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L’EST. ILS TROUVENT UNE PLAINE AU SUD DE LA MÉSOPOTAMIE ET ILS S’INSTALLENT LÀ. ILS SE DISENT ENTRE EUX : « ALLONS ! FAISONS DES BRIQUES ET

CUISONS-LES AU FEU. » LES BRIQUES LEUR SERVENT DE PIERRES, ET LE BITUME LEUR SERT DE CIMENT. PUIS ILS DISENT : «ALLONS ! CONSTRUISONS

UNE VILLE ET UNE GRANDE TOUR AUSSI HAUTE QUE LE CIEL. AINSI, NOUS DEVIENDRONS CÉLÈBRES ET NOUS POURRONS RESTER TOUS ENSEMBLE.»

ALORS LE SEIGNEUR DESCEND DU CIEL POUR VOIR LA VILLE ET LA TOUR QUE LES ÊTRES HUMAINS SONT EN TRAIN DE CONSTRUIRE. ENSUITE, IL DIT : «ILS

FORMENT TOUS UN SEUL PEUPLE ET ILS PARLENT LA MÊME LANGUE. CELA COMMENCE BIEN ! ALORS MAINTENANT, JUSQU’OÙ VONT-ILS ALLER ? RIEN NE POURRA PLUS LES ARRÊTER. ILS VONT FAIRE TOUT CE QU’ILS VEULENT. AH NON ! JE VAIS MÉLANGER LEUR LANGAGE. IL FAUT LES EMPÊCHER

DE SE COMPRENDRE ENTRE EUX !» LE SEIGNEUR LES CHASSE DE LEUR VILLE ET IL LES ENVOIE UN PEU PARTOUT DANS LE MONDE. ILS ARRÊTENT DE

CONSTRUIRE LA VILLE. C’EST POURQUOI ON DONNE À CETTE VILLE LE NOM DE BABEL. EN EFFET, C’EST LÀ QUE LE SEIGNEUR A MÉLANGÉ LE LANGAGE DES HABITANTS DE LA TERRE. ET C’EST À PARTIR DE LÀ QU’IL LES A ENVOYÉS UN PEU PARTOUT DANS LE MONDE ENTIER. //

BIBLE DE JÉRUSALEM, LE CERF, PARIS, 1956

//

À CE MOMENT-LÀ, TOUS LES HABITANTS DE LA TERRE PARLENT LA MÊME LANGUE ET ILS UTILISENT LES MÊMES MOTS. UN JOUR, LES GENS VONT VERS

L’EST. ILS TROUVENT UNE PLAINE AU SUD DE LA MÉSOPOTAMIE ET ILS S’INSTALLENT LÀ. ILS SE DISENT ENTRE EUX : « ALLONS ! FAISONS DES BRIQUES ET

CUISONS-LES AU FEU. » LES BRIQUES LEUR SERVENT DE PIERRES, ET LE BITUME LEUR SERT DE CIMENT. PUIS ILS DISENT : «ALLONS ! CONSTRUISONS

UNE VILLE ET UNE GRANDE TOUR AUSSI HAUTE QUE LE CIEL. AINSI, NOUS DEVIENDRONS CÉLÈBRES ET NOUS POURRONS RESTER TOUS ENSEMBLE.» ALORS LE SEIGNEUR DESCEND DU CIEL POUR VOIR LA VILLE ET LA TOUR QUE LES ÊTRES HUMAINS SONT EN TRAIN DE CONSTRUIRE.

BABEL SÉMINAIRE MÉTROPOLES

ENSUITE, IL DIT : «ILS FORMENT ÉCOLE

D’ARCHITECTURE

DE

LA

VILLE

ET

DES

TERRITOIRES

2016 2016-2017 À

MARNE-LA-VALLÉE

TOUS UN SEUL PEUPLE ET ILS PARLENT LA MÊME LANGUE. CELA COMMENCE BIEN ! ALORS MAINTENANT, JUSQU’OÙ VONT-ILS ALLER ? RIEN NE POURRA PLUS LES ARRÊTER. ILS VONT FAIRE TOUT CE QU’ILS VEULENT. AH NON ! JE VAIS MÉLANGER LEUR LANGAGE. IL FAUT LES EMPÊCHER DE SE

COMPRENDRE ENTRE EUX !» LE SEIGNEUR LES CHASSE DE LEUR VILLE ET IL LES ENVOIE UN PEU PARTOUT DANS LE MONDE. ILS ARRÊTENT DE CONSTRUIRE

LA VILLE. C’EST POURQUOI ON DONNE À CETTE VILLE LE NOM DE BABEL. EN EFFET, C’EST LÀ QUE LE SEIGNEUR A MÉLANGÉ LE LANGAGE DES HABITANTS DE LA TERRE. ET C’EST À PARTIR DE LÀ QU’IL LES A ENVOYÉS UN PEU PARTOUT DANS LE MONDE ENTIER. // TRADUCTION FRANÇAISE D’EDMOND FLEG CHANT NOUVEAU, PARIS, 1946 //

À CE MOMENT-LÀ, TOUS LES HABITANTS DE LA TERRE PARLENT LA MÊME LANGUE ET ILS UTILISENT LES MÊMES MOTS. UN JOUR, LES GENS VONT VERS

L’EST. ILS TROUVENT UNE PLAINE AU SUD DE LA MÉSOPOTAMIE ET ILS S’INSTALLENT LÀ. ILS SE DISENT ENTRE EUX : « ALLONS ! FAISONS DES BRIQUES ET

CUISONS-LES AU FEU. » LES BRIQUES LEUR SERVENT DE PIERRES, ET LE BITUME LEUR SERT DE CIMENT. PUIS ILS DISENT : «ALLONS ! CONSTRUISONS

UNE VILLE ET UNE GRANDE TOUR AUSSI HAUTE QUE LE CIEL. AINSI, NOUS DEVIENDRONS CÉLÈBRES ET NOUS POURRONS RESTER TOUS ENSEMBLE.»

ALORS LE SEIGNEUR DESCEND DU CIEL POUR VOIR LA VILLE ET LA TOUR QUE LES ÊTRES HUMAINS SONT EN TRAIN DE CONSTRUIRE. ENSUITE, IL DIT : «ILS FORMENT

TOUS UN SEUL PEUPLE ET ILS PARLENT LA MÊME LANGUE. CELA COMMENCE BIEN ! ALORS MAINTENANT, JUSQU’OÙ VONT-ILS ALLER ? RIEN NE POURRA PLUS LES ARRÊTER. ILS VONT FAIRE TOUT CE QU’ILS VEULENT. AH NON ! JE VAIS MÉLANGER LEUR LANGAGE. IL FAUT LES EMPÊCHER DE SE COMPRENDRE ENTRE EUX !» LE SEIGNEUR

LES CHASSE DE LEUR VILLE ET IL LES ENVOIE UN PEU PARTOUT DANS LE MONDE. ILS ARRÊTENT DE CONSTRUIRE LA VILLE. C’EST POURQUOI ON DONNE À CETTE VILLE

LE NOM DE BABEL. EN EFFET, C’EST LÀ QUE LE SEIGNEUR A MÉLANGÉ LE LANGAGE DES HABITANTS DE LA TERRE. ET C’EST À PARTIR DE LÀ QU’IL LES A ENVOYÉS UN PEU

PARTOUT DANS LE MONDE ENTIER. // TRADUCTION OECUMÉNIQUE // À CE MOMENT-LÀ, TOUS LES HABITANTS DE LA TERRE PARLENT LA MÊME LANGUE ET ILS UTILISENT LES

MÊMES MOTS. UN JOUR, LES GENS VONT VERS L’EST. ILS TROUVENT UNE PLAINE AU SUD DE LA MÉSOPOTAMIE ET ILS S’INSTALLENT LÀ. ILS SE DISENT ENTRE EUX : «

ALLONS ! FAISONS DES BRIQUES ET CUISONS-LES AU FEU. » LES BRIQUES LEUR SERVENT DE PIERRES, ET LE BITUME LEUR SERT DE CIMENT. PUIS ILS DISENT : «ALLONS

! CONSTRUISONS UNE VILLE ET UNE GRANDE TOUR AUSSI HAUTE QUE LE CIEL. AINSI, NOUS DEVIENDRONS CÉLÈBRES ET NOUS POURRONS RESTER TOUS ENSEMBLE.» ALORS LE SEIGNEUR DESCEND DU CIEL POUR VOIR LA VILLE ET LA TOUR QUE LES ÊTRES HUMAINS

LES COULISSES DE LA VILLE

BABEL SOUS TENSION

VERS L’OPTIMISATION ÉLECTRONIQUE DES RÉSEAUX & DES MÉTROPOLES SONT EN TRAIN DE CONSTRUIRE. ENSUITE, IL DIT : «ILS FORMENT TOUS UN SEUL PEUPLE ET ILS PARLENT LA MÊME LANGUE. CELA COMMENCE BIEN ! ALORS MAINTENANT, JUSQU’OÙ VONT-

ILS ALLER ? RIEN NE POURRA PLUS LES ARRÊTER. ILS VONT FAIRE TOUT CE QU’ILS VEULENT. AH NON ! JE VAIS MÉLANGER LEUR LANGAGE. IL FAUT LES

EMPÊCHER DE SE COMPRENDRE ENTRE EUX !» LE SEIGNEUR LES CHASSE DE LEUR VILLE ET IL LES ENVOIE UN PEU PARTOUT DANS LE MONDE. ILS ARRÊTENT DE CONSTRUIRE LA VILLE. C’EST POURQUOI ON DONNE À CETTE VILLE LE NOM DE BABEL. EN EFFET, C’EST LÀ QUE LE SEIGNEUR A MÉLANGÉ LE LANGAGE DES


Babelectric

CrĂŠdits : Matthieu Stefani


« CELA COMMENCE BIEN ! ALORS MAINTENANT, JUSQU’OÙ VONT-ILS ALLER ? RIEN NE POURRA PLUS LES ARRÊTER. ILS VONT FAIRE TOUT CE QU’ILS VEULENT.» EXTRAIT DE L’ANCIEN TESTAMENT GN 11,1-9 BIBLE DE JÉRUSALEM, LE CERF, PARIS, 1956 (1ÈRE ÉDITION)

BABEL SOUS TENSION VERS L’OPTIMISATION ÉLECTRIQUE DES RÉSEAUX & DES MÉTROPOLES Matthieu Stefani

AVANT-PROPOS 4

JUSQU’OÙ VONT-ILS ALLER ?

6

1

ORIGINE & ESSOR

8

2

LES ÉLÉMENTS DU RÉSEAU

24

3

PERSPECTIVES D’AVENIR

80

ÉLECTRICITÉ & RÉALITÉS

132


AVANT-PROPOS Cet ouvrage, fruit d’un travail d’un an et demi dans le cadre de mon mémoire de fin d’études, se présente à la fois comme une enquête, une histoire et une vulgarisation encyclopédique de l’électricité, de son réseau et de son lien à nos villes. L’enquête tend à répondre à plusieurs questions : -Quelles dynamiques permirent à l’électricité d’accompagner le développement humain et urbain ? -De nos jours quel est l’état du réseau électrique et comment fonctionne-il ? -Quels sont les problèmes actuels s’appliquant au réseau électrique et quelles solutions y sont apportées ? -Les solutions d’aujourd’hui sur le réseau électrique seront-elles aussi les solutions de demain ? Au delà de l’enquête, ce mémoire raconte aussi une formidable histoire. En narrant la fulgurante ascension de notre civilisation moderne au travers du spectre de l’électricité, en décrivant les composantes actuelles du réseau électrique et en prospectant sur le devenir de ce dernier, ces pages présentent l’histoire des progrès contemporains, passés et à venir de notre civilisation électrique. Enfin, par l’écriture et l’illustration, ce mémoire est une forme de vulgarisation encyclopédique traitant de l’électricité et de son réseau, de ses usages urbains et des systèmes qui y sont liés. Les paragraphes qui traitent des sujets techniques sont abordés de manière à les rendre compréhensibles par tous. La rapide description de l’ensemble des composantes du réseau électrique, de leurs avantages et inconvénients, permet d’appréhender l’entière complexité de ce système et d’en comprendre les enjeux. Par sa filiation directe aux thèmes de l’architecture, de l’urbanisme et de l’environnement, ce mémoire analyse le réseau électrique au regard du fonctionnement des villes et de la manière de les concevoir. Il se penche principalement sur le territoire national français et ses grandes métropoles, tout en étudiant succinctement le reste du monde et ses dynamiques globales. Les trois parties distinctes de ce mémoire (passé, présent, futur) furent rédigées et illustrées dans le même ordre. Leurs lectures devraient vous apporter les même réactions et impressions que j’ai éprouvées lors de leurs rédactions : de la découverte avec étonnement, de la compréhension suivie de questionnements. La partie historique apparaît progressiste, pleine de surprises, avec une pointe de nostalgie. La description chronologique des progrès de l’électricité au travers différentes thématiques, permet de se rendre compte de la fulgurante percée de l’électricité et des avancées sociales, techniques et technologiques qu’elle véhicula. La seconde partie décrivant l’état actuel des choses, est certes plus monotone et parfois même un peu rébarbative, cependant elle n’en est pas moins riche d’enseignements. Aussi exhaustive que possible, elle permet par les données et les explications d’appréhender au mieux le réseau électrique. C’est la partie prospective finale qui contient le plus de rebondissements. Elle offre dans un premier temps des perspectives réellement encourageantes, puis par leurs remises en question, elle soulève des inquiétudes. Je tiens ici à avertir le lecteur, que cette partie remet en cause bien des fondements de nos sociétés et qu’elle semble parfois véhiculer une vision pessimiste et désespérante de l’avenir énergétique global. 4


Pourtant cette partie est aussi objective que possible, évitant l’optimisme trompeur et le pessimisme aveuglant. Les propos soutenus et les données avancées sont des plus réalistes et sont tous référencés et issus de groupes reconnus pour leur expertise. Faire preuve de réalisme c’est tenter de comprendre les faits, les choses et les systèmes dans leur entière complexité. Être réaliste sur l’état actuel des réseaux, sur l’avenir énergétique et sur le devenir de nos sociétés urbanisées fortement industrialisées, c’est aussi être réaliste pour son propre avenir et celui des autres citoyens. Finalement faire preuve de réalisme c’est la seule voie possible vers des projets d’avenir réalistes ! À ce sujet l’auteur sociologue américain Philip Elliot Slater écrivait : « Le désespoir est le seul remède contre l’illusion, sans désespoir il nous est impossible de redescendre sur Terre - il s’agit, en quelque sorte, d’une période de deuil de nos fantasmes. Certains ne survivent pas à ce désespoir, mais sans lui aucun changement majeur ne peut se produire ». S’agissant d’un sujet complexe à appréhender, ce travail fut plus long que prévu. Certainement aussi car la tâche de vulgarisation et d’explication fut réellement de grande ampleur. Mais ce qui a indéniablement étoffé la réalisation de ce mémoire, ce fut le désespoir engendré par la compréhension de certains phénomènes socio-économiques, reliant électricité, énergie, environnement, économie et société. Cette détresse engendrée par une série de désillusions, fut une période compliquée de longue remise en question et donc forcément d’approfondissements de certaines thématiques dans cet ouvrage. Une fois intégrés et assimilés, désillusions et désespoir laissèrent place à de nouvelles espérances et opportunités. Les lecteurs ont la possibilité d’aborder ce mémoire de manière personnelle. C’est ainsi que les trois parties peuvent tout à fait être découvertes dans l’ordre de présentation ou lues indépendamment. Ainsi, pour se rendre compte de la frénétique épopée de l’électricité, allez directement voir à la page 8. Pour tenter de comprendre le réseau électrique dans son intégralité, lisez depuis la page 24 jusqu’à la page 79. Enfin, pour s‘approprier les concepts énergétiques à venir et le monde de demain, feuilletez le à partir de la page 80.

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JUSQU’OÙ VONT-ILS ALLER ? « Cela commence bien ! Alors maintenant, jusqu’où vont-ils aller ? Rien ne pourra plus les arrêter. Ils vont faire tout ce qu’ils veulent. » extrait de l’Ancien testament Gn 11,1-9 Bible de Jérusalem, Le Cerf, Paris, 1956 (1ère édition)

Dans le monde d’aujourd’hui, dans notre société développée, le réseau électrique est devenu quelque chose d’aussi évident que l’accès à l’eau potable. Ceci, n’a pas toujours été le cas. De fait, nous n’y prêtons plus la même attention que lors de ses prémisses ou lors de ses premières grandes transformations. Aujourd’hui, ses usages extrêmement diversifiés en font un des outils les plus utiles à notre monde moderne. Il nous est utile pour faire fonctionner nos appareils ménagers, nos transports en commun et de plus en plus nos transports individuels. Il permet de nombreuses applications industrielles. Il a facilité nos communications au point de les rendre instantanées et presque illimitées. Il nous chauffe, nous éclaire, nous soigne, nous permet d’échanger des valeurs économiques à des vitesses jamais égalées. En somme, le réseau électrique et son agent l’électricité sont garants de la stabilité et de la perpétuité de notre monde. On peut en quelque sorte dire du réseau électrique que c’est le réseau des réseaux. Autrement dit c’est le réseau qui permet le fonctionnement correct des autres réseaux. Sans lui, pas d’eau courante car les pompes et surpresseurs qui alimentent nos canalisations fonctionnent en majorité à l’énergie électrique. Sans lui, plus de transports, il alimente notamment les feux de signalisations, les réseaux ferrés, les communications aériennes, les pompes des stations essence et les stations vélib et autolib... 6


Sans lui, plus de télécommunications, plus d’échanges boursiers, plus de moyens de paiements dématérialisés. Sans lui, plus de cuisines modernes, plus de chauffages électriques, plus de télévisions, plus d’ordinateurs, plus d’hôpitaux fonctionnels... Les Humains et plus spécifiquement les urbains sont donc devenus totalement dépendant du réseau électrique. Jusqu’où vont-ils aller avec ce dernier ? C’est à partir de ce constat qu’il m’a semblé intéressant de l’étudier. L’étudier, c’est essayer de comprendre les dynamiques qui permirent son apparition et son développement. Autrement dit c’est regarder dans un premier temps les grandes découvertes qui permirent par la suite l’apparition de multiples technologies et donc de nombreuses applications liées à l’électricité et à son réseau. L’étudier c’est aussi regarder les éléments qui le synthétise. C’est essayer de comprendre l’ensemble de sa composition : quels sont les producteurs, les transporteurs, les distributeurs et les différents consommateurs. De fait, les moyens de production sont de nos jours des plus variés et de nouveaux modes de production d’électricité font aujourd’hui leurs apparition avec l’engouement pour les énergies renouvelables. L’étude portera aussi sur la gestion, le transport et la distribution, qui sont en France en situation de quasi monopole sous l’égide de EDF, RTE et Enedis. Enfin, l’étude s’intéressera aux différents postes de consommation, à l’évolution de la consommation en France, et en Île de France et à la production/consommation à l’échelle Européenne et mondiale. Cette étude est aussi un prétexte pour regarder avec le plus grand intérêt l’avenir du réseau électrique. De par la difficulté à extrapoler l’avenir d’un réseau tel que celui-ci, il me semble naturel de faire l’impasse sur certaines problématiques, notamment celle trop polémique du nucléaire... Cette partie dédiée au futur verra surtout le développement d’une réflexion axée sur la notion de Smart Grid (réseau intelligent). En s’attardant sur les moyens d’intégration des énergies renouvelables, sur nos capacités de stockage de l’énergie, et sur l’ensemble des problématiques soulevée par les Smart Grid, nous verrons les applications possibles et les conséquences des Smart technologies sur l’architecture et l’urbanisme. Finalement, une synthèse, permettra de se faire sa propre idée sur l’avenir du réseau électrique et donc sur l’avenir énergétique des villes ! 7


8


1

ORIGINE & ESSOR

« LA VALEUR D’UNE IDÉE DÉPEND DE SON UTILISATION »1

DÉCOUVERTE APPLICATION PERFECTIONNEMENT DIVERSIFICATION DES USAGES SYNERGIE DES TECHNIQUES NOUVELLES DÉCOUVERTES

De découvertes en découvertes Crédits : Matthieu STEFANI

Cette citation de Thomas Edisson met en avant la principale caractéristique de l’électricité expliquant la réussite de son développement historique : une multitude d’usages et d’applications. Cette grande variété d’utilisations est la raison qui fait aujourd’hui de l’électricité, une alliée incontournable dans de nombreux domaines y compris ceux de l’architecture, de l’urbanisme et de la construction. Pour comprendre les raisons du développement du réseau électrique, il faut dans un premier temps s’attarder sur les principales découvertes liées à l’électricité et sur les techniques qui en ont découlées. Des frises chronologiques thématiques permettront de comprendre les dynamiques de développement de l’électricité au travers de différents sujets (découvertes et inventions, l’éclairage, les transports, les communications et enfin, le vivre & travailler). Il est en effet possible de rapidement comprendre l’importance prise par l’électricité dans nos vies au travers l’exploration de ces simples thématiques de société. Il est aussi important de comprendre que l’innovation technologique apportée par l’électricité dans un domaine profite ensuite à d’autres secteurs.

1 Cette citation est de Thomas Edison (1847-1931), ingénieur américain, fondateur de General Electric. Il a déposé le brevet de l’ampoule électrique domestique en 1879.

9


1.1 DÉCOUVERTES & INVENTIONS Longtemps inexpliqués, les phénomènes électriques ont toujours inquiétés, amusés et déroutés. En 1746, le physicien anglais Watson écrit :

1733

1746 1745

«Si on me demande quelle peut être l’utilité des effets électriques, je ne puis lui répondre autre chose, sinon que jusqu’à présent nous ne sommes pas encore avancés dans nos découvertes au point de les rendre utiles au genre humain».

1753 1752

On prête les premières observations sur l’électricité (statique) à Thalès de Milet ( vers 600 av. J.-C.). Observations faites en frottant des fragments de tissus sur de l’ambre. Les premières vraies recherches de compréhension du phénomène remonte au début du XVIIIème siècle. Grâce aux différents appareils destinés à produire de l’électricité et à des expériences variées, on établit la distinction entre électricité vitrée et électricité résineuse (positive et négative).

1778

Ce sont les savants de la fin du XVIIIème siècle qui s’intéressent de manière plus approfondie sur les curieux pouvoirs de l’électricité et surtout sur ses origines. D’origine animale lorsque Luigui Galvani en 1780 remarque que les muscles d’une grenouille se contractaient brusquement sous la stimulation d’une étincelle électrique. Et d’origine métallique, lorsque le jeune Alessandro Volta inventa la pile électrique à plaque d’argent et de zinc, capable de produire du courant de manière continue. Très rapidement améliorées, les piles électriques se sont alors répandues à diverses et nombreuses applications. Mais c’est avec la découverte et la compréhension des phénomènes de l’électromagnétisme, que les avancées majeures sont accomplies dans le domaine des applications de l’électricité. De fait l’électromagnétisme découvert à l’aide des recherches d’Ampère reprises et concrétisées par Michael Faraday vont permettre de nombreuses inventions électriques comme le moteur, le télégraphe et d’autres. C’est une génération plus tard, en 1887 que Henrich Hertz annonce être capable de produire et de détecter des ondes aux propriétés électromagnétiques : «les ondes hertziennes»... Découverte qui permit l’invention de la radio, de la télévision et des communications sans fils. C’est ainsi que les premières années du XIXéme siècle ont fourni les avancées scientifiques nécessaires pour que s’ouvre le champs des applications de l’électricité : force motrice, communication et galvanoplastie entre autres. 10

1785 1791 1801 1800

1816 1822 1827 1831

1820

1840 1845 1850 1854 1860 1866 1870 1877 1876 1879 1888 1896 1895 1900


Du Fay découvre les charges positives et négatives et observe leurs interactions Machines électriques à frottement Bouteille de Leyde (condensateur) Benjamin Franklin décrit le principe du paratonnerre Le physicien Georg Richmann est foudroyé dans son labo : 1er victime connue de l'histoire de l'électricité !

Les premières machines à frottements, 1745-1801. Crédits : Alain Beltran, La fée Électricité.

Théorie de Franz Anton Mesmer : l'univers est dans un fluide source d'électricité et de magnétisme Travaux de Charles Coulomb sur l'électrostatique Luigi Galvani publie son traité sur l'électricité animale Alessandro Volta invente la pile Machines électriques à frottement

Alessandro Volta faisant la démonstration et le descriptif de sa pile (eau salée, argent, zinc), 1800. Crédits : Alain Beltran, La fée Électricité.

Francis Ronalds teste un dispositif de communication filaire Oersted découvre les interactions électromagnétiques André-marie Ampère découvre l'action réciproque des courants et des aimants, (l'électrodynamique) la base des moteurs électriques Georges Ohm énonce ses lois sur les courants électriques Michael Faraday découvre l'induction électromagnétique Gustav Kirchhoff définit le " potentiel électrique " Invention du télégraphe électrique Charles Wheatstone utilise des électroaimants pour générer un fort courant électrique grâce à une super-dynamo Invention de la galvanoplastie Charles Bourseul publie un article dans L'Illustration du 26 août, sous le titre " Transmission électrique de la parole " James Maxwell élabore la théorie du champ électromagnétique Le premier câble télégraphique transatlantique est posé Zénobe Gramme invente la dynamo Graham Bell met au point le téléphone Thomas Edison invente le phonographe à cylindre Thomas Edison invente la lampe à incandescence Nikola Tesla brevette son moteur à induction à courant alternatif et plusieurs instruments utilisant les champs magnétiques rotatifs. Travaux sur les électrons de H. Lorentz, J. Perrin, et J.J. Thomson Wilhelm Röntgen découvre les rayons X Guglielmo Marconi : 1ère transmission par télégraphie sans fil Le "Palais de l'Electricité" lors de l'Exposition universelle de Paris Nikola Tesla découvre le principe du radar et en publie les bases

Frise chronologique des grandes découvertes et inventions sur l’électricité. Crédits : Matthieu STEFANI

Michael Faraday, découvre les lois de l’induction électromagnétique, et en étudie les effets, 1831. Crédits : Alain Beltran, La fée Électricité.

Nikola Tesla breveta son moteur à induction à courant alternatif en 1888. Crédits : Alain Beltran, La fée Électricité.

11


1.2 S’ÉCLAIRER De tout temps, s’éclairer à été un des besoins le plus primaire de l’espèce humaine. Dans un premier temps pour se protéger la nuit, pour chasser, pêcher et communiquer le soir. Puis, dans un second temps, la lumière a été un des facteurs de développement des civilisations humaines. L’éclairage urbain permit notamment d’étendre les heures d’ouverture des magasins, de sécuriser les ruelles sombres et de réduire les accidents de la route. Le Corbusier écrivait à son sujet :

«L’architecture est le jeu savant, correct et magnifique des volumes assemblés sous la lumière» L’éclairage électrique a mis du temps à s’imposer en ville et dans les foyers. En effet l’électricité et ses applications d’éclairage concurrencèrent dans un premier temps l’éclairage urbain au gaz ou au fuel. Il fallut de nombreuses avancées technologiques et le perfectionnement de ces dernières pour démontrer l’efficacité de l’éclairage électrique face à l’éclairage au gaz ou au fuel. Les premières lampes électrique à arc avaient des durées de vie très faibles, de même que les premières lampes à incandescence. Malgré leurs durées de vie limitées, elle finirent par s’imposer car elle ne dégageaient pas de gaz toxiques et parce qu’elles ne noircissaient pas les surfaces adjacentes. Mais si elles ont réussi à s’imposer c’est surtout par leur faible dangerosité. De fait les lampes à huile à pétrole ou à gaz étaient souvent à l’origine d’intoxications, de graves incendies ou même de dramatiques explosions. Le développement soudain de l’électricité en ville et de l’éclairage urbain est initié à partir de l’invention de la lampe à incandescence de Thomas Edison. À partir de ce moment là, de nombreuses autres technologies émergent, comme de nouvelles lampes à incandescence ou même les tubes fluorescents utilisés par Nikola Tesla dans son laboratoire et déjà alimentés sans fil par induction à l’aide d’un champ électrique à haute fréquence. Depuis les premiers pas de l’éclairage électrique, les découvertes et les nouvelles technologies dans ce domaine se suivent et ne se ressemblent pas. Les progrès nous ont apporté des lampes de haute puissance, des lampes étanches pour la plongée, des lampes au spectre varié ou spécifique, des lampes économes en énergie, des lampes d’horticulture, des lampes spécialisées dans les applications de luminothérapie, des lampes issues de matières organiques (O-LED), des lampes au faisceau concentré (laser) et même des lampes fonctionnant dans le vide spatial... 12

1705 1813 1835 1857 1869 1872 1872

1867

1879 1882 1891 1895 1901 1907 1906 1910 1920 1927 1926 1932 1945 1952 1959 1962 1961 1967 1980 1985 1994

2008 2016

2014


Description de la lampe à décharge par Francis Hauksbee, il découvre la lumière électrique en même temps que Pierre Polinière Premier arc électrique artificiel par le physicien Humphrey Davy James Bowman Lindsay présente un prototype de lampe électrique Heinrich Geissler : pompe à vide à déplacement de mercure, ce tube de verre est un précurseur des lampes à décharge Première lampe fluorescente par le physicien Edmond Becquerel William Crookes invente le tube à décharge électrique Alexandre Lodyguine : lampes électriques à fil placé dans le vide Thomas Edison découvre et fait breveter l'effet Edison Henry Woodward brevète un premier système de lampe électrique Joseph Wilson Swan invente la première lampe à incandescence Edwin A. Scribner : lampe à filament carbone utilisant de la chlorine Nikola Tesla : la lampe à induction : une lampe à décharge basse pression, alimentée par un champs électrique haute fréquence Wilhelm Röntgen découvre les rayons X grâce au tube de Crookes T.Edison invente la lampe fluorescente à partir d'un tube à rayon X Peter Cooper Hewitt invente la lampe à vapeur de mercure Küch et Retschinsky : une lampe à vapeur de mercure en quartz H. J. Round : première émission de lumière par semi-conducteur Georges Claude montre sa lampe néon au Mondial de l'automobile Owen Willans Richardson : médaille Hughes de la Royal Society (travail sur l'émission thermoïonique, la base du tube à vide) Meyer et Spanner : la lampe à haute pression de mercure (MH) O. V. Losev : brevet de la diode électroluminescente L'ère des lampes MH commence, General Electric Company propose une lampe de forte puissance à usage urbain Première lampe à vapeur de sodium

La première lampe à incandescence opérationnelle fabriquée par Edison, 1881. Crédits : Edison Historic Site, Orange.

Généralisation des tubes fluorescents produits par Philips Les ballons fluorescents : en forme de lampes à incandescence Généralisation des lampes à vapeur de sodium E.G.Zubler et F.Mosby : la lampe à incandescence halogène Lampes sodium haute pression (HPS pour High Pressure Sodium) Nick Holonyak invente la première LED utilisable à spectre visible Première lampe à iodures métalliques par General Electric Les recherches de S.Nakamura et T.Mukai dans la technologie des semi-conducteurs InGaN permirent la création des premières LED Nouvelles lampes à iodures émettant différentes teintes de blanc

Le palais de l’électricité à l’Exposition Universelle de Paris de 1889. Crédits : Alain Beltran, La fée Électricité.

Nouvelles lampes à iodures à brûleur céramique une durée de vie plus longue de 50% En Europe, interdiction progressive des lampes à incandescence à partir du 1er septembre 2009 jusqu'à leur abandon total en 2012 Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano reçoivent le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les LED bleues Généralisation progressive des LED mise sur le marché des O-LED (led organiques)

Frise chronologique des progrès de l’éclairage électrique. Crédits : Matthieu STEFANI

L’électricité au service des arts du spectacle : évacuation de la chaleur et des fumées et des jeux de lumières impressionnants. Crédits : Alain Beltran, La fée Électricité.

13


1.3 SE DÉPLACER Il est de nos jours couramment admis, que les distances ne reflètent plus le temps qu’il faut pour les parcourir. Notre civilisation moderne avance toujours plus vite et se déplace à des allures toujours plus phénoménales. Il suffit pour cela de regarder la carte bien connue des distances de France relatives au temps qu’il faut pour les parcourir. Notre territoire national y est représenté en fonction des temps de trajets et non en fonction d’une échelle de distance. Ainsi Marseille y est bien plus proche de Paris que de Toulouse ou que de bien d’autres villes encore. La propulsion électrique des véhicules est longtemps restée un rêve largement concurrencé par de nombreux autres moyens de propulsion. Le chemin a été long avant d’arriver au record du 3 avril 2007 à 13 h 13, lorsque la rame TGV d’essai n°4402 établi un nouveau record officiel à 574,8 km/h (soit une vitesse de 159,6 m/s). Les premières applications de propulsion électrique furent évidemment des trains et des trams. Mais très rapidement furent développés de nombreux autres véhicules électriques. Ainsi la première voiture électrique date de 1841, mais il faudra attendre le développement de batteries plus efficaces pour voir apparaître les premiers modèles autonomes.

1835 1838 1841

1859 1863

1879 1880 1881 1888 1891

1896 1895 1899 1903 1913 1912

L’histoire de la voiture électrique comprend moult rebondissements, à la fois politiques et économiques, mais aussi technologiques. Au delà de la concurrence présentée par les moteurs essence et diesel de grosse puissance et de haut rendement. Certains paramètres intrinsèques à l’automobile électrique limitèrent son développement. D’une part la capacité de charge et de puissance des batteries est un des facteurs limitant, problématique, aujourd’hui en passe d’être résolu. De même, le chargement et l’apport énergétique des batteries posent de nombreux problèmes aux gestionnaires de réseaux (cf : Partie 3, page 83)

1918

Au delà de la voiture et de la locomotive électrique, il ne faut pas oublier que les véhicules électriques sont légions, on trouve ainsi des scooters électriques, des vélos assistés électriquement, des trams et des bus et plus récemment des avions électriques autonomes comme le célèbre Solar Impulse de Bertrand Picard. Il ne faut pas non plus oublier que c’est l’électricité qui permit aux astronautes de se mouvoir rapidement sur la lune, à l’aide du Rover lunaire. Enfin aujourd’hui, les sous-marins, de nombreux bâtiments de marine et même certains «speed boat» de particuliers se déplacent avec des moteurs électriques, ces derniers fonctionnant à l’énergie atomique ou bien à l’aide d’une pile à combustible alimentée avec de l’hydrogène.

1988

14

1920

Dès 1925 1966 1972 1971 1976 1976

1996 - 1998 1997 - 2000 2002 2006 2009 2015 - 2016


Thomas Davenport construit une petite locomotive électrique Robert Davidson crée un modèle similaire roulant jusqu’à 6 km/h Davidson présente "La Galvani" lors de l'exposition de la Société écossaise royale des arts

Gaston Planté invente la batterie rechargeable au plomb acide "le Plongeur" : premier sous-marin "électrique", des réserves d'air comprimé à 180 bars sont faites avant la plongée Werner von Siemens :1er train à traction électrique avec passagers Werner von Siemens présente le premier ascenseur électrique lors de l'Exposition Industrielle de Mannheim Camille Faure améliore la batterie rechargeable au plomb acide "Le Téléphone" de Gustave Trouvé, prototype de bateau électrique qui atteint une vitesse de 2,5 m/s (9 km/h) Nikola Tesla brevette et présente la génératrice à courant alternatif Charles Brown : 1er utilisation ferroviaire du courant alternatif William Morrison construit la première vraie voiture électrique Sous-marin radio-commandé de Tesla, six torpilles, pas d'équipage La Riker électrique de Andrew Riker remporte une course "La Jamais Contente" 1ère auto électrique dépassant les 100 km/h La Phaeton de Wood, 29 kilomètres à 22.5 km/h, coutait 2000 $ Apogée de la voiture électrique : plus du tiers des voitures en circulation sont électriques Nikola Tesla brevette la turbine Tesla qui utilise l'effet de couche limite La Anderson Electric Car Company présente son modèle à Détroit Le Normandie, premier embléme de la propulsion navale électrique Déclin de la voiture électrique : faible autonomie, vitesse trop basse, manque de puissance, disponibilité du pétrole, prix élevé.

La «Jamais Contente», première voiture électrique à dépasser les 100 km/h, 1899.

Crédits : Alain Beltran, La fée Électricité, Dary 1900.

Le début du métro parisien, et les premières locomotives électriques en 1890. Crédits : Le supplément illustré du Petit Parisien, 1900.

Le congrès américain recommande l'achat de véhicules électriques Le Rover lunaire roule pour la première fois sur la lune (Apollo 15) La Buick Skylark de General Motors : première voiture hybride Première expérience de tramway électrique à Berlin par Siemens, Une locomotive tracte 3 wagons transportants chacun 6 personnes General Motors lance un fond de recherche pour développer une nouvelle voiture électrique qui deviendra la EV 1 General Motors produit 1117 EV1, 800 d’entre elles en location Concurence entres constructeurs sur les électriques hybrides General Motors, DaimlerChrysler et le président George Bush font annuler la loi Zero Emission Vehicle (ZEV) de 1990. Chris Paine : documentaire intitulé "Who Killed the Electric Car?" Le Groupe Bolloré annonce la sortie de la Pininfarina Blue Car et le déploiement de 16.000 points de charge sur 4 ans (150 M€) Traversée de la Manche par un avion électrique : l'E-Fan d'Airbus Tentative de tour du monde de Bertrand Piccard en avion électrique solaire, le solar impulse 2 bât le record mondial de vol en solitaire.

Frise chronologique de l’évolution des véhicules électriques. Schéma : Matthieu STEFANI

Le Normandie, 1920.

Crédits : Forummarine.forumactif.com

James B. Irwin & le rover lunaire, Apollo 15, 1971.

Crédits : NASA

15


1.4 VIVRE & TRAVAILLER

1800

L’un des aspects les plus important de l’électricité est sa diversité d’usage. Nous n’y prêtons même plus attention mais l’électricité et ses usages sont partout. Elle fait fonctionner une grande partie de notre monde et sans elle, nous serions bien démunis.

