Elle est intermittente et nécessite un stockage si on souhaite en disposer tout le temps sous forme d’électricité.

Pour préserver le climat, ce stockage ne doit pas produire de CO₂, et c’est le cas, par exemple dans la filière de stockage à hydrogène. Cette filière de stockage, si on la développe industriellement, permet aux collectivités locales de gérer production éolienne, photovoltaïque (PV) et consommation d’électricité. Y compris la recharge des véhicules électriques et à hydrogène. Les municipalités et les groupements de communes peuvent même atteindre une certaine autarcie locale dans leur gestion de l’électricité en recherchant le bon équilibre entre productions renouvelables, stockages et consommations.

Pour le moment, les producteurs européens d’électricité (comme EDF) se tournent vers l’énergie éolienne, elle-même dérivée de l’énergie solaire, pour produire leurs quotas européens d’énergies renouvelables. Leur chiffre d’affaire est maintenu aussi longtemps que les petites éoliennes ne fleurissent pas dans nos jardins. Car l’entretien d’une éolienne est plus coûteux que celui d’un panneau PV, ce qui amène le plus souvent les petits producteurs domestiques à ne s’intéresser à l’éolien qu’après s’être équipés en PV. Néanmoins, l’énergie éolienne reste un complément très appréciable la nuit au PV intermittent.

Mais alors, si, comme on peut le souhaiter, l’autarcie locale électrique fait tache d’huile en Europe, le problème se déplace. Quelle électricité va-t-on encore faire circuler dans les lignes à haute tension prévues pour franchir de longues distances ? Tout d’abord, la sécurité de ces petits ensembles autarciques de « consommateurs – producteurs » d’électricité exige une connexion aux réseaux à haute tension car, en cas de panne, en cas de niveau de stockage trop bas, en cas de modifications techniques, les kWh manquants seront facilement disponibles. De plus, en cas de surplus de stockage, il sera toujours utile de revendre des kWh en trop.

A tout le moins le prix du kWh par Km transféré va augmenter suite à la rareté des électrons circulant encore sur les lignes à haute tension qu’il faut continuer à entretenir. C’est à la fois une bonne et une mauvaise nouvelle. Une bonne nouvelle pour la revente des kWh en trop, et une mauvaise pour les entités territoriales qui auront trop tardé à gérer leur autarcie électrique. Et pour ces immenses communautés urbaines qui peineront à s’équiper en PV, en éolien, et en systèmes de stockage, de par la nécessité de trouver les espaces requis dans des communes rurales adjacentes.

Un retour vers la campagne n’est pas à exclure tant pour l’industrie que pour le secteur résidentiel. Pour les entreprises, c’est la surface au sol disponible qui déterminera leur degré d’autarcie, donc leurs prix de revient. La mobilité des travailleurs devenant une mobilité électrique, les entreprises devront se préoccuper de ne pas se trouver isolées des zones résidentielles où vivent leurs travailleurs.

Le prix du kWh issu du PV coûte seulement l’amortissement des installations car le soleil est gratuit. Au tarif actuel du kWh les installations PV sont amorties en 4 à 7 ans, pour des panneaux d’une durée de vie qui s’allonge toujours plus (20 ans > 25 ans). Le prix d’un stockage fabriqué industriellement devrait devenir aussi très abordable. Au total, le prix du kWh dans une communauté autarcique devrait être nettement inférieur au prix actuel. C’est une très bonne nouvelle.

Depuis des décades, le modèle des producteurs d’électricité est basé sur de longs réseaux entre centrales et consommateurs. Et les champs d’éoliennes offshore (et à terre) installés depuis 2008 restent considérés par les producteurs comme de nouvelles centrales électriques intégrées dans le modèle prévalent jusqu’ici. Mais ce modèle est remis en question par les municipalités et groupements de communes qui recherche un kWh meilleur marché. Ceci est possible grâce au stockage local de l’électricité renouvelable produite localement et à la recherche de l’équilibre autarcique entre production et consommation. Cela va aussi dans le sens d’une responsabilisation du citoyen pour des investissements locaux allégeant leurs tarifs de l’électricité.

Le nouveau modèle permettant de gérer des réseaux d’électricité locaux est appelé « Smart Grid » (réseau intelligent). L’explication est donnée par une Communication⁽¹⁾ de la Commission européenne sur les « Réseaux intelligents: de l'innovation au déploiement » :
Un réseau intelligent pourrait être défini comme un réseau électrique mis à niveau auquel ont été ajoutés un système numérique de communication bidirectionnelle entre fournisseur et consommateur, un système intelligent de mesure et un système de contrôle, le système intelligent de mesure faisant généralement partie intégrante des réseaux intelligents. Les fonctionnalités du Smart Grid sont en cours de normalisation. Cette phase préparatoire devrait être terminée fin 2012.

La reconversion des travailleurs de la production d’énergie d’origine fossile (nucléaire inclus) vers la production des énergies renouvelables pose des problèmes de formation au début. La production des systèmes PV et éoliens, leurs installations, leur entretien, la gestion de l’équilibre électrique et la commercialisation locales, vont embaucher beaucoup de personnels assez spécialisés. Il est probable que la période de transition demande une génération.

Les entreprises actuelles qui produisent et commercialisent l’électricité seront confrontées à une baisse drastique de leur chiffre d’affaire. Les réductions de personnel inéluctables devront être accompagnées d’une priorité absolue pour la reconversion des travailleurs vers les énergies renouvelables. Ces changements d’emploi massifs doivent être accompagnés par des filières d’embauche et de relogement organisées depuis les entités territoriales recrutantes.

Il faut se battre dès maintenant pour que, pendant cette longue période de transition, les travailleurs de l’ensemble du secteur énergétique soient placés sous un statut public suffisamment protecteur de manière à ne pas freiner ou allonger cette difficile et longue période de transition.
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(1) http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=COM:2011:0202:FIN:FR:PDF