DEVELOPPEMENT D’UNE STRATEGIE DE GESTION DE L’ENERGIE D’UN MICROGRID

Structure du réseau suisse

Tout d’abord, le réseau électrique suisse est un marché monopolistique qui est régulé par l’ElCom (commission fédérale de l’électricité). Il se subdivise en plusieurs étages. La différenciation de ces étages se fait par le niveau de tension et de transformation (voir Figure 1). Le niveau 1 constitue la plage de tension la plus élevée dans le réseau suisse. Ce niveau correspond à un niveau de tension de 380 kV ou 220 kV. C’est à ce niveau que sont connectées les grandes centrales de productions telles que les centrales nucléaires ainsi que les connexions avec les gestionnaires de réseau de transport (GRT) frontalier permettant les importations ainsi que les exportations. Dans le cadre suisse, ce niveau correspond donc au réseau de transport qui est géré par SwissGrid. Ce dernier est propriétaire de ce réseau et assure au travers des services système la régulation de la fréquence et de la tension selon les normes en vigueur. Le niveau 3 est constitué des réseaux de distribution suprarégionaux.

La tension sur ces réseaux peut varier entre 150 kV et 36 kV. Le niveau 5 désigne, quant à lui, la moyenne tension ou les réseaux de distribution régionaux. La tension sur ces lignes est comprise entre 36 kV et 1 kV. Les industries consommatrices d’électricité (or électro-intensif) sont fréquemment raccordées à ce niveau. Enfin, le niveau 7 (basse tension) est le réseau de distribution local qui est exploité à une tension inférieure à 1 kV. Ce réseau alimente l’ensemble des consommateurs finaux et donc la grande majorité des foyers. Les niveaux pairs (2, 4 et 6) sont des niveaux de transformation. Si un client se trouve à un de ces niveaux, cela signifie qu’il est propriétaire du transformateur. Au niveau 4, très peu de consommateurs se connectent en dehors de quelques exceptions comme l’aéroport de Genève. Pour le niveau 6, on rencontre essentiellement des industriels ainsi que des regroupements d’autoconsommateurs.

Acteurs économiques

Actuellement, le marché de l’électricité suisse est un marché monopolistique qui est régulé par l’ElCom. Sur ce marché, de nombreux acteurs effectuent des contrats entre eux pour aboutir à un approvisionnement de l’énergie chez les clients finaux. La structure du marché suisse ainsi que les principales relations contractuelles peuvent être simplifiées par la Figure 2. En Suisse, le marché de la distribution d’électricité est captif et par conséquent le consommateur final (ayant une consommation annuelle inférieure à 100 MWh) n’a pas la liberté de choisir son approvisionnement. Il ne lui est pas possible de choisir lui-même son GRD, son fournisseur, son producteur ni de s’approvisionner en énergie via les plateformes de bourse (exemple : EEX ou EPEX SPOT). Ces consommateurs finaux sont donc obligés de contracter auprès du GRD local qui assure la distribution dans la région où ils se trouvent. Le territoire suisse a la particularité d’être partagé par plus de 600 GRD [2], ce qui résulte en de nombreuses variations de prix en fonction de la localisation. Ces GRD ont l’obligation de garantir un approvisionnement en électricité via un réseau sûr, performant et efficace (art.8, al 1 LApEl) [3] tout en respectant les normes en vigueur.

Si les GRD assurent la distribution locale de l’électricité, ils leurs incombent d’assurer la connexion auprès du réseau de transport ainsi que la fourniture d’énergie auprès des producteurs (le GRT assurant la mission d’équilibrage du réseau électrique). Pour ce faire, les GRD ont deux possibilités : Ils peuvent soit s’approvisionner via un producteur en énergie qui transite par le réseau de transport (GRT SwissGrid) soit d’acheter de l’énergie à un fournisseur. Ces fournisseurs représentent les « traders » de l’énergie. Ils achètent de l’énergie dans le but de la revendre. Ils peuvent acheter de l’énergie directement aux producteurs ou font du commerce sur les plateformes de bourse internationales. Comme évoqué, la connexion du réseau de distribution au réseau de transport de manière directe ou indirecte implique implicitement le GRT SwissGrid dont le rôle est d’assurer la stabilisation en fréquence et la tension du réseau à l’échelle nationale. Plus précisément, la fréquence doit être de 50 Hz ± 0.4% et la tension autour de ± 10% de la valeur nominale (en fonction du niveau de raccordement). Afin de remplir sa fonction, SwissGrid reçoit des données de production et de l’ensemble des consommateurs qui sont regroupés en groupes-bilan et passe des accords avec des producteurs et sur la bourse pour assurer cet équilibre à chaque instant. Tous ces services ont un coût et cela se répercute jusqu’au client final. On s’intéressera dans la prochaine section comment le prix de l’électricité est construit.

Décomposition de la facture

Sur la base des méthodes de facturation, il est maintenant possible d’étudier la décomposition de la facture qui repose sur une combinaison des trois méthodes de facturation. La première composante est l’énergie en elle-même. Elle représente les électrons que le client a consommés. Le prix de l’électricité se forme sur le marché libre, à la bourse ou un contrat de gré à gré. Comme dit plus haut, l’offre doit constamment correspondre à la demande. Les variations entre ces deux provoquent une fluctuation du prix de l’électricité. La difficulté réside dans le fait que de nombreux facteurs peuvent influencer l’offre et la demande.