1834

Aujourd’hui nous vivons et travaillons entourés d’appareils électriques, de robots et autres automates programmables. Il est même étrange de se dire que certaines technologies électrique n’existaient pas avant. C’est par exemple le cas de l’aspirateur, seules quelques décennies séparent son invention de son automatisation, il est maintenant commun d’en rencontrer chez les particuliers, alors qu’un siècle auparavant, le balai était la seule solution de dépoussiérage des sols. Il en va de même pour la cuisson et la conservation des aliments. Nous sommes rapidement passés du cellier et de ses bocaux à la réfrigération puis à la congélation. Peu de temps avant le four à micro-ondes et les plaques à induction, seuls les poêles à bois ou au gaz permettaient la cuisson de la nourriture. Les progrès de l’électricité et de ses usages se ressentent aussi au niveau des diagnostiques médicaux et des soins apportés aux patients. Ces derniers s’améliorent grâce à l’utilisation de diverses technologies comme les scanners les IRM et les organes artificiels autonomes. Nous pouvons affirmer, que c’est l’électricité qui permit d’allonger la période de la révolution industrielle, essentiellement par la découverte de procédés électrochimiques comme l’électrolyse ou la galvanisation. Plus récemment, c’est la robotique et l’automatisation des procédés industriels, qui permirent une modernisation des industries, comme celle de l’automobile dès les années 60. Actuellement c’est la seconde révolution industrielle qui trame nos vies et nos modes de consommation. Ses prémices sont les travaux d’Alan Turing et des premiers électrotechniciens, rapidement repris par de grandes sociétés, pressées de démocratiser les technologies digitales pour le grand public. Il est aujourd’hui aisé pour tout à chacun, d’innover et de créer à l’aide d’outils CNC (computer numerical control) comme la découpeuse laser, la fraiseuse numérique ou bien même grâces aux techniques d’impressions 3D, le summum des technologies en développement. Encore une fois l’ensemble des techniques et de leurs applications se recoupent pour former de nouveaux usages. Ainsi apparaissent des innovations toujours plus audacieuses comme des machines auto-reproductrices, des impressions d’organes fonctionnels et des greffes de prothèses high tech. 16

1840

1888 1893 1907 1906 1912 1911 1915 1920 1929

1943 1943

1941

1950 1954 1958 1967 1973 1983

1971 1981

1995 1997 1999 2002 2008 2014 2013


Première éléctrolyse par deux chimistes britanniques, William Nicholson et Sir Anthony Carlisle

Charles Babbage commença à imaginer sa machine analytique, l’ancêtre des ordinateurs Galvanisation à chaud au trempé, brevets déposés par le Français Stanislas Sorel

F.W.Schindler-Jenny conçoit le premier fer à repasser électrique Friedrich Wilhelm Schindler-Jenny présente la première cuisinière électrique à l'exposition mondiale de Chicago Le premier aspirateur électrique est commercialisé sous le nom de « pompe à dépoussiérage » "Rectigraph", commercialise la première photocopieuse Premier moulin à café électrique par Elektricitäts-Gesellschaf Krupp commercialise une caisse enregistreuse éléctromécanique Invention du premier traceur de pression artérielle

Ateliers des bains pour l’argenture électrochimique dans l’usine de Charles Christofle à Paris, 1844. Crédits : Les Merveilles de la science, Tome 2, Louis Figuier.

Les machines à laver sont équipées d'un moteur électrique Brevet aux États-Unis de la technique de surgélation par Clarence Birdsey, commercialisation en 1930 du réfrigérateur Publication de l'article "On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungsproblem" par Alan Turing Konrad Zuse, Zuse Z3, Allemagne, premier calculateur électromécanique automatique et programmable Premier rein artificiel par l'inventeur Willem Kolff, néerlandais, les premières utilisations réellement efficaces auront lieu après 1960 Apparition de l'échographie et de la prothèse auditive George Devol, brevet de Unimate, le premier robot industriel Première vidéoconférence à l'Exposition Universelle de Bruxelles Peter Houldcroft invente un procédé de découpe avec gaz et buse de focalisation, la découpe laser vient d'être inventée Début de l'imagerie médicale : tomographie de rayons X (scanner) Le Micral N, premier micro-ordinateur, par François Gernelle Disponibilité de cœur artificiel avec de microélectrodes en implant Naissance de l’impression 3D par stéréolytographie procédé de Charles Hull aujourd’hui vice-président de 3D Systems Intel, Microsoft et RADVISION commercialisent des systèmes de vidéoconférence (VoIP) en vue de la standardisation. Premier robot aspirateur commercialisé par Electrolux : le Trilobite. Suivent de nombreux autres ( surveillance, jardinage,repassage...) Première impression 3d de prothèses Impression 3d du premier rein fonctionnel Le RepRap project, une imprimante 3d capable de se dupliquer

Publicité pour un aspirateur, 1923. Crédits : Alain Beltran, La fée Électricité.

Zuse Z3, premier calculateur électromécanique automatique et programmable, 1941. Crédits : Konrad Zuse Museum.

Recul des ventes de PC au profit des tablettes et smartphones Remplacement d'un crâne par une prothèse d'impression 3d

Frise chronologique des «incontournables» électriques de la vie» Schéma : Matthieu STEFANI

Impression 3D d’organes, 2016. Crédits : HP website

17


1.5 COMMUNIQUER L’électricité a radicalement changé notre monde, mais ce sont les moyens de communications modernes qui spécifiquement ont encore plus prodigieusement révolutionnés notre civilisation. Ces nouveaux systèmes de communication ont changé notre manière d’appréhender ce vaste monde. Ils ont changé nos façons de communiquer, de transmettre nos connaissances et ont même fait évoluer les méthodes de travail. Les premières avancées dans ce domaines furent d’abord axées autour de l’optique électronique (systèmes de télégraphie optique). Rapidement suivirent les technologies de télégraphies électriques câblées. C’est à partir de cette période que l’on assiste à l’expansion des réseaux de communication. Très rapidement des lignes de transmission sont érigées à travers les pays afin de relier des acteurs d’intérêt économiques. De nombreuses autres démonstrations sont faites, ainsi on communique à l’aide des éléments, comme lorsqu’en 1854, à l’aide d’une rivière, des échanges de messages sont effectués sur plus de 3 kilomètres. Rapidement les connexions s’affranchissent des distances entre continents. Dès 1866, après plusieurs tentatives infructueuses, l’équipage du Great Eastern réussit enfin à poser le premier câble transatlantique. Dès l’apparition du téléphone, le développement de l’infrastructure téléphonique se fait très rapidement. Ainsi seulement 4 ans après son invention la première ligne téléphonique est en place et ouvre aux États-Unis. Dans le même temps des progrès dans les communications par onde sont faites, d’abord par Nikola Tesla, puis par Guglielmo Marconi. Le XXème siècle est marqué par la démocratisation du téléphone et des différentes technologies TSF. La moitié du siècle voit apparaître les premières applications numériques de télécommunications, comme le téléphone mobile, le réseau Télex, les satellites de télécommunications, le fax numérique et les prémices d’Internet avec l’ARPANET. La seconde moitié du XXème siècle et l’aube du XXIème siècle sont eux marqués par le perfectionnement des techniques, la diversification de leurs applications et l’innovation des usages de ces nouvelles technologies. C’est ainsi qu’apparaît la course au débit pour l’accès à Internet et aux réseaux mobiles. Et c’est aussi cette synergie des technologies et de la diversité de leurs usages qui permet aujourd’hui d’imaginer la troisième révolution industrielle et ses systèmes complexes, comme les Smart Grids, les maisons intelligentes et les algorithmes de traitements de Big Data ! Face aux récentes problématiques des ressources limitées et de l’éthique liée à leurs extractions, reste à voir, si les prophéties d’un avenir technologique radieux s’auto-accompliront ou échoueront lamentablement... 18

1794 1832 1839 1845 1849 1854 1866 1876 1880 1893 1901 1912 1921 1920 1927 1925 1935 1937 1938 1946 1945 1947 1960 1966 1969 1972 1977 1981

1964

1990 1989 1993 2001 2000 2012 2011 2015 - 2016


Claude Chappe réalise le premier système de télégraphie optique d'utilité militaire par sémaphore entre Paris et Lille James Lindsay fit une démonstration de télégraphie sans fil (TSF) Samuel Morse invente le télégraphe électrique Samuel F.B. Morse dépose un brevet pour le télégraphe électrique Première ligne télégraphique Morse entre Washington et Baltimore Antonio Meucci : transmission de la voix par une ligne électrique James Lindsay communique entre Dundee et Woodhaven en Écosse, sur 3 km, en utilisant l’eau comme milieu de transmission

Télégraphe électrique de Hugues, 1833. Crédits : Le Monde physique, Guillermin, 1883.

Le premier câble télégraphique transatlantique est posé Alexander Bell et Elisha Gray inventent le téléphone électrique Première ligne téléphonique ouverte entre Boston et Providence

Première communication radio par Nikola Tesla Guglielmo Marconi : transmission radio entre le Canada et l'Angleterre (prix Nobel de 1909) Premiers programmes quotidiens de radiodiffusion débutent Radio Tour Eiffel diffuse un concert avec un émetteur de 900 W Utilisation radio dans une campagne électorale par Herbert Hoover Premiers services de téléphonie publique transatlantique Robert Watson-Watt dépose le brevet du radar (radio location) Invention du talkie-walkie par l'ingénieur canadien Donald Hings Orson Welles diffuse un canular à la radio, c'est "Mars Attack" ! Premiers téléphones mobiles non cellulaires (0G) Inauguration du réseau Télex en France le 18 juin1846 Bell télephone : invention du transistor par John Bardeen, William Shockley et Walter Brattai, prix Nobel de physique en 1956 Le premier satellite télécom Americain, Echo1 (un énorme ballon) Mise sur orbite du premier satellite géostationnaire Syncom I Larry Roberts à la DARPA conçoit l'ARPANET

Rupture du câble télégraphique transatlantique, à bord du Geat Eastern, 1865. Crédits : Aquarelle de R. Dudley, Institution of Electrical Engineers, Londres.

Premier fax numérique apparait avec le Wacom Rapidfax 100 Robert Kahn développe un nouveau protocole TCP/IP Phase d'expérimentation du Minitel, lancement commercial en 1982 Premier téléphone mobile : dit de première génération (1G) Premier fournisseur d'accès Internet : The World Téléphonie mobile de deuxième génération (2G) (GSM, Digital AMPS, iDEN et IS-95) Premier sms envoyé depuis un téléphone mobile en Finland Crise boursière des Télécom : éclatement de la Bulle Internet La 3G : des communications numérisées avec des débits de 384 kbit/s à 2 Mbit/s à l'origine, puis jusqu'à 42 Mbit/s en 2012 Généralisation de la TNT sur le territoire français La 4G (LTE et LTE Advanced) des connexions plus rapides Objets connectés - Big Data - Open Data - Cloud - robotique - IA Nano satellites - drône d'accès internet, règne des smartphones Paiement mobile NFC - ordinateur quantique - fibre optique

Frise chronologique de l’évolution des technologies de communication

Le téléphone fut pour la police des villes, un moyen très efficace de lutte contre la criminalité. Il permit de réduire les patrouilles tout en ayant des interventions bien plus rapides, 1902. Crédits : G. Dary, gravure dans «À travers l’électricité», 1902.

Schéma : Matthieu STEFANI

19


1.6

L’ÉLECTRIFICATION DE LA FRANCE

De la fin du XIXème jusqu’aux années 30, le développement du réseau électrique en France suit le même modèle que dans le reste du monde. Une myriade d’entreprises développe le réseau au fur à mesure des opportunités commerciales et des impératifs techniques. À la création d’EDF (Électricité de France) le 8 avril 1946 par Marcel Paul avec le soutien de Maurice Thorez, c’est près de 200 entreprises privées qui assurent la production énergétique, environ une centaine d’entreprises s’occupent du transport et plus de mille se chargent de la distribution de l’électricité. La qualité d’approvisionnement et les tarifs de facturation sont alors très variables, ces derniers dépendants des prestataires et de l’emplacement géographique des abonnés. Après la guerre, l’instauration d’un service public unique de l’électricité devient absolument nécessaire. On assiste alors à la nationalisation des biens de près de 1 450 entreprises de production, de transport et de distribution d’électricité. EDF hérite alors de l’investissement électrique massif effectué entre deux guerres. C’est le début d’un long monopole économique détenu par l’État français. Dès 1947 le groupe à l’incroyable monopole se lance dans les travaux de réparation et de modernisation du réseau. D’abord en entamant un long chantier de reconstruction des lignes de transport haute tension, qui furent partiellement détruites pendant la guerre. Puis en érigeant sur des sites stratégiques, d’importants ouvrages de production d’énergie hydraulique. La France et ses grandes entreprises nationales entament alors de grands chantiers, essentiellement grâce au plan Marshall, qui assure jusqu’à 36% des dépenses d’investissement d’EDF entre 48 et 52. Alors en France, la croissance de la consommation d’électricité explose, rapidement il faut construire les infrastructures de production et de transport de grandes capacités, tout en assurant la continuité du service. Les années 50 sont marquées par un fort taux de pénétration des technologies électriques dans les foyers. EDF va jusqu’à envoyer des aides ménagères dans les écoles, pour enseigner les divers usages de l’électricité dans les ménages. Dans le même temps, les travaux de barrages hydroélectriques avancent et c’est près d’une soixantaine de ces ouvrages qui sont mis en services en l’espace d’une décennie. Très vite la consommation est telle que des pointes de consommation se font sentir et pour y répondre de manière réactive, de nombreuses centrales thermiques sont construites. D’abord fonctionnant au charbon, elles sont ensuite progressivement reconverties pour tourner au fuel. 20

Logo d’entreprise EDF, 1947. Crédits : EDF.

Chantier de construction d’une centrale thermique en 1949. Crédits : EDF.

Les aides ménagères d’EDF, 1951. Crédits : EDF.

Le 4 juillet 53, le barrage de Tignes en Savoie est inauguré par le président Vincent Auriol, c’est alors le plus haut barrage d’Europe. Crédits : EDF.


L’électrification des territoire en 1955. Crédits : EDF.

La formation des électriciens, 1958. Crédits : EDF.

La centrale de Chinon, 1963. Crédits : EDF.

Le chauffage électrique EDF, 1971. Crédits : EDF.

EDF reconstruit et répond aux immenses nouveaux besoins. Les grands barrages sortant de terre deviennent des véritables monuments qui s’inscrivent dans le paysage national. Alors qu’après guerre, seul un français sur deux à accès à l’électricité, au début des années 60, chaque famille, dans chaque coin du territoire, entre dans le monde moderne. La France connaît alors une période de grande euphorie, la croissance économique mondiale est fulgurante et la croissance de l’économie Française est de 5,3% par an en moyenne et cela pendant près de 30 ans. En conséquence, les Français achètent téléviseurs, réfrigérateurs et des appareils électroménagers en tout genre et vont visiter des salons tel que celui des arts ménagers. La frénésie de la consommation d’énergie et notre dépendance à cette dernière viens tout juste de commencer ! Les années 60 sont donc marquées par une hausse irrémédiable des besoins énergétiques, donc le réseau se modernise et se complexifie tout en se développant. Avec la loi du 21 décembre 1960, la France passe au 220V, Edf aide les fabriquants d’appareils électroniques et les français s’équipent d’outils plus puissants. En 1963 «le compteur bleu» est lancé, première véritable campagne commerciale du groupe, il permet au consommateur de choisir la bonne offre de puissance en fonction de ses besoins domestiques. La même année la première centrale nucléaire d’utilité civile est mise en service à Chinon. Cette centrale, comme celles qui suivront, utilise un procédé 100% français dit à «uranium naturel», puis à la fin des années 60 une technique américaine dite «PWR» à uranium enrichie. En novembre 1966, le Général de Gaulle inaugure sur la Rance la toute première centrale marémotrice au monde. Puis, la célèbre centrale de Porcheville rentre en service en 1968 avec sa première unité de production au fuel permettant alors l’injection massive sur le réseau de pas moins de 600 MW d’électricité. Les années 70 sont marquées par la grande crise pétrolière qui touche durement la nation au cours de l’année 1973. La France décide alors de tout miser sur l’atome pour assurer son indépendance énergétique. Le premier ministre Pierre Messmer déclare alors le lancement de 13 chantiers de centrales nucléaires de 1000 MW chacune. Malheureusement aucune consultation n’est faite auprès des populations concernées, ni auprès des représentants nationaux intéressés. Ce programme nucléaire est associé à une vaste campagne de communication appelée «la chasse au gaspi». La première centrale de ce programme est la centrale de Fessenheim, qui fait aujourd’hui largement débat. Les années 70 sont aussi celles du tournant commercial d’EDF, on ne parle alors plus d’abonnés mais de clients. En 1971, après 9 ans de recherche, EDF commercialise un système de chauffage électrique et c’est un succès commercial immédiat ! 21


Le 19 décembre 1978, une panne géante due à la défaillance du réseau de transport, prive d’électricité une partie de la France pendant toute une journée. Cette panne est un dur rappel auprès des français de leur «électro-dépendance». Les conséquences des pointes de consommation se font alors sentir, la demande dépassant l’offre, le fournisseur d’énergie ne peut plus assurer partout la continuité de son service. Des offres commerciales d’effacement apparaissent alors, sur simple appel, le client est invité à diminuer sa consommation d’électricité en échange d’une compensation. La France croyant alors au solaire, EDF et le CNRS expérimentent en 1983 la centrale solaire du Thémis. C’est la première expérimentation grandeur nature d’une installation solaire thermique de grande puissance, elle contribuera grandement aux avancées futures sur l’énergie solaire thermique. En parallèle, le nucléaire reste au coeur de la politique énergétique de la France, qui se dote en une quinzaine d’année de 58 réacteurs, EDF devient le premier exploitant nucléaire au monde ! Les années 80, sont celles de l’explosion des usages de l’électricité. Réfrigérateurs, télés, ordinateurs, téléphones, walkman, climatiseurs… La consommation se diversifie en se démocratisant. Il faut alors, moderniser le réseau de transport et diversifier le parc de production, afin d’ accompagner la croissance des besoins énergétiques. C’est l’ère du tout électrique. À travers le monde, les entreprises de production et de fourniture d’électricité sont privatisées. EDF prend alors des participations conséquentes dans différentes sociétés, en Amérique du Sud et en Europe... C’est l’ère des marchés internationaux et le capital d’EDF s’ouvre aux investissements internationaux. En 1984, la France exporte pour la première fois son expertise de l’atome à l’étranger, en construisant une centrale à Daya Bay en Chine. En 1985, une ligne est mise en service sous la Manche, «IFA2000», elle fait 96 km de long et relie Bonningues-lesCalais en France à Sellindges en Angleterre. Dans le même temps les plus vieilles centrales sont arrêtées ou démantelées. Au début des années 90, le service aux clients devint l’une des principales préoccupations des distributeurs d’électricité. La direction de distribution se détacha de la branche principale EDF pour devenir EDF-GDF-Services. Les campagnes publicitaires de l’entreprise nationale s’axèrent elles aussi sur la qualité de service. Fin de l’année 1999, des tempêtes d’une ampleur inattendue frappent la France. Le réseau est durement touché, mais la réactivité des équipes de maintenance, permet de rapidement résoudre les problèmes majeurs. La notion de service public prend alors ici tout son sens. Ces événements ont pour conséquences, d’accélérer l’enfouissement des lignes électriques un peu partout en France et de voir la création de la «FIRE» ( Force d’intervention rapide électricité ). 22

Centrale solaire du Thémis, 1983. Crédits : EDF.

La collaboration chinoise, 1984. Crédits : EDF.

Première ligne sous marine, 1985. Crédits : EDF.

L’épreuve de la tempête de 1999. Crédits : EDF.


l’EPR de Flamanville, début : 2008. Crédits : EDF.

Éolien terrestre d’EDF-EN, 2011. Crédits : EDF.

1er grand projet Smart Grid, 2012. Crédits : EDF, Smat Electric Lyon.

Parc éolien offshore, Teeside, 2013. Crédits : EDF.

Chantier du pôle recherche EDF sur le site du cluster Saclay, 2016. Crédits : EDF.

Les années 2000 sont marquées en France par l’arrivée de la concurrence internationale. En 2004 l’ouverture des marchés s’étend aux professionnels et à l’ensemble des collectivités locales. Les échanges s’intensifient, ainsi que les prises en compte des problématiques de développement durable. En 2005 EDF ouvre son capital et devient une Société anonyme (SA), il est désormais possible d’être actionnaire du premier électricien mondial. Enfin, en 2007, survient l’ouverture du marché aux particuliers. L’ouverture des marchés à la concurrence est alors totale en Europe. Entreprises comme particuliers choisissent alors leur(s) fournisseur(s). EDF, avec ses compétences et son expertise s’oriente vers les capitaux internationaux. En 2008, une centrale de nouvelle génération est lancée en chantier à Flamanville. Cet EPR, est une centrale d’expérimentation «obligatoire» pour le renouvellement du parc nucléaire français et pour la continuité des activités d’EDF (EPR = European Presurised Reactor). En 2009 l’entreprise renforce ses position en Europe en augmentant ses parts dans EDF-Énergie en Grande Bretagne et dans EDF-Luminus en Allemagne et en Belgique. Enfin, par des filiales, EDF investit en Pologne, Pays-Bas et Autriche. En 2010, EDF met en service la plus grande centrale hydroélectrique d’Asie du Sud-Est au Laos. Le groupe français se diversifie en 2011 dans les énergies renouvelables avec EDF-EN, vers le développement éolien et solaire. Paradoxalement de lourds investissements sont faits dans l’industrie du gaz. En 2012, à Lyon est lancé «Smart Electric Lyon» le plus grand projet expérimental européen sur les villes intelligentes. Chercheurs et industriels testent près de 25 000 expérimentations sur le territoire lyonnais en contact direct avec les utilisateurs. 2013 voit le jour du parc éolien marin de Teeside près des côtes anglaises, ce parc de 27 génératrices éoliennes positionne le groupe français comme un acteur clé de l’éolien offshore en Europe. L’État français poursuit alors son aventure avec EDF en commandant trois parcs éoliens offshores au large de Saint-Nazaire, Fécamp et Courseulles-sur-Mer. Dalkia France fraîchement rachetée dans la même année à l’aide de Véolia complète l’offre de services énergétiques. En 2014, est signé un accord avec les autorités anglaises, pour la construction de réacteurs à eau pressurisée à Hinkley Point. En 2015, après le rachat de l’activité «réacteurs» d’Areva l’entreprise connaît des difficultés de financement, le titre EDF est retiré du CAC40, dix ans après son introduction en Bourse. À Saclay, en 2016 s’ouvre le chantier du premier campus entièrement dédié à la R&D de l’entreprise française, mêlant partenaires scientifiques, universitaires, industriels et utilisateurs. En 2016, une série de difficultés pèsent sur les marges futures de l’entreprise, en juillet, EDF annonce la vente de 49,9 % de RTE à la Caisse des dépôts et consignations. L’État français, actionnaire majoritaire du groupe avec 84.49% des parts, est donc maintenant largement responsable des succès ou des échecs à venir... 23


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2 ÉNERGIE PRIMAIRE

EXTRACTION

PRODUCTION ÉLECTRIQUE

STOCKAGE

TRANSPORT

DISTRIBUTION

CONSOMMATION

STOCKAGE

Les éléments du réseau électrique Crédits : Matthieu STEFANI

LES ÉLÉMENTS DU RÉSEAU

« LES MERVEILLES D’HIER SONT LES CHOSES COURANTES D’AUJOURD’HUI. »1 Cette citation de Nicolas Tesla présente une part de prémonition sur notre actuelle relation avec le réseau électrique. Lorsque l’innovation devient la norme et se démocratise, son usage se banalise au point de passer invisible. De nos jours, nous ne nous rendons plus vraiment compte de l’omniprésence de ce réseau vital. Et ses manifestations physiques sur les territoires nous en paraissent presque insignifiantes. Les centrales, les lignes hautes tension bien que parfaitement visibles sont tout comme les grands barrages des éléments intégrés au paysage. Et-il possible d’en dire autant des champs d’éoliennes et de panneaux solaires qui se multiplient sur le territoire? Pour embrasser le réseau électrique dans sa totalité afin de se représenter son importance, il faut en comprendre les grands principes et le éléments le constituant. Le réseau électrique peut se décomposer en différentes parties : - Les moyens de production (centrales...) - Le stockage (barrages, batterie, accumulateur...) - La gestion avec notamment le transport et la distribution - Les principaux postes de consommation. L’objectif de cette partie est d’appréhender et de concevoir le rôle et les caractéristiques principales des éléments du réseau. Cette partie s’attarde donc en particulier sur les implantations, les typologies, les formes, l’impact paysager, le fonctionnement et les spécificités des objets constitutifs du réseau électrique. 1 Cette citation est de Nikola Tesla, né le 10 juillet 1856 à Smiljan dans l’Empire d’Autriche et mort le 7 janvier 1943 à New York, inventeur et ingénieur américain de génie d’origine serbe. Sa vie : une histoire passionnante !

25


2.1 NOTIONS DE BASE SUR L’ÉNERGIE LES FORMES D’ÉNERGIES

Énergie chimique, mécanique, thermique, électrique, nucléaire et rayonnante. D’autres formes d’énergies existent (potentielle, cinétique) mais sont issues des premières formes. «RIEN NE SE PERD, RIEN NE SE CRÉE, TOUT SE TRANSFORME»

L’énergie, présente partout autour de nous sous différentes formes, change d’état par conversion de forme. Différents procédés permettent de passer d’un état à un autre. Exemple: lorsque l’on se gratte, de l’énergie chimique se convertie dans nos muscles en énergie mécanique, se convertissant en énergie thermique par frottement au contact de notre peau. MATIÈRE = ÉNERGIE ET RÉCIPROQUEMENT

Nous avons tous déjà entendu la formule E=mc², au delà des implications scientifiques, cette formulation relie directement l’énergie à la matière. Lors des changements de forme de l’énergie, la matière sert de «support» à la conversion, à l’aide des différences de potentiel qui existent entre les éléments constitutifs de sa matière (protons, neutrons, électrons...). ÉNERGIE PRIMAIRE

Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie naturellement disponible dans la nature avant toute transformation. On peut distinguer : la production d’énergie primaire de son stockage, de son transport sous la forme d’un vecteur d’énergie et de sa consommation sous sa forme finale.

Formes d’énergies & modes de conversion Crédits : Matthieu STEFANI

VECTEUR ÉNERGÉTIQUE

Un vecteur d’énergie permet de transporter de l’énergie d’un lieu à un autre. Un bon vecteur énergétique, achemine l’énergie sans trop de perte en autoconsommation et la présente sous une forme facile d’utilisation. Les énergies fossiles sont des sources d’énergie primaire, bien que rarement considérées comme vecteurs énergétiques, sauf lorsqu’elles sont facilement acheminables (gazoduc, pipeline). L’électricité, est globalement le vecteur le plus utilisé. L’hydrogène, l’air comprimé, et les faisceaux d’énergie rayonnante sont aussi de bons vecteurs énergétiques. ÉNERGIES FOSSILES

Toute forme d’énergie primaire venant directement d’une part des ressources limitées de la Terre peut être dite : fossile (Charbon, gaz de roche, hydrates de méthane, pétrole, sable bitumineux, uranium...) ÉNERGIES RENOUVELABLES

On peut appeler énergie renouvelable, toute forme d’énergie primaire venant du milieu extra-terrestre : Soleil (radiations solaires, biomasse, vent, houle, courant océanique...), Lune (marée et peu être géothermie). 26


2.1 NOTIONS DE BASE SUR L’ÉLECTRICITÉ LE COURANT ÉLECTRIQUE

Un courant électrique est un déplacement de porteurs de charges électriques (électrons) au sein d’un matériel conducteur. Ces mouvements d’électrons sont forcés par l’effet de la force électromagnétique. L’interaction entre les forces électromagnétique et la matière est le fondement de l’électricité. L’INTENSITÉ

On peut comparer l’intensité (I) du courant électrique dans un câble au débit de l’eau dans une rivière. Elle indique la quantité et la vitesse du courant électrique circulant en un point donné du circuit électrique. Elle se mesure en Ampère (A) à l’aide d’un ampèremètre. 1A = 1 Coulomb à la seconde = 6,28 .1018 électrons /s. LA TENSION

Elle exprime la différence de potentiel électrique entre 2 points d’un circuit. Souvent notée U, parfois V. La différence de potentiel électrique entre deux points d’un circuit permet la variation d’énergie potentielle d’une charge électrique le long du circuit. Elle se mesure en Volt (V) à l’aide d’un Voltmètre LA PUISSANCE

La puissance (P), d’unité le Watt (W), représente une quantité d’énergie par unité de temps (1W= 1J/s). Elle est le produit de la tension et de l’intensité du courant qui traverse un appareil électrique (P = U.I). Plus un appareil électrique est puissant plus il fournira du travail. LA FRÉQUENCE

Elle se mesure en Hertz (Hz) et correspond au nombre de fois où le courant alternatif change de sens en une seconde. En Europe la fréquence est de 50 Hz et 60 Hz aux États-Unis (une valeur plus dangereuse). LA RÉSISTANCE

La résistance électrique (R) traduit l’aptitude d’un matériau ou d’un composant à s’opposer au passage d’un courant électrique. Elle se rattache aux principes de résistivité et aux règles de conductivité des matériaux et se mesure en ohm (Ω). La résistance engendre une émission d’énergie sous forme thermique. Cette réaction quasi inévitable s’appelle l’effet Joule, parfois voulue (chauffage), parfois néfaste (perte). (R=U/I) LES CONDUCTEURS

Un conducteur électrique est un matériau avec des porteurs de charge électrique se déplaçant facilement. LES ISOLANTS

Ils empêchent le passage du courant électrique entre deux parties conductrices soumises à une différence de potentiel électrique. Ils sont composés d’un matériau diélectrique possédant peu de charges libres. LES SEMI-CONDUCTEURS

Ce sont des matériaux ayant les propriétés électriques d’un isolant, mais pour lesquels la probabilité qu’un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est suffisamment importante. L’ÉLECTROMAGNÉTISME

C’est l’étude physique des interactions entre les particules électriquement chargées, et plus généralement des effets de l’électricité, en utilisant la notion de champ électromagnétique. C’est l’une des branches de la physique, possédant un champ d’application considérable : électronique, génératrice, motrice, radio, lumière, micro-ondes, rayonnement gamma, optique, théorie de la relativité restreinte et bien plus encore ! 27


2.1 NOTIONS DE BASE SUR LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES RÉSEAUX ARBORESCENTS

La source d’alimentation d’un réseau arborescent se connecte à d’autres nœuds de niveau inférieur, eux-mêmes connectés à plusieurs nœuds de niveau inférieur. Le tout dessine alors une arborescence. À l’aval d’une défaillance, sans circuit de secours, l’alimentation électrique n’est plus assurée .

B

C

RÉSEAUX MAILLÉS

Une topologie maillée correspond à plusieurs liaisons point à point. Chaque terminal est relié à d’autres. L’énergie électrique peut alors parcourir le réseau suivant des itinéraires variés, sous le contrôle des gestionnaires du réseau, et/ou à l’aide de méthodes de routage automatique. L’inconvénient est que les coûts d’installation et d’entretien sont plus élevés que ceux des réseaux linéaires ou arborescents. LE RÉSEAU TRIPHASÉ

Les équipements de production et de distribution de l’énergie électrique sont équipés de systèmes de tensions en courant triphasé. Ces systèmes nécessitent moins de cuivre que les réseaux monophasés pour conduire l’électricité. De plus, le réseau triphasé, permet plus de maniabilité (tensions efficaces et déphasages). Ces critères rendent le réseau triphasé inévitable pour la distribution électrique, tant d’un point de vue technologique qu’économique. LA FRÉQUENCE D’APPEL SUR LE RÉSEAU

D

A Typologie des réseaux électriques : linéaire (A), arborescent (B), bouclé (C) maillé (D) Crédits : Matthieu STEFANI

Signal sinusoïdal triphasé. (Alternatif triphasé) Crédits : Matthieu STEFANI

C’est un indicateur essentiel de pilotage du réseau électrique. Elle indique que l’équilibre est maintenu entre offre et demande. Une chute de fréquence signifie que la demande est supérieure à l’offre. Au contraire, si elle augmente, c’est le signe que l’offre dépasse la demande. Les situations d’augmentation et de chute de fréquence mettent en péril l’équilibre du réseau électrique. LE DÉLESTAGE ÉLECTRIQUE

C’est l’arrêt volontaire d’alimentation d’un secteur du réseau afin d’éviter un risque d’effondrement en tension ou en fréquence entraînant à son tour la coupure de la totalité d’un sous-réseau. LES TRANSFORMATEURS

Ce sont des appareils destinés à faire varier la tension et l’intensité d’un courant alternatif ou continu. ONDULEUR ET REDRESSEUR

L’onduleur convertit le courant continu en alternatif, le redresseur fait l’inverse en sortant du courant continu. LES PERTES

Appareils et lignes électriques subissent des pertes énergétiques par effet joule et dissipation de chaleur. C’est le courant continu très haute tension qui subit le moins de pertes en ligne sur les longues distances. 28


2.2 PRODUCTION : CENTRALES THERMIQUES À VAPEUR LA SOURCE THERMIQUE

Les sources thermiques disponibles sont variées : la combustion de combustible traditionnel (fuel, gaz, charbon), la captation de l’énergie du sol (géothermie), le rayonnement solaire, la combustion de biomasse, la désintégration nucléaire (fission, centrale nucléaire) et la fusion (ex : prototype ITER vers 2025) LA GÉNÉRATION DE VAPEUR

L’énergie thermique y est concentrée dans un circuit auxiliaire. Le transfert de la chaleur et sa conservation d’un milieu à un autre se fait et s’amplifie facilement par une suite d’échangeurs thermiques. L’ÉCHANGEUR THERMIQUE

Il en existe de plusieurs types, mais leur principe reste toujours le même : le passage d’un liquide dans des tubes, qui circulent à travers un milieu de température différente. Ce dispositif permet de réchauffer ou de refroidir le liquide du circuit en fonction de la température du milieu de circulation. LE CONDENSEUR

C’est un échangeur thermique recevant la vapeur basse pression en sortie de turbine, fonctionnant sur un circuit d’eau de refroidissement annexe, permettant le refroidissement obligatoire du système. Il faut refroidir le système auxiliaire d’eau afin d’éviter sa saturation et d’entraîner son équilibre entre entrée et sortie de la turbine. Ainsi, la condensation de l’eau en sortie de turbine entraîne une différence de potentiel de pression permettant le dynamisme continu du système.

Turbine, condenseur et alternateur de centrale. Crédits : EDF

LE GROUPE TURBOALTERNATEUR

Il s’installe dans la salle des machines de la centrale et opère en transformant l’énergie thermique en énergie mécanique. Cette transformation d’énergie dans la turbine se fait par la détente progressive de la vapeur dans les grilles d’aubages et dans des roues équipées d’ailettes sur lesquelles s’exerce l’action de la vapeur. Une turbine comporte souvent trois corps : le corps haute pression (HP), moyenne pression (MP) et basse pressions (BP). Ensuite l’énergie mécanique est transformée en énergie électrique à l’aide d’un alternateur. L’alternateur est constitué de deux parties : le rotor (partie mobile aimantée) et le stator (une bobine fixe). La variation périodique de champs électromagnétiques, générée par la rotation du rotor entraîne une différence de potentiel électrique dans la bobine, elle même génératrice du courant électrique. LA TENSION SINUSOÏDALE

Il est facile de produire de l’énergie électrique par la marche d’un alternateur via une turbine. Ce dispositif produit des tensions sinusoïdales et inversement, ces tensions sinusoïdales entraînent la rotation des moteurs. Étant simple d’usage pour des machines rotatives, et sûres d’utilisation, ces tensions alternatives sont devenues plus courantes. Enfin l’alternatif subit moins de pertes sur les basses et moyennes tensions. 29


LA PRODUCTION D'ÉLECTRICITÉ D'ORIGINE THERMIQUE À FLAMME

UN PARC DE PRODUCTION THERMIQUE DIVERSIFIÉ ET BIEN IMPLANTÉ SUR LE TERRITOIRE Les centrales thermiques à flamme constituent l’un des moyens les plus efficaces pour faire face aux variations de consommation d’électricité. Flexibles et réactives, elles sont capables de produire de l’électricité très rapidement. Elles sont une des composantes essentielles du mix énergétique et jouent un rôle important dans l'adaptation des capacités de production d'EDF en réponse à l'évolution des besoins de ses clients. Les centrales thermiques à flamme jouent également un rôle important dans l'équilibre du réseau électrique, leur flexibilité étant un atout essentiel au maintien de la qualité du courant. EDF est aujourd'hui un acteur majeur de la production thermique à flamme avec 12,4 GW de puissance en fonctionnement en France. Le parc thermique EDF en France, essentiellement mis en service entre les années 1970 et 1985, s’est adapté au rythme de l’évolution des besoins en électricité. Il est aujourd’hui constitué de capacités de production diversifiées, tant au niveau du combustible que de la puissance. Ce parc doit aujourd’hui encore, être adapté aux enjeux économiques et environnementaux. EDF va engager des investissements pour moderniser les centrales les plus récentes et arrêtera définitivement, d'ici 2015, la production de ses centrales au charbon de 250 MW, inadaptées aux nouvelles réglementations environnementales qui entreront en vigueur en 2016.

Ainsi d’ici 2015, les 9 unités de 250 MW et 1 de 600 MW fonctionnant au charbon fermeront progressivement, tandis que 1 400 MW supplémentaires ont été mis en service entre 2011 et 2012. Le parc thermique à flamme d'EDF est composé de : 13 unités de production au charbon : 9 de 250 MW et 4 de 600MW. 8 unités de production au fioul : 4 de 700 MW, 4 de 600 MW. 13 turbines à combustion (TAC) : 1 de 200 MW, 5 de 185 MW, 3 de 125 MW et 4 de 85 MW. 4 cycles combiné gaz (CCG) 1 de 430 MW à Blénod, 2 de 465 MW à Martigues et 1 en construction à Bouchain (mise en service en 2015)

2.2 PRODUCTION : LES CENTRALES THERMIQUES À FLAMME Les Centrales thermiques à flamme brûlent du charbon, du pétrole ou du gaz pour vaporiser de l’eau. La vapeur ainsi produite se détend dans une turbine à vapeur, qui entraîne un alternateur produisant de l’électricité. Les turbines à combustion ou les moteurs diesel à combustion interne utilisent la détente des gaz produits pas la combustion d’hydrocarbures ou de gaz. Rendements et impacts sur l’environnement varient selon le type d’installation. Pour pallier les problèmes de pollution de ces combustibles fossiles, de nouvelles installations sont en cours de développement. De loin la première source d’énergie dans le monde, le thermique à flamme joue dans l’immédiat son avenir dans les pays en développement. En France, la relative modestie de sa participation cache son rôle essentiel dans le système électrique : l’ajustement de la production à la demande. Avec certaines formes de stockage de l’énergie électrique, c’est un des rares moyens industriels de production d’électricité à être réactif et mobilisable très rapidement en l’espace de 3 à 15 min.

Schéma de fonctionnement d’une centrale thermique à vapeur. Crédits : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles.

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-Part de la production française ~ -10 % -Puissance du parc français ~ 22 561 MW -Part de la production mondiale ~ 80% -Rendement moyen ~ 90% -Gamme de puissance ~ de 85 à +1000 MW -Réserves de pétrole ~ 53 ans -Réserves de charbon ~ 113 ans -Réserves de gaz ~ 55 ans

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AVANTAGES :

INCONVÉNIENTS :

-Bon marché (fuel, charbon et gaz). -De puissance aisément modulable. -Puissance rapidement mobilisable. -Technologies largement abouties.

