[APPLICATION MOUSER] La croissance mondiale de la demande d’électricité, combinée à l’intégration de sources d’énergie renouvelables, a eu pour effet de souligner le manque d’efficience des réseaux électriques conventionnels dont beaucoup s’appuient sur des infrastructures vieillissantes et des modèles de distribution d’énergie centralisés que le caractère imprévisible de la production d’énergie renouvelable met à rude épreuve. Cette situation pose d’importants problèmes sur le plan de la stabilité et de l’efficience. Dans ce contexte, le concept d’Internet de l’énergie offre une vision révolutionnaire de la distribution d’énergie comme l’explique ici Mouser.

Auteur : Mark Patrick,

Directeur contenu technique, EMEA

Mouser Electronics

L’Internet de l’énergie est un terme qui recouvre la notion d’exploitation des capacités des appareils connectés à l’Internet des objets (IoT), de l’informatique en périphérie de réseau (edge computing) et de l’automatisation basée sur de l’intelligence artificielle (IA) en vue de créer un réseau entièrement interconnecté et intelligent.

Ce faisant, il propose un cadre dans lequel les ménages, entreprises, véhicules électriques et autres gros consommateurs d’énergie peuvent communiquer activement entre eux en vue d’équilibrer dynamiquement l’offre et la demande.

Pour ce faire, il est nécessaire de mettre en oeuvre plusieurs technologies clés capables d’amorcer cette transformation, avec comme difficulté les défis inhérents à l’intégration de milliards d’appareils au sein d’un système cohérent, alors que ce type de réseau énergétique intelligent apporte sur le long terme des avantages indéniables. Car on peut prédire qu’un réseau énergétique interconnecté numériquement, alimenté par l’IA, l’IoT et les technologies de réseau intelligent, façonnera l’avenir d’une distribution d’énergie efficace et résiliente.

De la nécessité d’un Internet de l’énergie

L’IEEE (Institut de l'ingénierie électricique et électronique) définit l’Internet de l’énergie comme un réseau avancé de partage d’énergie s’appuyant sur des technologies de communication numérique en vue d’améliorer son efficience, sa sécurité et son évolutivité (1).

Contrairement aux réseaux électriques conventionnels que l’on peut qualifier d’unidirectionnels dans la mesure où ils transfèrent uniquement l’électricité depuis les centrales électriques jusqu’aux utilisateurs finaux, l’Internet de l’énergie favorise la décentralisation et les échanges multidirectionnels d’énergie. Dans ce système, la production, le stockage et la consommation d’énergie sont interconnectés, ce qui permet une gestion de l’énergie plus résiliente et plus flexible.

Dans le modèle centralisé, l’électricité est produite dans de grandes centrales et acheminée vers les consommateurs par des réseaux de transport (2). Cette approche se heurte toutefois à de multiples défis car ces réseaux électriques conventionnels peinent aujourd’hui à répondre à la demande croissante d’électricité due à l’urbanisation et à l’électrification, entraînant une perte d’efficience, un risque d’instabilité et une pression accrue sur les infrastructures vieillissantes.

De plus, alors que de plus en plus d’industries et de ménages se tournent vers des solutions électriques, ces réseaux conventionnels peinent à répondre aux pics de demande.

Au-delà, l’intégration aux réseaux existants des énergies renouvelables comme l’éolien et le solaire pose des difficultés en raison de leur production variable. Car contrairement à la production d’électricité à partir de combustibles fossiles qui peut être régulée en fonction de la demande, la production d’électricité à partir de sources d’énergie renouvelables est fluctuante, ce qui complique grandement le rééquilibrage du réseau (3).

Des infrastructures vieillissantes

De nombreux réseaux électriques à travers le monde ont été conçus il y a plusieurs décennies et sont devenus aujourd’hui obsolètes et par voie de conséquence de moins en moins efficients, plus chers à entretenir et beaucoup plus exposés au risque de pannes (4).

De plus, la transition vers une production d’énergie décentralisée où ménages et entreprises produisent leur propre électricité à l’aide de panneaux solaires ou d’éoliennes, crée de nouveaux risques pour la stabilité. Sans mécanismes de coordination intelligents, la production d’énergie décentralisée peut alors entraîner des fluctuations de tension et des problèmes de fiabilité au sein du réseau.

Afin de répondre à tous ces défis, de nombreux projets de réseaux intelligents ont déjà été déployés. Ces exemples tendent à confirmer les avantages que peuvent offrir des réseaux d’énergie interconnectés. Parmi ces projets innovants, l’infrastructure de mesure avancée (AMI, Advanced Metering Infrastrcture) permet d’assurer un monitoring en temps réel de la consommation d’énergie et d’élaborer des stratégies de réponse à la demande en s’appuyant sur des compteurs intelligents.