Par exemple, la consommation peut varier en fonction de la température, mais aussi en fonction du rythme de vie des personnes. L’offre (la production) varie en fonction du contexte international de l’énergie et depuis peu pour les énergies renouvelables de la météo (rayonnement pour les PV, précipitations et fonte des neiges pour les centrales hydrauliques et vent pour les éoliennes), de la disponibilité des centrales (l’arrêt des centrales nucléaires provoque une hausse de prix) et le prix des combustibles. De plus, la Suisse importe et exporte beaucoup d’électricité. Ainsi le prix de l’électricité suisse est très fortement influencé par les prix pratiqués dans les pays voisins. Finalement, l’ensemble de ces facteurs se traduisent par la construction d’un tarif de l’énergie entre l’offre et la demande. Sur la base de ce modèle, il est pertinent de s’intéresser de plus près à la formation du prix à la bourse. Sur le marché européen il existe plusieurs bourses dont EPEX Spot qui s’occupe de gérer les marchés en Allemagne, en France, au Royaume-Uni, aux Pays-Bas, en Belgique, en Autriche, et en Suisse. Comme dit plus haut, le prix de l’électricité est influencé par les centrales sollicitées. Ces dernières sont elles-mêmes modulées en puissance voir mises en marche ou arrêtées en fonction du prix de l’électricité. Ce dernier est fixé par la logique de l’ordre du mérite.

L’ordre du mérite explique qu’en fonction de la demande, ce sont les centrales avec les coûts marginaux les plus faibles qui l’emportent. Les coûts marginaux retenus sont les coûts de la dernière unité produite (OPEX). La Figure 3 présente le coût d’exploitation d’une centrale nucléaire qui est plus faible que celui d’une centrale à gaz. Par conséquent, la centrale nucléaire sera sollicitée en premier. Le prix de l’électricité à la bourse est fixé par la dernière offre qui remporte le contrat. Toutes les capacités de production avec un coût marginal plus haut que le prix de l’électricité ne fonctionnera pas, car elles ne seront pas rentables. L’introduction des énergies renouvelables dans le réseau influence fortement les prix de l’électricité notamment par le caractère intermittent. Les énergies renouvelables ont des coûts d’exploitation très faible (à l’inverse du gaz et du pétrole, le vent et le soleil sont des ressources gratuites).

De plus, en Suisse et afin de soutenir le développement des énergies renouvelables, la RPC (rétribution à prix coûtant) oblige les distributeurs à racheter l’énergie renouvelable à leurs producteurs. Par conséquent, lorsqu’elles produisent, elles se placent tout au début de l’ordre du mérite faisant ainsi baisser le prix de l’électricité. Ce dispositif permet de soutenir l’investissement dans ces technologies d’énergie renouvelable. L’anticipation dans le temps est importante pour acheter l’énergie sur les marchés. Il est, par exemple, possible d’acheter des grands blocs d’énergie (puissance constante sur une semaine ou un mois complet) en avance (jusqu’à 3 ans en avance), puis des moyens blocs (puissance constante sur une journée ou une heure) le jour d’avant voire le jour même. Le but étant d’anticiper au plus près la consommation des clients afin d’acheter le strict nécessaire. Les différences entre l’énergie achetée et réellement consommée sont appelées énergies d’ajustement. Cette énergie est achetée ou vendue au prix spot du marché par le GRT afin d’assurer l’équilibrage. La prédiction est donc un enjeu très important pour les GRD afin de ne pas perdre de l’argent en achetant trop d’énergie ou de se faire pénaliser par SwissGrid à la suite d’une sous-estimation de la consommation. Il faut noter que les consommateurs ne perçoivent pas les fluctuations des prix de l’électricité et ont un tarif d’énergie fixe pour toute l’année. Ce tarif couvre les fluctuations sur l’année.

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Table des matières

AVANT-PROPOS ET REMERCIEMENTS
GLOSSAIRE
TABLES DES ILLUSTRATIONS
INTRODUCTION GENERALE
Contexte énergétique et problématique
Objectifs
CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART
1.1 Marché de l’électricité suisse
1.1.1 Structure du réseau suisse
1.1.2 Acteurs économiques
1.1.3 Construction du prix
1.1.4 Energies renouvelables et rétribution
1.1.5 Evolution législative vers les microgrids
1.2 Blockchain
1.2.1 Applications dans le secteur de l’énergie
1.2.2 Principe et fonctionnement
CHAPITRE 2 – DEVELOPPEMENT D’UNE STRATEGIE DE GESTION DE L’ENERGIE D’UN MICROGRID ET DEFINITION DU CAS D’ETUDE
2.1 Présentation des scénarios
2.1.1 Scénario de référence : Tarification sans microgrid
2.1.2 Scénario 1 : Tarification avec microgrid sans blockchain
2.1.3 Scénario 2 : Tarification avec microgrid et blockchain
2.2 Indicateurs de performance pour la comparaison des scénarios
2.3 Conception du modèle de simulation
2.3.1 Modélisation du système PV
2.3.2 Modélisation d’un prosumer
2.3.3 Modélisation du microgrid
CHAPITRE 3 – APPLICATION ET RESULTATS APPLIQUES A LA GESTION ENERGETIQUE D’UN MICROGRID PAR LA BLOCKCHAIN
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
REFERENCES
ANNEXES
ANNEXE 1 : Librairie Représentation Energétique Macroscopique
ANNEXE 2 : Caractéristiques du module Soltech STH-230P
ANNEXE 3 : Courbes de charge
ANNEXE 4 : Tarifs Romande Energie
ANNEXE 5 : Rayonnement annuel
ANNEXE 6 : Bibliographie d’icônes