-Polluant car en dépit des méthodes de filtration, l’émission de dioxyde de carbone (CO2) n’est pas négligeable. Aussi, les techniques de séquestration du CO2 restent gourmandes en énergie.

Carte des Centrales thermiques à Flammes de France et de la région Île de France. Crédits : Matthieu Stefani

Sources : multiples.

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2.2 PRODUCTION : LES CENTRALES NUCLÉAIRES Née au XXème siècle, l’industrie électronucléaire est aujourd’hui à maturité. On utilise l’énergie émise lors de la fission d’un combustible nucléaire dans une réaction en chaîne entretenue qui se déroule dans le coeur du réacteur. La chaleur qui en résulte est extraite de la matière fissile par un fluide caloporteur qui la cède à l’eau dans un échangeur thermique. La vapeur produite entraîne un groupe turboalternateur produisant de l’électricité. Dans les filières actuellement en activité, les REP (à eau sous pression) et BWR (à eau bouillante) s’imposent. Cependant, les produits de fission présentent un risque pour l’environnement. Aussi, la radioprotection protège les intervenants de l’industrie nucléaire. La doctrine de sûreté édicte des règles strictes pour une conception, une exploitation et une maintenance sûres des installations. Pour limiter la dissipation de produits ionisants en cas d’incident des mesures de défense en profondeur sont prises. En fin de vie, les centrales doivent être démantelées, de telle sorte que le site puisse être réutilisé sans restrictions.

Schéma de fonctionnement d’une centrale nucléaire. Crédits : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles.

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-Part de la production française : 76.3% -Puissance du parc français : 63 130 MW -Part de la production mondiale : 11.7% -Rendement moyen : 33% à 40% -Gamme de puissance : 900 à 1650 MW -Réserves d’uranium >100 ans -Durée de vie : de 40 à 60 ans


Carte de France des Centrales Nucléaire. Crédits : Art Presse.

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2.2 PRODUCTION : PROBLÉMATIQUES ET AVENIR DU NUCLÉAIRE A) RISQUES D’ACCIDENT NUCLÉAIRE

L’humanité a déjà subi trois accidents nucléaires majeurs avec des rejets incontrôlés de matières radioactives, pendant une longue durée. Ils surviennent lors de l’entrée en fusion du coeur du réacteur après la perte totale de son contrôle et la défaillance des enceintes de confinement. Les trois accidents majeurs sont : Three Mile Island le 28 mars 1979, Tchernobyl le 26 avril 1986 et Fukushima Daiichi le 11 mars 2011. LE RISQUE MATÉRIEL ET HUMAIN : Le risque 0 n’existant pas, plus un système est complexe plus les types de pannes sont variées. Malgré des systèmes de sécurité redondants, des circonstance particulières peuvent engendrer des accidents. C’est notamment ce qui est arrivé à Three Mile Island et à Tchernobyl, une panne de circuit de refroidissement pour la première et une perte de contrôle de la réaction de fission pour l’autre. LE RISQUE SISMIQUE ET LE RISQUE D’INONDATION : Un séisme peut mettre à mal l’intégrité structurelle et l’étanchéité du coeur du réacteur. Une inondation est susceptible de perturber le bon fonctionnement des installations. À Fukushima, le tsunami qui suivit le séisme inonda et empêcha le fonctionnement des groupes électrogènes auxiliaires. 11 jours plus tard, un rapport signala qu’un rat venu s’abriter dans une armoire électrique avait fait un court-circuit sur l’ultime système de refroidissement ! LE RISQUE DE CANICULE : Le risque de la canicule est de forcer l’arrêt des réacteurs par manque de refroidissement. Dans ce genre d’événement, potentiellement de grande ampleur, les pertes économiques peuvent être conséquentes. Aussi, l’alimentation du réseau pourrait-elle ne plus être assurée en tout point. LE RISQUE D’ATTENTAT : Récente menace, encore inédite, le risque n’en est cependant pas moins réel. Des failles de sécurité existent : les enceintes de confinement ne pourraient supporter un éventuel crash d’un avion de ligne. Enfin, de récentes actions de Greenpeace, mettent en évidente la faiblesse du confinement des centres de stockage et de retraitement des déchets et pointent les lacunes des dispositifs anti-intrusion.

B) LES DÉCHETS RADIOACTIFS, TRAITEMENT ET STOCKAGE:

Les déchets nucléaires sont classés en plusieurs catégorie selon leur niveau d’activité et leur durée de vie : CLASSE A : 900g/an/habitant en France, faible à moyenne radioactivité, demi-vie courte : moins de 30 ans CLASSE B : 95g/an/habitant en France, faible à moyenne radioactivité, demi-vie longue : de 100 ans à 999 999 ans CLASSE C : 5g/an/habitant en France, Forte radioactivité, demi-vie longue : de 100 ans à 999 999 ans Les déchets après avoir étés triés, subissent divers traitements destinés à les solidifier et à réduire leur volume : évaporation pour les liquides et boues, découpage, compactage, incinération pour les solides. LES DÉCHETS DE CATÉGORIE A, sont conditionnés en fûts métalliques, noyés dans du ciment, du bitume ou des résines et placés dans des conteneurs en béton. Au centre de stockage ils sont identifiés et empilés sur une hauteur d’environ 6 m, dans des alvéoles en béton drainées par caniveaux. Puis on les recouvre d’un gravier bouchant les interstices et stabilisant l’ensemble, d’une dalle de béton, d’une couche d’argile imperméable et enfin de terre végétale. Après une période de 300 ans sous surveillance, la diminution de la radioactivité permettra une réutilisation de l’emplacement. En l’an 2000, le cumul des déchets de classe A était de l’ordre de 800 000 m3. LES DÉCHETS DE CLASSE B ET C, viennent des installations de retraitement du combustible et des produits de fission extraits des combustibles irradiés. Gaines et embouts sont conditionnés dans du béton et entreposés en attente de stockage. Les produits de fission sont concentrés et stockés sous forme liquide pendant 5 ans dans des cuves d’acier inoxydable. Ils perdent en radioactivité et en chaleur dans les piscines de refroidissement, puis on les vitrifie et on les entrepose sous surveillance constante dans des puits bétonnés et ventilés. La production annuelle est de 100 à 150 m3 de verre. Les volumes cumulés en 2000 sont de l’ordre de 60 000 m3 pour les déchets de classe B et de 3 000 m3 pour les déchets C. Ils sont stockés à la Hague,et pour une faible partie, à Marcoule en attente de décision concernant leur stockage définitif. 34


LE RETRAITEMENT DES DÉCHETS.

Antérieurement appelé «recyclage» des déchets, il consiste à récupérer une partie des atomes fissibles restants dans les déchets, ceci afin d’enrichir le minerai naturel pour sa réutilisation dans d’autres réacteurs. En France, la centrale de la Hague est spécialement dédiée à ce processus. Il consiste en la récupération de plutonium 239, qui diminue grandement les quantités stockées. L’opération ne diminue pas réellement la quantité de déchets, elle vise surtout à économiser du combustible par la réutilisation du plutonium. LA TRANSMUTATION DES DÉCHETS, .

Restant pour le moment une alchimie hasardeuse entre les éléments radioactifs, son rôle principal est de «casser» les noyaux des atomes les plus radioactifs en les bombardant de neutrons à haute vélocité. Ceci à pour effet de changer la nature des atomes, et théoriquement de pouvoir ainsi diminuer la radioactivité globale des déchets. La Transmutation reste pour le moment une science peu prévisible, les expériences produisent rarement les résultats escomptés. Selon les filières envisagées, le traitement des déchets par cette méthode peut s’avérer fortement consommatrice d’énergie. Enfin, elle n’est pas destinée à gérer l’ensemble des déchets, n’empêchant donc pas le développement des chantiers d’enfouissement de déchets.

C) L’AVENIR DE L’ATOME : RÉACTEUR DE GÉNÉRATION III, ET DE GÉNÉRATION III+

La Génération III de réacteurs hérite du large retour d’expérience des années 80 et 90 prenant donc en considération la catastrophe de Tchernobyl. Ceux de la Génération III+ devraient être mis en service avant 2020, bien avant les résultats des études de ceux de Génération IV. La Génération III+ doit aussi intégrer des améliorations suite à l’accident de Fukushima. En 2015, c’est 16 des 18 réacteurs de Génération III en construction qui subissent des retards de planning de construction, du fait de problèmes de design, de pénurie de main d’œuvre qualifiée, de contrôles qualité insuffisants, ou encore de défauts de planification. RÉACTEURS DE 4ÈME GÉNÉRATION

La Génération IV, c’est 6 réacteurs nucléaires en projet : Le réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium (SFR) ; Le réacteur nucléaire à très haute température (VHTR) ; Le réacteur à sels fondus (MSR) ; Le réacteur nucléaire à eau supercritique (SCWR) ; Le réacteur nucléaire rapide à caloporteur gaz (GFR). Et le réacteur nucléaire rapide à caloporteur plomb (LFR). La Génération IV c’est aussi des projets de réacteurs sous-critiques, réacteurs nucléaires hybrides pilotés par accélérateur de particules, qui peuvent vraisemblablement être dédiés à la transmutation des déchets, la boucle est bouclée ? LA DÉCONSTRUCTION DES CENTRALES NUCLÉAIRES, LA DIFFICILE ÉPREUVE DU DÉMANTÈLEMENT.

En France, les grandes étapes de la déconstruction des centrales nucléaires sont régies par le décret du 11 décembre 1963 et du 19 janvier 1990. L’exploitant est contraint de détailler les étapes de la déconstruction dès l’arrêt définitif, de rédiger un rapport de sûreté, de respecter les règles de surveillance et d’entretien et de mettre à jour son plan d’urgence interne. Chaque étape est préalablement soumise à l’examen de l’ASN. LE STOCKAGE À LONGUE DURÉE

Plusieurs solutions sont conjointement envisagées : Bure (pour les déchets de catégorie C : matériel vitrifié de haute activité et de longue durée de vie), FAVL (faible activité à vie longue) et ICEDA (stockage des déchets à vie longue provenant des 9 centrales en déconstruction). Tout comme les centres de retraitement tels que celui de la Hague, ces installations de stockages seront utiles mais polluantes et nuisibles. Elles mettent en danger les écosystèmes, et les sociétés qui en dépendent. Une sacrée surprise pour les générations à venir ! 35


2.2 PRODUCTION : LES CENTRALES GÉOTHERMIQUES Il est paradoxal, mais traditionnel de classer l’énergie géothermique en énergie renouvelable. Pourtant, c’est une énergie concentrée dans des gisements épuisables, mais peut être, renouvelée par l’action de marée lunaire sur les roches terrestres. IL EXISTE PLUSIEURS TYPE D’INSTALLATIONS GÉOTHERMIQUES :

-La géothermie peu profonde à basse température, fonctionnant avec un différentiel de température ~ 10°C, à une profondeur de forage comprise entre 30 m et 120 m de profondeur. -La géothermie profonde à haute température, fonctionnant à des différentiels de température compris entre 150°C et plus de 1000°C, à une profondeur de forage allant jusqu’à 15 km. Il existe des réservoirs secs, dans lesquels la chaleur est stockée dans des roches massives et imperméables et des réservoirs hydrothermaux, où la chaleur se présente sous forme de poches de magma encore chaud, ancrées dans la croûte terrestre, ce sont les seuls actuellement utilisés pour produire de l’électricité.

-Part de la production française ~ 0% -Puissance du parc français ~ 16,5 MW -Part de la production mondiale ~ 0,3% -Rendement moyen : jusqu’à 80% -Gamme de puissance : 10 kW à 200 MW -Réserves géothermiques : potentiel ∞ -Durée de l’installation : 30 à 80 ans

Les différentes applications de la géothermie.

Schéma de fonctionnement d’une centrale géothermique.

AVANTAGES :

INCONVÉNIENTS :

-Ressource foisonnante, très largement disponible. -Ressource en principe renouvelable. -Certaines centrales atteignent de haut rendement, particulièrement lorsqu’elles sont couplées à des systèmes de cogénération, de trigénération, ou à des réseaux de chaleur urbain. -L’énergie thermique peut être stockée.

-Installations coûteuses. -Mise en place souvent compliquée. -Gisement souvent difficile d’accès. -Les gisements caloriques finissent par s’épuiser . -Impact possible sur l’environnement immédiat: réchauffement, acidification du milieu par des émissions de dioxyde de souffre (SO2), éboulement.

Crédits : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles.

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Crédits : le dictionnaire visuel.


Carte de France du potentiel gĂŠothermique. CrĂŠdits : Matthieu Stefani

Sources : multiples.

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2.2 PRODUCTION : LES CENTRALES À BIOMASSE La biomasse est littéralement le produit de la photosynthèse. On utilise soit des déchets organiques domestiques, industriels ou agricoles, soit l’on cultive spécifiquement des plantes ou des algues productrices de biomasse. Le processus de sélection et de tri, ainsi que les larges volumes à traiter, rendent coûteuse la valorisation des déchets domestiques. Les déchets agricoles et industriels s’en sortent mieux. Après tri et conditionnement, les déchets et les matières spécifiquement cultivées pour l’usage sont conditionnés par séchage et compactage, puis souvent convertis en carburant, liquide ou gazeux. Les opérations de conversion en carburant se font par des processus biochimiques (hydrolyse, fermentation alcoolique, digestion bactérienne) et par des procédés thermochimique (combustion, pyrolyse, gazéification, estérification). De nos jours, tout comme il y a des milliers d’années, la biomasse est principalement utilisée pour le chauffage. Son application désignée reste l’alimentation, mais son usage électrique reste une ressource à l’énorme potentiel.

-Part de la production française : 1,44% -Puissance du parc français : 1 703 MW -Part de la production mondiale : 5.2% -Rendement moyen : 40% à 85% -Gamme de puissance : 1 kW à 150 MW -Réserves de biomasse : potentiel ∞ -Durée de vie : jusqu’à 40 ans et plus

Schéma d’une centrale à méthanisation (biogaz). Crédits : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles.

AVANTAGES :

INCONVÉNIENTS :

-Valorisation de nombreux déchets organiques. -Écologique, seulement si le CO2 émit lors de la production et lors de la combustion est compensé par le réaction photochimique de la photosynthèse de la biomasse en culture. -Une forme de stockage de l’énergie solaire. -La biomasse existe sous diverses formes, chacune liée à des procédés de valorisation spécifique.

-Émissions de dioxyde de carbone (CO2). -Surfaces d’exploitation importantes. -Risque de surexploitation de la ressource. -Mise en péril de la fertilité des lieux de production. -Impacts possibles sur la biodiversité. -Risque social d’accaparement des terres agricoles. -Émission de méthane de certaines installations. -Mauvais rendement d’émission pour les Biodiesel.

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Carte de France des centrales électriques à biomasse. Crédits : Matthieu Stefani

Sources : multiples.

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2.2 PRODUCTION : LES CENTRALES THERMIQUES SOLAIRES LES CENTRALES À CAPTEURS CYLINDRO-PARABOLIQUES : un

champs de miroirs cylindro-paraboliques orientables capte la chaleur solaire et la concentre en une ligne focale sur un tube dans lequel circule un liquide caloporteur, le tout alimentant une turbine et un alternateur. LES TOURS SOLAIRE : des héliostats concentrent la chaleur du soleil sur une tour, un fluide caloporteur s’y vaporise en se réchauffant et alimente à son tour une turbine et un générateur. LES COLLECTEURS PARABOLIQUES : des paraboloïdes réfléchissants et orientables, concentrent la chaleur sur un disque placé en leur foyer. L’énergie thermique est ensuite extraite du foyer par liquide caloporteur ou directement utilisée dans un moteur Stirling situé juste à l’arrière du point focal. Les deux premiers systèmes sont expérimentés sur une gamme de puissance de 1 à 200 MW alors que le troisième semble convenir à des puissances moindres, de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de kW.

-Part de la production française : 0.38% -Puissance du parc français ~ 2 ,59 MW -Part de la production mondiale : 0.5% -Rendement moyen ~ 60% -Gamme de puissance : 10kW à 200MW -Réserve de soleil : potentiel ∞ -Durée de vie : de 20 à plus de 50 ans

Schéma d’une centrale solaire thermique à accumulation sans des sels liquides. Crédits : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles.

AVANTAGES :

INCONVÉNIENTS :

-Renouvelable. -Non polluant. -Ressource largement disponible. -Fort potentiel pour les pays émergents. -Peut fonctionner de jour comme de nuit, si couplé à une solution de stockage de l’énergie thermique. -Un évaporateur alimenté par combustible fossile, permet de suppléer le soleil par temps couvert.

-Les miroirs adaptés à la réflexion et la concentration des rayons solaires sont coûteux. -Capteurs et concentrateurs solaires s’encrassent rapidement, ils ont souvent besoin d’être nettoyés ou dépoussiérés pour fournir le meilleur rendement possible. -Lourds investissements nécessaires pour les tours solaires et pour les concentrateurs paraboliques.

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Carte de France du potentiel thermique solaire. CrĂŠdits : Matthieu Stefani

Sources : multiples.

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2.2 PRODUCTION : LES PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES Découvert par Antoine César Becquerel au siècle dernier, l’effet photovoltaïque transforme directement la lumière en énergie électrique. Leurs première utilisations ont été spatiales, pour l’alimentation des satellites artificiels. Une cellule photovoltaïque est un semi-conducteur fabriqué à partir de silicium cristallin ou amorphe, capable d’absorber les photons et de produire un courant électrique, sous une tension d’un demi volt (0.5V). Les cellules sont connectées en modules encapsulés de revêtements étanches et assemblées en panneaux. Un panneau de 1m² fournit environ 200 Wh/j en zone tempérée. Ils peuvent fonctionner en utilisation différée en alimentant une solution de stockage : généralement une batterie, au plomb ou au nickel-cadmium. Selon les besoins, des onduleurs transforment un courant continu de bas voltage en courant alternatif de 220V de 50Hz, ce qui permet alors l’utilisation des appareils du commerce (lampes, téléviseurs...)

-Part de la production française : 1.35% -Puissance du parc français ~ 5550 MW -Part de la production mondiale : 0.2% -Rendement moyen : de 7 à 16 % -Gamme de puissance : 100 à 200 W/m² -Ressources de soleil : potentiel ∞ -Durée des installations ~ 30 ans

Fonctionnement d’un générateur photovoltaïque. Crédits : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles.

AVANTAGES :

INCONVÉNIENTS :

-Installations légères et peu encombrantes. -Diversité d’implantation : sol, façade, toiture, route... -Résistant aux conditions extrêmes : satellites spatiaux, balises marines ou de haute montagne... -Une production autonome et décentralisée utile à l’alimentation de points à l’écart du réseau. -Une production proche du consommateur. -Des prix à la baisse.

-Intermittence de la production. -Donc stockage nécessaire. -Variabilité de puissance de la production. -Des rendements faibles. -Faible taux de retour énergétique. -Coût de production du kilowattheure encore élevé face aux moyens de production centralisés. -Solaire : 229 à 370 €/MWh

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Carte de France de la production photovoltaĂŻque. CrĂŠdits : Matthieu Stefani

Sources : multiples.

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2.2 PRODUCTION : LES GÉNÉRATRICES ÉOLIENNES Les danois ont été les premiers à exploiter l’énergie éolienne pour la production d’électricité. De 1930 à 1960 la puissance des aérogénérateurs est passée de quelques dizaines de watts à 1MW. Entre 1980 et 1985, les pouvoirs publics californiens ont subventionné les investissements par incitation fiscale, danois et allemands suivirent l’exemple à la fin des années 80. La production d’électricité par éolienne dépend d’abord de la qualité des sites. Seule une étude météorologique préalable et une longue période de mesures permettent d’apprécier l’intérêt d’un site. On estime que le taux de 30% de jours ventés dans l’année peut justifier un investissement dès lors que les vitesses moyennes annuelles sont suffisantes, plus de 7.5 m/s pour les bon sites. En dessous de 5m/s, l’investissement n’apparaît pas justifié. Le potentiel français est évalué à 80TWh/an en dehors de l’off-shore, mais le potentiel réellement exploitable est moindre. La majorité des éoliennes sont à axe horizontal, c’est leur rotor qui, couplé à un multiplicateur de vitesse, entraîne l’alternateur.

-Part de la production française : 3.86% -Puissance du parc français : 9 660 MW -Part de la production mondiale : 3 % -Rendement moyen : 40-60 % -Gamme de puissance : 0.5 à 1.5 MW -Ressources de vent : potentiel ∞ -Durée des installations : 30 à 40 ans

Légende : 1 - centrale de contrôle 2 - orientation de l’axe des pales 3 - jonction centrale 4 - boîte de vitesses 5 - générateur 6 - transformateur haute tension 7 - unité hydraulique Les élements d’une génératrice éolienne. Crédits : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles.

AVANTAGES :

INCONVÉNIENTS :

-Renouvelable. -Décentralisé, proche du consommateur. -Large gamme de puissance, du kW au MW. -Énergie renouvelable la plus rentable, elle commence à être compétitive face aux énergies fossiles : 70-100 €/MWh pour les énergies fossiles -82 €/MWh pour l’éolien terrestre. -Plus de 220 €/MWh pour l’éolien en mer.

-Intermittence de production. -Variabilité de puissance de production. -Solution de stockage de l’énergie indispensable. -Puissances moyennes de production basses. -Vastes sites occupés pour de fortes puissances. -Impact sur le paysage. -Impact sur la faune aviaire migratrice. -Certaines éoliennes peuvent être bruyantes.

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Carte de France du potentiel ĂŠolien. CrĂŠdits : Matthieu Stefani

Sources : multiples.

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2.2 PRODUCTION : ALTERNATIVES RENOUVELABLES TOUR SOLAIRES, OU CHEMINÉES SOLAIRES

Au sol une large surface est occupée par une structure supportant une membrane de verre et de plastique disposée à quelques mètres du sol. Cette membrane reçoit le rayonnement solaire et engendre un effet de serre au niveau du sol. Ce réchauffement de l’air induit une dépression créant ainsi un flux d’air chaud en direction de la tour «cheminée». Dans la tour, des génératrices éoliennes reçoivent ce flux d’air chaud, tournent et produisent de l’électricité. Le premier prototype est apparu en 1903 de l’imagination de Isidoro Cabanyes, la première centrale fonctionnelle de ce type est construite en 1981 à Manzanares en Espagne. Dans les années 50, en France Edgard Nazare améliore le concept en confinant un cyclone artificiel à la base de la tour, il nomme alors sa trouvaille de «centrale aérothermique» ou «tour à vortex». Ces tours sont promises à un bel avenir, en Espagne, en Australie tout comme ailleurs où l’on prévoit leurs constructions. Des projets de centrales de ce type de grande puissance (200MW), avec des tours atteignant le kilomètre de hauteur, avec un diamètre du collecteur de 7 km pour une surface de réception de près de 40 km² sont à l’étude.

Schéma de principe d’une tour solaire. Photo: Wikipédia

Projet de tour solaire de 200 MW en Arizona. Photo: Wikipédia.

ÉOLIENNE DE TRÈS HAUTE ALTITUDE

Les sites rentables pour l’installation d’éoliennes étant limités, des compagnies se tournent alors vers les hautes altitudes, là où le vent souffle fort et de manière continue. Ces prototypes d’un genre nouveau, sont composés d’un ballon toroïdale dans lequel s’insère une éolienne raccordée au sol et au réseau par un long câble. Ici, les éoliennes sont optimisée pour leur rapport poids/rendement. Comparativement lorsque le vent ne souffle qu’à une vitesse de 40 km/h au sol, il souffle très probablement de manière constante à près de 300 km/h ou plus dans les jetstreams, courants aériens bien connus des pilotes. L’objectif est pour le moment d’atteindre les 600 mètres d’altitude et d’augmenter les rendements de production des prototypes. La jeune entreprise Altaeros Energies, initiée par des chercheurs de Harvard et du MIT, a récemment testé une éolienne volante, qui utilise des technologies éprouvées. L’hélice centrale de 4 mètres de diamètre provient d’une turbine éolienne classique et le ballon, gonflé à l’hélium, s’inspire d’un aérostat de l’armée américaine normalement utilisé pour disposer des radars militaires à une centaine de mètres du sol. 46

Éolienne aéroportée utilisant l’effet Magnus. Photo: Magenn power.

Éolienne d’Altaeros Energies. Photo: Altaeros Energies.


STATIONS HOULOMOTRICES

Houlomotrice de la Carnegie Wave energy. Photo: Carnegie wave energy.

Pelamis, développés Pelamis Wave power. Photo: Pelamis wave power.

Une hydrolienne du parc de Paimpol. Photo: EDF.

L’hydrolienne voile d’EEL Energy.

Les vagues, la houle, se forment par l’action du vent sur l’eau, vent lui même induit par des variations de pression atmosphérique, engendrées par l’effet du rayonnement solaire. Autrement dit, l’énergie des vagues résulte de l’énergie nucléaire du soleil. Il existe 4 grands moyens de récupérer l’énergie des vagues : 1) Des bouées sous marines ancrées au fond, oscillent au gré des vagues, actionnant alors un piston qui envoie un fluide dans une turbine, couplée à un alternateur produisant de l’électricité. 2) Les vagues entrent dans un caisson, elles y compriment l’air emprisonné et cet air comprimé fait tourner une turbine. 3) Les vagues entrent dans un chenal, rétrécissent, enflent et débordent par-dessus la digue d’un réservoir qui se remplit progressivement. L’eau du réservoir revient à la mer en passant par un groupe turbo-alternateur produisant de l’électricité. Cette installation est appelée plate-forme à déferlement. 4) Les vagues déplacent des caissons flottants reliés entre eux dans tous les sens. L’énergie se transmet aux articulations mobiles entre les caissons, des pistons actionnent des pompes à huile sous pression, produisant ainsi de l’électricité. INSTALLATIONS HYDROLIENNES

Contrairement à la houle, les installation hydroliennes exploitent l’énergie des courants marins et fluviaux. La houle est une onde, un transfert d’énergie au travers de la matière sans flux de matière. Éoliennes et hydroliennes ne captent pas l’énergie d’ondes mais bien celle d’un flux de matière. Plusieurs installations existent : 1) Des turbines, qui tout comme les éoliennes sont de différent type (horizontal, vertical, frontal et transverse). Les turbines ne disposent pas de grillage de protection car ces derniers perturbent le flux et limitent considérablement les rendements. Ainsi elles sont vulnérables aux objets les traversant et exposent la faune aquatique à un certain risque. 2) Des voiles, qui s’inspirent des déplacement souples et réguliers des organismes aquatiques. Elles produisent un mouvement ondulatoire se transmettant à une série de bobines entraînant la rotation d’un alternateur. Ce dispositif présente de nombreux avantages : démarrage à faible vitesse, meilleure efficacité, fortes puissances possible (5 MW), pas de problème de cavitation, faible traînée, orientation automatique et risque amoindri pour la faune. Ainsi elles permettent une forte densité des fermes hydroliennes, pour une meilleure rentabilité à un meilleur coût.

Photo: EEl Energy.

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2.2 PRODUCTION : LA PRODUCTION HYDROÉLECTRIQUE Dans les centrales hydroélectriques, c’est l’énergie potentielle de gravité de l’eau qui est utilisée pour produire de l’électricité. Les ouvrages s’adaptent aux caractéristiques de la ressource et épousent la morphogéologie des sites là où elle est disponible. Dans certains cas, l’eau est stockée dans des réservoirs et turbinée au rythme des besoins dans les usines de production. Durant les périodes de forte demande, elle peut également être turbinée au fil du courant des cours d’eau. Les stations de transfert d’énergie par pompage jouent sur les différences de coût de l’électricité selon le moment de sa production. Les usines marémotrices exploitent l’énergie des marées. Les différents types d’ouvrages ont sur l’environnement des impacts qu’il est parfois possible de limiter. Énergie renouvelable, qui ne pollue pas l’atmosphère, l’hydraulique fournit le cinquième de l’électricité mondiale. Les ouvrages de lacs restent d’ailleurs un des rares leviers d’ajustement, en répondant rapidement aux brusques variations de la demande des consommateurs.

-Part de la production française : 10.75% -Puissance du parc français : 25 421MW -Part de la production mondiale ~ 25% -Rendement moyen : 80 % -Gamme de puissance : 1kW à 22.5GW -Ressources hydriques : potentiel ∞ -Durée des installations : + de 100 ans

Schéma de fonctionnement d’une STEP. Crédit : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles.

AVANTAGES :

INCONVÉNIENTS :

-Énergie renouvelable. -Économique : 15 - 20 €/MWh. -Installations souples et faciles à télécommander. -Représente une réserve de puissance pour les pointes de consommation ainsi qu’une solution de stockage pour les pointes de production éolien. -Ne rejette pas de gaz à effet de serre. -Large variété d’ouvrage exécutables .

-Partage des ressources hydriques. -Déplacement de population. -Quantité de matière nécessaire à la construction. -Exposés aux risques sismiques et de débordement. -Impacts sur l’environnement : -Modification des rythmes de dépôts sédimentaires. -Perturbation de la faune aquatique. -Facteur de disparition des zones humides.

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Carte de France des installations hydroĂŠlectriques. CrĂŠdits : Matthieu Stefani

Sources : multiples.

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Shémas des installations hydroélectriques. Crédits : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles.

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2.3 STOCKAGE, BASE L’intégration de moyens de stockage sur tout réseau électrique permet de résoudre de nombreux problèmes techniques et présente de multiples intérêts et bénéfices pour les différents acteurs concernés. Producteurs, gestionnaires de réseaux et consommateurs profitent directement et indirectement de leurs utilisations. Les applications de stockage ont leurs propres caractéristiques et la comparaison des technologies existantes nécessite d’appréhender à minima certaines définitions propres au stockage. Ainsi, chaque niveau du système électrique, présente ses propres limites, pour chaque limite, les réponses que peuvent apporter le stockage sont spécifiques. 1) ÉNERGIE ET PUISSANCE

Un stockage d’énergie est avant tout caractérisé par sa capacité, c’est à dire la quantité d’énergie qu’il sera capable d’emmagasiner puis de restituer. Celle-ci s’exprime en joules (J) ou en killowatts-heures (kWh) et leurs multiples, en fonction de la taille du stockage étudié. Il est à noter qu’un stockage peut restituer une capacité utile qui n’est pas équivalente à la capacité maximale qu’il peut emmagasiner. C’est le rendement qui exprime cette différence, en effet, le stockage d’énergie et sa restitution induisent des pertes. Enfin certaines applications nécessitent un état de charge minimal et ne permettent donc pas d’atteindre un état de décharge total. La puissance correspond elle au débit d’énergie que le système de stockage peut emmagasiner ou fournir dans le temps. Elle s’exprime en Watt (W). La puissance maximale pouvant être fournie ou reçue par le moyen de stockage est aussi appelée puissance nominale. 2) TEMPS DE CHARGE ET DE DÉCHARGE

Le temps de charge et de décharge sont directement liés à la capacité et à la puissance du système étudié. Il représente la durée de l’intervalle utile entre deux recharges, le moment pendant lequel le système peut restituer ou emmagasiner de l’énergie sans arriver à saturation ou à un état de décharge ultime. Les temps de charge et de décharge ne sont pas nécessairement les mêmes et ils varient grandement entre les différentes technologies de stockage de l’énergie. Lorsque le temps disponible est limité, par exemple dans les applications quotidiennes, le temps de charge doit être suffisamment court pour permettre au stockage d’assurer sa fonction à tout moment. 3) CONSTANTE DE TEMPS, TAUX DE RAMPE ET TEMPS DE RÉPONSE

La constante de temps se mesure en unité de temps (secondes, jours). Elle caractérise le type de sollicitations que le système sera en mesure d’accepter. Elle se calcule par le rapport entre la capacité utile et la puissance nominale. Lorsqu’elle est faible (en secondes ou minutes), elle convient à des applications nécessitant de la puissance. Si elle est élevée (en heures ou jours), elle convient à des applications demandant une certaine autonomie dans la fourniture d’énergie. Le temps de réponse est simplement le temps nécessaire à un système de stockage pour passer d’un état de fonctionnement à un autre. En fonction de l’application choisie, cette grandeur est plus ou moins importante. Ainsi, un temps de réponse très rapide est requis pour les applications propres au ouvrages de transport et de distribution, où les sollicitations sur les équipements changent presque instantanément et continuellement. Le taux de rampe, représente la vitesse à laquelle la puissance délivrée par le système de stockage est susceptible d’être modifiée. Il s’exprime en unité de puissance par unité de temps (W/s par exemple). Aussi, les moyens de stockage ayant des temps de réponses courts ont généralement des taux de rampe élevés. 52


2.3 STOCKAGE, SES UTILITÉS ET SES APPLICATIONS DANS LE RÉSEAU L’intégration de solutions de stockage de l’énergie sur le réseau électrique apporte deux grands types de services. Le premier d’ordre économique, permet d’optimiser le fonctionnement du système électrique. Le second service est lié à la qualité et à la sécurité de l’approvisionnement électrique. 1) LA CAPACITÉ DE POINTE

Lors des pointes de consommation, l’utilisation d’une capacité de stockage permet de délivrer un complément de puissance fort utile. Il s’agit alors de compenser un appel de puissance important, mais limité dans le temps, qui nécessiterait sinon un surdimensionnement coûteux du parc de production et du système de transport et de distribution. En période de pointe, les appels de puissance sur le réseau sont importants, ceci explique la nécessité des moyens de stockage ayant une puissance de décharge importante. Quelle que soit la durée de la période de pointe, l’énergie disponible doit être suffisamment importante pour satisfaire la demande. 2) REPORT DE PRODUCTION

Une unité de stockage permet de jouer sur la structure tarifaire de l’électricité (prix du kWh différent selon les heures de la journée) dans le but de réaliser des économies. Il permet de stocker de l’énergie pendant les périodes creuses (00h00 à 07h00) pour les restituer lors des heures pleines (17h00 à 23h00). Contrairement à la capacité de pointe, ici, la capacité est un critère d’une autre importance, car la quantité d’énergie reportée d’heures creuses à heures pleines sera davantage valorisée (économiquement parlant) par rapport à une puissance instantanée importante. Pour les applications de report de production, un temps de réponse de l’ordre de la minute est suffisamment court. 3) SECOURS DE PRODUCTION

Comme toute machine, une unité de production d’électricité n’est pas à l’abri d’une panne. On peut alors utiliser des moyens de stockage de capacité importante et de forte puissance en tant que réserve locale afin de réagir à tout incident qui rendrait indisponible des groupes de production. Ces moyens de stockages doivent avoir des caractéristiques particulières, comme un temps de décharge long, permettant d’assurer l’approvisionnement électrique pendant la durée de maintenance du groupe de production défaillant. 4) SÉCURITÉ DE DÉMARRAGE

Dans le cas où il se produirait un événement majeur de type black-out sur le réseau, l’énergie nécessaire au redémarrage des groupes de production ne peut alors pas être fournie par le dit réseau. Certains moyens de production sont ainsi équipés d’une capacité «black-start» de stockage, permettant de contribuer au réapprovisionnement et au redémarrage de celui-ci. 5) REPORT D’INJECTION DE LA PUISSANCE RÉACTIVE

La puissance réactive est une notion complexe et importante dans le domaine de l’électrotechnique. Cette puissance, due au caractère sinusoïdale du signal électrique, est directement liée à la création de champs magnétiques. Elle engendre des pertes par échauffement lorsqu’elle est faible, voir des chutes de tension. Cependant, elle est nécessaire au bon fonctionnement de nombreux appareils électriques (moteurs asynchrones, transfo, transport, distribution). Le stockage apparaît comme une solution intéressante pour délocaliser l’injection de puissance réactive dans le réseau, au plus près des consommateurs. Cette application permettrait d’éviter le transport de la puissance réactive, sans pour autant la supprimer, limitant ainsi les pertes d’énergie par effet joules ou les pertes de stabilité dans la conduite du réseau. 53


2.3 STOCKAGE ÉLECTROCHIMIQUE Les batteries électrochimiques sont des générateurs de courant continu qui s’inscrivent dans la catégorie des sources d’énergie secondaire réversible. Le stockage d’énergie sous forme électrochimique repose sur des processus de réactions chimiques d’oxydoréduction et de transfert d’électrons permettant la conversion énergétique d’un potentiel à un autre en fonction de sa charge ou de sa décharge. Elles sont constituées de deux électrodes conductrices, également appelées anode et cathode. Anode pour l’électrode négative réductrice qui subit l’oxydation. Cathode pour l’électrode positive oxydante qui subit une réduction. Les électrodes sont plongées dans un électrolyte aqueux ou solide permettant leur séparation et assurant le rôle de conducteur ionique. Enfin une membrane séparatrice interne, permet d’éviter le court-circuit que provoquerait un transfert d’électrons de l’électrode négative à la positive. Plusieurs types de batteries électrochimiques existent actuellement et reposent principalement sur des technologies ayant des couples d’oxydoréduction de type : plomb/acide (Pb), nickel/cadmium (Ni-Cd), nickel/métal hydrure (Ni/MH), lithium/ ion (Li-ion) ou encore les batteries chaudes du type sodium/ souffre (Na-S) et redox flow.

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Les composants d’une batterie électrochimique. 1 - Bouchon 2 - Borne positive 3 - Borne négative 4 - Séparateur de cellule 5 - Plaque et séparateur 6 - Boîtier

Crédit : infovisual.info

AVANTAGES :

- Grande variété de batteries : nombreux couples redox. - Large gamme de puissance et de tension. - Volume réduit : pratique pour les petites applications. - Technologies pour la plupart arrivées à maturité.

Les batteries diffèrent en taille et en fonction.

Crédit : velo-electric.com

INCONVÉNIENTS :

- Production et recyclage énergivores et souvent polluants. - Limité en haute puissance et en haute tension. - Nombre de cycles de charge/décharge relativement faible face aux technologies mécaniques. - Potentiellement risqué : explosion, dégagement gazeux (H2)... UTILISATION :

Dans de nombreuses applications : montres, téléphones, ordinateurs et autres appareils mobiles. Ce sont les technologies de stockage les plus adaptées et les plus matures pour les systèmes portatifs de faible puissance. Récemment elles alimentent des véhicules tout électrique. 54

Les batteries viennent aujourd’hui alimenter les maisons et les véhicules.

Crédit : Tesla Company.