Un autre projet prometteur est la technologie véhicule à réseau (V2G, Vehicle-to-Grid). Cette technologie permet aux véhicules électriques de fonctionner comme des unités mobiles de stockage d’énergie capables de stocker l’énergie excédentaire puis de l’injecter dans le réseau lors de pics de consommation, lui conférant ainsi une efficience globale accrue (5).

La mise en œuvre de microréseaux - des systèmes énergétiques locaux capables de fonctionner indépendamment ou en conjonction avec le réseau principal - renforce la résilience du réseau, notamment en cas de panne de courant (6).

Ces initiatives illustrent la faisabilité d’un Internet de l’énergie permettant de mobiliser facilement des sources d’énergie distribuées pour améliorer l’efficience, la fiabilité et la durabilité du réseau global.

Des technologies clés à la base de l’Internet de l’énergie

L’Internet de l’énergie s’appuie sur plusieurs technologies de pointe qui facilitent la surveillance en temps réel, la distribution efficace de l’énergie et la sécurité du système.

Tout d'abord, l’intelligence artificielle est une technologie essentielle pour optimiser la distribution d’énergie et faciliter la réponse à la demande. Les algorithmes fondés sur l’IA sont à même d’analyser les modèles de consommation, de prévoir la demande en énergie et d’ajuster dynamiquement les flux d’énergie afin d’éviter toute perte d’efficience.

Il existe deux grandes méthodes d’implémentation de l’IA dans l’Internet de l’énergie : l’une centralisée, l’autre en périphérie de réseau (Edge computing). Les solutions d’IA centralisées, installées dans le le cloud, collectent les données provenant de multiples sources afin d’optimiser la gestion de l’énergie à l’échelle régionale ou nationale.

Dans les systèmes d’IA en périphérie de réseau, les compteurs intelligents et les contrôleurs de réseau traitent les données localement afin d’optimiser les flux d’énergie en temps réel. Le fait de traiter ces données localement élimine les problèmes de latence associés au cloud computing et permet de prendre des décisions plus rapidement. Les appareils compatibles IoT qui fournissent des données en temps réel sur la consommation d’énergie, la situation du réseau et l’état de l’infrastructure constituent l’épine dorsale de cet Internet de l’énergie.

Ces dispositifs sont essentiels pour garantir une gestion efficace de l’énergie et un flux d’énergie continu au sein du réseau. A ce niveau, les compteurs intelligents font partie des composants essentiels de cet écosystème. Ces appareils sophistiqués mesurent la consommation d’électricité au niveau du consommateur et fournissent des informations détaillées sur les habitudes de consommation d’énergie.

Les compteurs intelligents offrent donc la possibilité de répondre à la demande. Ce faisant, ils permettent d’optimiser les performances du réseau et contribuent ainsi à équilibrer dynamiquement l’offre et la demande. Les consommateurs et les fournisseurs peuvent dès lors suivre la consommation d’énergie en temps réel, notamment en vue de réduire le gaspillage et de comprimer les coûts.

Une autre technologie clé est celle des moniteurs de charge. Ces dispositifs analysent les modèles de consommation d’énergie pour fournir des recommandations concrètes en vue d’améliorer l’efficacité. En identifiant les pertes d’efficience dans la consommation d’énergie, ces appareils aident les consommateurs et les entreprises à optimiser leur consommation d’électricité, ce qui contribue à réduire la demande globale sur le réseau.

Les moniteurs de charge jouent également un rôle dans la prévision des fluctuations de la demande en permettant aux opérateurs de réseau d’anticiper les changements dans la consommation d’énergie et d’y réagir plus efficacement.

Outre l’optimisation de la consommation, la mise en place de mécanismes robustes de détection des défauts est une autre condition essentielle au maintien de la stabilité du réseau. Les capteurs de détection des défauts permettent à ce niveau de détecter les pannes de courant en temps réel et par conséquent d’intervenir rapidement afin de réduire à un minimum les temps d’arrêt et de prévenir les pannes prolongées (7).

Ces capteurs peuvent également détecter les anomalies de tension et de courant, ce qui permet aux équipes de maintenance de résoudre les problèmes avant qu’ils ne dégénèrent en perturbations importantes. L’intégration de capteurs de détection des défauts à l’Internet de l’énergie renforce ainis la fiabilité du réseau et permet aux gestionnaires de réseau de prévenir de coûteuses pannes du système.

On le voit, collectivement, ces technologies fondées sur l’IoT constituent la base d’un écosystème énergétique intelligent garantissant une communication fluide entre les producteurs, les consommateurs et l’infrastructure réseau elle-même. Ces technologies jouent donc un rôle essentiel dans l’optimisation de l’efficacité énergétique en réduisant le gaspillage d’énergie et en garantissant la "durabilité" à long terme de l’Internet de l’énergie.

Quid de la cybersécurité ?