2.3 STOCKAGE ÉLECTROSTATIQUE

Tout comme les batteries, condensateurs et supercondensateurs diffèrent de taille en fonction de leurs usages dédiés. Crédit : velo-electric.com

Les derniers supercondensateurs en graphène ont une structure atomique des plus adaptée à l’accumulation de charges électrostatiques. Sur la photo : les différentes couches des feuillets de graphène constitués d’atomes de carbone. Crédit : super-condensateur.com

Contrairement à ce qui est souvent admis, il est possible de stocker l’énergie sous forme électrique, à l’aide de condensateurs et de supercondensateurs. Ils s’inscrivent dans la catégorie des sources d’énergie secondaire de type impulsionnel. Ils sont capables de subir des cycles de charge/décharge au même titre qu’un accumulateur classique tout en admettant une constante de temps très faible (de l’ordre de quelques secondes). Ils disposent d’une très grande densité de puissance qui s’échelonne de 1 à 10 Kw/Kg. À la différence des accumulateurs électrochimiques, les condensateurs et supercondensateurs, peuvent stocker l’électricité directement, s’affranchissant ainsi d’une étape de conversion souvent chronophage et synonyme dans la plupart des cas de modifications chimiques détériorantes sur le long terme. Cette caractéristique leur garantit des temps de charge et de décharge très courts et leurs confère de bonnes propriétés en terme de durabilité et de cyclabilité. L’absence de réaction chimique permet d’assurer un stockage énergétique de type électrostatique (accumulation des charges à la surface des électrodes). Les électrodes d’un supercondensateur sont séparées par un électrolyte organique ou aqueux. C’est un isolant qui sépare les électrodes des condensateurs «classiques». AVANTAGES :

* = supercondensateurs

- Réactifs (constante de temps et temps de réponse rapides). - Bons rendements : de 90% à 95%. * - Taille et puissance variées (du micro Watt au méga Watt). - Cyclabilité élevée (nombre de cycles charge/décharge). - Capacité d’absorption et de fourniture de forte puissance. * INCONVÉNIENTS :

* = supercondensateurs

- Sensible aux surtensions. * - Limité dans les applications (limite de la capacité de stockage). - Forte autodécharge (pertes de charges naturelles). * UTILISATION :

Observation de l’accumulation des charges électrostatiques dans un supercondensateur au graphène (des ions chargés s’accumulent à la surface, au contact des atomes de carbone). Crédit : super-condensateur.com

Les condensateurs sont principalement utilisés dans la microélectronique et l’électronique de puissance. Ainsi on les retrouve dans la plupart des circuits électroniques d’ordinateurs, de téléphones etc... Quant aux supercondensateurs, ils offrent de nombreuses possibilités d’amélioration de l’efficacité des systèmes énergétiques actuels (stockage stationnaire, mobilités). 55


2.3 STOCKAGE THERMIQUE Le ballon d’eau chaude domestique en fait la forme de stockage d’énergie la plus courante dans nos foyers. Cette solution de stockage d’énergie se décline à travers différentes technologies. On peut capter la chaleur du soleil via différents dispositifs (concentrateurs, tubes sous vide, lentilles...). On peut aussi la récupérer dans des systèmes de cogénération par un échangeur thermique, cette solution permet d’améliorer les rendements des centrales thermiques. Ensuite, la chaleur est transportée à l’aide d’un fluide caloporteur (eau, sel liquide, gaz neutre) dans des tuyaux thermiquement isolés. Le stockage thermique se fait au sein de matériaux à forte inertie thermique (huiles minérales, sels liquides) ou au sein de matériaux réfractaires poreux qui permettent la circulation de gaz. Les cuves de stockage doivent être isolées en proportion afin de limiter les pertes. La récupération de l’énergie se fait ensuite soit en processus réversible via le fluide caloporteur et un échangeur thermique qui entraîne le fonctionnement d’un groupe turbo-générateur. La récupération de l’énergie peut aussi se faire via des systèmes dédiés, avec un moteur Sterling ou un cycle thermodynamique de Brayton, exploitant l’effet Joule-Thompson de compression et de détente des gaz.

Schéma légendé des composants d’un ballon d’eau chaude électrique à accumulation.

Crédit : Thierry Gallauziaux, David Fedullo, pour Eyrolles.

AVANTAGES :

- Courant, simple d’usage et polyvalent dans leur fonction. - Fort potentiel d’optimisation avec le réseau intelligent. Permet par exemple le lissage de la production et de la consommation en automatisant le fonctionnent du ballon d’eau chaude. - Permet le fonctionnement continu (jour et nuit) des centrales solaires thermodynamiques, par un stockage de jour de l’énergie excédentaire permettant ensuite un fonctionnement nocturne.

«Swiss Symposium Thermal Energy Storage» à la haute école de Lucerne (HSLU). Crédit : HSLU.

INCONVÉNIENTS :

- Pertes thermiques du stockage (isolation thermique cruciale) - Matériaux caloporteurs parfois polluants (huiles minérales...) - Manque de réactivité (long temps de réponse) UTILISATION :

Domestique et décentralisée avec les ballons d’eau chaude et les capteurs thermiques solaires sous vide. Centralisée et industrielle avec les systèmes de cogénération couplés aux centrales et avec les systèmes de pompage thermique (CAES & SEPT) 56

Stockage thermique sur sels fondus dans une centrale thermique solaire, permettant parfois à la centrale de fonctionner la nuit. Crédit : Groupe TSK.


2.3 STOCKAGE CHIMIQUE

Les différents modes de production et de consommation du dihydrogène. Sources : Commision Européenne.

Il permet de stocker de l’énergie électrique au moyen d’un autre vecteur, notamment l’hydrogène. Ses principaux usages sont électrique (électrolyse), thermique et gazier (Hythane) ou dédié à la production de carburants (méthanisation et procédé Fisher Tropsch). Nous nous intéresserons ici à la filière Hydrogène (électrolyte et pile à combustible). La production d’hydrogène se fait par électrolyse de l’eau via différents procédés (électrolyse alcaline, électrolyse acide à membrane échangeuse de protons ou électrolyse à haute température). Une fois produit, l’hydrogène doit être stocké (sous forme de gaz comprimé, liquide ou solide). L’hydrogène est ensuite consommé dans une pile à combustible. Différentes technologies existent. Certaines fonctionnant, à haute température (1000°C) (SOFC : Solid Oxyde Fuel Cell) d’autres à basse température (80°C) (PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Certaines utilisent du dihydrogène pur (H2), d’autres l’hydrogène contenu dans certains combustibles sans passer par des phases de production ou de stockage de l’hydrogène (piles à méthanol et éthanol). AVANTAGES :

Stockage cryogénique liquide d’ergol (H2). Crédit : ESA (European Space Agency).

- Rendement et durabilité du stockage gazeux et solide. - Large gamme de pile à combustible pour diverses applications: - Applications mobiles (PEMPC) : véhicules. - Applications stationnaires (SOFC) : chaleur et électricité. - Bonne densité énergétique de l’hydrogène liquide (2366kWh/m3). - Fort potentiel en R&D dans l’amélioration des rendements du stockage solide et l’emploi de matériaux moins précieux. INCONVÉNIENTS :

- Stockage de l’hydrogène coûteux et dangereux (explosion). - Difficile et coûteux à transporter et à stocker (porosité des matériaux, stockage liquide cryogénique complexe, matériaux rares des stockages solides : platine et palladium) . UTILISATION :

Stockage de dihydrogène gazeux en bouteilles à haute pression (jusqu’à 700 bars). Crédit : ALPHAGAZ d’AIR LIQUIDE.

La diversité des technologies aujourd’hui commercialisées ou en développement, permet à ces technologies de trouver de nombreuses applications, à la fois mobiles et stationnaires. Il existe aujourd’hui de nombreux véhicules fonctionnant à l’hydrogène et ne rejetant que de la vapeur d’eau (bateaux, voitures, bus ...) 57


2.3 STOCKAGE ÉLECTROMAGNÉTIQUE Les bobinages supraconducteurs (Superconducting Magnetic Energy Storage : SMES) constituent, avec les supercondensateurs, les seules technologies capables de stocker directement de l’électricité, s’affranchissant ainsi de la transformation en un autre potentiel énergétique, souvent chronophage et énergivore. Leur principe de fonctionnement repose sur la circulation d’un courant électrique continu dans une bobine de fil supraconducteur, refroidie en dessous de sa température critique. Le courant circulant à l’intérieur de la bobine courtcircuitée étant lié à l’induction magnétique et non pas au champs électrique tel que cela est le cas dans un conducteur classique, il n’est donc pas limité par l’effet Joule qui échauffe le matériau. Cette propriété présente comme principal intérêt de développer des densités de puissance élevées (jusqu’à 1MW/Kg) et de restituer celle-ci avec des temps de réponse de l’ordre de quelques millisecondes. Un SMES est généralement constitué d’une bobine supraconductrice, d’un système de conditionnement de puissance comportant un onduleur/ redresseur permettant la transformation alternatif/continu et inversement. Il dispose également d’un système de réfrigération cryogénique garantissant de manière continue les seuils de température critique nécessaires au bon fonctionnement de l’installation. La supraconductivité correspond à la propriété de certains matériaux à présenter une résistance nulle en dessous d’une température donnée (température critique). Certains supraconducteurs fonctionnent à basse température critique (en dessous de -242.15°C), d’autres fonctionnent à haute température critique (au dessus de -242.15°C)

Photo & schéma de bobine supraconductrice. Crédit : supraconductivite.fr

AVANTAGES :

- Réactif : charge et décharge rapides. - Grande capacité de stockage de forte puissance. - Très bon rendement (95% à 98%). INCONVÉNIENTS :

- Matériaux supraconducteurs coûteux. - Réfrigérant cryogénique énergivore. UTILISATION :

Dans des systèmes stationnaires de stockage performant possédant des rendements énergétiques élevés (+ de 95%). 58

SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage). Crédit : Cryomagnetics.


2.3 STOCKAGE MÉCANIQUE : HYDRAULIQUE GRAVITAIRE

Schéma de fonctionnement d’une STEP. Crédit : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles.

Il s’agit ici du stockage d’énergie potentielle à l’aide des stations de transfert d’énergie par pompage. Elles consistent en deux réservoirs d’eau situés à des altitudes différentes et reliées par une conduite forcée. Dans cette conduite, l’eau peut circuler dans les deux sens afin d’actionner une pompe-turbine. En phase de stockage, l’électricité du réseau permet d’entraîner la pompe et l’eau est transférée du bassin inférieur (ou depuis la mer) vers le bassin supérieur. Une réserve d’énergie potentielle est ainsi créée. En phase de déstockage, l’eau est turbinée comme dans une centrale hydroélectrique traditionnelle. L’énergie potentielle est ainsi transformée en énergie cinétique puis électrique. Le pompage a lieu lorsque la demande ou que le coût de l’énergie électrique est faible. L’énergie potentielle ainsi stockée permet de répondre aux appels de puissance de façon extrêmement flexible : les centrales hydroélectriques de haute chute (>200m), associées à des barrages permettent de libérer leur pleine puissance en moins de 5 minutes. Le rendement global des installations est de l’ordre de 75 à 85%. Le taux d’autodécharge est considéré proche de zéro, les quantités d’eau évaporées étant considérées égales à celles apportées par les précipitations. La technologie est mature et la durée de vie est importante (30 à 60 ans et plus). AVANTAGES :

La station de transfert d’énergie par pompage (STEP) de Revin. Crédit : EDF

- Forte puissance rapidement mobilisable. - Permet de lisser les pics de production/consommation. - Bonne durée de vie. - Fort potentiel d’amélioration des rendements par la rénovation des installations existantes. INCONVÉNIENTS :

- Impact environnemental et parfois social important. UTILISATION :

Projet de STEP sur un atoll artificiel au large de Copenhague au Danermark, ayant pour but de stocker l’exédent d’énergie éolienne. Crédit : Les dossier de LA RECHERHCE, n°47, février 2012.

Les stations de pompage-turbinage représentent près de 3% de la capacité de production mondiale et plus de 99% de la capacité de stockage installée de par le monde. En l’absence de reliefs adaptés, d’autres solutions existent : en mer, sous la forme d’atolls artificiels, totalement off-shore ou adossés à une colline. Sous terre, avec des réservoirs inférieurs naturels ou artificiels (nappes phréatiques, anciennes mines). 59


2.3 STOCKAGE MÉCANIQUE : AIR COMPRIMÉ Il existe principalement trois systèmes de stockage sous forme d’air comprimé : 1. Les systèmes classiques de première et seconde génération. Ils ne sont pas autonomes, car ils nécessitent un apport de gaz lors des phases de production d’électricité. 2. Les systèmes adiabatiques (autonomes). 3. Les systèmes hydropneumatiques (autonomes). Les CAES (Compress Air Energy Storage) utilisent des cavités souterraines existantes, pour stocker de l’énergie sous forme d’air comprimé à une pression de l’ordre de 40 à 80 bars. Lors du déstockage, l’air comprimé alimente en comburant la combustion de gaz naturel dans une turbine à combustion traditionnelle. Ce système permet surtout d’améliorer les rendements des turbines à combustion en évitant l’emploi d’un turbocompresseur énergivore. D’une manière générale, elle n’a pas de très bons rendements de stockage. Les systèmes de stockage adiabatiques (AA-CAES) permettent de ne plus consommer du tout de gaz lors de la restitution d’énergie. Ce système permet de stocker en plus de l’air comprimé, la chaleur dissipée lors des phases de compression/décompression, pour de meilleurs rendements. Enfin les systèmes hydropneumatiques (HPES), où l’air reste le support de stockage, mais où il n’est plus le fluide actif. Lors des phases de compression d’air, de l’eau ou de l’huile est pompé lentement dans des accumulateurs hydrauliques à piston. Lors des phases de déstockage, l’eau sous pression est turbinée alors que la pression d’air diminue dans l’accumulateur.

3 2 1 4

5 Schéma d’une unité CAES. 1 - le système de compression. 2 - l’unité moteur/générateur. 3 - la turbine à gaz. 4 - les accumulateurs. 5 - les cavités salines de stockage. Crédit : KU Mohmeyer et R. Shcarf, 2001.

Ballon de stockage immergeable.

Crédit : P. Seamus Garvey at Nottingham University & ThinRedLine.

AVANTAGES :

- Bon rendement, notamment pour les HPES. - Large gamme de puissance de stockage possible. - Stockage de grosse capacité envisageable. - Pas de contraintes géologiques pour les HPES. - Autodécharge nulle (HPES), très lente (CAES et AA-CAES)0 - Matériaux de construction recyclables en fin de vie. INCONVÉNIENTS :

- Consommation de gaz (CAES). UTILISATION :

Les CAES sont principalement utilisés couplés à des centrales thermique à gaz en vue d’améliorer leurs rendements. Les AACAES et HPES ont des usages plus polyvalents et variés. 60

Unité domestique de stockage d’air comprimé. Crédit : Dave Boehnlein à la ferme des Bullock.


2.3 STOCKAGE MÉCANIQUE : LE VOLANT D’INERTIE

Une unité de stockage inertiel de 25 kWh. 1- le cylindre rotatif. 2 - le moteur/alternateur. 3 - le palier inférieur. 4 - le palier supérieur. 5 - la butée magnétique passive. 6 - l’enceinte étanche. Crédit : Energiestro.

Les SISE (Systèmes Inertiel de Stockage d’Énergie ou FES: Flywheel Energy Storage) entrent dans la catégorie des systèmes de stockage de l’énergie sous forme mécanique. Lors du stockage, l’électricité est convertie en énergie mécanique par l’intermédiaire d’un moteur électrique alimenté à fréquence variable par le convertisseur électronique de puissance. Cette dernière est ensuite stockée dans le volant d’inertie sous forme d’énergie cinétique conservée dans une masse tournante. Lors de la décharge, cette énergie mécanique est reconvertie en énergie électrique par l’intermédiaire d’un alternateur. Les principaux constituants d’un SIES sont le volant d’inertie, les paliers et l’enceinte de protection. Le volant d’inertie emmagasine et restitue l’énergie. Celle-ci dépend du moment d’inertie et de la vitesse de rotation. Deux critères sont à prendre en compte lors de l’élaboration d’un volant d’inertie : la résistance à la rupture du matériau et sa densité. Le matériau le plus efficace actuellement est le kevlar, avec une résistance à la rupture de 4,8 GPa et une masse volumique de 1800 kg/m3, lui permettant d’atteindre une densité énergétique de 180 Wh/kg soit 4 fois plus qu’un accumulateur électrochimique classique au plomb. Les paliers ont un rôle prépondérant dans l’efficacité du système, ils assurent la bonne rotation à des vitesses élevées de 57000 tr/min et minimisent les frottements durant la durée de vie du système qui est de l’ordre du million de cycles. AVANTAGES :

- Rendements élevés. - Très bonne capacité de cyclage. - Faible sensibilité aux variations thermiques (pièces mécaniques) . - Faible impact environnemental. - Temps de réponse de l’ordre de la seconde à la minute. INCONVÉNIENTS :

- Risques d’éclatement du volant d’inertie. - Forte autodécharge. - Systèmes onéreux. UTILISATION :

Une centrale de stockage de 200 kW. Crédit : Beacon Power.

Les volants d’inertie permettent le fonctionnement de base de tout moteur électrique triphasé. On leur réserve un bel avenir dans le domaine du stockage d’énergie stationnaire et mobile. 61


2.4 LE TRANSPORT DE L’ÉLECTRICITÉ : HISTOIRE Tout mode d’usage dépend du degré d’élaboration technique du bien concerné. Selon qu’un équipement offre plus ou moins de fonctionnalités, plus ou moins de facilités de transport ou d’emploi, il incite le public à le choisir ou, inversement, à adopter une attitude attentiste et à se tourner vers une solution concurrente. L’électricité, qui a fait l’objet de très nombreuses innovations, a connu une succession de modes d’usages qui constituent autant d’étapes bien spécifiques. À la fin du XVIIIème siècle, le transport de l’électricité est imparfait et presque aléatoire. Son transport est alors limité par les avancées techniques du moment. De faible puissance ou au contraire délivrée brutalement par décharges, il n’était alors pas possible de garantir l’exacte quantité d’électricité délivrée, ni sa qualité. En ces temps, l’électricité est alors produite par des machines électriques à frottements et elle est directement utilisée sur place. Il faut attendre l’invention du condensateur (bouteille de Leyde) en 1746 pour que l’électricité se transporte avec fiabilité, puis dès 1800, c’est la pile de Volta qui sert à son transport. C’est avec la dynamo de Zénob Gramme conçue en 1867, que l’électricité devient un service continu. Piles et condensateurs se déchargeaient au bout d’un certain temps et n’assuraient pas la continuité de la fourniture d’électricité. Elle ne résolvait pas le transport de l’électricité, mais il s’agissait là du premier maillon d’un système incomplet. C’est en 1873, à l’Exposition Universelle de Vienne, que le physicien français Hippolyte Fontaine aurait, par mégarde, branché une dynamo sur une autre machine électrique en fonctionnement située à distance. De ces observations du transport de l’électricité et de la réversibilité des dynamos sont nés les premiers systèmes de transport d’électricité, comme en 1882 à Munich, où l’électricité produite à 57 km de distance alimentait la pompe d’une cascade. Dès 1884, avec l’ajout du transformateur au système de transport, il fut alors possible d’élever la tension du courant alternatif pour le faire circuler sur de plus grandes distances. Dès 1891, en Allemagne, une expérience est faite de transport de l’électricité en courant alternatif à une tension de 14 000 volts, sur les 175 kilomètres séparant Lauffen de Francfort. C’est ainsi que la transmission d’électricité à longue distance ouvrira une nouvelle ère en autorisant l’élaboration d’un système électrique à part entière. On vit alors apparaître l’industrialisation de la production d’électricité et le déclin de son autoproduction. Le consommateur eut alors le pouvoir d’arbitrer entre autoproduction et raccordement au secteur. Il s’agissait là d’un incroyable bouleversement, particulièrement pour les entreprises, qui s’étaient alors équipées de leurs propres centrales de production, machines trop coûteuses et trop imposantes pour de simples particuliers. Un autre facteur technique accéléra cette dynamique, c’est la percée du petit moteur électrique, omniprésent, facile à déplacer, il entraîna, la multiplication de ses points d’emploi et par la même la multiplication des connexions sur le réseau. C’est à partir de ce moment là que la structure moderne du réseau va apparaître, structure dissociant le producteur, le transporteur, le distributeur et le consommateur final. Chaque réseau se développant à partir de son territoire d’origine, s’étend alors progressivement jusqu’à des secteurs déjà occupés par d’autres opérateurs de réseau. Loin de l’affrontement commercial, vain et coûteux pour la communauté, le choix fut alors celui de l’interconnexion. Cette dissociation spatiale entre production et consommation d’électricité trouve une justification dans les considérations d’ordre environnemental. En quelques décennies, de nombreuses sources de production d’énergie se verront éloignées des villes, ce qui améliora d’autant la qualité de vie des citadins. L’arrivée des différents usages électrique en villes (éclairage, chauffage, transport) fut concomitante de son arrivée en région rurale. L’électrification des territoires, ruraux comme urbains, fut alors au début du XXème siècle, un important outil des politiques d’aménagement de ces mêmes territoires. 62


Carte du réseau de transport d’électricité en France. Lignes RTE Hors tension / < 45 kV 63 kV 90 kV 150 kV 225 kV 400 kV Courant Continu

Échanges transfrontaliers en 2015 en TWh. Source : RTE

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2.4 LE TRANSPORT DE L’ÉLECTRICITÉ EN FRANCE Le réseau de transport de l’électricité, surnommé «autoroute de l’énergie», correspond majoritairement à un réseau électrique haute tension en courant continu. Il achemine l’électricité des grands centres de production et de stockage vers les zones de consommation et vers les réseaux de répartition et de distribution. Les tensions sur ces lignes varient entre 225 et 400 kV afin de limiter les pertes engendrées par le transport de l’électricité (ce sont les réseaux dits «HTB»). Notons que ce réseau est maillé de façon à garantir la continuité de fourniture en cas de défaillance sur une ligne, ou sur l’un des centres de production. RTE, sigle de «réseau de transport d’électricité», est créée le 1er juillet 2000, elle reprend l’ancien réseau de transport d’EDF, suite à la création du marché européen de l’électricité, imposant la séparation des fonctions de production et de transport. RTE s’occupe d’entretenir et de renforcer les lignes, afin de permettre une continuité de service même en cas de violente tempête analogue à celle de 1999. RTE c’est aussi un partenariat avec les pays européens et avec leurs opérateurs de réseau. En 2006, RTE est raccordé aux marchés européens, d’abord avec la Belgique et les Pays-Bas, puis avec l’Allemagne, le Benelux, l’Angleterre, les Pays scandinaves, l’Espagne et le Portugal. En 2008, RTE participe à la création de CORESCO, un centre de coopération opérationnelle entre les opérateurs des réseaux de transport. Son objectif est d’accroître la sécurité électrique en Europe par des analyses sur le réseau de transport des pays membres, dans le but d’éviter de reproduire le scénario de novembre 2006, qui avait plongé une partie de l’Europe dans le noir. Aujourd’hui, RTE, c’est près de 105 000 kilomètres de lignes électriques, 2 710 postes électriques et 8 500 salariés. RTE raccorde 54 producteurs d’électricité avec 262 consommateurs industriels, 15 entreprises ferroviaires et 32 réseaux de distribution jusqu’aux millions de consommateurs Français et Européens avec un taux de perte en ligne faible de l’ordre de 2%.

Couronne extérieure 20 000 V Couronne médiane 20 000 V Couronne intérieure 20 000 V Liaison souterraine 225kV Poste de transformation 225 kV Projet de poste de transformation 225 kV Poste intra-muros parisien 225kV/20kV Projet de poste intra-muros parisien225kV/20kV

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Le réseau électrique de Paris et du Grand Paris. Source : RTE


Carte du réseau de transport d’électricité en région parisienne. Source : RTE

Postes électriques Lignes RTE Centrales de production : Hors tension / < 45 kV 63 kV 90 kV 150 kV 225 kV 400 kV Courant Continu Échanges régionaux en IDF en 2015 en GWh. Source : RTE

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2.4 LE TRANSPORT : LES PYLÔNES HT/THT De tous les éléments du paysage électrique, ce sont bien les pylônes les plus omniprésents. Les lignes qu’ils supportent traversent le territoire de part en part, franchissant fleuves, forêts et montagnes, pour acheminer le courant électrique jusqu’aux utilisateurs. Les pylônes sont donc parfois implantés dans des endroits incongrus voir quasi impossible d’accès. Ils sont généralement standardisés, de façon à les produire rapidement et en grand nombre, il est donc possible d’identifier différents types de pylônes sur le territoire national. Les pylône sont parfois l’objet de concours de design, attirant architectes, designers et artistes du monde entier. C’est ainsi que l’architecte-ingénieur Marc Mimram, dessina pour EDF des pylônes élégamment effilés, ils furent construits et assemblés sur leurs sites courant 2002. Plus récemment, l’agence Choi-Shine architects a reçu le prix de la Société des Architectes de Boston pour «The Land of Giants», une étude pour la conception de pylônes dans le cadre d’un concours islandais. Les pylônes étant très exposés aux éléments naturels, ils doivent donc résister à la rigueur de la pluie, du vent et de la neige. Le dimensionnement des pylônes et de leurs fondations prend en considération la tension et l’intensité de l’électricité transportée, la charge totale, le type de terrain et l’exposition aux aléas climatiques. Le pylône le plus haut du monde est en Chine près de Jiangyin, il supporte une portion de ligne appelée «Yangtze River Crossing» et affiche une hauteur de 346 mètres.

Pylônes humanoïde dans le paysage islandais. Crédits : Choi-Shine architects.

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Champs magnétiques sous les lignes de 400 kV. Source : RTE

Champs électriques sous les lignes de 400 kV. Source : RTE

Pylônes EDF haute tension. Crédits : Marc Mimram


TYPOLOGIE DE PYLÔNE HT/THT

pylône portique bois pylône portique pylône Beaubourg pylône chat pylône muguet 42 m, 15 T, en 220 kV 54 m, 33 T en 400 kV

pylône à chaînettes

pylône 1 triangle Crédits : Matthieu Stefani

pylône 2 triangles

pylône Trianon 25 m, 12 T, en 220 kV 35 m, 21 T, en 400 kV

pylône 3 triangles

pylône haubané en «V»

pylône 4 triangles

pylône 6 triangles

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2.4 LE TRANSPORT : POSTES ET CENTRES DE CONTRÔLE Un poste électrique est l’élément connectant les extrémités des lignes de transport et/ou de distribution, d’appareillages électriques, de bâtiments et de transformateurs. C’est donc un élément permettant à la fois la transmission et la distribution d’électricité. Pour la transmission de l’électricité, il élève la tension, et il la diminue en vue de sa distribution en préparation à sa consommation finale. Le terme «sous-station» est parfois utilisé. La gestion du transport de l’électricité, est administrée depuis des centres de contrôle. Ces centres de contrôle se transmettent leurs données de production, de consommation et de transport, ainsi que leurs prévisions sur l’évolution de ces paramètres. Michel Benna, directeur Smart Grid chez RTE, affirme que le réseau de transport d’électricité en France est déjà largement automatisé. Des capteurs, placés sur l’ensemble des lignes très haute tension ainsi qu’au niveau des postes électriques, permettent de connaître l’état de fonctionnement du réseau en temps réel. L’ensemble des données recueillies par les capteurs permettent de calculer à l’aide de puissants algorithmes les différentes options de pilotage du réseau. Les ordinateurs fournissent alors ces options au gestionnaire, qui choisit en conséquence le meilleur choix possible parmi ceux étudiés. Les centres de contrôle sont donc des structures critiques du réseau, ils sont en conséquence sécurisés et parfois doublés par des structures de secours adjacentes ou enterrées.

Carte des zones d’affectation du transport Crédits : RTE

Centre de gestion et de contrôle de Marseille Crédits : RTE

La salle de contrôle du réseau PJM de transport d’électricité de la côte Nord-Est des États-Unis. Ces salles intègrent de plus en plus d’électronique, ainsi que des modélisations informatiques prévisionnelles s’adaptant aux variations climatiques : la consommation domestique et tertiaire est bien souvent liée à la température extérieure, quant au soleil et au vent, ils dictent la production photovoltaïque et éolienne. Crédits : Transmission & Distribution World

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2.4 ORGANISATION DES POSTES ÉLECTRIQUES Un poste électrique est constitué de plusieurs éléments aux fonctions bien spécifiques. À l’entrée du poste (à l’arrivée des lignes très haute tension) le courant est mesuré à l’aide de transformateurs de tension et de transformateurs de courant. Cette mesure permet de s’assurer de la qualité et de la quantité d’électricité ainsi que de veiller à la sécurité des installations et des usagers. Ensuite des dispositifs permettent d’orienter le courant électrique vers la ligne appropriée. Des disjoncteurs permettent d’ouvrir ou de fermer un circuit. Ils se déclenchent automatiquement en cas de court-circuit mais ils s’actionnent manuellement lors d’éventuelles opérations sur les systèmes. Situés en différents points du poste, les sectionneurs, permettent d’isoler électriquement deux circuits, pour sécuriser travailleurs et équipements lors de travaux d’entretien. Puis viennent les jeux de barres, reliant les circuits entre eux. Comparables au tableau de distribution domestique, elles servent de point d’arrivée au courant et de répartiteur entre les divers circuits à alimenter. La seule différence, notable avec le tableau de distribution, c’est que les barres répartissent des courants élevés. Enfin le courant électrique arrive dans le transformateur de puissance, c’est là que la tension du courant est fortement abaissée en vue de sa distribution. Le transformateur de puissance est la pièce maîtresse du poste électrique, il est donc protégé de part et d’autre par des paratonnerres, qui permettent d’éviter les surtensions dangereuses pour les appareils du poste électrique. À la sortie du transformateur de puissance le courant passe en moyenne ou en basse tension. Circulant en direction de la ligne de sortie, il traverse un circuit analogue à celui traversé en arrivant au poste (répartition, sécurisation, mesure). Finalement, il rejoint le consommateur à l’extrémité des lignes de répartition.

De gauche à droite et de haut en bas : 1) Transformateurs de tension, 2) Transformateurs de courant, 3) Disjoncteurs, 4) Sélectionneurs, 5) Jeux de barres, 6 )Transformateurs de puissance Crédits : HydroQuebec

TYPOLOGIE DES POSTES ÉLECTRIQUES

Poste aérien

Crédits : Matthieu Stefani

Poste en bâtiment

Poste Intérieur Modulaire (PIM)

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Présentation d’ERDF – Bilan électrique ERDF 2015 Présentation d’ERDF – Bilan électrique ERDF 2015

Présentation d’ERDF – Bilan électrique ERDF 2015 Présentation d’ERDF – Bilan électrique ERDF 2015

Carte régions d’ERDF Créée en 2008 dans ERDF est une jeune entreprise. Créée en 2008 dans ERDF est unedes jeune entreprise. le cadre de l’ouverture du marché de l’électricité à la le cadre de l’ouverture du marché de l’électricité à la concurrence, histoire commence pourtant au concurrence, sonrégions histoire commence au d’ERDF ERDF est uneson jeune entreprise. Créée en 2008 dans ERDF estCarte unedes jeune entreprise. Créée enpourtant 2008 dans milieu XIXème siècle, avecdelel’électricité début àdela milieu du l’ouverture XIXème siècle, avecde l’électricité le début àde le cadredu de l’ouverture du marché le cadre de du marché la Présentation d’ERDF – Bilan électrique ERDF 2015 l’électrification villes.commence Survol pourtant des dates l’électrificationsondes villes. Survol des dates concurrence, sondeshistoire au concurrence, histoire Manche commence pourtant au marquantes son marquantes histoire. èmehistoire. ème Mer du Nord avec le début de milieu du deXIX milieu du de XIXson siècle, avec le début de siècle,

l’électrification des villes. Survol des dates l’électrification des villes. Survol des dates Manche I.D.F marquantes de son ERDF histoire. marquantes de sonMer histoire. du Nord Carte desEstrégions d’ERDF est une jeune entreprise. Créée en 2008 dans 1ère ouverture du marché 1ère ouverture du marché le cadre de l’ouverture du marché de l’électricité à la de l’électricité de l’électricité Ouest Février I.D.F concurrence, son histoire commence pourtantFévrier au Est 1ère ouverture 1ère ouverture du marché duème marché DISTRIBUTION : ERDF / du ENEDIS milieu XIX siècle, avec le début de de l’électricité de l’électricité Ouest l’électrification des villes. Survol des dates Février Février

2000

2000

2000 2000 2008 2008 marquantes deest sonaujourd’hui histoire. En France, la distribution d’électricité gérée par Création d’ERDF 2.5 LA

Auvergne Manche Création d’ERDF Centre Mer du Nord Rhône Alpes Limousin Bourgogne Auvergne I.D.F Création d’ERDF Centre Rhône Alpes Limousin Bourgogne Sud Ouest Ouest Changement de logo Méditerranée

Carte des ré

Carte des ré

Ouest Ouest

Janvier Janvier ENEDIS anciennement ERDF (Électricité et Réseau 2008 nommée 2008 d’ERDF du Est de Distribution Janvier Français). LaCréation répartition électrique 1ère courant ouverture du marché Janvier 2000 Sud Ouest l’électricité à 63 0002015 2015 jusqu’aux foyers se fait avecChangement une tension inférieure V. Février de logode Juin Juin Tout comme le réseau de transport, il est composé de lignes et Sud Ouest 2015 2015 Sud Ouest Changement Changement de logo de logo Méditerranée de postes électriques ayant pour but d’acheminer et de répartir Juin Auvergne 2008 Juin Création d’ERDF Centre Rhône Alpes 2015 2015 l’électricité. La différence principale le LINKY réseau de Transport, Janvier avec Limousin Lancement du projet Lancement du projet LINKY Bourgogne Décembre Décembre c’est que le réseau de distribution fonctionne en courant 2015 2015 du projet LINKY Lancement du projet LINKY alternatif triphasé. De fait, lesLancement lignes tensions requises Sud Ouest 2015très hautes Décembre Décembre Changement de logo Méditerranée pour le transport de grosse quantité sur de longues Juin d’électricité Chiffres clés 2014 Chiffres clés 2014 distances, sont plus économes en utilisant du courant continu que de l’alternatif, car elles nécessitent moins de cuivre pour Chiffres clés 2014 Chiffres clés 2014 2015 Lancement du projet LINKY Carte régionale de la distribution en France. leur conception et subissentDécembre moins de pertes par effet Joule ou Crédit : ERDF couronne. La distribution en France, c’est en tout 2 247 postes sources alimentés par le réseau de transport haute tension de 2014 35 millions 1 332 38 859 942 km 35 millions 13 RTE (HTB); 622 187 km38 de859 lignes moyenne tension (HTA)Chiffres à 20 clés salariés de clients de réseau (HTA et BT) salariés de clients de ré 000 V, dont près de 44,9 % sont enterrées; 769 494 postes de 38 859 35 millions 381 859 332 942 km 35 millions 13 distribution transformantsalariés la moyenne tension endebasse tension. clients de salariés réseau (HTA et BT) de clients de ré Enfin c’est, 701 858 km de lignes basse tension reliées à près de 35 millions de compteurs. La distribution se faisant avec des basses et moyennes tensions s’occupe 38 859aussi logiquement 35 millions 1 332 942 km de raccorder 95% des13moyens de production décentralisés de salariés de clients de réseau (HTA et BT) 280 M€ 325 234 247 13 2802M€ 325 234 faible et moyenne de puissance. ENEDIS connecte ainsi au réseau chiffre d’affaires sites de production postes sources de chiffre d’affaires sites de production po électrique une puissance panneaux solaires 13 280deM€ 325équivalente 234 13 280 2M€ 247 325 234 de chiffre d’affaires deLa production d’affaires sources sites de production po à 5,55 GW, et une capacité éolienne de 9,66sites GW. puissance de chiffrepostes moyenne des pertes est comprise entre 1,53 et 6,45 GW, pour www.erdf.fr une puissance injectée moyenne comprise entre 23,96 et 74,24 280 compris M€ 325 234 2 247 GW, ce qui correspond à un taux de13perte entre 6,4 et www.erdf.fr de chiffre d’affaires sites de production postes sources 8,7%. Le taux de pertes dépend principalement de la puissance injectée sur le réseau. Il est généralement à son maximum lors de Le temps de coupure L’engag pics de consommation hivernal, lorsque la température est à son (hors événements exceptionnels de servi plus bas degré et que les chauffages électriques fonctionnent à www.erdf.fr Les composants et incidents surdu le réseau réseaude dedistribution transport)en France. Crédit : ERDF plein régime. De nos jours, le réseau de distribution doit muter pour être plus efficace et plus intelligent. Cette mutation passe 85 85 82 HTA constr par des dispositifs techniques de limitation des pertes, par min min min 78 74 des systèmes novateurs de pilotage permettant pour certains min 71 min min l’intégration massive d’énergie renouvelable intermittente. Pour 64 61 min min HTA et BT a d’autres, permettant une optimisation de la consommation en autorisant le pilotage automatique des appareils domestiques. 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Le compteur intelligent Linky est une de ces innovations lignes HTA Temps de coupure sur le réseau de distribution. techniques visant à optimiser le réseau de distribution

La qualité de la distribu de l’électricité

98,2 %

8 894

17 324

Crédit : ERDF

70

L’année 2015 connaît le meilleur temps de coupure depuis dix ans malgré quelques incidents climatiques significatifs. Ce résultat conforte nos efforts d’investissement engagés depuis plusieurs années, efforts qui se poursuivront en 2016.

en souterra


2.5 LA DISTRIBUTION : LES DIFFÉRENTS POSTES La distribution commence au niveau d’un poste source. Ce terme de « poste source » est surtout utilisé en France, autrement on utilise plutôt le terme poste de transformation HTB/HTA. Il sert à l’alimentation d’abonnés industriels ou domestiques. Il contient les même éléments que les postes électriques de transformation destinés au transport de l’électricité. Les postes sources sont gérés par un système de contrôle-commande dédié, l’agrégat des systèmes de contrôle-commande forme un ensemble cohérent qui remplit plusieurs fonctions : - Protéger (détection et élimination des défauts sur les réseaux) - Télécommande (gestion du poste à distance) - Relayer (circulation des informations dans le système) - Automatismes (exécution de fonctions pré-programmées) Avant d’arriver chez le consommateur, le courant électrique passe par un des nombreux postes de distribution. Ce dernier transforme la moyenne tension (20 000 V) en tension de basse intensité (230 V). Les postes de distribution sont de tailles différentes en fonction de la puissance demandée et du nombre de clients qu’ils raccordent. Ils sont semblable à des boites, parfois de béton, implantées le long des routes ou à proximité des bâtiments qu’ils desservent. D’autres fois, ils sont en plastique et généralement incrustés entre deux constructions, le long du trottoir, dans une réserve foncière dédiée appartenant au distributeur d’électricité. Enfin le courant arrive jusqu’au consommateur où il passe à travers un tableau électrique à plusieurs niveaux : 1 - Le panneau de contrôle intègre un compteur électrique, le disjoncteur de branchement et un parafoudre. Ils servent respectivement à comptabiliser la consommation et à couper l’alimentation du réseau en cas de défaillance ou de problème. 2 - Le tableau répartiteur, sur lequel le courant passe par un interrupteur différentiel connecté à un peigne de raccordement lui même lié aux disjoncteurs divisionnaires. Le but de cet ensemble est de répartir le courant sur les différentes lignes. 3 - Le tableau de communication, où l’on retrouve partant d’un boîtier de distribution, les récentes innovations en matière de télécommunication : répartiteur TV hertzienne, Box informatique, Box TV ADSL, lignes téléphoniques, fibre optique, routeurs et filtres ADSL... Un mélange d’énergie et d’informations.

1- Réservoir du liquide refroidissement (huile) 2- Échangeur thermique 3- Régulateur

Transformateur de tension électromagnétique.

Crédit : Thierry Gallauziaux, David Fedullo, pour Eyrolles

Types de goulottes techniques de logement (GTL). Crédit : Thierry Gallauziaux, David Fedullo, pour Eyrolles

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2.5 LA DISTRIBUTION : LA CAPACITÉ D’ADAPTATION DES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES URBAINS Au regard du développement urbain et de celui des réseaux électriques, il est aujourd’hui possible de faire un constat paradoxal : les réseaux électriques se sont adaptés à la ville, tandis que la ville s’adaptait aux énergies fossiles. Il faut y voir ici un atout des systèmes de distribution de l’électricité. Suffisamment souples, ils se modèlent sur l’existant et s’adaptent aux mutations du tissu urbain. De tous les réseaux techniques urbains, les réseaux électriques sont certainement les moins définitivement structurants pour une ville. À l’opposé, le réseau viaire, est sans doute celui qui contribue le plus à rigidifier la trame urbaine. Il engage la politique d’occupation des sols pour de très longues périodes et ne peut donner lieu une fois construit qu’à des aménagement limités, particulièrement en centre ville. À l’opposé de ce qui se passe avec le réseau d’adduction de l’eau ou avec le réseau viaire, les réseaux électriques urbains montrent au contraire une grande capacité à s’étendre, à redéployer leurs ramifications, pour des coûts relativement faibles et dans des délais raisonnables. Cette flexibilité permet au réseau électrique de proposer de nombreuses alternatives allant à l’encontre de la rigidification de la trame urbaine. Ces alternatives dynamisantes peuvent être de plusieurs types. Il peut s’agir de services, d’équipements, d’outils de sécurité, de dispositifs d’éclairage, toujours rapides à déployer. L’adaptabilité du réseau électrique permet aussi de réaffecter le tissu urbain en proposant des modes de déplacement plus attractifs que la voiture. En témoigne les nombreuses agglomérations qui s’équipent de voies de tramways, de téléphériques, de bornes de location de vélos, de voitures électriques en libre service et des stations de recharge qui vont avec. En se superposant aux réseaux viaires, les réseaux électriques contribuent à modifier les habitudes et le comportement des citadins, avec des solutions techniques qui offrent par ailleurs l’avantage de la rentabilité. Tramways et métros légers automatiques, notamment, sont une réponse adaptée à la recherche de gains de productivité de la part des collectivités locales. Enfin, pour ce qui est de l’efficacité énergétique, les systèmes électrifiés l’emportent nettement sur la voiture particulière. Rapporté à une distance de 1 kilomètre, chaque «kilogramme d’équivalent pétrole» permet, en milieu urbain de transporter une moyenne de 18 personnes dans des véhicules particuliers, contre 52 voyageurs dans un train de banlieue électrique et 55 dans nos RER Franciliens ! 72

L’adaptation rapide du réseau électrique. Crédits : Matthieu Stefani


2.5 DISTRIBUTION : RECONVERSION D’INFRASTRUCTURE Au delà d’être un formidable outil d’adaptation de la trame urbaine, les réseaux électriques sont parfois formés d’éléments difficilement modifiables. Barrages hydroélectriques et centrales nucléaires sont les exemple même de ces infrastructures, difficilement adaptables. Il en va de même pour les constructions urbaines du réseau électrique. Postes électriques, sous stations et centres de gestion, ne sont pas à proprement parler des structures adaptables. Pourtant un exemple récent vient nous prouver le contraire, il s’agit de la réhabilitation de l’ancienne sous-station Parmentier. Édifiée au début du XXème siècle, c’est un bâtiment emblématique du patrimoine parisien. Il est représentatif des 36 sous-stations électriques qui furent construites à partir de 1903 par l’architecte Paul Friesé. Ces bâtiments sont une commande de la Compagnie du métro parisien (CMP) et de la Compagnie parisienne de distribution d’électricité (CPDE). Deux grandes entreprises parisiennes, qui entre 1900 et la Seconde Guerre Mondiale, adaptent la capitale aux évolutions rapides des besoins en électricité. La sous-station Parmentier aujourd’hui appelée sous-station Voltaire va être transformée en cinéma du futur, lieu où les usages les plus modernes de l’électricité seront employés. La façade actuelle du bâtiment est conservée et valorisée, tandis qu’une extension vient se greffer en toiture. Cet édifice (comme les autres sous station électrique parisienne) fait l’objet d’une protection de patrimoine pour ses caractéristiques architecturales remarquables. De fait, les sousstations parisiennes sont des bâtiments atypiques, tant par leurs fonctions d’origine que par leurs architectures. Faits de briques, d’acier et de verre, ces bâtiments rappellent les fastes glorieux de la révolution industrielle. Tout comme un film au cinéma, ils nous invitent dans un voyage temporel. Aussi, les volumes intérieurs y sont-ils très généreux. Étant initialement destinés à l’accueil de machines de production et de transformation électrique, ils font parfaitement l’affaire pour y implanter des fonctions cinématographiques. Les sous-stations présentent donc des atouts évidents permettant une reconversion novatrice. La sous-station Auteuil est toujours un transformateur électrique. La sous-station Bastille est aujourd’hui transformée en bureaux. La sous-station Opéra sert maintenant de bureaux à la RATP. Enfin l’ancienne sous-station Temple sert elle aussi de bureaux.

Réhabilitation de la sous station Voltaire. Crédits : Olivier Palatre Architectes

73


2.6 LES POSTES DE CONSOMMATION On distingue plusieurs types de consommateurs : secteur industriel, secteur résidentiel, secteur tertiaire, secteur agricole et secteur de la mobilité des personnes et des marchandises. Les différents types de consommateurs, ont un usage varié de l’énergie. Ils l’utilisent principalement pour produire de la chaleur, pour de la mobilité, pour la production de matières premières et enfin pour tous les autres usages spécifiques de l’électricité (cuisine, informatique, téléphonie, soins, entretien, etc). D’une manière générale, dans le monde la consommation d’énergie et d’électricité dépend principalement de ressources fossiles telles que pétrole, charbon et gaz. En ce qui concerne la production et la consommation d’énergie électrique, la France fait figure d’exception avec plus de 70% de sa production d’électricité issue de centrales nucléaire. En France, près de 25% de l’énergie électrique est consommée par le secteur industriel, les consommateurs résidentiels en consomment la plus grande part, avec plus de 35% de la production qui leur est dédiée. Enfin le secteur tertiaire consomme à lui seul un peu plus de 23% de la production d’électricité nationale. En terme de dynamique, après plusieurs années de stagnation, la consommation d’électricité des ménages reprend en France. Cette reprise de la croissance de la consommation d’électricité des ménages dans les pays développés, est principalement engendrée par l’arrivée de nouveaux usages électriques, plus que par l’importante consommation des appareillages de chauffage. En effet, en dépit de l’amélioration des rendements et de la démocratisation des appareils économes, à basse consommation, l’arrivée constante de nouveaux usages électriques autres que le chauffage à tendance à en augmenter la consommation. Informatique, appareils connectés, data-centers, véhicules électriques et l’idéologie du «tout électrique» nous emmènent aujourd’hui vers toujours plus de consommation. Les seuls data-centers représentent ainsi une hausse vertigineuse de la consommation. Entre 2005 et 2010, leur consommation énergétique a ainsi progressé d’environ 56%. Sur l’année 2010, les data-centers ont utilisés entre 1,1 et 1,5% de la consommation électrique mondiale. En France, selon un récent bilan publié par RTE, la demande d’électricité pourrait dépasser la production dès l’hiver 2016, si le parc de production restait dans l’état actuel... 74

La part de l’électricité dédiée au chauffage est loin d’être négligeable, même si elle ne représente pourtant qu’un part mineure de l’énergie dédiée au chauffage résidentiel. Crédits : ERDF

La consommation des usages spécifiques de l’électricité a augmenté de près de 57% en 20 ans, le multimédia représente quand à lui plus de 30% de cette augmentation... Crédits : ERDF

La consommation repart à la hausse en Île de France, comme ailleurs en France. Représentant plus de 15 % de la consommation finale nationale, l’Île-de-France est la région la plus consommatrice d’électricité. Crédits : RTE


La consommation d’énergie par habitant en TEP (Tonne-équivalent pétrole). Actuellement un habitant des pays en voie de développement consomme quatre fois moins qu’un habitant de pays développé. Mais ce rapport est appelé à diminuer dans les prochaines décennies : ils représentent 90% de la croissance de la demande d’énergie mondiale. Entre 2012 et 2035, c’est de 30% qu’augmentera la demande d’énergie dans le monde ... Crédits : ERDF

Dans le reste du monde, la consommation d’électricité est en plein essor. De fait de nombreuses économies puissantes comme la Chine, l’Afrique du Sud, l’Inde ou bien même le Brésil, voient à la fois leurs indices démographiques exploser, dans le même temps que le niveau de vie de ces populations augmente radicalement. Ce double facteur d’accroissement entraînera à coup sûr une hausse problématique de la consommation énergétique de ces pays. Entre 2001 et 2010, la consommation a été multipliée par 2,8 pour la Chine, par 1,8 pour l’Inde et par 1.5 pour le Brésil. À elle seule, la Chine c’est plus de 18,9% de la production mondiale d’énergie primaire, 22,2% de la consommation mondiale d’énergie primaire et près de 23,3% de la production mondiale d’électricité en 2013. Pour soutenir cette croissance de la consommation, la Chine construit à tour de bras des centrales à charbon. C’est d’ailleurs le pays qui en est le 1er producteur avec 47,7% de la production mondiale. C’est aussi le 1er consommateur avec 50 % du total mondial consommé et en 2014 elle est devenue le 1er importateur avec 22,1% des importations mondiales. En 2015 c’est près de 95% de ses besoins énergétiques qui sont satisfaits par le charbon, alors que dès 2012 la Chine faisait déjà figure de leader mondial dans la production d’électricité d’origine renouvelable, paradoxal, mais vrai et explicable ! Dans le même temps c’est plus de 2 milliards d’êtres humains qui n’ont toujours pas accès à l’électricité. Cette carence dans l’accès à l’électricité freine aujourd’hui le développement économique de certains pays et des populations qui les composent (hygiène, santé, éducation). En parallèle, la consommation d’électricité connaît depuis les années 70 une forte croissance au niveau mondial. Représentant 19.738 TWh en 2010, elle a été multipliée par 3,2 en 37 ans. La croissance annuelle moyenne de la consommation d’électricité au niveau mondial est plus forte que celle de la consommation d’énergie primaire : 2,4% contre seulement 1,5%. L’Asie est ainsi la première zone de consommation d’électricité, suivie de l’Amérique du Nord et de l’Europe. États-Unis, Union européenne, Chine et Russie, consomment plus de 60% de l’électricité mondiale. Une croissance de la consommation d’électricité loin de s’arrêter. Selon les dernières estimations de l’Agence Internationale de l’Energie (AIE), la consommation d’électricité dans le monde devrait augmenter de 75% entre 2007 et 2030, passant de 19.756 TWh à 34.292 TWh. Les pays en voie de développement seraient à l’origine de plus de 80 % des nouveaux besoins, Chine et Inde en tête... 75


N PIC DE CONSOMMATION

GW 560

Le pic de consommation lié à la vague de f a été plus important qu’en 2014 ; il a atteint 2015. Cette pointe est comparable à celle de ÉVOLUTION DE LA PUISSANCE INSTALLÉE NETTE TOTALE DE L’ENTSO-E 540 inférieure à celle enregistrée pendant la vagu 2012. À la fin de l’année 2015, la puissance installée (+ 8,6 % par rapport à 2014), pour représenter 25,1 % de la 530 totale 533de l’ENTSO-E 529 528l’ENTSO-E. À l’inverse, la puissance s’élevaitÉVOLUTION à 1 030 GW. CetteDE capacité restée stable pour les TOTALE puissance installée totale de LA est CONSOMMATION DE L’ENTSO-E 520 522 sources de production nucléaire et hydroélectrique, tandis que la installée des énergies fossiles diminuait de 3,3 %. partie CONSOMMATION renouvelable nonÉNERGÉTIQUE hydroélectrique ANNUELLE 510 augmentait de 20 GW 557

550

2.7 ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE EN EUROPE : PRODUCTION - CONSOMMATION 500 GW GW En 2015, la consommation de l’ENTSO-E a atteint 3 278 TWh, TWh 2011 2012 2013 2014 2015 500500 soit une hausse de 1,4 % par rapport à l’année précédente. 3400 Pic de consommation, en GW Deux facteurs principaux expliquent cette augmentation : 450450 22 % 22 % 20 % 20 % 3350 400400 La quantité estimée de la consommation propre est incluse. 3 350 350350 La météorologie : en 2015, les températures ont été plus faibles 3 322 3300 nonnon identifiable identifiable 300300 au début de l’année et plus élevées en été ; 12 % 12 % 3250 250250 L’économie : en 2015, le PIB a augmenté de 1,8 % dans les 447 447 465 465 461 461 453 453 441 441 5 5 51 12 24 4

hydroélectricité hydroélectricité (y compris (y compris ren.)ren.)

nucléaire nucléaire 3 288

3,7 %

3 278

énergies énergies fossiles fossiles 3 234

28 pays membres de l’UE par rapport à l’a nnée 2014 3200 150150 : Eurostat). (+ (Source 8,6 % par rapport à 2014), pour représenter 25,1 % de la renouvelable renouvelable 100100 3150 puissance installée totale de l’ENTSO-E. À l’inverse, la puissance (sauf(sauf hydroélec. hydroélec. ren.)ren.) 46 % 46 % 50 50 Nous observons une augmentation de l’utilisation d’électricité 2,6 % 3100 0 0installée des énergies fossiles diminuait de 3,3 %. ’11 ’12: véhicules ’13 ’13 ’14 ’14 ’15 ’15électriques), ’11 ’11 ’12 ’12 ’13 ’13 ’14 ’14 ’15malgré ’12des ’13 améliorations ’14 ’14 ’15 ’15’11 ’11 ’12 ’12 ’13dans ’14 ’14 ’15 ’11 ’12 ’15’11 ’11 ’12 ’13 ’13 ’15 PIC DE CONSOMMATION 2011 2012 2013 2014 2015 (ex. l’efficaGW 1,1 % Consommation énergétique cité énergétique desà 2015, bâtiments, Puissance installée nette de 2011 en GW des systèmes et des appareils Puissance installée nette en 2015annuelle, en TWh PIC 560 d’éclairage. LeGWpic de consommation lié à la vague de froid de février 2015 -3,4 % 3,0 % 557 a 560 été important qu’en 2014 ; il a atteint 528 GW le 5 février 550 La majorité des pays de l’ENTSO-E ontplus vu leur consommation 1,2 % 126 126 126 126 126 125 125

197 197 201 201 201 202 202 202

ale de l’ENTSO-E stable pour les ue, tandis que la entait de 20 GW

153 153196 196 218 218 238 238 259 259

CE INSTALLÉE • NETTE TOTALE DE L’ENTSO-E 200200

0,8 %

ÉVOLUTION DE LA

CONSOMMATION PAR PAYS

0,8 %

DE CONS

1

441 5 5 5 1 1 2 2 4 4

Le pic de con 3,0 % 2015. Cette pointe est557 comparable à celle de 2013, mais demeure hydroélectricité hydroélectricité 22 % 22 % 20 % 20 % augmenter entre 2014 et 2015. Pour certains pays, et notamment la -1,7 %a été plus 2,8 %im 550 540 (y compris (y compris celle augmentation enregistrée pendant la vague de froid de février 1,6 % France, oùren.) leren.) chauffage électrique estinférieure répandu,àcette 2015. Cette p 1,7 % 2012. 1,7 % 540 de l’hiver. nucléaire nucléaireprincipalement par la rigueur 533 s’explique nonnon identifiable identifiable 530 inférieure 3,9à %c 529 528 8 | ENTSO-E L’électricité en Europe 2015 2,2 % 1,0 % 2012. 12 % 12 % 0,7 % 530 533 3,1 % 520

153 153196 196 218 218 238 238 259 259

522fossiles énergies énergies fossiles ÉVOLUTION DE LA PRODUCTION TOTALE DE L’ENTSO-E 520

510 6

|

renouvelable renouvelable La faible pluviométrie de 2015 a eu un impact sur la production 500 (sauf hydroélec. hydroélec. ren.)ren.) 46 % 46 % a diminué de 6,5 %.(sauf d’hydroélectricité, qui Cette diminution, 2015 alliée 2011 2012 2013 2014 à laderéduction de la production nucléaire, a été compensée en par45 ’15’11 ’11 ’12 ’12 ’13 ’13 ’14 ’14 ’15 ’15Pic consommation, en GW tie par une plus forte production à partir d’énergies renouvelables

528

3.2 %

1,9 %

522 1,8 %

1,9 % et éolienne, (+ 17,3510 %), principalement portée par les énergies solaire qui ont respectivement augmenté de 24,6 % et 3,1 %. Dans le même 500 0,3 % temps, la production d’énergie augmenté de 1,1 %. 2011 2012 fossile a2013 2014 2015

3,3 % 2,9% 5,0 %

-5

1,6

46 % 46 % Pic de consommation, en GW

Puissance installée nette en 2015 La quantité estimée de la consommation propre est incluse.

La quantité estimée de la consommation propre est incluse.

TWhTWh

3,7 % ≥4% 17 % 17 % 17 CONSOMMATION % 17 % hydroélectricité hydroélectricité ≥ 2 % et < 4 % ÉVOLUTION DE LA (y compris (y compris ren.) ren.) 0,8 % ≥ 0,5 % et < 2 % ENTRE 2014 ET 2015 nucléaire nucléaire -1,3 %

18001800 1641 1562 1641 1420 1562 1344 1420 1361 1344 1361 11 10 11 10 3 10 12 3 12

16001600 14001400 12001200

non non identifiable identifiable

323 382 323 438 382 470 438 553 470 553

517 567 517 590 567 608 590 569 608 569

0,8 %

1,1 %

-3,4 %

3,0 %

1361 1344 1361 11 10 11 10 3 10 12 3 12

1,0 %

0,7 % 1,9 %

hydroélectricité hydroélectricité (y compris (y compris ren.)ren.)

25 % 25 %

2,8 % 3,3 % 2,9% 5,8%

5,0 %

-5,6 %

1,9 %

|

9 0,3 %

1,6 %

énergies énergies fossiles fossiles 5,1 %

renouvelable renouvelable (sauf(sauf hydroélec. hydroélec. ren.)ren.)

ÉVOLUTION DE LA CONSOMMATION Energie produite en 2015

3,0 % ENTSO-E L’éle

3,1 %

ENTSO-E L’électricité en Europe 2015

≥4%

54 ’15’11 ’12 ’11 ’13 ’12 ’14 ’13 ’15 ’14 ’15

3.2 % 1,8 %

1,9 % 0,3 %

41 % 41 %

1,1

-2,2 % % (sauf(sauf hydroélec. hydroélec. ren.)1,3 ren.)

1,2 % La majorité des3,0pays de l’ENTSO-E ont vu leur consommation % % certains augmenter entre 2014 et 2015. -1,7 Pour 2,8 %pays, et notamment la 1,6 % Energie produite France, oùenle2015 chauffage électrique est répandu, cette augmentation 1,7 % 1,7 % s’explique principalement par la rigueur de3,9l’hiver. %

nucléaire nucléaire

non non identifiable identifiable

≤-4

CONSOMMATION PAR PAYS renouvelable renouvelable

41 % 41 %

2,2 %

17 % 17 %

3,7 %

≤-2

2,6 %

sur la production (+ 17,3 %), principalement portée par les énergies solaire et éolienne, 200 200 diminution, alliée La qui ont des respectivement augmenté de et 3,1consommation %. Dans le même majorité pays de l’ENTSO-E ont24,6 vu%leur 0 0 ompensée en par- augmenter temps, la’14 d’énergie a augmenté de 1,1 ’14 %. ’11 ’12 ’11 ’13 ’12 ’13production ’15 ’142014 ’15’11 et ’12 ’112015. ’13 ’12 ’14 ’13 Pour ’15 ’14 ’15fossile ’11 ’12 ’11 ’13 ’12 ’14 ’13pays, ’15 ’14 ’15’11 ’11 ’13 ’12 ’13 ’15 ’14 ’15 la entre certains et’12 notamment % ies renouvelables France, où46le%46chauffage électrique est répandu, cette augmentation Energie produite, de 2011 à 2015, en TWh s’explique principalement par la rigueur de l’hiver. 17 % 17 %

≤ - 0, Stable

ÉVOLUTION DE LAénergies énergies fossiles fossiles 25 % 25 %

887 862 887 857 862 859 857 836 859 836

10001000 ÉVOLUTION DE LA 800 800 TION TOTALE DE L’ENTSO-E 600 600 CONSOMMATION PAR PAYS 400 400

323 382 323 438 382 470 438 553 470 553

529

ENTSO-E L’électricité en Europe 2015

≥ 2 % et < 4 %

ENTRE 2014 ET 2015

≥ 0,5 % et < 2 %

≥4%

≤ - 0,5 % et > - 2 %

Stable

ÉVOLUTION DE LA CONSOMMATION

≥ 2 % et < 4

ENTRE 2014 ET 2015

≥ 0,5 % et <

≤ - 2 % et > - 4 % ≤-4%

Données de production et de consommation au sein de l’Europe.

76

Crédits : ENTSOE : European Network ofTransmission System Operatorsfor Electricity

ENTSO-E L’électricité en Europe 2015

|

9

ENTSO-E L’électricité en Europe 2015

|

7


PRODUCTION EXPORTÉE

PART DE LA CONSOMMATION ISSUE

La part de la production d’électricité d’un pays physiquement exportée vers ses voisins est le rapport entre les exportations nettes du pays et sa production. En 2015, douze pays de l’ENTSO-E exportaient vers leurs voisins plus de 10 % de l’électricité produite chaque année au niveau national. Cela comprenait les échanges de chaque pays avec ses voisins, à la fois à l’intérieur et à l’extérieur de l’ENTSO-E.

2.7 ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE EN PART DE LA PRODUCTION ANNUELLE EXPORTÉE

DE LA PRODUCTION NATIONALE Le rapport entre les importations et la consommation d’un pays donne la part de sa consommation annuelle couverte par les importations d’électricité depuis les pays voisins. En 2015, 14 pays de l’ENTSO-E importaient plus de 10 % de leur consommation annuelle depuis d’autres pays de la zone. EUROPE : ÉCHANGES PART DE LA CONSOMMATION ANNUELLE COUVERTE PAR LA PRODUCTION NATIONALE

99,9 %

11,0 % 0,1 %

80,5 %

11,5 %

98,0 % 29,1 %

1,8 %

78,8 %

94,5 % 10,6 %

10,8 %

1,8 % 0%

1,1 %

94,5 % 6,8 %

0%

67,6 %

82,8 %

1,4 % 93,6 %

33,9 %

91,1 %

1,1 %

75,5 %

99,9 %

98,8 % 100 %

17,0 % 11,3 % 10,8 %

1,9 %

15,5 % 0%

100 %

0,3 %

8,8 %

0,2 % 16,1 %

11,6 %

2,5 %

51,7 %

91,8 %

85,7 %

9,9 %

97,4 %

% Le bilan des échanges par pays fluctue d’une0,2année sur l’autre, en fonction des capacités transfrontalières, du couplage des marchés et du niveau des prix, même si certains pays sont structurellement importateurs ou exportateurs. Le solde des échanges d’électricité correspond à la différence l’énergie qui sort du pays et celle qui Exporte : ≥ 10 % de sa entre production Isolé/

96,2 %

99,7 %

77,7 %

% 81,4 % y90,8entre. Il est égal au solde commercial de chaque pays (exportations moins importations). Cependant, dans un système interconnecté, où l’électricité emprunte de nombreux itinéraires, les flux physiques d’énergie d’une frontière à l’autre diffèrent souvent Importe : des transactions ≥ 10 % de saénergétiques consommation entre les deux Isolé/pays.

aucune donnée

≥ 5 % et < 10 % de sa production

98,9 %

41,1 %

8,3 %

4,6 %

65,9 %

55,1 % 99,1 %

SOLDE DES ÉCHANGES PAR PAYS 5,0 %

81,1 % 81,8 %

98,7 %

aucune donnée

≥ 5 % et < 10 % de sa consommation

< 5 % de sa production SOLDE DES ÉCHANGES EN 2015

< 5 % de sa consommation ÉVOLUTION DU SOLDE DES ÉCHANGES ENTRE 2014 ET 2015

Ces deux cartes se fondent sur le calcul des « exportations nettes » et des « importations nettes », c’est-à-dire excluant les flux de transit et les flux en boucle. Le solde net des échanges par pays est calculé pour chaque point horaire.

L’ajout des soldes nets séparés, qu’ils soient positifs ou négatifs, donne la quantité d’exportations ou d’importations nettes du pays. Les exportations et les importations dépendent des conditions du marché ou des besoins.

-22,6 16,3 -14,6 -0,9

0,7

18

|

1,8

ENTSO-E L’électricité en Europe 2015 4,9

7,2

0,7

19,0

8,7 -0,3

-51,8 21,0

5,6

-12,5 2,4

-63,7

10,1

-0,3 46,4

0,1 7,6

13,7 -6,7 -2,1

-0,8 -10,5

-0,1

0,6

2,3

2,5 9,6

Exportations nettes : ≤ - 30 TWh

Importations nettes : Équilibré

≤ - 15 TWh et > - 30 TWh ≤ - 1 TWh et > - 15 TWh

Isolé

Solde :

≥ 1 TWh et < 15 TWh

plus exportateur

≥ 15 TWh et < 30 TWh

moins exportateur

≥ 30 TWh

devient exportateur

Solde : Stable

devient importateur moins importateur

Isolé

plus importateur

Données d’échanges d’électricité au sein de l’Europe.

Crédits : ENTSOE : European Network ofTransmission System Operatorsfor Electricity

77

ENTSO-E L’électricité en Europe 2015

|

17


2.7 ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE EN FRANCE : L’ÉNERGIE

Production d’énergie primaire, vecteurs et consommations énergétiques en France en 2012. Crédits : Association NegaWatt

78


Nota : 1) ce diagramme n’est pas une représentation physique des réseaux, mais une représentation des flux et pertes liées aux différentes transformations des énergies depuis les sources primaires jusqu’aux usages finaux. 2) La plupart des valeurs sont arrondies à l’unité pour ne pas alourdir le schéma. Il peut en résulter des bilans non parfaitement équilibrés. 3) Énergies renouvelables = solaire thermique et photovoltaïque, hydraulique, énergies marines, éolien, géothermie, biomasse solide et liquide, biogaz et déchets 4) Électricité spécifique : regroupent les différents services spécifiquement rendus par I’électricité, incluant l’éclairage, l’électroménager (y compris le froid), l’informatique et l’électronique, la force motrice (moteurs électriques), etc.

79


80


3

CONSOMMATION

USAGES

RESSOURCES

CLIMAT

PROBLÉMATIQUES

SYSTÈMES ÉLECTRIQUES

SOLUTION TECHNOLOGIQUE

SMART GRID L’avenir du réseau électrique. Crédits : Matthieu STEFANI

L’AVENIR DU RÉSEAU

Réchauffement climatique, limite des ressources, diversification des usages et croissance de la consommation sont autant de nouveaux défis qui obligent à une adaptation des réseaux électriques. La nécessaire mutation des moyens de production énergétique vers des solutions décarbonnées n’est pas sans poser certains problèmes techniques. De fait, l’intermittence et la variabilité de productivité des technologies photovoltaïques et éoliennes, forcent les gestionnaires de réseaux à intégrer plus d’intelligence et d’automatisation afin de permettre l’intégration des énergies renouvelables et d’optimiser leur gestion sur le réseau électrique. C’est la fusion des technologies de télécommunication avec les systèmes de conduite et de gestion des réseaux (Smart Grid) qui permet une optimisation fonctionnelle, de meilleurs rendements et donc des économies d’énergie. Cette optimisation fonctionnelle et architecturale des réseaux s’applique non seulement au réseau électrique, mais aussi à de nombreux autres réseaux attenants à la gestion des villes, des territoire, des sociétés humaines et des activités qui y sont liées. C’est ainsi qu’au delà du concept de Smart Grid apparaissent les concepts de Smart City, Smart Hub, Smart Home, Smart Buildings... Les technologies intelligentes sont certes, des solutions permettant une gestion plus efficace des réseaux et des systèmes complexes, mais elles ne sont pas infaillibles et présentent même certains paradoxes. De même, la raréfaction des ressources en tout genre, face à l’évolution de la demande mondiale, ne va pas sans remettre en question l’idéologie d’une croissance verte. En dépit des promesses technologiques à venir et des solutions techniques, les situations climatiques, énergétiques, et sociétales posent de sérieux problèmes qui promettent une réelle évolution des modes de production, de consommation et de gestion énergétique de nos civilisations fortement urbanisées. 81


3.1 L’ORIGINE DU CONCEPT DU SMART GRID A) L’INTÉGRATION MASSIVE DES ÉNERGIE RENOUVELABLES.

Les technologies d’énergies renouvelables telles que le photovoltaïque et l’éolien ne sont pas sans défauts. Leur principal défaut vient de l’intermittence de leur productivité et de la variabilité de puissance émise sur le réseau. Lorsque le soleil n’est pas présent ou lorsque le vent n’est pas au rendez vous, ces moyens de production sont alors inactifs ou produisent moins. Ces fréquentes variations de leur productivité compliquent la gestion du réseau électrique. Car, comme vu précédemment, la quantité d’énergie électrique consommée doit être parfaitement égale à celle produite moins les pertes techniques subies sur le réseau. Lorsque trop d’énergie est soutirée sur le réseau électrique ou que trop d’énergie est injectée sur ce dernier, la fréquence du signal électrique faiblit ou grandit ce qui peut dans un cas occasionner des délestages (coupures volontaires) ou des surtensions potentiellement dommageables pour les appareils électriques. Les solutions pour faire face à l’intermittence de ces moyens de production, sont prévisionnelles, réactives et flexibles. Des calculs météorologiques permettent dans un premier temps d’évaluer la production à venir (solution prévisionnelle). De même des capteurs fournissent en temps réel à de puissants algorithmes les données de productivité. Les algorithmes s’occupent alors instantanément de trouver comment injecter la puissance produite le plus efficacement possible (solution réactive). Lorsque ces technologies intermittentes produisent et qu’il y a un pic de consommation, alors l’électricité est acheminée jusqu’au groupe de consommateurs le plus proche, ceci afin de minimiser les pertes en lignes engendrées par le transport d’électricité à haute tension sur de longues distances. Lorsqu’il n’y a pas de réel besoin de consommation, alors l’électricité produite est soit exportée vers les pays limitrophes, soit stockée en vue d’une utilisation ultérieure, par exemple lors d’un pic de consommation. Le stockage de l’énergie, en vue d’une future utilisation, permet d’une part de ne pas perdre le surplus de production, d’autre part il permet au réseau électrique un plus haut niveau d’adaptation face aux différentes situations (solution flexible). Il est à noter, que lorsque les éoliennes et les panneaux photovoltaïques ne produisent pas suffisamment, ce sont les moyens de production conventionnels qui prennent le relais, faute de moyen de stockage suffisant. 82

CENTRALES HYDRAULIQUES

IMPORT EXPORT

CENTRALES THERMIQUES

CENTRALES NUCLÉAIRES

45 interconnexions

RTE Transport 649 centres de production CLIENTS HTB 548 clients industriels

Domaine HTB ( >50kV ) - Haute Tension

CENTRALES HYDRAULIQUES

PARC ÉOLIEN OFFSHORE STOCKAGE

IMPORT EXPORT

RTE Transport

CENTRALES THERMIQUES

CENTRALES NUCLÉAIRES

CLIENTS HTB STOCKAGE

La nécessaire mutation du réseau électrique. Crédits : Matthieu Stefani


351 700 km de réseau aérien HTA 261 500 km de réseau souterrain HTA

POSTES HTB/HTA

ENEDIS + entreprises locales de distribution

415 100 km de réseau aérien BT 276 900 km de réseau souterrain BT

POSTES HTA/BT

ENEDIS + entreprises locales de distribution

CLIENTS BT

35 Millions Clients BT CLIENTS HTA

107 900 Clients HTA Domaine HTA ( 1kV<HTA<50kV ) - Moyenne Tension PARC ÉOLIEN MOYENNE PUISSANCE

PARC PHOTOVOLTAÏQUE MOYENNE PUISSANCE

Domaine BT ( <1kV ) - Basse Tension CLIENTS BT AUTO-PRODUCTEURS

TBT

STOCKAGE CLIENTS BT

STOCKAGE

ENEDIS + ELD Distribution

POSTES HTB/HTA

STOCKAGE

PHOTOVOLTAÏQUE BASSE PUISSANCE

STOCKAGE COGÉNÉRATION CHAUD/ÉLEC

ENEDIS + ELD Distribution

POSTES HTA/BT

CLIENTS HTA AUTO-PRODUCTEURS

PARC ÉOLIEN BASSE PUISSANCE

STOCKAGE

En haut : L’état actuel du réseau électrique En bas : L’évolution en cours sur le réseau

Production

CLIENTS BT

BIO-MASSE COGÉNÉRATION

STOCKAGE

Stockage

Consommation

Réseau de chaleur

83


3.1 L’ORIGINE DU CONCEPT DU SMART GRID B) L’OPTIMISATION DE FONCTIONNEMENT ET LA QUALITÉ DU SERVICE.

Au delà de l’intégration des moyens de stockage et de production décentralisés intermittents, les Smart Grid sont une évolution nécessaire des réseaux électriques, permettant d’optimiser leur fonctionnement et d’en améliorer la qualité de service. C’est la fusion des technologies de télécommunications avec les technologies de conduite du réseau, qui permet aux fournisseurs d’électricité de proposer aux clients de nouveaux services. Les offres d’effacement par exemple permettent de limiter la consommation d’électricité lors des périodes de forte consommation. Le gestionnaire du réseau limite ainsi les risques de coupures et de failles engendrée par une sous production électrique. Les offres d’effacement consistent à récompenser un client, qui accepte de limiter sa consommation d’électricité durant les heures de pointes. Avec l’arrivée des technologies de télécommunication au sein du système électrique, les options d’effacement peuvent être généralisées et instantanément transmises aux clients, lesquels pourront alors directement valider ou refuser l’offre sur leurs smart phone. Ces prestations permettent d’augmenter la qualité du service par la communication avec le client sur les faits en temps réel et par une meilleure gestion de la consommation. En limitant la saturation du réseau, ces dispositifs permettent d’éviter le délestage d’une partie du réseau. Ils diminuent de ce simple fait le nombre d’heures de coupure, ces solutions limitent les pertes techniques. Les technologies télecommunicantes permettent aussi de limiter les pertes commerciales. À l’aide de prestations adaptées et d’une meilleure connaissance des habitudes énergétiques de ses clients et partenaires, un gestionnaire de réseau peut optimiser ses coûts de fonctionnement. D’autre part en installant compteurs et relais communiquant, les gestionnaires du réseau gardent une vigilance constante sur ce dernier. Par exemple, lorsqu’un raccordement «pirate» est fait, les fluctuations du signal électrique et de la puissance injectée et consommée, permettent aux gestionnaires de détecter et de localiser l’anomalie puis d’agir en conséquence. C’est dans les économies émergentes, où les pertes commerciales engendrées par les raccordement sauvages sont importantes, que ces applications commerciales des Smart Grid trouveraient un grand intérêt. Le vol d’électricité est d’ailleurs un manque à gagner limitant l’entretien et le développement du réseau électrique au détriment du prestataire de service mais surtout du client ! Enfin, comme toute infrastructure, le réseau électrique vieillit et il a besoin d’être entretenu, développé et continuellement rajeuni. Le vieillissement des infrastructures de transport d’électricité entraîne trois contraintes majeures : la congestion des lignes, l’indisponibilité du réseau et les pertes en lignes. La congestion des lignes correspond à la saturation d’une ligne de transport, qui oblige le gestionnaire à faire transiter l’électricité jusqu’au consommateur par une voie alternative. Cette opération à non seulement un coût mais elle entraîne à son tour la saturation d’autres lignes. L’indisponibilité du réseau apparaît lorsque des interventions de maintenance sont effectuées ou lors d’une déficience du réseau. Enfin les pertes en lignes se font naturellement lors du transport de l’électricité sur de longues distances. Ces trois contraintes majeures, peuvent être minimisées, par l’intégration de solutions technologiques communicantes et intelligentes. Ainsi, une analyse affinée des moyens de production et de transport en action, en même temps qu’une détection de la demande active permet d’optimiser le transport de l’électricité de son lieu de production jusqu’à son lieu de consommation. Cette optimisation du transport de l’électricité entraîne une limitation de la congestion des lignes et de la perte en ligne. Enfin, des capteurs et des relais automatisés sur le réseau de transport, permettent une haute réactivité du réseau en cas de défaillance en un point donné, ou en cas d’intervention entraînant une limitation de l’état de fonctionnement du réseau. 84


du re rée c h de a éq rge m re uip e ch em nt ar e ge nt m de en t

3.1 L’ORIGINE DU CONCEPT DU SMART GRID C) L’ARRIVÉE DES VOITURES ÉLECTRIQUES ET AUTONOMES.

APPEL DE PUISSANCE

10h 1h 3min

prise de équivalent : 1 studio garage borne équivalent : 5 maisons publique station équivalent : 1 quartier de service VE 300 logements et 30 commerces

L’appel de puissance requis pour la charge des véhicules électriques, un impact non négligeable. Crédits : Matthieu Stefani

Sources : Préfécture de la Région IDF

Le lissage de la demande électrique par la charge des batteries des véhicules électriques. -rechargement lors des creux de consommation -déchargement lors des pics de consommation Crédits : Matthieu Stefani

Source : Bouygues ES

Émisions de GES des véhicules électriques rechargeant dans différents pays (g CO2/km). Crédits : Statita Charts