À mesure que les réseaux électriques accomplissent leur transformation numérique ils s’exposent à de nouvelles menaces, et la cybersécurité devient une priorité. Les écosystèmes hautement interconnectés sont en effet exposés à divers risques de sécurité, parmi lesquels les atteintes à la confidentialité des données, les cyberattaques visant à perturber le fonctionnement du réseau et les rançongiciels ciblant les infrastructures critiques.

La confidentialité des données est ici une préoccupation majeure. Le détournement de données de consommation d’énergie peut par exemple révéler les habitudes de consommation des consommateurs. De même, les vulnérabilités des systèmes offrent une porte d’entrée aux cybercriminels pour manipuler la distribution d’électricité ou lancer des attaques à grande échelle contre les infrastructures de réseau.

Enfin, il existe déjà des précédents où des rançongiciels ciblant des systèmes énergétiques ont provoqué de graves perturbations sur le réseau (8).

Pour contrer ces menaces, les réseaux énergétiques doivent pouvoir s’appuyer sur des techniques de chiffrement de bout en bout, des systèmes de détection d’anomalies basés sur l’IA et des protocoles d’authentification robustes afin d’assurer l’intégrité et la sécurité des données.

La transition vers un système énergétique interconnecté, on le voit, offre d’importantes opportunités, mais présente aussi d’importants défis. De plus en plus de gouvernements et d’organismes de réglementation à travers le monde reconnaissent la nécessité de moderniser les infrastructures énergétiques afin d’améliorer l’efficacité et la résilience des réseaux de distribution. Les mesures politiques et incitatives en faveur du déploiement de réseaux intelligents, les programmes de réponse à la demande et l’intégration des énergies renouvelables ont pour effet d’accélérer l’adoption des solutions de connectivité énergétique.

À mesure que l’Internet de l’énergie se développe, des questions éthiques associées à la propriété des données ainsi qu’à l’accessibilité et à la tarification équitable de l’énergie s’imposent dès lors comme des thèmes majeurs.

Il s’avère en effet essentiel de pouvoir garantir un accès équitable aux solutions énergétiques intelligentes et de protéger les droits des consommateurs afin de prévenir toute disparité dans la distribution de l’énergie.

Néanmoins, la principale préoccupation demeure la "durabilité". À ce titre, la technologie des jumeaux numériques et l’optimisation basée sur l’IA ont un rôle important à jouer dans les efforts de réduction du gaspillage d’énergie et d’amélioration de l’efficience.

Plusieurs innovations majeures façonneront l’avenir de l’Internet de l’énergie. Les jumeaux numériques fournissent à ce niveau des répliques virtuelles des actifs énergétiques qui peuvent être utilisées pour tester des stratégies de maintenance prédictive et réaliser des simulations en temps réel en vue de réduire à un minimum les risques de pannes (9).

En exploitant les capacités de stockage d’énergie dans le cloud, les solutions de stockage virtuel permettent aussi d’agréger efficacement les ressources énergétiques distribuées et assurent un meilleur équilibrage du réseau. De plus, des mécanismes de tarification dynamique s’appuyant sur l’IA offrent la possibilité d’ajuster les tarifs d’électricité en temps réel en fonction des fluctuations de la demande et, par conséquent, d’assurer une plus grande rentabilité tout en favorisant une consommation énergétique responsable.

L’ensemble de ces avancées technologiques aura un rôle essentiel à jouer dans la construction d’un écosystème énergétique résilient, adaptatif et pérenne. In fine, l’Internet de l’énergie procure une approche transformatrice de la distribution d’énergie qui se caractérise par une connectivité intelligente capable d’améliorer la stabilité, l’efficacité et la "durabilité" du réseau.

Les ingénieurs et les professionnels de l’approvisionnement sont aux avant-postes de cette évolution, car c’est à eux que revient la tâche de développer le matériel, les réseaux de communication et les mesures de sécurité nécessaires pour réaliser cette vision. Le secteur de l’énergie dispose de tout le potentiel nécessaire pour évoluer vers une infrastructure électrique plus intelligente, plus résiliente et plus pérenne grâce à l’intégration de capteurs IoT, de techniques d’optimisation basées sur l’IA et de protocoles de communication sécurisés.

(1) https://ieeexplore.ieee.org/document/9216056

(2) https://www.iea.org/energy-system/electricity/smart-grids

(3) https://www.iea.org/energy-system/energy-efficiency-and-demand/demand-response

(4) https://www.iea.org/reports/unlocking-the-potential-of-distributed-energy-resources/executive-summary

(5) https://www.transportenvironment.org/uploads/files/2024_10_Study_V2G_EU-Potential_Final.pdf

(6) https://doi.org/10.1063/1.5066264

(7) https://www.iea.org/reports/unlocking-the-potential-of-distributed-energy-resources/executive-summary

(8) https://ieeexplore.ieee.org/document/10181159

(9) https://ieeexplore.ieee.org/document/9216056