Sources : Skrink That Footprint

La croissance des modes de déplacements électriques collectifs comme individuels ne va pas sans poser certains problèmes dans la gestion de l’équilibre du réseau électrique. Concernant les mobilités collectives électriques, elles sont généralement gérées par des opérateurs à l’échelle industrielle. Ces derniers disposent de contrats spécifiquement adaptés aux usages qu’ils font de l’électricité et ils ne représentent par conséquent pas de défis particuliers pour les gestionnaires du réseau. C’est la myriade de particuliers s’équipant rapidement de véhicules électriques (voiture, scooter et petit dispositifs de mobilité individuelle) qui représente le principal défi pour les gestionnaires de réseau. D’un côté, la mise en charge de toujours plus d’appareils électriques dédiés à la mobilité est problématique. Elle oblige à mobiliser plus de moyens de production d’électricité lors des phases de rechargement des batteries embarquées. D’un autre côté, la capacité de stockage représentée par les batteries de ces moyens de locomotion offre une opportunité intéressante pour les gestionnaires du réseau. Si le rechargement des batteries intervient au moment d’un pic de consommation, typiquement lors du matin ou du soir, alors cette consommation vient saturer toujours plus le réseau électrique, et tend à le rendre toujours plus instable. À contrario, si le rechargement des batteries est géré et automatisé par des technologies intelligentes, il permettrait alors d’optimiser la conduite du réseau : le rechargement se ferait pendant les pics de production permettant d’améliorer les rendements et l’efficacité des systèmes intermittents. Enfin, lors des pics de consommation, la réserve d’énergie de la batterie pourrait alors subvenir au besoin de consommation du ménage ou être réinjectée sur le réseau, en cas de forte demande. Ces pratiques de temporisation de la charge et de son utilisation permettent le lissage des consommations et donc améliorent la conduite de l’ensemble du réseau en limitant les risques de délestage lors de périodes de trop forte consommation. L’arrivée des véhicules électriques autonomes, qui optimisent leurs trajets en fonction de la demande, apporte sans aucun doute une solution rendant les trajets toujours plus économiques et agréables. Cependant ils représentent de sérieux défis urbains, sociologiques, éthiques et organisationnels... 85


3.2 L’HYBRIDATION DU CONCEPT DU SMART GRID A) LES SYSTÈMES COMPLEXES ET L’INTELLIGENCE ARTIFICIELLE, L’EXEMPLE DE WATSON D’IBM

Pour comprendre l’intérêt de l’intelligence artificielle face aux systèmes complexes, rien de mieux que de mettre en avant le super-calculateur Watson de l’entreprise IBM. Cet ordinateur est devenu le parfait représentant de l’intelligence artificielle lorsqu’en 2011, il bat deux champions du jeux télé «Jeopardy !» de culture générale en langage naturel, puis lorsque récemment en 2016 il diagnostiqua un cancer qui tenait les médecins en échec. Avant lui, DeepBlue de IBM avait battu le champion du monde d’échec Gary Kasparov en 1997. En 2016 c’est aussi AlphaGo de Google qui battu un champion du jeu de go. Cette fois, le super-calculateur Watson a été dédié au diagnostic médical. Et en moins de dix minutes, le programme informatique a réussi a diagnostiquer un cancer qui tenait les médecins en échec depuis plus de dix ans. Ce qu’il faut comprendre, c’est que face à un système complexe, comprenant de nombreuses sous parties, face à un système comprenant une multitude d’informations le concernant, l’être humain montre ses limites. De fait, ce dernier ne dispose pas de la capacité d’intégration de toutes ces variables, encore moins de la capacité de les analyser rapidement. Le corps humain est une machine des plus complexes : les analyses des mutations génétiques se font parfois sur des milliers de bases. Lorsqu’un patient est suivi pendant plusieurs années sans obtenir un diagnostic précis, alors son dossier médical devient à la fois une formidable source d’informations et un indiscernable labyrinthe pour la compréhension de tout médecin. À l’inverse de l’esprit humain qui se perd, l’ordinateur lui, devient toujours plus précis, lorsqu’il dispose de toujours plus d’informations l’aidant à traiter un problème. Les médecins assistés par super-calculateur peuvent désormais faire des diagnostics médicaux rapides et précis, pour les cas les plus complexes. Ils chargent alors le dossier médical complet du patient sur «Watson for Oncology», l’algorithme de Watson extrait les éléments du dossier du patient et les comparent à sa gigantesque base de données : 605 200 essais cliniques, 20 millions de pages de publications scientifiques, 25 000 cas non résolus, 1.5 millions de cas résolus et près de 15 000 heures d’entraînement. L’algorithme de Watson trouve alors très rapidement une ou des correspondances, il les étudie et les vérifie avant d’en informer les médecins. Comparativement, Watson diagnostique le cancer des poumons avec un taux de succès de 90% lorsqu’il est proche de 50% pour les médecins humains ! En fait, Watson, c’est plus un outil d’aide à la décision au service des médecins, plutôt qu’un médecin à part entière, il n’a donc pas vocation à les remplacer mais plus à les assister. Déjà en 2011, Watson c’était près de 90 serveurs IBM Power 750, 2880 cœurs de processeurs Power 7, 80 terraflops (80 000 milliards d’opérations à la secondes), 16 teraoctets de mémoire RAM (16 384 Go). L’augmentation de la puissance des super-calculateurs leur permet aujourd’hui de faire des calculs toujours plus complexes et toujours plus vite. S’il existe bien un domaine vers lequel nous emporte l’intelligence artificielle, c’est bien celui de la compréhension et de la gestion des systèmes complexes. Le corps humain, le réseau électrique, les systèmes des villes et des pays sont devenus si complexes qu’il est aujourd’hui difficile de les gérer seulement à l’aide de la compréhension humaine. Lorsqu’un système se complexifie jusqu’à un certain degré, il devient alors pratique et sensé de mettre en oeuvre des dispositifs intelligents d’aide à la compréhension, au diagnostic et à la décision. C’est l’interaction entre le recueil massif des données (Big Data) et l’interprétation de ces données (par des algorithmes dans des super-calculateurs) qui autorise une meilleure compréhension et une meilleure gestion des systèmes complexes étudiés. C’est là qu’est l’origine du Smart Grid, c’est aussi là qu’est l’origine de son hybridation en d’autres concepts. 86


1

3.2 L’HYBRIDATION DU CONCEPT DU SMART GRID B) SMART TECHNOLOGIES, BIG DATA ET APPLICATIONS

UN SYSTÈME SIMPLE À GÉRER

- une ressource spécifique - une fonction dédiée

2

UN SYSTÈME COMPLEXE À GÉRER

- une multitude de ressources variables - des fonctions diversifiées

3

UN SYSTÈME COMPLEXE, UNE GESTION FACILITÉE

- des données sur les ressources disponibles - des données sur les fonctions actives - des diagnostics sur l’état du système - des actions automatisées de gestion Légendes : Resssource(s) Système Fonction(s) Sens du pouvoir d’action Flux d’échanges de données Super-Calculateur Data Center L’intérêt des systèmes intelligents. Crédits : Matthieu Stefani

Une économie d’énergie et de moyens par une compréhension facilitée des systèmes et une gestion optimisée; voilà le but de l’intégration des technologies intelligentes. Aujourd’hui, les opportunités d’application de ces technologies intelligentes foisonnent. Gestion des mobilités, de l’énergie, des commerces, des déchets, des phénomènes climatiques et même sociaux, l’intelligence artificielle s’infiltre partout et assiste de plus en plus les gestionnaires des systèmes concernés. Afin d’optimiser un système existant, les systèmes intelligents doivent d’abord intégrer le fonctionnement du système en place. Les Smart technologies utilisent donc largement l’analyse de Big Data. Le Big Data, c’est simplement l’agrégation de données sur un système, dans le but de mieux le comprendre et le gérer. Pour faire simple : tout système à besoin de ressources et il offre en retour diverses fonctions. De manière générale, un système tend à exploiter au mieux ses ressources, afin de proposer le service le plus efficace. Cependant, de nombreux paramètres tendent à complexifier la marche et la structure des systèmes : la diversification et la raréfaction des ressources, la diversification et la généralisation des usages et l’interconnexion entre systèmes. Face à cette complexification, les Smart technologies et l’analyse du Big Data peuvent être une réponse adaptée. Des super-calculateurs, comprennent en temps réel l’état d’un système, par l’analyse de données sur les ressources disponibles et sur les usages qui en sont faits. Ces technologies offrent ainsi aux gestionnaires humains, des diagnostics précis, des informations détaillées et des options de gestion efficaces, comportant parfois même des prévisions sur les évolutions de fonctionnement à venir. Cette démarche d’optimisation et d’automatisation dans la conduite des systèmes s’applique évidement au réseau électrique : c’est le Smart Grid. Mais voilà qu’à diverses échelles, l’intelligence touche de nombreux autres domaines attenant notamment à la gestion de la ville, de ses systèmes et des territoires qui y sont liés. C’est ainsi qu’à la frontière du Smart Grid, apparaissent la Smart City, la Smart home, le Smart building... Pour bien comprendre la nature même de ces éléments, il convient de regarder les diverses applications possibles de ces Smart technologies, à différentes échelles. 87


3.3 ÉCHELLES ET USAGES DES SMART TECHNOLOGIES

Productions nationales centralisées Productions & consommations «locales»

A) À L’ÉCHELLE CONTINENTALE

À l’échelle continentale, l’élaboration d’un réseau électrique intelligent permet une meilleur cohésion des réseaux nationaux. Depuis les raccords entre pays, l’échange d’électricité est dictée par les lois du marché (offre-demande). Ces échanges sont aujourd’hui l’oeuvre de l’action humaine. Avec l’arrivée massive d’énergie renouvelable intermittente, les transferts d’électricité vers les pays partenaires se complexifient. Les échanges ne se dictent plus seulement en fonction des avantages tarifaires mais plus en fonction des aléas climatiques. Il est de fait, favorable d’utiliser le surplus d’énergie solaire produit dans le Sud lorsqu’il manque d’énergie dans les pays du Nord. De même, lors d’un épisode dépressionnaire, la surproduction éolienne de certains pays peut alors être consommée ailleurs au lieu d’être perdue faute de moyens de stockage. À l’échelle européenne, les gestionnaires humains sont en passe d’être remplacés par des super-calculateurs et des relais : le réseau smart pan-européen. Plus rapide et réactif, il optimise l’intégration de nombreux paramètres : prévision, offre, demande, climat, stockage, perte...

1

Smart grid et interconnexions nationales. Crédits : Matthieu Stefani

B) À L’ÉCHELLE NATIONALE

À l’échelle nationale, le Smart Grid optimise la conduite du réseau de transport et du réseau de distribution. Il permet de connaître en temps réel les caractéristiques de charge en plusieurs points donnés. Le traitement des packs de données par de puissants algorithmes, permet alors au contrôleur du réseau de choisir la meilleur réaction possible. La décentralisation des moyens de production, l’intermittence de ces derniers et l’apparition de consommateurs / auto-producteurs, complexifient la conduite du réseau. Il faut comme d’habitude intégrer la temporalité des usages de l’électricité mais il faut en plus intégrer celle de la production solaire. Le gestionnaire de réseau doit aussi être en mesure d’anticiper les variations climatiques. Avant l’avènement des énergies renouvelables intermittentes, les aléas climatiques ne faisaient varier que la consommation (chauffage, éclairage, usages domestiques...). Aujourd’hui le climat influence aussi la production énergétique (présence de vent et/ou de soleil). C’est pourquoi RTE s’est associée à Météo France pour développer le logiciel IPES, qui calcule à l’avance la quantité d’énergie renouvelable intermittente sur le réseau électrique. 88

Légendes : Production

Consommation

Consommateur / auto-producteur

Gestion - conduite

Optimisation de la gestion

Smart grid et réseau national. Crédits : Matthieu Stefani


Productions nationales décentralisées Productions & consommations «locales» et import/export Gestion des interconnexions et des échanges : super-calculateurs

Productions nationales centralisées Productions & consommations «locales» et import/export Gestion des interconnexions et des échanges : humain

2

3

Industrie en cogénération

Consommateur HTA

Éolien terrestre

Éolien offshore

Centrale Postes électriques Super-calculateur Consommateur BT

Quartier intelligent

Parc photovoltaïque

1

Production centralisée Gestion abordable Gestionnaires : Humains

2

Production décentralisée Gestion complexe Gestionnaires : Super-calculateurs + humains

89


3.3 ÉCHELLES ET USAGES DES SMART TECHNOLOGIES C) À L’ÉCHELLE MÉTROPOLITAINE : LES SMART CITIES

En ville l’intégration de «technologies intelligentes» est à même d’améliorer l’usage, le fonctionnement et la gestion urbaine. Évidemment leur premier usage se fait sur le réseau électrique. Il autoriserait l’intégration progressive de nœuds d’autoconsommation et de résilience énergétique. Ainsi les villes seraient moins dépendantes de l’approvisionnement électrique des territoires voisins, tout en étant plus à même de faire face à des épisodes de pics de consommation ou de production à l’échelle locale. En ville, les technologies intelligentes peuvent s’appliquer à de nombreux domaines. D’une manière générale des capteurs spécifiques collectent un certain type de données utiles. Ces données sont regroupées en base de données puis intégrées à un système informatique qui les gèrent par paquets. Un algorithme traite les paquets de données pour en tirer des conclusions sur l’état de fonctionnement d’un système ou d’une partie d’un système. À partir de ses conclusions, le système informatique exécute des actions d’optimisation, ou les propose aux utilisateurs concernés. Pour les usagers, les applications sur plate-forme mobiles (téléphone, tablette, ordinateur) offrent des informations sur l’état de fonctionnement d’un service et permettent d’en simplifier l’usage. Ces options concernent notamment la mobilité et le marketing. Elle permettent par exemple de connaître la disponibilité d’un produit ou d’un véhicule en un point donné à un moment donné. La collecte de données, et leurs traitement par des algorithmes dédiés, permettent d’améliorer le fonctionnement de nombreux systèmes urbains. Cette amélioration passe à la fois par une gestion plus efficace des actifs du système, entraînant à la fois une réduction de la consommation énergétique, mais aussi une réduction globale des coûts de fonctionnement, et généralement une amélioration de l’efficacité du système. La sécurité et la criminalité, la collecte et la gestion des déchets, les mobilités et l’inter-modalité, l’entretien du patrimoine végétal et des parcs urbains, la publicité et l’exposition commerciale ne sont que quelques-uns des exemples de domaines dans lesquels les «technologies intelligentes» trouvent un impact significatif. 90

Smart Grid et résilience énergétique en ville. Crédits : Matthieu Stefani

1 La ville consomme l’électricité 2 La ville produit, mais perd son surplus 3 La résilience électrique de la ville : La ville intègre son surplus électrique La ville gère des nœuds d’auto-consommation Smart Grid et gestion de la criminalité en ville. Crédits : Matthieu Stefani

1 Répartition homogène des patrouilles 2 Ciblage des zones à forte criminalité 3 Diminution globale de la criminalité : Besoin de moins de patrouilles Éparpillement partiel de la criminalité Économie de moyens Smart Grid et gestion des déchets en ville. Crédits : Matthieu Stefani

1 Collecte des déchets mélangés 2 Tri et collecte des déchets séparés 3 Réseaux de collecte et d’acheminement : Économie d’énergie, de temps et de gestion Pas de jour de collecte spécifique Dépot dans les collecteurs les plus proches Smart Grid et mobilité en ville. Crédits : Matthieu Stefani

1 Le tout voiture 2 Les premiers réseaux de transport urbains 3 L’ère de l’intermodalité Économie d’énergie, de temps Possibilité d’itinéraires Bis en cas de défaillance Décongestionnement du réseau routier urbain


Légende :

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

Transport Poste électrique Distribution Production isolée Nœuds raccordés

Légende : Criminalité élevée

Criminalité basse Patrouilles

Légende : Centres de traitement Parcours de collecte Réseaux de collecte Points de collecte

Légende : Trajet utilisateur voiture Train de banlieue Métros Trams Vélos libre service

91


3.3 ÉCHELLES ET USAGES DES SMART TECHNOLOGIES D) À L’ÉCHELLE DU QUARTIER, DU VILLAGE : LES MICRO GRIDS

À l’échelle du voisinage, les solutions Smart Grid permettent de mobiliser les moyens de production et de stockage pour optimiser la consommation et le fonctionnement du réseau électrique à l’échelle locale. L’apparition des énergies renouvelables permet à certains éléments d’un quartier ou d’un village de devenir partiellement ou totalement autonomes en énergie électrique. Cependant, sans l’intégration de technologies de gestion intelligente du réseau, les surproductions énergétiques seront perdues. Avec l’intégration de compteurs intelligents et de dispositifs adaptés, la surproduction pourra être directement consommée localement chez le voisin, ou stockée chez un autre. Le fonctionnement d’un réseau électrique sur une maille géographique limitée, permet de diminuer les pertes en lignes et permet d’augmenter la résilience de l’ensemble du réseau. Les technologies de gestion intelligente des réseaux peuvent aussi s’appliquer au chauffage de quartier et de village. De fait les besoins de chauffage des lieux d’activités et de logements sont décalés dans le temps. Les logements sont chauffés le soir, la nuit et le matin, tandis que les lieux d’activités le sont pendant le reste de la journée. Ainsi au lieu de consommer de l’énergie individuellement pour le chauffage, les bâtiments pourraient mutualiser leurs chauffages et leurs climatisations. À la place de perdre les calories accumulées, les logements inoccupés pendant la journée peuvent fournir leurs calories aux bâtiments d’activités. De même ce processus est réversible le soir venu, lorsque les usages et les occupations des bâtiments s’inversent. Enfin les Smart grid c’est aussi une meilleur compréhension de l’offre et de la demande dans de nombreux domaines. Des services d’offres d’emplois, d’aide à la personne, en passant par le partage de matériels jusqu’à la garde d’enfant, les technologies communicantes permettent aussi l’optimisation sociale dans les quartiers et les villages. Pôle-emploi en est le parfait exemple, avec la mise en place récente d’un algorithme Big Data avancé, qui améliore les offres faites aux demandeurs d’emplois. En fonction de leurs qualifications, des offres disponibles, de leur profil personnel, et de leur lieu de vie, le système passe très rapidement en revue les milliers d’offres existantes, pour proposer aux utilisateurs les plus adaptées. 92

Smart Grid et résilience énergétique en ville. Crédits : Matthieu Stefani

Légende : Alimentation principale Poste source Réseau de distribution Réseau de distribution et d’injection Consommateur Consommateur & producteur Consommateur & stockage

Smart Grid et réseaux de chaleur en ville. Crédits : Matthieu Stefani

Légende : Bâtiments de logements

Bâtiments d’activités

Réseau de chaleur Consommation haute

Consommation de la gestion climatique des bâtiments

Consommation moyenne Consommation basse

Smart Grid et réseaux sociaux. Crédits : Matthieu Stefani

Légende :

Trajets

Mise en relation offres - demandes


1 Le poste source, alimente le quartier en électricité.

1 Le chauffage individualisé, consomme sans distinction d’usages.

1 Déplacements forcés, des travailleurs faute de coordination.

2 L’autoproduction, réduit la consommation.

2 Les réseaux de chaleur, relient activités et logements.

2 Mise en relation efficace, de l’offre et de la demande locale.

3 Le Smart Grid, mutualise et stocke les surproductions.

3 Le chauffage mutualisé, réduit les besoin de chaud et de froid.

3 Efficacité, de l’offre en étant locale et adaptée.

93


3.3 ÉCHELLES ET USAGES DES SMART TECHNOLOGIES E) À L’ÉCHELLE DE L’IMMEUBLE : BEPOS

À l’échelle du bâtiment le pilotage intelligent des systèmes, permet par exemple, une gestion climatique économe. Stores et ouvrants de fenêtres automatiques permettent de limiter l’apport solaire et de ventiler pour limiter les besoins de climatisation. De même, des équipements intelligents et performants comme une VIM double flux avec échangeur (ventilation par injection mécanique) permet de ventiler uniquement lorsqu’il y en a besoin, tout en récupérant les calories présentes dans l’air sortant. Enfin les systèmes d’équilibrage chaud/froid collectifs permettent du mutualiser les besoins de chaud ou de froids des parties communes avec les parties privatives dans le but d’en diminuer la consommation énergétique. Les technologies intelligentes permettent aussi au bâtiment de diminuer sa consommation au moment voulu, à l’aide des dispositifs de pilotage des appareillages en charge ou en fonctionnement. Les bâtiments équipés de la sorte, sont en mesure, de programmer ou d’automatiser le chauffage de l’eau dans les ballons d’eau chaude électriques. Ils peuvent faire de même pour la charge des batteries des véhicules électriques. Et ils peuvent programmer le fonctionnement des appareils ménagers ou restreindre leur fonctionnement sur certaines plages horaires (avec une ligne d’alimentation dédiée). De la sorte le bâtiment réduit sa demande en électricité au moment où le gestionnaire de réseau en a bien besoin : lors des pics de consommation du matin et du soir. Les appareils concernés se chargent ou entrent en fonction pendant la nuit et pendant le reste de la journée, pour ne pas venir saturer le réseau au moment le plus critique. De même, les technologies intelligentes permettent une gestion optimale de l’auto-production et de l’auto-consommation. Ils permettent l’intégration sur le réseau des productions d’électricité d’origine photovoltaïques et éoliennes. Les compteurs intelligents retransmettent les données de consommation et de production des divers équipements. Gestionnaires et consommateurs ayant accès en temps réel à ces données peuvent adapter la production et leurs consommations pour permettre une consommation plus directe de l’énergie produite. Des batteries ou des compresseurs avec réservoir permettent de stocker le surplus énergétique. Un relais détecte la sur-production et le manque de consommation et fait automatiquement basculer l’énergie électrique vers les dispositifs de stockage. Enfin les technologies intelligentes permettent d’atteindre une certaine forme de sobriété énergétique. Par exemple de simples capteurs de présence dans les bâtiments collectifs ou d’activités permettent d’automatiser l’éclairage et de limiter le gaspillage électrique. Dans les immeubles de grande hauteur, les trajets des ascenseurs peuvent eux aussi être optimisés. Par exemple dans la tour Coeur Défense, un logiciel s’occupe de vous indiquer quel ascenseur prendre en fonction de l’étage demandé. Ceci fait économiser du temps aux utilisateurs et de l’énergie au système. Au delà des systèmes intelligents et des technologies communicantes qui les accompagnent, un bâtiment intelligent c’est avant tout une affaire d’architectes et d’ingénieurs. Aucun système rajouté ne vaudra jamais une conception et une réalisation exemplaires. Un bâtiment avec une conception bio-climatique, avec une bonne isolation, des matériaux à faible énergie grises, des espaces végétalisés et des systèmes de récupération d’eau sera quoi qu’il arrive bien moins énergivore qu’un bâtiment mal isolé mais bardé de systèmes d’optimisation. À l’inverse, certains de ces systèmes pourraient s’avérer à leur tour énergivores voir inefficaces, en consommant de l’énergie pour un effet presque nul. 94


F) DEGRÉS D’APPLICATIONS DES FONCTIONNALITÉS DES SMART GRID À L’ÉCHELLE DU LOGEMENT INDIVIDUEL 1) APPLICATION MINIMALE :

À l’échelle du logement, l’application minimale des technologies intelligentes est l’installation de compteur intelligent (smart meters) (Linky en France). Ces compteurs permettent aux gestionnaires des réseaux (électrique, gaz, eau) de connaître en temps réel la consommation d’un foyer ou d’un ensemble de foyers et leur permet ainsi d’optimiser le fonctionnement du réseau ( la production ) en fonction de la demande. 2) APPLICATION MODÉRÉE :

Le smart grid dans le logement permet la gestion automatique des moyens de production et de stockage énergétique. Ainsi le compteur intelligent couplé à d’autres technologies de pilotage, permet d’optimiser la production et la consommation d’énergie d’un foyer. L’énergie produite est soit directement utilisée, soit stockée, soit réinjectée sur le réseau en fonction des besoins et des disponibilités. Les panneaux photovoltaïques et de petites éoliennes produisent pendant que des batteries stockent l’énergie. Enfin les câbles et les compteurs intelligents permettent de réinjecter le surplus dans le réseau électrique. 3) APPLICATION POUSSÉE :

En poussant un peu la logique d’automatisation et d’optimisation du fonctionnement énergétique d’un foyer, les smart technologies permettent de gérer la charge et la décharge de divers appareillages. Ainsi, les véhicules électriques comme les ballons d’eau chaude, pourraient s’activer sur demande lors des pics de production évitant ainsi une saturation lors des pics de consommation. 4) APPLICATION MAXIMALE

Les Smart technologies dans la maison.

Enfin la logique d’automatisation dans un but d’optimisation du fonctionnement des système peut s’appliquer à moult équipements d’un foyer. Les stores peuvent être automatiques permettant de gérer au mieux l’apport solaire. L’éclairage des pièces peut s’activer automatiquement par des dispositifs de détection de présence. La sécurisation du foyer peut d’ores et déjà être assurée par des systèmes intelligents de reconnaissance faciale. D’une manière générale la domotique fait partie de ces technologies intelligentes. Enfin à l’extrême, des systèmes de cloisons et d’éclairages intelligents, permettent de moduler l’espace et l’ambiance en fonction des besoins spécifiques.

Crédits : Matthieu Stefani

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3.4 RÉALISATIONS ET DÉMONSTRATEURS DE SMART GRID ET SMART CITY A) EN FRANCE En France comme ailleurs à travers le monde, les villes et les territoires tendent à intégrer toujours plus de solutions «intelligentes» dans la gestion de leurs systèmes. Ceci afin d’en optimiser leurs fonctionnements et par conséquent de faire de substantielles économies de moyens et d’énergie. À l’échelle nationale et continentale, les solutions intelligentes de pilotage du réseau électrique se déploient progressivement. Les grands acteurs industriels et économiques se mobilisent majoritairement en faveur de l’intégration de ces solutions de gestion facilitée et optimisée. En 2017 par exemple, RTE prévoie de déployer progressivement les postes électriques intelligents. Le premier fut installé dans la Somme, premier département français de production d’énergie éolienne. Ces postes ne sont plus de simples relais mais de véritables acteurs intelligents, autonomes, capables d’optimiser constamment leurs capacités, de prendre des décisions et de faire face aux incidents très rapidement. De même RTE optimise l’intégration des énergies renouvelables intermittentes partout en France avec le logiciel IPES. Enfin, l’entreprise avec ses partenaires européens, développe et améliore constamment le réseau électrique smart pan-européen. Du côté de la distribution, chez ENEDIS, le déploiement massif des technologies intelligentes et communicantes passe par l’implantation de près de 35 millions de compteurs Linky d’ici l’horizon 2021. PARIS

Les acteurs de l’agglomération parisienne, de ses inter-communalités et du projet du Grand Paris tendent à pousser le capitale française vers toujours plus d’études prospectives sur l’intégration de solutions intelligentes. En témoigne la dernière commande de la mairie parisienne : «PARIS SMART CITY 2050», ou encore le «Plan stratégique pour la ville intelligente et durable - perspective 2020 et au-delà» adopté le 27 mai 2015. Certes, il y a des études et des projets d’intégration de solutions intelligentes, mais plus que ça il y surtout le fait que la ville se dote naturellement et progressivement d’outils «intelligents». Comme l’écrit l’ingénieur et urbaniste Antoine Picon dans le titre de son livre sur les Smart cities, la ville intelligente est en quelque sorte «un idéal auto-réalisateur». Ainsi, Paris s’équipe progressivement de dispositifs plus intelligents, plus résilients et en «open-data» donc en collaboration et partage de données. Les compteurs intelligents, le mobilier connecté, les 100 000 arbres dotés de puces RFID, le déploiement progressif du wi-fi gratuit dans les espaces publics et les optimisations logistiques fluviales, ferroviaires et du dernier kilomètre sont toutes des dispositions visant à rendre la ville plus intelligente et plus économe. D’ailleurs, Anne Hidalgo, vise un objectif d’économie d’énergie de près de 30%. Notamment grâce à plusieurs dispositifs matériels ou incitatifs : le pilotage centralisé des 200 000 points d’éclairage public; la gestion programmée et intelligente des feux de circulation s’adaptant au trafic; l’intégration d’abribus équipés d’écrans interactifs; l’essor du covoiturage et de l’autopartage; la ré-industrialisation de la capitale par les espaces de cotravail, les fablabs et les usines compactes; des capteurs de présence sur les places de stationnement du quartier de Bercy; les outils de paiement dématérialisés et des outils de plus en plus performants de gestion des mobilités. À ces dispositifs techniques ou incitatifs, s’ajoute un cadre réglementaire qui permet à la ville de Paris d’afficher ses ambitions saines dans la gestion des données des utilisateurs. C’est ainsi que depuis 2015, à chaque passation de marché public, la ville oblige le prestataire à libérer les données produites dans le cadre de ce marché. Dès Juin 2015, les données budgétaires et sociales, ainsi que les données liées aux marchés ou aux subventions ont été mises en «open-data». Enfin la ville de Paris mise sur l’intelligence collective, elle s’appuie sur la plate-forme d’idéation «idee.paris.fr» et sur la nouvelle application «Dans ma rue». 96


LÉGENDES : Aéroport

Gare TGV - Lignes du réseau Grand Paris Express - Réseaux existants - Autres réseaux - Réseaux structurants complémentaires - Voguéo

Smart Hub, intérêt : 1/3

Smart Hub, intérêt : 2/3

Smart Hub, intérêt : 3/3

NIVEAUX D’INTÉRÊT SMART HUB GPE 3 1 2 ÉCHELLE DES PROJETS SMART GRID :

L’intérêt de développer un Smart Grid lié à une gare, dépend principalement de trois facteurs : - La fréquentation de la gare. - La densité cumulée d’emplois et de population aux environs de la gare. - Le nombre d’interconnexions avec d’autres lignes et avec des options d’intermodalités. Les opportunités «Smart Hub» du Grand-Paris-Express (GPE) & les projets Smart Grid du Grand Paris. Crédits : Matthieu Stefani

Cluster ZAC : 1 - Clichy-Batignolles 2 - Paris Nord-Est 3 - Docks de St-Ouen 4 - Pajol Quartier : 1 - IssyGrid 2 - SmartHoche Ilôt : A - Ternes-Villiers B - Halle Pajol C - Gare Masséna D - Triangle Eole-Evangile E - EPIT, Massy, siège Alstom F - EPIT, Challenger, Bouygues

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CLUSTER SACLAY

Au sud Ouest de Paris se trouve depuis 2013 le cluster Saclay, un des 8 grands centres de recherche et d’innovation au rayonnement international. Dans le cadre du projet du Grand Paris, le cluster Saclay diversifie ses offres de transport en commun. Principalement par l’arrivée de la future ligne 18 du GrandParis-Express, qui est en interconnexion avec le RER B et C et avec les lignes du métro 15 à La Défense et 14 à Orly. La ligne 18 qui passera en plein coeur du site et des installations sera reliée à divers moyens de mobilités partagées sur le cluster : autolib, vélib, micro-bus autonome. Au sein même du cluster, les technologies intelligentes sont actuellement déployées sur le réseau électrique pour maîtriser au mieux la demande de puissance des installations de recherche (CEA, Supélec, MinesTélecom, Polytechnique, CNRS, IPVF, Digiteo, SystemX...). L’opération d’intérêt publique du développement de Paris-Saclay, prévoit aussi, l’intégration de composants de gestion intelligente des opérations entre entreprises installées sur le site. Aujourd’hui ce site représente 20% de la R&D industrielle en France, dans les domaines de la physique et de l’énergie. En terme d’intelligence énergétique, le cluster Paris-Saclay se veut être le leader français et européen, pour ce faire de nombreux projets sont à l’étude notamment sur l’installation d’un smart grid multi-énergie au sein de l’université. Le projet LiveGrid vise à développer un réseau intelligent mixte, gérant à la fois un réseau électrique et un réseau de chaleur. En mutualisant les consommations et les productions énergétiques (électrique et calorique), le but est d’optimiser la consommation et de limiter les pertes.

Schéma du fonctionnement du projet LiveGrid de génération/distribution de chaleur et de froid du Cluster Paris-Saclay. Crédits : EPA Paris-Saclay

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Schéma du réseau de chaleur et de froid de Paris-Saclay dans le quartier de l’école polytechnique. Crédits : LM communiquer & associés, Coraline Mas-Prévost / EPA Paris-Saclay

Schéma du réseau de chaleur et de froid de Paris-Saclay dans le quartier de Moulon. Crédits : LM communiquer & associés, Coraline Mas-Prévost / EPA Paris-Saclay

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LYON

Lyon comme toute métropole se développant, se dote progressivement de ses propres solutions intelligentes de gestion des réseaux et de l’énergie. Aujourd’hui la métropole lyonnaise s’affiche comme le premier territoire d’expérimentation des Smart grid en Europe. En partenariat avec le NEDO (agence japonaise de soutien à l’innovation), la ville intègre le programme Smart Community et le développe sur le site de Lyon Confluence. Ce programme a pour objectif l’efficacité énergétique des bâtiments, des installations et des transports. En échangeant rapidement et fréquemment leurs retours d’expériences, les partenaires espèrent ainsi faire de fulgurants progrès dans la gestion des systèmes énergétiques. Sur ce sujet, le programme avance vite, en septembre 2015 sortait de terre HIKARI, le premier îlot mixte à énergie positive d’Europe. Cet îlot de bureaux de commerces et de logements, associe performance énergétique, architecture bio-climatique, production d’énergie renouvelable et fonctionnement en réseau des bâtiments. La ville de Lyon en partenariat avec les acteurs industriels concernés développe d’autres pilotes de Smart Grid, c’est le cas des projets Greenlys, Smart Electric Lyon, Watt & Moi, le déploiement expérimental des compteurs Linky et le projet européen «Transform» en partenariat avec Amsterdam, Copenhague, Vienne, Gênes et Hambourg. La métropole du Grand Lyon s’équipe aussi de programmes qui lui sont dédiés. C’est notamment l’installation de capteurs et de bases de données consultables sur la qualité de l’air. Les objectifs sont à la fois de faire évoluer les comportements par le levier du numérique, de développer les capacités technologiques de réduction et de traitement des émissions et de développer les capacités de monitoring urbain. Sur le renouvellement urbain, la ville de Lyon s’équipe d’un laboratoire : le Living Lab. À terme il vise à créer un opérateur territorial neutre de données et d’optimisation multi-énergies. De même pour la gestion de l’eau en ville : Hublo, le nouveau centre de supervision de l’exploitation hydrique ouvert en 2015, visualise et analyse des données sur les caractéristiques du réseau (ressources, usines, réseaux, clientèle, consommations...), permettant ainsi d’optimiser les interventions, de réduire les fuites et la consommation énergétique. Dans le même état d’esprit, la ville de Lyon améliore ses mobilités, OptiCities, CityLog, FreiLot, OptiMod, Move in pure, E-Partage, Autolib et OnlyMoov sont les récents programmes d’optimisation des mobilités. Enfin, Lyon c’est aussi l’élaboration d’études et d’outils big data axés sur la santé et la créativité.

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LÉGENDES :

Tramway T2

Tramway T1

Arrêts de bus

Métro A

Autoroute

parcours Bus autonome

Stations vélos partagés

Bornes de recharge VE

Caméras de surveillance

Pôle multimodal

Bepos (énergie +) Plan des installations Smart Grid et Smart City sur le secteur de Lyon Confluence. Crédits : Matthieu Stefani

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NICE

À Nice c’est le démonstrateur Nice Grid dans le nouveau quartier Nice MERIDIA qui est mis en avant. Ce projet innovant de quartier solaire intelligent est en train d’achever son déploiement. Fin octobre 2014 c’est 80% du matériel nécessaire au démonstrateur qui est déjà installé sur le réseau électrique d’ERDF et chez les particuliers concernés. Du côté des industriels, 7 clients jouent le jeu et depuis 2013 d’autres s’intègrent au programme. Ces entreprises se sont engagées à s’effacer du réseau électrique sur sollicitation du gestionnaire en hiver et en été. L’objectif est clair : consommer local, avec des panneaux photovoltaïques et des chauffe-eau solaires thermiques. Stocker local avec des batteries chez les particuliers et à l’aide de 3 systèmes de stockage de puissances différentes (de 33 à 250 kW). La gestion intelligente de ces équipements permet aujourd’hui de limiter les besoins de puissance du quartier sur le réseau pour plus de résilience, plus d’autonomie et d’économies. C’est d’ailleurs le premier quartier de France à avoir la capacité d’îlotage et à pouvoir ponctuellement s’auto-alimenter sans nécessiter aucun apport extérieur en électricité. STRASBOURG

Le 24 novembre 2015 se tenait l’ «EU-China SMART MOBILITY City AWARD», cet événement est l’occasion de décerner des prix récompensant les projets les plus innovants en matière de mobilité intelligente et économique. Et dans la catégorie des villes européennes, c’est Strasbourg qui a reçu la récompense. L’Eurométropole est récompensée pour ses initiatives dans le domaine : L’open data et l’application Strasmap permet de consulter en temps réel le trafic dans la métropole et aussi de calculer le meilleur itinéraire possible, quel que soit le mode de déplacement envisagé. De même la ville de Strasbourg a développé U’go, un service de billetterie sans contact, elle a aussi favorisé l’autopartage en mettant en place «YEA !» un tout nouveau service de voitures partagées. Enfin la métropole strasbourgeoise soutient les entreprises innovantes, en leur permettant l’accueil des mobilités expérimentales en ville. Ainsi elle soutient l’électromobilité avec les programme Crome et Auto 2.0, mais aussi avec les tests de véhicules électriques sans chauffeur «NAVIA». TOULOUSE

À Toulouse, le groupe ENGIE avec sa filiale Cofely Ineo, a développé et installé un Smart Grid pour connecter à l’échelle d’une Zone d’Activité Économique (ZAE), les installations consommant, produisant et stockant de l’énergie. La communication permanente entre les diverses installations du site permet d’affiner l’équilibre entre consommation et production électrique à l’instant «T». Ce site, inauguré le 11 septembre 2014, est l’une des premières expérimentations Smart Grid menées à une telle échelle. Ce site se présente par ailleurs comme un lieu de formation unique en France, où les étudiants, les professeurs, les chercheurs et les ingénieurs peuvent expérimenter des solutions Smart Grid à large échelle. À terme, nombreux seront les développements technologiques à être issus de cette expérimentation. MARSEILLE

En région PACA, c’est déjà l’heure du déploiement du projet FlexiGrid, depuis sa validation officielle le 15 mars 2016. Plus qu’un démonstrateur, FlexiGrid c’est le déploiement de solutions de gestions intelligentes de l’énergie à l’échelle territoriale, une première ! Dans la région, c’est la commission «Smart City d’AixMarseille French Tech» qui fait avancer le débat de l’intégration de solutions de gestions intelligentes des transports, de l’énergie, de la sécurité, des services aux citoyens et de l’emploi. Les enjeux sont ici des plus variés. Plus que d’optimiser la gestion des systèmes et d’économiser de l’énergie et des moyens, les acteurs locaux estiment que ces solutions sont sources de développement économique, d’attractivité et de marketing territorial, et qu’elles augmentent la qualité de vie des populations qui y vivent. 102


Carte des dĂŠmonstrateurs pilotes Smart Grid en France. CrĂŠdits : www.energies-renouvelables

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3.4 RÉALISATIONS ET DÉMONSTRATEURS DE SMART GRID ET SMART CITY B) DANS LE MONDE INDE : BANGALORE

Le projet de Smart Grid de Bangalore est un projet pilote de la BESCOM (Bangalore Electricity Supply Company), entreprise publique de distribution d’électricité de la région du Karnataka au sud de l’Inde. Il s’implante dans un premier temps au coeur de l’«Electronic City», un quartier moderne réunissant un grand nombre d’universités de haut rang dans les nouvelles technologies de l’énergie et de l’information. On y trouve aussi plusieurs entreprises internationales attenant aux mêmes domaines technologiques : General Electric, Hewlett-Packard et Infosys entre autres. Le périmètre d’intégration de ce Smart Grid est destiné à être progressivement étendu au reste de la ville puis dans un second temps à l’être dans les 8 autres régions indiennes couvertes par BESCOM. De ce simple fait, il est important de signaler que ce projet atteint une large diversité de profils de consommateurs. Entre les 17000 grands consommateurs aisés de l’«Electronic City» et les 7.3 millions de consommateurs pauvres de la région, les profils et les usages de l’électricité varient grandement. Ce projet propose le déploiement d’un certain nombre d’équipements, allant de la consommation à la production : l’implantation de compteurs intelligents et d’un contrôle amélioré de la charge; l’augmentation de la fiabilité du réseau grâce à une meilleure gestion des moyens de production; ainsi que l’installation de sources d’énergies renouvelables et de stockage. Concrètement, la modernisation du réseau et de sa gestion permettraient de diminuer les pertes en lignes qui atteignent 25% sur le réseau BESCOM. Les compteurs intelligents permettent de faire face aux pointes électriques journalières. L’installation de moyens de production d’énergies renouvelables, facilitée par le Smart Grid, permettrait de satisfaire l’équilibre entre l’offre et la demande qui était déficitaire de 20% en Inde en 2010. Enfin la pose de compteurs intelligents permettrait d’améliorer le taux de paiement sur le réseau BESCOM, qui était de 87% en 2002 pour l’ensemble des consommateurs , mais seulement de 17% pour les consommateurs non équipés de compteurs. Il reste pour ce projet de Smart Grid à relever certains défis. Il fut facile d’intégrer ces solutions à l’échelle d’un quartier moderne, connecté et donc adapté. À l’échelle de tout le réseau BESCOM, il faudra trouver le moyen d’équiper le taux élevé de consommateurs, non équipés et vivant en dessous du seuil de pauvreté. Après tout, l’«Electronic City» de Bangalore est considérée comme la Silicon Valley indienne, un point crucial du projet est la présence sur place des compétences dans les domaines des technologies de l’information et de l’énergie, tout en ayant la possibilité de former les populations locales, pour que tous les consommateurs soient finalement impliqués dans ce projet.

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Skyline de Bangalore, et de l’Electronic City en arrière plan. Crédits : Bangalore Administration


JAPON : LES PROJETS DE SMART COMMUNITIES, ACCOMPAGNENT LA TRANSITION ÉNERGETIQUE

Annoncé en 2010 le projet «Smart Communities Program» a pour but d’expérimenter en taille réelle le concept de communauté intelligente. Quatre villes ont été choisies dans le cadre de ce programme : Yokohama, Toyota, Kitakushu et Kansai Science City. Leur principal objectif reste la limitation des émissions de gaz à effet de serre (GES). De fait depuis la catastrophe du 11 mars 2011, le système énergétique et électrique japonais est en crise, il dépend plus que jamais de l’importation énergétique. De plus l’arrêt de la majorité des centrales nucléaires a rapidement entraîné une saturation des lignes du réseau électrique chargé de l’importation. Aussi les émissions de GES sont en forte augmentation dans le pays depuis l’incident, par la simple remise en marche de vieilles centrales thermiques à flamme et la relance des chaudières au fioul. Dans ce contexte de crise énergétique, les gestionnaires des réseaux électriques japonais, font face à de nombreux problèmes pour assurer une fiabilité optimale du service et la continuité de la fourniture en tous points des réseaux (nord et sud). Cette situation tendue rend d’autant plus intéressant pour le Japon, l’intégration de technologies de gestion communicantes et intelligentes du réseau électrique. Ainsi le gouvernement japonais prévoit l’installation de compteurs intelligents auprès de 80% des ménages dans les quatre années à venir et un taux de couverture de ses équipements de 100% à l’horizon 2020. Au Japon, le NEDO (New Energy Industrial Technology Development Organisation) est le principal promoteur des Smart Grid. Le NEDO définit le Smart Grid, comme «un réseau de transmission et de distribution qui a pour but d’assurer la stabilité de fourniture d’électricité en utilisant des technologies d’information et de communication, dans un contexte d’introduction massive d’énergies renouvelables». Le gouvernement japonais a annoncé en 2009 dans son manifeste, qu’il soutenait et allait promouvoir le développement et la diffusion des technologies Smart Grid. Dans ce contexte, le Japon propose la mise en place du plus grand concept de «Smart Community». Il se définit comme un système énergétique et social de nouvelle génération et prévoit des communautés (villes) construites autour de systèmes communicants et intelligents, coordonnés par des systèmes de gestion d’énergie. Ce système inclurait des moyens de production et de stockage d’énergie à la fois centralisés et épars, des moyens de transport de l’électricité communiquants, ainsi que des bâtiments et compteurs intelligents. Les réseaux concernés sont non seulement des réseaux d’électricité, mais aussi de gaz naturel, d’eau ou de chaleur. Le NEDO met en avant plusieurs avantages liés au développement de ce concept, comme l’introduction d’une grande part d’énergie renouvelable, l’amélioration du niveau de vie, l’atteinte d’une meilleure efficacité énergétique, la démocratisation des véhicules électriques et de l’éco-mobilité partagée et la création de nouveaux services et emplois. Concrètement c’est un budget des près de 126.6 milliards de Yen qui a été débloqué (plus d’un milliard de dollars). Tous les grands acteurs nationaux industriels de l’énergie et de l’information participent au projet. Les efforts faits en matière de standardisation et de recherche & développement sur les technologies de stockage en sont leur principal axe de travail. Au final les objectifs sont multiples. Améliorer l’intégration des productions d’énergies renouvelables, aujourd’hui limitées par les contraintes de raccordement au réseau et donc maîtriser leurs variabilité. Détecter les options d’îlotage non intentionnelles et générer des méthodes de simulations appropriées. Éviter les surtensions sur le réseau de distribution et équilibrer l’offre et la demande au sein de micro-réseaux. Développer des capacités de stockage de l’ordre du Mégawatt, en réduire les coûts et étendre leurs capacités de stockage tout en maîtrisant la sûreté, la faisabilité économique et le cycle de vie de ces technologies. Au Japon, c’est l’indépendance énergétique par l’intégration des énergies renouvelables, la résistance aux catastrophe naturelles, la résilience des réseaux électriques ainsi que la compétitivité à l’export qui motivent le recours aux réseaux intelligents. 105


ÉTATS UNIS : LES RÉSEAUX INTELLIGENT COMME VECTEUR DE MODERNITÉ

À la différence du Japon, aux États-Unis, c’est la mauvaise qualité de la fourniture d’électricité, liée à un état dégradé voir obsolète du réseau électrique, qui est la principale motivation poussant au développement et à l’intégration de ces technologies intelligentes et communicantes de gestion et de pilotage. Depuis le début des années 2000, les efforts de recherche, de développement et d’implémentation de ces nouvelles technologies au sein du réseau, sont principalement le fait d’incitations gouvernementales envers les acteurs publics et privés. L’implication de ces derniers est globalement croissante, néanmoins il existe entre eux d’énormes disparités géographiques et économiques. Malheureusement la conciliation d’une multitude d’acteurs aux exigences et aux intérêts souvent divergents est un exercice complexe... MEMPHIS: BLUE C.R.U.S.H LE PROGRAMME PRÉ-CRIME BIG DATA D’IBM À LA SAUCE MINORITY REPORT

Blue C.R.U.S.H (Crime Reduction Utilizing Statistical History) est un logiciel qui capture, enregistre et analyse un maximum de données sur la criminalité. Il recoupe les anciennes statiques avec les plus récentes permettant des analyses dynamiques de la criminalité. Plus les données s’accumulent, plus les prévisions statistiques du logiciel sont fiables. Il fait émerger des tendances et des probabilités, sur lesquelles les forces de l’ordre se basent pour agir. De plus, le logiciel récupère les images des caméras de la police et de la ville de Memphis, à l’aide d’algorithmes dédiés il s’occupe de les analyser, il détecte les visages recherchés et identifie les groupes au comportement suspect. Les policiers sont ainsi envoyés au coeur de l’action avec comme objectif d’arrêter le délit avant qu’il ne se produise. D’une part, en prévoyant des patrouilles ciblant les zones sensibles recommandées par le logiciel. D’autre part, en répondant aux ordres de la supervision centrale de la sécurité urbaine, qui réagit instantanément à la détection automatique par le logiciel d’actes criminels, de personnes recherchées ou de comportements suspects. Depuis son activation à Memphis en 2007, le programme a permit une diminution des meurtres et des cambriolages de 36%, les vols de véhicules motorisés ont chutés quant à eux de 55%. Cependant ces systèmes recourant à la surveillance, au Big Data, aux statistiques et aux calculs de probabilités posent de sérieuses questions éthiques et sociales. D’autant plus en ces temps, où les états du Sud des États-unis, subissent de fortes tensions autour des thèmes associés des disparités sociales, ethniques et de la criminalité... GÉOMARKETING ET BIG DATA, LA RÉVOLUTION NUMÉRIQUE AU COEUR DU COMMERCE

Les bornes téléphoniques et Gps génèrent des données de géolocalisation des appareils mobiles actifs. À l’instar du pétrole qui demande à être raffiné, ces données sont au départ une matière brute avec peu de valeur. Elles sont traitées et analysées par packs et ainsi transformées en informations. Pour les acteurs économiques possédant la plupart de ces données (Google, Amazon, Facebook, Microsoft, Apple), ces informations ont bien plus de valeurs que les données brutes d’origine. Ces informations permettent par exemple de déterminer le meilleur emplacement pour démarrer une activité commerciale. C’est l’analyse cartographique dynamique des flux de personnes et de véhicules connectés (Waze). Elles permettent aussi de mesurer le taux de fréquentation d’un lieu ou d’un événement (Geo Services). Ces outils optimisent aussi les parcours des commerciaux et des divers employés, dans leurs déplacements jusqu’aux clients et fournisseurs (PromapMe). Enfin, le Big data associé à des données de géolocalisation permet une meilleure gestion des carnets de clientèle des entreprises et un élargissement virtuel de leur zone de chalandise (Sentinelo). Ainsi ces outils permettent de mieux connaître les habitudes et les goûts des clients potentiels tout en les guidant vers le produit désiré. La publicité ciblée, les offres promotionnelles par géolocalisation du client, le guidage satellite du client jusqu’au magasin ou le guidage par LED à l’intérieur des grands hypermarchés (Carrefour) sont tous des outils de géomarketing à fort potentiel économique. 106


ÉMIRATS ARABES UNIS : MASDAR

Masdar est le nouveau Cluster dédié aux éco-technologies des Émirats Arabes Unis. S’étendant sur près de 600 hectares elle se situe sur une portion de désert. Elle est née de l’imagination de concepteurs assistés par de puissants outils informatiques, cette ville se veut donc exemplaire sur ses bilans énergétiques, environnementaux et sociaux, la vitrine technologique du Golf Persique... La conception même de la trame urbaine, de la forme des bâtiments, de leurs ouvertures et de leurs textures ont principalement étés générées par ordinateur, en prenant en compte certains facteurs comme le vent, l’exposition solaire et les flux autours du site. Au delà d’une conception assistée par l’intelligence informatique, ce projet c’est surtout l’intégration de technologies intelligentes de gestion des systèmes de la ville. En plus d’être limités par une conception bio-climatique paramétrique, les besoins de fraîcheur sont optimisés par divers capteurs installés dans les bâtiments. Les mobilités dans la ville sont aussi prévues pour être douces, économes et certaines automatisées. De petits véhicules électriques automatiques et des bus du même genre, permettront à terme de relier rapidement les différents points d’intérêts dans la ville, sans venir perturber les flux piétons qui y sont principalement dissociés. La marche et le vélo sont des usages encouragés par un climat doux et une bonne ventilation naturelle des rues les plus chaudes. Enfin un réseau de bus public, de tram et la ligne de métro reliant Abu Dhabi à son aéroport viennent compléter les offres de mobilités à l’échelle régionale. D’un point de vue énergétique la ville innove clairement, refroidissement par l’énergie solaire, géothermie, photovoltaïque, solaire thermique, éolien, hydrogène, bio-réacteur produisant biomasse tout en recyclant les déchets, tout y est ! L’éclairage intérieur en journée est même naturel en sous sols grâce à des système de captation et de conduite de la lumière solaire. De plus la ville développe divers systèmes de stockage énergétique adaptés aux conditions environnementales (stockage thermique, mécanique et de biomasse sèche). D’un point de vue environnementale les concepteurs visent l’objectif de recycler plus de 96 % des déchets engendrés par la construction. Sur le site de gestion des opérations de construction les opérateurs ont d’ailleurs fait installer une unité de production de béton économe et peu émissive, à la technologie bien avancée. Avec cet attirail d’équipements et avec sa conception des plus «réfléchies», Masdar prétend être un modèle de développement durable et économe, une Smart City du futur, qui accueillera à terme 50 000 habitants. Au regard de l’économie actuelle des Émirats il y a fort à parier que cette opération réussira, un mirage de plus dans le désert !

Vue partielle du projet de Massdar City. Crédits : Norman Foster (Foster + Partners)

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CHINE : TIANJIN

Construite depuis 2007, la ville de Tianjin Eco City est un «éco-quartier intelligent», située au Nord de la Chine, fruit d’un partenariat entre Singapour et les autorités chinoises, ce projet aura coûté un peu plus de 6.5 milliards de dollars. Cette ville est une réponse concrète du gouvernement pour faire face à la pollution critique de l’air, des sols et des eaux. Ainsi Tianjin se présente comme une Smart City renouvelable tant sur l’énergie que sur la gestion de l’eau et des déchets. Panneaux photovoltaïques, éoliennes, systèmes avancés de récupération de l’eau de pluie et de gestion des déchets sont implantés un peu partout dans ce quartier neuf d’une superficie équivalente à la moitié de l’île de Manhattan. Les récentes avancées et les retours d’expérience en matière de Smart Grid profitent aussi à ce développement rapide de nouveaux quartiers. Ainsi, l’énergie produite directement sur site par les divers moyens de production renouvelables installés, est optimisée en étant consommée localement, stockée ou finalement réinjectée sur le réseau régional. Les bâtiments intègrent tous des solutions intelligentes et communicantes de gestion climatique et énergétique. Les habitants peuvent donc gérer au mieux leur consommation électrique selon leur propre initiative ou à la commande du gestionnaire du réseau local. Le quartier intègre aussi une série d’indices de mesure de l’impact environnemental des différentes initiatives. Il permettent aux start-up associées à l’éco-cité de mesurer l’efficacité de leurs projets. Le problème c’est que pour le moment les indices de mesures environnementales ne permettent pas de discerner une amélioration de la situation. De fait la pollution reste très forte, peut-être parce-que l’«éco-quartier intelligent» est entouré par le reste de la ville de Tianjin... De plus, en dépit de lourds investissements, la ville restait pratiquement vide en 2014, avec tout juste 20 000 habitants, loin d’atteindre son objectif de 350 000 habitants. Malgré un environnement agréable, une qualité et un confort de vie indéniable, cet éco-cité se trouve bien isolée du reste de la ville qui l’entoure. Les temps de trajets pour atteindre les services quotidiens, pour les achats et les diverses activités sont tellement contraignants, qu’ils rebutent les éventuels intéressés. Dans la même veine, la ville a fait installer par l’entreprise General Electric des solutions intelligentes et autonomes de gestion de l’éclairage public, de gestion des caméras de sécurité et de la temporisation des feux de signalisation. Faute d’une réelle densité d’habitants présents dans la ville, ces systèmes sont loin d’être à leur potentiel maximum d’utilisation et d’utilité. Alors que de plus en plus de Smart City construites à partir de rien voient le jour (à l’instar de Masdar aux Émirats Arabes Unis), Tianjin pose la question du peuplement de ces villes nouvelles, qui pourraient peut être disparaître aussi vite qu’elles sont apparues.

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Vue d’ensemble du projet de Tianjin Eco City. Crédits : Kohn Pedersen Fox Associates


ESPAGNE : BARCELONE

La capitale catalane fait depuis longtemps figure de pionnière dans l’intégration de solutions technologiques intelligentes. Pour preuve la ville a mis en place une myriade d’applications mobiles sur des thématiques des plus variées. «Apps4Bcn» est d’ailleurs le portail où les touristes accèdent aux meilleures applications. «MobileID» permet aux habitants d’accéder aux services administratifs de la ville de manière sécurisé sans avoir à se déplacer ou à téléphoner. «Bicing» informe usagers et gestionnaires de l’état du système de vélos en libre service. «SOS Info» est l’application à l’usage des professionnels, les informant sur la santé et le profil de l’utilisateur. «Vincles BCN» est quant à elle une application novatrice adaptée au contexte local, dans une ville où les personnes de plus de 65 ans représentent plus de 20% de la population, cette application permet de réduire l’isolement social des personnes âgées, en les connectant entre elles par affinités, événements et regroupement géographique. Récemment la ville lança le très attendu «projet City Os», un système ouvert assurant l’interopérabilité et la mutualisation des usages et des services pour la ville. Chaque année la ville de Barcelone gagne en réputation en étant le lieu d’accueil du «Smart City world Congress» et du «Mobile World Congress». Enfin Barcelone c’est la ville de l’open-data par excellence en plus d’être le coeur du réseau des AteneusFab, l’application «App&Town» et le portail «bcn.cat/opendata» fournissent des données dans un format numérique standard et ouvert pour tous. SLOVÉNIE : LJUBLJANA

En 2016 Ljuibjana reçu le titre de «Capitale verte» de l’Europe, en 2015 c’était le prix «Tourisme for Tomorrow» de la «World Travel & Tourism Council». Ces récompenses saluent les avancées réalisées en matière d’écomobilité et mettent en avant les progrès faits dans le développement de l’éco-tourisme intelligent alliant vie urbaine, culture, nature, promotion de la ville et qualité de vie. En parallèle de la restriction d’accès du centre ville aux véhicules, la ville finalise les installations des mesures multimodales courantes dans les villes d’Europe (vélos partagés, véhicules électrique et transports en commun). Les outils numériques aident aussi la ville à lancer un plan très ambitieux de gestion des déchets : «Zero déchets» d’ici 2025. Sur une plate-forme numérique, la ville a mis en place un programme citoyen de réutilisation et de mutualisation des objets, dans le but d’en allonger les durées de vie et d’usage, par le partage et la réparation. De plus, c’est la ville d’Europe avec le système de chauffage urbain le plus efficient, elle s’est dotée d’un réseau de chaud et de froid qui repose sur la cogénération et la mutualisation des ressources. En 2012 elle produisait déjà plus de 10% de ses besoins énergétiques à partir de centrales et de chaudières à bio-masse en cogénération. Enfin sur son réseau d’eau, la municipalité intègre toujours plus d’intelligence, dans la gestion de la demande, des réserves et du traitement ce qui l’autorise même à alimenter les fontaines publiques en eau potable. RWANDA: KIGALI

En dépit d’un passé tourmenté, Kigali la capitale du Rwanda se montre particulièrement performante dans le développement d’une ville intelligente et citoyenne. À l’image de Ljublana, Kigali restreint l’accès de son centre ville aux véhicules depuis août 2016. Des solutions de transports en commun, d’intermodalité et d’éco-mobilité partagées, sont venus apporter la solution. Dans cette dynamique de piétonnisation, la ville à mis en place une stratégie d’aménagement et d’entretien de l’espace public où le piéton est au coeur du système. Les actions entreprises dans ce sens sont nombreuses : propreté des espaces publics exemplaire, éclairage public économe et efficient, aires de repos fréquentes, wi-fi en accès libre partout, interdiction des sacs plastiques, travaux communautaires obligatoires pour les jeunes dès 16 ans (entretien d’espace vert et d’espace public, des systèmes de récupération et d’utilisation de l’eau de pluie...). Enfin l’hôpital municipal, a mis en place un service de drônes pour livrer vaccins et poches de sang. Économe et efficient il autorise l’accès rapide et facile de zones éloignées ou inaccessibles, sans recourir à un carburant fossile. 109


3.5 SMART TECHNOLOGIES APPLIQUÉES A) À L’ÉLABORATION DE PROJETS

Comme vu dans les exemples précédents, il existe bien de nombreux projets d’urbanisme se dotant de solutions de gestion intelligente de leurs systèmes. En France avec les projets Lyon Confluences, IssyGrid, ou ailleurs dans le monde par exemple avec les quartiers hyper modernes de la ville de Tianjin. Cependant, en plus de gérer les systèmes à leur optimum, les technologies communicantes et de gestion intelligente permettent une assistance à l’élaboration des projets urbains. Un large panel de capteurs permettent de recueillir de précieuses données sur les sites étudiés. Qu’ils s’agissent de données climatiques (température, hygrométrie, pression, pluviométrie, exposition, vitesse des vents), de données sur la physique des flux (caméras, détecteurs de présence, boucles à induction...), ou encore de données économiques sur les potentiels d’exposition commerciale d’emplacements définis. Ces capteurs recueillent des informations, les codent en données pouvant dans un premier temps être utile à l’architecte et l’urbaniste pour planifier un projet et le justifier. Avec l’apparition des algorithmes de traitement des données et avec l’émergence des outils de conception paramétrique, la boucle est bouclée... Les capteurs agrègent les données dans une base de données, un programme dédié s’occupe de les analyser et de les interpréter. Ainsi la forme des projets d’urbanisme se trouve de plus en plus affectée par la computation et le calcul informatique. Les machines une fois programmées, aident architectes et urbanistes à générer automatiquement les formes les plus évidentes en fonction des critères choisis (apports solaires, exposition au vent, vues, optimisation des flux piétons, majoration de l’exposition commerciale...) Que ce soit avec des logiciels BIM (Building Informative Modelisation) comme REVIT, ou avec des solutions paramétriques comme Grasshoper sur Rhino, les outils de conception intelligents, aident les concepteurs de la ville à faire les meilleurs choix. À ce sujet, il est fort intéressant de voir à quel point ces solutions informatiques permettent aux concepteurs d’intégrer une multitude de paramètres permettant un concept optimisé à tous les niveaux. 110

De haut en bas : Analyse structurelle. Analyses des flux. Analyse des apports thermiques. Crédits : Autodesk


B) À LA GESTION OPTIMALE DES STRUCTURES Dans les paragraphes précédents, les bâtiments intelligents ont été décrits : gestion climatique optimisée, pilotage des consommations, auto-production & auto-consommation et enfin sobriété énergétique.

Un des trois pieds hydrauliques de la Smart Shell. Crédits : Bosh Rexroth + ILEK + ISYS à l’Université de Stuttgart

Ici, il s’agit de la structure même des constructions ! De fait la forme et la composition de la structure d’un bâtiment dépend bien souvent de son usage et de contraintes réglementaires. Une fois les calculs de resisistivité structurelle effectués et la structure réalisée, elle l’est de manière définitive. Ses dimensions anticipent toutes les prévisions de charges envisagées (usages et aléas climatiques : vent et neige). Ainsi les structures sont bien souvent surdimensionnées pour l’usage qui en est fait. De ce simple fait découle un léger gâchis de matériaux qui, reproduit à large échelle, devient une véritable gabegie environnementale. Voilà que les solutions de gestion intelligente des systèmes font leur apparition dans l’élaboration des structures construites. Elles permettent l’évolution progressive, de la forme et des dimensions des structures, dans le but de les adapter en temps réel aux contraintes des charges qu’elles subissent. Les projets de structures intelligente adaptatives, ne sont évidemment pas légion, cependant, certains, remarquables, peuvent être ici montrés en exemple. C’est le cas de la Smart Shell, une coque en bois de 40 mm d’épaisseur qui recouvre une surface de 100m². Des senseurs activent au besoin, des commandes hydrauliques, permettant de modifier la forme de la coque. La modification de la courbe de la structure lui permet une meilleure résistance structurelle et une adaptation optimale face aux effets changeants des vents.

De haut en bas : Sondes mesurant la corrosion. Manomètre mesurant l’écartement. Acceléromètre mesurant les déplacements. Crédits : Le Moniteur

C’est aussi le cas des nombreux projets de Smart Bridges (ponts intelligents) qui adaptent leur résistivité structurelle en fonction du nombre de véhicules qui les traversent et en fonction des vents auxquels ils sont soumis. Les technologies communicantes et intelligentes permettent aussi un meilleur suivi de leur état structurel. Des capteurs en séries assurent une reconnaissance de l’état de corrosion des éléments structurels. Des accéléromètres mesurent le taux de déformation et préviennent à la rupture d’un élément. Enfin des manomètres communiquants peuvent indiquer l’état d’écartement entre deux éléments. 111


3.5 SMART TECHNOLOGIES APPLIQUÉES C) À LA CONSTRUCTION ET À LA MISE EN OEUVRE

De plus en plus d’équipes sur les chantiers à travers le monde expérimentent les technologies intelligentes d’assistance à la construction et à la mise en oeuvre. Qu’ils s’agissent de drônes ou de robots, qu’ils soient autonomes ou à commande numérique (CNC : computer numerical control), ces solutions permettent d’assembler, de modeler, de souder, de découper et d’exécuter un grands nombre de tâches difficiles. Au delà d’une assistance à la réalisation des projets complexes, les technologies du numérique permettent aux concepteurs d’envisager aujourd’hui des projets des plus originaux. LES IMPRIMANTES 3D

En 2014, la «Shanghai WinSun Decoration Engineering Co» a construit 10 prototypes de maisons en moins de 24 heures à l’aide d’une imprimante 3D. Le matériau employé est un béton modifié, plus durable (ciments recyclés), plus résistant (fibré) et adapté à l’injection par buse de précision. L’entreprise détient aujourd’hui le titre de la première entreprise de construction à avoir construit un immeuble à l’aide d’une imprimante 3D géante (6m de haut, 10m de large et 40m de long). L’immeuble de 5 étages trône dans la ville de Shuzou, en Chine. Des blocs ont d’abord été crées par la gigantesque machine directement sur le site, puis ils ont été montés et assemblés par des grutiers et des ouvriers. Enfin, les finitions extérieures en plastique recyclé sont réalisées par une plus petite imprimante 3d qui réalise des plaque de parement qui sont ensuite assemblées en façade. Dans un tout autre domaine, c’est l’agence «Foster and Partners» qui en partenariat avec la NASA, a développé des prototypes d’habitats minimalistes et fonctionnels pour des missions en vue d’implanter durablement l’homme sur la Lune et sur Mars. Le processus de construction est globalement le même dans les deux projets. Tandis que la membrane de l’habitat se pressurise, gonfle et se déploie, des drônes terrestres s’occupent de récupérer le régolithe lunaire ou martien. Ils acheminent le matériau de base jusqu’à une unité qui le traite et prépare les matériaux de construction (régolithe traité + liant). Une fois l’habitat gonflé et déployé, des imprimantes 3D robotisées réalisent autour de l’habitat un épais dôme protecteur de plusieurs tonnes, contre les micros-météorites et les radiations atteignant fréquemment les sols de ces astres. 112

Préfabrication imprimée en 3D avec du béton. Crédits : Shanghai WinSun Decoration Engineering Co

Vue des projets d’habitats sur Mars et la Lune. Crédits : architecte Norman Foster + Partners


LES DRÔNES

Les drônes volants sont eux aussi au coeur d’une révolution dans l’assemblage et la mise en oeuvre de structures. Les deux projets qui suivent, sont à prendre à titre d’exemple expérimental. La première installation nommée «Flight Assembled Architecture» est issue de la collaboration des architectes Gramazio & Kohler avec le FRAC d’Orléans. Un programme de conception paramétré par l’équipe des architectes, se charge de générer la forme et la hauteur de la tour en fonction de l’espace disponible et des éléments à assembler. Un scanner capture les dimensions de l’espace mis à disposition par le FRAC, puis le programme génère la forme. Une armada de drônes volants équipés de pinces ventrales entrent alors en action pour prendre les blocs de construction et les amener à leurs emplacements définitifs. Blocs qui peuvent d’ailleurs être imprimés en 3D en plastique puis être lestés avec de l’eau.

Dônes autonomes réalisant une structure tendue Crédits : Massachusetts institute of Technology

Le second projet présenté, vient tout droit du MIT (Massachusetts Institute of Technology), c’est un concept de pont suspendu conçu automatiquement par ordinateur et construit par une nuée de petits drônes déroulant des câbles. Le programme de conception est capable par l’analyse d’images d’un scanner 3D et de photographies de reconnaître les dimensions à franchir et les points auxquels rattacher la structure à l’aide des drônes. Les algorithmes du programme génèrent ensuite le parcours des drônes en leurs faisant éviter les obstacles et en se rapprochant au plus près des points à l’intérêt particulier. Les drônes entament ensuite un drôle de balai aérien, laissant dérouler derrière eux une longueur de câble précise, créant rapidement la structure tendue du pont suspendu. Les algorithmes du programme sont d’ailleurs disponibles en open source. LES OUTILS CNV & LES ROBOTS

Flight Assembled architecture Crédits : Gramazio & Kohler architectes

De la découpe et la préparation d’éléments de construction, en passant par leur assemblage et leur préfabrication, jusqu’à la réalisation complète d’immeubles et d’infrastructures, les robots et les outils CNC assistent toujours plus les concepteurs et les entreprises de réalisation. Les robots CNC (computer numerical control) permettent aujourd’hui d’envisager des chantiers presque entièrement automatisés et donc en grande partie déshumanisés. Ces technologies au développement rapide sont un risque non négligeable pour l’emploi salarial, néanmoins les travaux réalisés par ces machines sont généralement d’une qualité irréprochable et d’un coût bien inférieur... 113


3.6 GÉNÉRIQUES DE «SMART MACHINE» Les «hubs» sont des infrastructures de passages de flux (personnes, marchandises, énergie, informations). Les ports, les aéroports et les gares sont les exemples parfaits de ce type d’infrastructure. Dans ces pôles, de nombreux aspects de leurs fonctionnements peuvent être optimisés et/ou automatisés.

É

A) SMART HUB

N E R GIE

Panneaux photovoltaïques

É

M

É

É

D’un point de vue énergétique ces infrastructures sont de installés sur les larges toits grosses structures dissipatrices. L’activité quasi incessante de ces lieux est consommatrice d’énergie et source d’une large perte N E R GIE par dissipation d’énergie. La foule de gens qui y passe, dissipe l’énergie en marchant et en respirant. Il en va de même pour les nombreux moyens de transport qui s’y trouvent, qui dissipent de l’énergie lors de leurs fonctionnement. Il est alors possible d’optimiser leur fonctionnement énergétique par des systèmes Récupération de l’énergie de production par récupération. Par exemple l’énergie dissipée des pas des voyageurs par la foule qui se déplace peut être récupérée grâce à des dalles spécifiques. De même, l’énergie dissipée lors du freinage R GIE des trains arrivant en gare pourrait être récupérée, stockée, puis NE utilisée lors des départs des trains. Au delà de récupérer l’énergie dissipée, les «hubs» présentent de nombreuses opportunités pour produire plus d’énergie qu’elles n’en consomment. Par exemple, de larges surfaces peuvent être équipées de panneaux Stockage d’énergie pour le photovoltaïques au dessus des quais et des halls de gare. De départ des trains même, des systèmes de stockage performants peuvent y être implantés. Par exemple les stations de véhicules électriques O BILIT pourraient servir à stocker le surplus d’énergie.

M

É

D’un point de vue de l’information, ces structures sont des centres névralgiques. La foule y consomme de l’information (disponibilités, horaires, événements...) tout en contribuant Information sur le nombre de vélos par station à une large part de cette information (affluence, habitudes, comportements...). Les systèmes qui gèrent et délivrent O BILIT l’information s’automatisent de plus en plus. Le nombre d’automates, de panneaux d’affichages et d’applications sur smart phone dédiées à l’usage des voyageurs sont en constante augmentation et amélioration. Enfin l’information utile à la sécurité de ces lieux s’automatise elle aussi. Toujours Services d’information et plus de caméras scrutent ces lieux stratégiques, tandis que des d’abonnement en continu algorithmes de reconnaissance faciale ou de reconnaissance Smart Hub comportementale facilitent le contrôle et la sécurité de la foule.

Crédits : Matthieu Stefani

114


NC

SUR

L VEI L A

E

É

Algorithmes reconnaissant visages et comportements

N E R GIE

O BILIT

É

M

Récupération de l’énergie de freinage des trains

S

Ajustement automatique de l’horaire des correspondance

ER

VI CES

O BILIT

É

M

Achats en ligne et machines de retrait de billets en gare

Taxis électriques autonomes + stockage d’électricité

115


3.6 GÉNÉRIQUES DE «SMART MACHINE» B) SMART STREET

Dans la ville, la rue est le lieu de toutes les interactions. Elle fait le E R GIE ÉN lien entre le public et le privé. Elle est la vitrine des commerces, elle lie les usagers à leurs modes de transport, enfin elle est la voie de passage de nombreux réseaux techniques. De ce simple fait, il est facile de comprendre que la rue présente de nombreux Transmission des datas de potentiels quant à son optimisation et son automatisation. consommation

E

CO

S

É

( Partout ) D’un point de vue énergétique, la gestion des éléments qui composent la rue peut être améliorée, voir automatisée : sur les N E R GIE toits, les bâtiment peuvent produire de l’énergie intermittente photovoltaïque puis la stocker dans des systèmes dédiés pour l’alimentation directe ou l’alimentation de secours en cas de défaillance du réseau; au rez de ville, la gestion du patrimoine végétal peut être simplifiée par l’implantation de puces RFID. Stockage d’énergie Ces dernières permettent aux jardiniers d’économiser du proche du consommateur ( Partout ) temps de travail en agissant là où c’est utile par une meilleure connaissance des opérations ultérieures. Ces économies de VI CES ER temps de travail sont des économies de moyen et donc des économies d’énergie. Enfin, en sous-sol, les réseaux intelligents peuvent améliorer les rendements énergétiques des différents éléments qui composent la rue. Des réseaux de gestion pneumatiques des déchets pourraient libérer la rue de ces Informations en temps réel sur l’état d’un service derniers, tout en permettant de sérieuses économies d’énergie, ( Partout ) en évitant le passage de camions benne dédiés à la gestion des déchets. Dans un domaine différent, les réseaux de chaleur M M E RC peuvent limiter les besoins de chauffage et de refroidissement des locaux de bureaux comme des logements (par exemple : la chaleur des bureaux est renvoyée le soir dans les logements).

M

116

É

D’un point de vue de l’information, certains aspects pratiques Géolocalisation des clients et commerciaux peuvent être améliorés par des services + offre publicitaire ciblée ( New York ) intelligents. Par exemple en proposant aux utilisateurs des informations utiles constamment remises à jour : meilleur O BILIT itinéraire, disponibilité des services de mobilité (vélib, autolib, ratp, parking Vinci...). Économiquement, les technologies intelligentes sont une aubaine pour les commerçants. Elles permettent aux commerçants de proposer automatiquement (en fonction de la géolocalisation) des offres adaptées aux Voitures électriques et métros autonomes clients déjà référencés. Ces derniers reçoivent sur leurs smart ( Paris ) phones, des promotions sur des produits susceptibles de les Smart Street Crédits : Matthieu Stefani intéresser et l’itinéraire pour rejoindre le commerce concerné...


É

NE

R GIE

S

Production énergétique et consommation locale directe ( Partout )

ÉC

U RITÉ

G

Patrouille en fonction du Big Data sur la criminalité ( Memphis - Blue CRUSH )

ES

TIO N

É

Gestion du patrimoine végétal par puce RFID ( Paris )

NE

R GIE

G

Distribution de l’électricité automatisée par des relais ( France )

ESTION

Gestion pneumatique des déchets + réseaux de chaleur ( Copenhagen)

117


3.6 GÉNÉRIQUES DE «SMART MACHINE» C) SMART LOGISTIC

L

É

É

N

Parmi les infrastructures permettant le fonctionnement des R AIS O IV agglomérations urbaines, les entrepôts de stockage sont des plus stratégiques. Qu’ils s’agissent de nourriture, de matériaux, de courrier, de mobilier ou de marchandises diverses et variées, les entrepôts sont le lieu de transit, de stockage et de préparation des livraisons. Qu’ils s’agisse d’un marché livraison automatique des petits colis par drônes alimentaire comme Rungis, d’un magasin Ikéa ou d’un entrepôt Amazone, ces centres permettent indéniablement à nos sociétés de fonctionner en flux tendus. Disposant d’un stock suffisant ils N E R GIE permettent par conséquent d’éviter les ruptures de stock sur des produits stratégiques. Ces infrastructures sont aujourd’hui de plus en plus informatisées, les logiques d’automatisation de certaines procédures sont d’ores et déjà d’actualité. Production sur les larges toits des entrepôts Que ce soit pour gérer les stocks, faire les commandes auprès des fournisseurs, prendre en compte la commande d’un client, la préparer, répondre au client et la livrer, aujourd’hui, la logistique N E R GIE des entreprises est en passe d’être presque entièrement automatisée.

S

118

UR

Dans certaines entreprises, le processus de préparation des commandes peut être intégralement automatisé, du début jusqu’à la fin. Enfin, la livraison des stocks et des commandes, pourrait être, elle aussi, en passe de s’automatiser. Notamment avec l’avènement des véhicules autonomes, mais aussi avec l’arrivée des drônes, pouvant livrer les commandes les plus légères, avec une rapidité incomparable.

FOU

S

Des entreprises comme Amazone se lancent déjà dans cette voie. Dans leurs entrepôts de livraison, un logiciel complexe Stockage du surplus s’occupe de gérer les stocks tout en supervisant une armée de d’énergie robots collectant les produits jusqu’à la zone de préparation des livraisons, là où un employé prépare les commandes. TÈ ME YS Cette organisation robotisée permet d’optimiser le temps de préparation des commandes. Un employé humain cherchera dans un premier temps l’emplacement de l’objet sur une base de données, il devra ensuite se déplacer jusqu’à l’emplacement, chercher l’objet et répéter l’opération pour l’objet suivant. Gestion automatique des Le robot lui, sait où sont tous les objets de la commande et stocks et des installations comment tous les récupérer le plus rapidement possible en un IS RN SE unique trajet.

Réapprovisionement automatique Smart Logistic Crédits : Matthieu Stefani


PR

ON

É

PA R AT I

NU

TEN

TI ON

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Préparation robotisée des commandes et des colis

OC

K AG

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ST

Manutention robotisée des articles des commandes

Étagères de stockage mobiles, identifiées par puce RFID

AIS O

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VR

ÉC

U RIT É

S

Trajet de livraison optimisé, destinataire informé

Identification du personnel, caméras et détecteurs

119


3.6 GÉNÉRIQUES DE «SMART MACHINE» D) SMART ROAD

Les routes tout comme les gares et les rues de nos villes sont des lieux de haute activité, présentant par conséquent une grande utilisation et dissipation d’énergie. De ce fait il est possible d’en améliorer le fonctionnement, l’usage et le rendement par des systèmes d’optimisation intelligents.

ÉN

E R GIE

Stockage d’énergie,

S

120

É

Enfin, l’arrivée des véhicules intelligents, partiellement ou totalement autonomes, promet de grands changements dans les habitudes des voyageurs routiers. Que ce soit avec la Google car, ou les semi-remorques autonomes de BMW, ces nouveaux véhicules promettent des trajets simplifiés, agréables, ludiques économes et en principe plus sécurisés. Dans le futur, la route sera-t-elle durable, par la diversification de ses fonctions et l’optimisation de ces dernières via des systèmes intelligents ?

É

S

S

S

En combinant les fonctions, il est possible de faire un meilleur alimentation de systèmes usage de la surface utilisée par les routes. En plus d’être le ( Suisse ) support à de nombreux véhicules, les routes peuvent aujourd’hui VI ER CE délivrer de l’information, en capter, produire de l’énergie, voire même en délivrer. En France, les pavés solaires photovoltaïques du groupe Colas produisent de l’électricité tout en étant refroidis par le passage des véhicules, ce qui en améliore le rendement. D’autres systèmes permettant la récupération et Informations continues sur l’état du trafic la production d’énergie sont actuellement développés et en ( France ) phase de test. C’est le cas du micro-éolien qui placé au centre des routes, entre les flux contraires des véhicules, permet VI CES ER de récupérer une partie de leur énergie. C’est aussi le cas des modules de production de biomasse par micro-algues, qui sont à l’heure actuelle prototypés et évalués en différents points du globe. Ces systèmes utilisent le soleil et le dioxyde de carbone émit par les véhicules pour produire biomasse, biocarburants Automatisation des et potentiellement de l’hydrogène. Les routes disposent donc péages et de l’éclairage ( Partout ) d’un large panel d’options pour la récupération et la production U RIT d’énergie. Cette énergie pourrait être utilisée localement dans ÉC le fonctionnement de l’infrastructure routière. Des boucles à induction électromagnétiques pourraient recharger les véhicules électriques lors de leurs passage au dessus (en test en Grande Bretagne). Radars, péages, éclairage, caméras, stations Automatisation des services et panneaux d’informations pourraient fonctionner contrôles routiers avec cette énergie locale en plus d’être automatisés (aujourd’hui ( Partout ) la plupart de ces systèmes sont automatisés, voir «intelligents»).

R N E GIE

Micro éolien central, récupération d’énergie ( États Unis ) Smart Road Crédits : Matthieu Stefani


É

NE

R GIE

É

Production d’électrcité par des pavés photovoltaïques ( Colas - France )

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R GIE

G

Production de bio-carburant à partir d’algues et de CO2 ( Suisse )

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É

Boucles à induction, recharge des véhicules électriques ( Angleterre )

NE

R GIE

O BILIT

É

M

Distribution de bio-carburant recharge des batteries ( Israël )

Transport de marchandises en semi-remorques autonomes ( BMW - États Unis )

121


3.6 GÉNÉRIQUES DE «SMART MACHINE» E) SMART RURAL, SMART AGRICULTURE

R

GE

Au delà des infrastructures urbaines et péri-urbaines (gares, YC L A EC rues, bureaux, logements, industries, entrepôts...), au delà des infrastructures de liaisons (voies rapides, chemins de fer...), l’intelligence des systèmes peut aussi s’appliquer aux territoires ruraux et à leurs infrastructures stratégiques. Le système agricole Valorisation sur le site des n’est donc pas épargné par l’optimisation et l’automatisation. déchets agricoles

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É

Des drônes viennent déjà à la rescousse des agriculteurs. Ils leurs permettent de connaître l’état d’une parcelle agricole en U RIT ÉC fonction de divers capteurs optiques. L’agriculteur sait donc en fonction d’analyse colorimétrique le meilleur moment pour récolter avec les meilleurs rendements. Ces drônes couplés à des détecteurs de présence permettent aussi la sécurisation de l’exploitation face aux vols de matériels et de production qui ne Drône agricole polyvalent (diagnostics & sécurité) cessent de se multiplier.

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Pour la gestion des parcelles agricoles et des cultures il R GIE existe d’ores et déjà des systèmes améliorant l’irrigation et la NE fertilisation. C’est le cas des grandes rampes d’arrosage mobiles, qui permettent une meilleure répartition de l’irrigation et des produits phytosanitaires. De nos jours de nombreux modèles de robots fermiers (robot farmer, farm robot...) permettent une Méthanisation (électricité, gestion efficace, économique et déshumanisée de différents chauffage, fertilisants) type d’exploitations agricoles (sylviculture, viniculture...). Il existe aussi des robots open sources à concevoir soi même à I M AT CL l’aide d’imprimante 3D, de découpe laser et d’Adruino. Ces robots open sources qui gèrent entièrement de petits potagers sont tout autant capables de s’occuper de vastes exploitations. Ils captent les paramètres du sol (pH, humidité...), les adaptent par divers moyens (irrigation, semence, amendement), ils Station météo de mesure des micro-climats pratiquent la lutte biologique par l’arrachage mécanique des mauvaises herbes, ils s’occupent des soins physiques des plantes par l’élagage, le pinçage et l’étiolage et sont capables de RAN GE G pratiquer la récolte. En fin de chaîne de production, des robots tels que ceux utilisés par l’entreprise de livraison en ligne Amazone, peuvent prendre en charge la gestion des stocks et la préparation des commandes Systèmes informatiques et atelier de réparation des clients. Des semences, à la vente des produits, en passant par la culture et la récolte, l’agriculture industrielle est en passe Smart Agriculture de devenir en partie intelligente, automatisée et robotisée. Crédits : Matthieu Stefani 122


G

ESTION

Rampe de gestion des cultures (irrigation, soins, récolte ...)

N OST IC S

DI

AG

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S

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Automate de diagnostic des paramètres du sol

PA R A

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P

Stockage d’énergie, d’eau et de produits phytosanitaires

N

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TI QU E

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Préparation robotisée de la récolte et de son stockage

Boutique de vente directe et espace de gestion des stocks

123


3.7 SMART GRID, PROBLÉMATIQUES ET LIMITES Comme toutes innovations, les technologies intelligentes de gestion et de pilotage des réseaux ne sont pas sans défauts. Alors que l’objectif des Smart Grid est bien d’optimiser la production et la consommation d’électricité, tout en permettant l’intégration des énergies renouvelables sur le réseau, certains de ses défauts remettent en cause ces fondements. Qu’ils s’agissent d’obsolescence, de sécurité informatique, de gestion de données privées, de sur-complexification du réseau ou même de consommation énergétique du stockage des données, les Smart Grid soulèvent aujourd’hui de nombreuses questions tant techniques que sociales. A) L’OBSOLESCENCE ET SES CONSÉQUENCES

Nous entendons de plus en plus parler d’obsolescence programmée et de ses conséquences multiples. Sur le réseau électrique l’obsolescence n’est pas programmée, mais elle existe et oblige les gestionnaires de réseau à se prémunir et parfois à intervenir pour y faire face. Avec l’apparition des technologies communicantes au sein du réseau électrique, les appareils vieillissants seront plus nombreux sur ce même réseau. À l’échelle du réseau de transport national de l’électricité, le vieillissement des installations et l’obsolescence des équipements peut avoir de lourdes conséquences sur la fourniture d’électricité. «En France, au contraire du réseau de distribution, le réseau de transport de l’électricité est déjà intelligent, il comporte de nombreux capteurs qui sont redondants» prévient Michel Bena, Directeur Smart Grid chez RTE. Cette redondance des capteurs et des équipements stratégiques peut sembler être un raisonnement simpliste, mais c’est trompeur car c’est à l’heure actuelle la meilleure réponse apportée face à l’obsolescence. Lorsqu’un appareil subit une défaillance sur le réseau, son double prend le relais. Le gestionnaire de réseau est alors automatiquement avertit de la panne sur le système principal par la mise en route du système secondaire. Il peut donc intervenir et réparer la panne sans rupture de fourniture d’électricité. La redondance des systèmes apporte sans aucun doute une solution face à leur obsolescence. Néanmoins pour des raisons économiques évidentes, les dispositifs d’un système ne peuvent être tous rendus redondants. De la même façon, sur le réseau électrique, les systèmes principaux de transport d’électricité ont facilement été rendus «intelligents» puis doublés (redondance de système). Cette opération est loin d’être aussi évidente à réaliser sur le réseau de distribution. Ce dernier étant plus fragmentaire, moins bien maillé et s’organisant généralement de manière arborescente est par conséquent plus compliqué à réorganiser. Aussi les coûts de développement d’un Smart grid non obsolescent au niveau du consommateur ne sont pas envisageables. Les systèmes qui équipent les compteurs linky ne sont donc en aucun cas redondants, ces derniers étant suffisamment coûteux avec l’équipement dont il disposent... B) LA SUR-COMPLEXIFICATION DES RÉSEAUX

Les smart grid sont sans aucun doute une nécessité pour l’avenir du réseau électrique, néanmoins ils tendent à le complexifier et l’expose à toujours plus de risques. De grandes fragilités structurelles atteignent aujourd’hui le réseau électrique dans ce contexte de sur-complexification. Plus les réseaux sont complexes, plus ils comportent de nœuds, qui sont des points névralgique sensibles. Il est vrai que les réseaux organisés autour de nœuds sont plus économes et consomment moins en autorégulation, cependant cette architecture centralisée les rend toujours plus sensibles. Dans les réseaux complexes, comme le réseau électrique, la moindre modification peut aboutir à un effet général inattendu et non désiré. Dès lors «la tentation de rendre le réseau électrique intelligent grâce à des logiciels gérant la demande au niveau des compteurs communicants, n’est pas du tout l’assurance d’empêcher les black-out, voire pourrait créer de nouvelles complications» analyse Ian Dobson Professeur à l’Université technologique du Wisconsin. 124


L’enchevêtrement tout azimut des réseaux entre eux est une autre fragilité structurelle touchant les réseaux complexes. Les réseaux vitaux (eau, électricité, transport, gaz, télécoms, pétrole) dépendent de plus en plus les uns des autres pour fonctionner, ce qui tend à les fragiliser. La situation du 9 Janvier 1998 à Montréal en est l’exemple même. Après une semaine privée d’électricité à cause d’une tempête de verglas, la municipalité envisagea d’évacuer ses 1,8 millions d’habitants. En effet, sans électricité, le pompage et le traitement de l’eau ne pouvaient plus fonctionner et cette eau, était indispensable à la population, au refroidissement des installations télécoms tout comme au fonctionnement des bornes de protection incendie. N’étant pas planifiés et étant en constante évolution, les enchevêtrement de réseaux ne sont donc pas cartographiés et il est donc difficile de les prévoir. Et effectivement, ils ne sont étudiés que lors de soudaines défaillances à l’image du bug sur un système d’alarme informatique qui déclencha le 14 août 2013 le plus gros black-out des États-Unis. Raphaël Caire du laboratoire de génie électrique de Grenoble déplore que «la politique de sécurité des réseaux électriques considère toujours le système des télécoms, qui sert maintenant à le piloter, comme étant parfait»... Enfin, sa tendance à s’étendre de manière incontrôlable et aussi une de ses grandes fragilités structurelles. Les interconnexions toujours plus nombreuses sont certes d’un côté gage de sécurité et de flexibilité, mais elles représentent aussi un facteur risque non négligeable. À chaque nouveau pays raccordé à un réseau électrique interconnecté, les oscillations de fréquence sur le réseau sont de plus en plus rapides et donc nombreuses. Un peu comme si les réseaux des différents pays agissaient ensembles à l’unisson comme une série de ressorts mis bout à bout en constante oscillation de tension. Or, ce phénomène oscillatoire s’aggrave à mesure que de nouveaux pays viennent se greffer au réseau de transport d’électricité. D’où cette question cruciale : à quel moment les inconvénients de l’extension pourraient-ils supplanter les avantages ? Certains indices montrent que ce moment est peut-être bientôt venu pour l’électricité. De récentes études préliminaires sur une liaison entre l’Europe et la Russie échaudent déjà les ingénieurs les plus téméraires face aux instabilités de fréquence attendues. Cette extension tentaculaire du réseau électrique s’illustre en un exemple concret: le 4 novembre 2006 en Allemagne, à 21h38 un opérateur de réseau éteint par erreur une ligne haute tension au bord de la mer du Nord pour laisser passer un bateau de croisière norvégien. Les lignes supportent mal l’excédent de courant qui leur parvient et à 22h10 une cascade de défaillances survient. D’abord en Allemagne, puis en Autriche, en Hongrie, en Croatie, vingt secondes plus tard c’est le réseau électrique marocain qui est touché via l’Espagne ! Au final un black-out général touchant 450 millions de personnes aura été évité grâce à des délestages salutaires. C) LA CONSOMMATION D’ÉNERGIE LIÉE AU STOCKAGE DES DONNÉES

Il est aujourd’hui couramment admis que l’Internet mondial consomme beaucoup d’énergie. En 2013 l’Internet mondial consommait chaque jour plus que la Russie, et c’était près de 2% de l’énergie produite dans le monde qui était consommée par les seuls data centers. Les Smart Grids, dans le but d’intégrer au mieux les énergies renouvelables, de minimiser les pertes en lignes et de piloter au mieux le réseau électrique, collectent et stockent un maximum de données. Données météo, données de production, de consommation, de capacité de charge, de fluctuation de prix... À l’aide de puissants algorithmes, l’ensemble de ces données permettent aux gestionnaires d’optimiser le pilotage des réseaux électriques, les rendant ainsi plus efficaces et donc plus économes. Or, le stockage de ces données ne va pas sans poser de nombreuses questions dans le domaine des économies d’énergie. Les data centers, lieu de stockage des données dans des serveurs informatiques consomment beaucoup d’énergie. L’électricité y fait fonctionner des serveurs de calcul et de stockage, elle y sert à l’éclairage mais surtout au refroidissement de ces installations. 125


En moyenne un data center consomme 30 Mégawatts, d’après des données fournies par les gérants des data-centers d’Interxion. Cela représente la consommation d’une ville de 25 000 habitants. Avec l’augmentation à prévoir des usages des objets connectés, l’essor des data centers ne fait que commencer et leur consommation énergétique devrait vraisemblablement augmenter pendant encore de nombreuses années. Les géants du domaine comme Google font de sérieux progrès en produisant une partie de l’énergie consommée par leurs installations. Cependant la tendance générale montre bien une augmentation de la part du numérique dans la consommation d’électricité mondiale. Face à ce problème plusieurs solutions existent, comme la mutualisation thermique des data centers avec des quartiers d’activités. Les logements et les bureaux profitant ainsi gratuitement du chauffage l’hiver. Cependant que faire de l’excédent thermique l’été ? De même des solutions existent aujourd’hui pour décentraliser et optimiser la consommation énergétique des data-centers. Par exemple le cloud-computing (littéralement le calcul dans le nuage) permet de décentraliser les outils de calcul et de les installer là où leurs production thermique serait utile. Ainsi la société allemande Cloud&Heat propose depuis peu à ses clients d’accueillir une partie de leurs infrastructures Cloud à leur domicile et de profiter ainsi de la chaleur dégagée par les installations numériques. La facture d’électricité est payée par la société, le client est facturé sur l’installation du matériel et le raccordement est effectué par les professionnels de l’entreprise. En été lorsque le chauffage n’est pas nécessaire, l’installation évacue le surplus thermique vers l’extérieur du local. En France c’est l’ingénieur Paul Benoît qui commercialise cette solution sous le nom de Q Rad avec son entreprise Qarnot Computing. La quantité de données stockées dans le cadre des Smart Grids n’est pas comparable en taille à celle de l’Internet mondial. Par conséquent, la captation et le stockage des données nécessaires au fonctionnement des Smart Grids n’est qu’une goutte d’eau dans la consommation d’énergie des réseaux télécoms mondiaux. Cependant il est indéniable que ce poste entraîne une consommation d’énergie. À ce sujet Laurent Schmitt Directeur Smart Grid chez Alstom avoue qu’«il serait intéressant de faire des études de l’impact du stockage des données sur le bilan énergétique des Smart Grids». Jusqu’à quel point la gestion des données permet elle d’économiser plus d’énergie qu’elle n’en consomme ? La question se pose réellement. Car si les Smart Grids revendiquent bien une chose avec l’intelligence, c’est d’économiser de l’énergie par l’optimisation du fonctionnement des systèmes de production de transport et de consommation. D’un côté, les NTIC (nouvelles technologies de l’information et de la communication) optimisent la gestion et la conduite du réseau électrique et permettent de sérieuses économies d’énergie. D’un autre côté, la croissances des usages des NTIC et leur démocratisation entraîne une augmentation rapide de la consommation électrique globale. La quantité de données stockées et gérées dans le cadre des Smart Grids a donc vraisemblablement une limite d’efficacité qu’il reste encore à trouver... D) LA GESTION DU DROIT DE PROPRIÉTÉ DES DONNÉES

L’un des problèmes les plus compliqués et des moins techniques des Smart Grids est celui de l’acceptation par le public de ces nouvelles technologies. À l’ère des caméras de sécurité, des algorithmes informatiques, des compteurs communiquants et du Big Data, l’ombre de Big Brother du célèbre roman d’Orson Welles (1984) plane sur nos sociétés modernes et civilisées. Parmi les nombreux capteurs capturant des données sur le réseau électrique, certains, proches de nous, comme les compteurs communiquant, enregistrent et envoient des données relatives à nos vies privées. Effectivement, ces appareils ayant pour fonction de mesurer et de transférer en temps réel les données de consommation des différents logements, il paraît alors logique que ces même données puissent être un moyen détourné pour connaître la présence de personnes dans les logements et même leur activité à l’intérieur du foyer. Ces compteurs communiquants 126


comme le Linky d’ENEDIS, envoient sur le réseau domestique un signal CPL (courant porteur en ligne), qui correspond à un signal hyperfréquence (75kHz) rajouté sur le signal sinusoïdale de courant triphasé. Les légères variations de fréquence de ce signal, permettent au compteur de connaître en temps réel les variations de consommation des appareils électriques en marche du foyer. Ensuite, les données de consommation sont renvoyées jusqu’à l’opérateur par un signal téléphonique transféré sur les antennes relais, depuis le compteur ou depuis un relais centralisé recevant les données de consommation regroupées de tout un quartier. À ce sujet, Thierry Sudret, Directeur Projet Smart Grid pour ERDF affirme que «l’ensemble des données émise par leurs compteurs intelligents sont cryptées, ce qui en empêche leur utilisation hors cadre réglementaire». En ce qui concerne la gestion du droit de propriété des données collectées dans le cadre des Smart Grids, «les modèles existent déjà. La plupart des utilisateurs de services numériques comme Google ou Facebook acceptent les politiques d’utilisation de ces derniers. Ces utilisateurs acceptent que ces entreprises collectent des données les concernant dans le but d’améliorer la qualité du service fourni. Les mêmes principes pourraient être appliqués à large échelle pour la gestion du droit de propriété des données utilisée dans le cadre des Smart Grids» fait remarquer Laurent Schmitt. Ce mode de gestion, du droit de propriété des données, permet de reconnaître le caractère «donnant-donnant» des Smart Grid. À la fois favorables aux consommateurs par une facturation plus juste et des services personnalisés de gestion de la consommation. À la fois utiles aux gestionnaires de réseaux de distribution de l’électricité, grâce à un système réactif et optimisé, gérant au mieux l’équilibre offre-demande. Aujourd’hui, d’autres modes de gestion du droit de propriété des données existent. Certains, permettent d’être rémunéré en échange de l’utilisation de ces dernières, d’autres permettent d’en garder l’entière propriété et les droits qui y sont liés. E) LA SÉCURITÉ INFORMATIQUE

La complexification du réseau électrique avec l’intégration des NTIC, ainsi que le cryptage des données, obligent les gestionnaires de réseaux à sécuriser leurs installations. Au delà de la sécurité physique des équipements, c’est bien la sécurité informatique des systèmes qu’il faut aujourd’hui associer aux réseaux. Ces équipements communiquants présentent des failles du simple fait qu’il sont connectés aux réseaux de télécommunications. En cas de piratage informatique ils pourraient envoyer des données sensibles à des personnes mal intentionnées, couper l’alimentation électrique de leur zone d’action ou bien même effectuer des commandes d’ajustement sur le réseau dans le but d’endommager physiquement des équipements, des installations et potentiellement les personnes situées à proximité. Pour faire face à ces risques potentiels, les différents gestionnaires de réseaux électriques, s’associent aujourd’hui avec des spécialistes de la sécurité informatique. «C’est un sujet sensible, qui est traité chez RTE en partenariat avec le Ministère de la Défense» reconnaît Michel Bena, il ajoute que «le principal défi reste à identifier les back-doors (portes dérobées), qui permettent au hackers sur le réseau d’avoir accès et d’ouvrir les protocoles de sécurité». RTE et le Ministère de la Défense se chargent d’identifier ces points de faiblesse, et y mettent des barrière bloquant ou retardant les attaques sur les systèmes informatiques concernés. De son côté, Laurent Schmitt met en avant les partenariats d’Alstom avec des géants du domaine de la sécurité informatique comme MacAffe ou Intel pour le développement de solutions Smart Grid sécurisées. Paradoxalement, les nouvelles mesures de sécurité entraîne systématiquement le développement de nouvelles contre-mesures. C’est ainsi que la surenchère sécuritaire mène bien souvent à la surenchère criminelle. Peu importe les mesures de sécurité qui sont mises en place, il y aura toujours des failles à exploiter et des données à corrompre. Ce qui importe vraiment dans cette course à la protection informatique, c’est d’être toujours en avance sur ses adversaires. Vraisemblablement, les mesures de sécurisation et de protection des systèmes informatiques sont donc des plus utiles, même s’il faut reconnaître que ces dernières sont loin d’être infaillibles... 127


3.8 TECHNOLOGIE SALVATRICE ET ILLUSIONS VERTES Face à la crise énergétique qui s’annonce, il demeure de nombreux espoirs quand à l’amélioration possible de nos systèmes énergétiques. Cette crise énergétique, stimulée à la fois par la raréfaction des énergies fossiles et par le changement climatique, induit la nécessité de changer nos production énergétique fossiles par des modes de production renouvelables. Les espoirs reposent donc en grande partie sur l’introduction massive d’énergie renouvelable et sur leur foisonnement sur le territoire. De la même manière, les technologies économes en énergie, les techniques de cogénération et trigénération permettant d’améliorer l’efficacité énergétique des systèmes, sont bien souvent présentées comme des solutions d’avenir. Enfin, la fusion nucléaire, est sans aucun doute, la technique la plus attendue, pour mettre fin à tous nos problèmes énergétiques. Ces perspectives d’avenir enthousiasmantes nous laisses entrevoir un futur à la technologique salvatrice, support de la transition énergétique et d’une croissance verte. Dans les faits, l’avenir est bien incertain, car ces sujets présentent de nombreux problèmes encore irrésolus... A) LE FOISONNEMENT ÉOLIEN ET SOLAIRE L’un des arguments le plus fort du lobby éolien est de mettre en avant la possibilité d’un foisonnement énergétique. Le foisonnement éolien, c’est l’idée, que décentraliser et étaler les moyens de production éolien, permet une continuité moyenne de la fourniture d’énergie. Autrement dit : lorsque le vent ne souffle pas sur le site A, le site B compense la perte de production par une surproduction. De la même manière par une juste répartition des capacités de production photovoltaïque, le foisonnement solaire devrait permettre de s’assurer une puissance de production moyenne continue. L’idée de répartir les moyens de production intermittents sur le territoire pour s’assurer une production minimale d’énergie, n’est pas une mauvaise idée. Intuitivement, il est facile de penser que lorsqu’il n’y a pas de vent en France, il doit y en avoir dans les pays Scandinaves. Pareillement, des nuages masquant le soleil sur nos centrales photovoltaïques seraient négligeables si l’énergie du soleil d’Espagne ou du Maroc venait à notre rescousse. La réalité est légèrement plus complexe. «Il n’existe pas aujourd’hui de foisonnement éolien en Europe ! Lorsque vous faites la somme des puissances injectées sur le réseau, de l’Espagne, de la Grande Bretagne, de l’Allemagne et de la France, vous vous rendez compte que, ou bien il y a une situation de dépression sur la façade Atlantique et ça produit, ou bien il n’y pas de dépression et ça ne produit pas !» disait Jean-Marc Jancovici, ingénieur, enseignant à l’université Mine ParisTech, le 20 mars 2012, lors d’une commission d’enquête sénatoriale sur le coût réel de l’électricité. Des propos illustrés par une courbe montrant le cumul de la puissance éolienne injectée de 7 pays européens (Annexe, fig 1, page 163). Cette courbe, met en avant les creux de production éolien des épisodes anticycloniques, se généralisant à toute l’ Europe. Ces intenses baisses de production d’énergie éolienne doivent alors être compensées par des moyens de production conventionnels. Enfin, cette courbe montre les pics de production résultant des forts vents dépressionnaires. Il est intéressant de noter que la puissance maximale atteinte était inférieure à 40 000 MW lorsque la puissance installée totale était de 65 000 MW. La solution permettant d’éviter d’avoir recours aux énergies fossiles, lorsque les énergies intermittentes ne produisent pas, c’est le stockage. Pour le moment il est assuré à plus de 95% partout dans le monde par les STEP (station de transfert d’énergie par pompage). Le développement rapide, de solutions alternatives de stockage de l’énergie est donc une réelle nécessité. Batteries de véhicules électriques, biomasse, supercondensateurs, bobines supraconductrices et volants d’inertie sont des solutions de stockage d’énergie, aujourd’hui envisagées pour palier à la discontinuité de production des énergies intermittentes. Seuls les développements technologiques à venir dirons si ces solutions de stockage énergétique peuvent régler ce problème. Ces différentes options de stockage ont encore du chemin à parcourir avant de se démocratiser. Pour se faire, elles doivent donc devenir économiquement viables, être simples à produire et à recycler et présenter un haut degré d’efficacité énergétique. 128


B) RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE & PRODUCTION/CONSOMMATION ÉLECTRIQUE En considérant sérieusement les faits scientifiques soulevés par le GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’évolution du Climat), on se rend alors facilement compte de la réalité du réchauffement climatique et des ses impacts attendus. Concernant les impacts du réchauffement climatique sur la production électrique, ils sont nombreux... Pour commencer, la majorité des centrales à vapeur (thermique à flamme, nucléaire, géothermique, solaire thermique et biomasse) nécessitent un liquide de refroidissement : l’eau. Avec le réchauffement climatique, l’eau de refroidissement plus chaude risque de diminuer l’efficacité des systèmes de production. D’autre part, de nombreux points de collecte de l’eau de refroidissement dépendent étroitement des précipitations. Ores, les modèles prévisionnels climatiques, laissent entrevoir de grandes variations des précipitations pour les décennies à venir. L’augmentation des épisodes caniculaires, de stress hydrique et d’assèchement des cours d’eau, va très certainement limiter voir arrêter la production de certaines installations. Pareillement, le déplacement des précipitations, depuis les hauts versants, jusqu’aux basses terres, va poser de sérieux problèmes aux gestionnaires du parc hydroélectrique. Les réservoirs des barrages risquent de ne plus se remplir à leur pleine capacité et c’est tout le réseau électrique qui risque alors de perdre progressivement sa meilleure et son unique réserve de puissance rapidement mobilisable. Le réchauffement climatique risque aussi d’impacter la production photovoltaïque et éolienne. D’abord, le réchauffement climatique, qui correspond à une dynamisation du climat, va entraîner une augmentation de la fréquence des forts épisodes orageux, qui éprouveront toujours plus les installations énergétiques (chute de grêlons, vents extrêmes, foudre). En ce qui concerne l’intégration des énergies renouvelables intermittentes sur le réseau, le réchauffement climatique entraîne déjà des complications, en rendant les prévisions météorologiques toujours plus incertaines. En connaissant à l’avance les zones ensoleillées et celles exposées aux vents, les gestionnaires de réseaux électriques savent à l’avance la moyenne de production des énergies renouvelables intermittentes dont ils disposent. Les prévisions météorologiques, devenues aujourd’hui donc cruciales, pour permettre la bonne gestion du réseau électrique et l’intégration massive des énergies renouvelables, deviennent de plus en plus incertaines et imprécises. Ce qui n’augure rien de bon pour la conduite et la gestion de la production sur le réseau électrique. La consommation électrique va vraisemblablement être elle aussi largement touchée par les effets du réchauffement climatique. Les pics de consommation saisonnier sont directement engendrés par la forte variation des températures. Un hiver froid comme un été chaud, sont vecteurs d’une grande consommation électrique. Ainsi des hivers toujours plus froids et des étés toujours plus chauds vont logiquement compliquer l’approvisionnement sur le réseau électrique. La consommation des logements, des bureaux et des lieux d’activités étant extrêmement liée à la température extérieure, il semble donc évident que la prévision de la consommation électrique moyenne d’un territoire, requiert de fines analyses météorologiques. Malheureusement, certains phénomènes météorologiques, dynamisés par le réchauffement climatique, échappent aujourd’hui à toutes prédictions. De nombreux météorologistes s’avouent même dépassés tant les modèles informatiques de simulations météorologiques, ne correspondent plus vraiment à la réalité des événements observés. En dépit des simulations des erreurs de prédiction, l’amplitude et la fréquence grandissante des phénomènes climatiques va très vraisemblablement impacter la consommation électrique. Robin Girard, enseignant et chercheur de Mine ParisTech au PERSEE (Centre Procédés, Énergies Renouvelables et Systèmes Énergétiques), nous rappelle qu’«au delà de l’intégration des énergies renouvelables, la transition énergétique c’est aussi, des mesures de rénovation du bâti et l’implantation de réseaux de chaleur. Des mesures qui permettraient aux consommateurs d’atteindre une certaine forme de sobriété énergétique, en augmentant l’efficacité thermique des bâtiments tout en diminuant les besoins énergétiques dédié à la gestion climatique». Architectes et urbanistes ont donc bien un rôle à jouer en favorisant l’efficacité énergétique des projets neufs et des réhabilitations. 129


D) LA FUSION NUCLÉAIRE En France, les médias pointent souvent du doigt la filière nucléaire. Sûrement en raison de son omniprésence dans le paysage électrique français, aussi parce qu’elle présente des installations au risque environnemental et sanitaire non négligeable, mais surtout à cause des récentes révélations sur les vices techniques cachés des centrales en activité. Ce débat médiatique devenu débat public, se concentre exclusivement sur la fission nucléaire, occultant au passage les progrès et les efforts faits en matière de fusion nucléaire. La fusion c’est un peu le Graal des énergéticiens, réussir à la maîtriser, revient à maîtrisez l’énergie qui alimente les étoiles. C’est sous d’extrêmes conditions de pression et de température que deux noyaux atomiques légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Cette réaction, dégage d’énormes quantités d’énergie. En fin de réaction, l’atome obtenu possède une masse inférieure à la somme des atomes fusionnés. La différence de masse s’explique par l’émission de radiations d’énergie thermique (E=mc²). La fusion thermonucléaire qui est apparue dans un premier temps dans les ouvrages de science fiction est aujourd’hui l’objet de nombreuses recherches. Elle présente de nombreux avantages : contrairement à la fission qui nécessite des minerais radioactifs aux ressources limitées, la fusion requiert un combustible (le deutérium) qui se trouve être naturellement présent dans nos océans en très larges quantités (33g/m3). Des quantités telles, qu’elles pourraient en théorie satisfaire les besoins énergétiques de l’humanité pour des dizaines de millions d’années. Ce combustible a en plus un très fort pouvoir énergétique, comparativement, à masses de combustible égales, la fusion libère 3-4 fois plus d’énergie que la réaction de fission. De quoi garder de l’espoir en ce qui concerne l’avenir énergétique de l’humanité ! Jusqu’à aujourd’hui, les recherches menées dans ce domaine n’ont abouties à aucune application industrielle concrète. Elles ont cependant permis le développement de la bombe à fusion (bombe H) et des générateurs de neutrons. Pour réussir une réaction de fusion nucléaire, il faut chauffer le carburant à très haute température (plusieurs millions de degrés Celsius) et le maintenir à très haute pression. Ce traitement arrache les électrons des atomes d’hydrogène, créant ainsi un plasma qui offre les conditions optimales pour la réaction de fusion. S’ensuit alors la fusion des atomes, elle libère énormément d’énergie thermique qui peut être récupérée pour produire de l’électricité ou alimenter d’autres usages énergétiques. En milieu expérimental la fusion est très difficile à stabiliser, il faut constamment alimenter la réaction en carburant et en énergie pour pallier les déperditions. Pour limiter les déperditions, le plasma doit être confiné à l’aide de deux méthodes énergivores : le confinement électromagnétique, évite que le plasma touche les parois du réacteur, et le confinement cryogénique qui permet de refroidir la coque du réacteur et donc de préserver son intégrité. Les principaux prototypes expérimentaux sont les tokamak avec le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) localisé sur le site de Caradache en France, le stellator avec le projet Wendelstein 7-X en Allemagne, et le confinement laser avec le Laser Mégajoule. Les récentes avancées dans la stabilisation des plasmas sont des progrès prometteurs qui permettent de garder espoir quant au développement prochain de cette technologie. De même le réacteur ITER qui devrait voir le jour en 2020 promet d’être le projet expérimental le plus abouti. Ce réacteur est en effet officiellement prévu pour être la première pierre du développement industriel de la fusion nucléaire, il devrait être suivi de DEMO un réacteur de production proche des modèles industriels. Cependant, la fusion nucléaire rencontre encore de nombreux défis, tout autre que la stabilisation et le confinement d’un plasma de plusieurs millions de degrés. La résistivité des matériaux à la corrosion et à la radiolyse sont de ces problèmes qu’il faut dépasser, tout comme l’approvisionnent en combustibles de fusion. Car si le deutérium est abondant sur terre, il n’en est pas moins difficile et coûteux à extraire puis à stocker. De même le tritium nécessaire à la réaction de fusion, est extrêmement rare dans la nature. Il doit être produit juste avant son utilisation, du fait de sa nature instable d’isotope radioactif à durée de demi-vie très courte. Ces problématiques et d’autres encore, limitent pour le moment le développement de la fusion nucléaire à l’échelle industrielle. Seul l’avenir et les découvertes prochaines nous dirons si une telle avancée est possible pour l’humanité. 130


E) LE PARADOXE DES TECHNOLOGIES ÉCONOMES EN ÉNERGIE Face à la crise énergétique et écologique qui s’annonce, les technologies économes en énergie, sont souvent considérées comme étant la solution permettant d’atteindre la sobriété de nos systèmes énergétiques. Généralement, ces technologies sont économes en énergie surtout parce qu’elles utilisent l’énergie plus efficacement et disposent donc de meilleurs rendements. Tout système produisant ou consommant de l’énergie, peut théoriquement être amélioré pour en augmenter l’efficacité. Améliorer l’efficacité d’un système, permet à ce dernier de produire plus, pour la même quantité d’énergie consommée. C’est pourquoi l’on considère l’impact de ces technologies économes en énergie comme positif. Pourtant, leur bilan global est bien souvent à nuancer... En effet, qu’ils s’agissent d’éclairage avec les lampes «fluo-compact» et les leds, qu’ils s’agissent d’outils numériques avec la miniaturisation des microprocesseurs et des transistors, ou bien qu’il s’agisse de système de production électrique avec la machine à vapeur de James Watt, les systèmes efficaces et économes en énergie n’ont pas toujours eu l’impact attendu. Considérons premièrement l’exemple de James Watt, qui entre 1763 et 1788, chercha à diminuer la consommation de charbon en améliorant l’efficacité des machines à vapeur existantes. Il faut savoir que le charbon utilisé à l’époque, pour le chauffage, l’éclairage et diverses applications mécaniques, devenait de plus en plus cher du fait de mines de plus en plus difficiles d’accès. Effectivement les mines de charbon profondes finissaient alors bien souvent inondées et le pompage de l’eau, des plus énergivore, en limitaient l’exploitation. Par l’utilisation d’un condensateur séparé, Mr Watt, permis d’éviter l’usage de vapeur d’eau sous haute pression et des risques qui y étaient associés. Ce condensateur séparé, permit de créer un vide partiel sous le piston, c’est en fait une différence de pression engendrée par la condensation de la vapeur, qui optimise l’utilisation de cette dernière. D’autres améliorations fondamentales comme le vilebrequin, le volant d’inertie et l’engrenage épicycloïdale apportées à la machine à vapeur par Mr Watt, lui permirent de créer un mouvement de rotation continu et régulier, fort utile pour de nombreux usages. Ces améliorations furent sans conteste un succès pour James Watt, sa machine finie et opérationnelle ne consommant alors que 25% de carburant nécessaire pour effectuer le même travail qu’auparavant. Paradoxalement, c’est l’invention d’une machine à vapeur économe en énergie qui permit d’en consommer toujours plus. De fait, cette invention autorisa alors le pompage de l’eau efficacement et à des coûts raisonnables, ce qui entraîna l’exploitation des mines de charbon profondes, ce qui du même coup en diminua le prix et démocratisa son usage à travers le monde. Il est aujourd’hui couramment admis, que l’invention économe en énergie de James Watt, fut l’un des facteurs déclencheur de la révolution industrielle... Au delà de démocratiser un usage de l’énergie, de le généraliser et au final de consommer plus d’énergie qu’au départ, les technologies économes en énergie ont parfois d’autres effets pernicieux. C’est le cas par exemple, des lampes «fluo-compact», qui consomment moins d’énergie pour un rendement lumineux supérieur, mais qui contiennent malheureusement des vapeurs de mercure ayant un lourd impact environnemental et sanitaire. De même, les leds, qui possèdent le meilleur rendement lumineux et la meilleure longévité ne sont pas sans défauts. Constituées de fins assemblages de matériaux aux propriétés électroniques particulières, elles restent extrêmement difficiles et énergivores à recycler. Il en va de même pour la majorité des composants informatiques comme les transistors de silicium, toujours plus petits, plus efficaces, plus performants et plus puissants, mais toujours plus difficiles à recycler. Enfin la production même de ces nouvelles technologies est parfois problématique. Des fois, ce sont des matériaux rares qui permettent d’économiser de l’énergie, ces matériaux sont donc coûteux et généralement compliqués à obtenir sans lourd impact environnemental ou social. Heureusement les recherches et les progrès technologiques actuels nous promettent de remplacer ces matériaux rares par des matériaux largement disponibles et biosourcés. 131


F) RARÉFACTION DES RESSOURCES & TAUX DE RETOUR ÉNERGÉTIQUE Face à la raréfaction des ressources en tout genre, le réseau électrique est mis à mal. De fait les infrastructures régissant le fonctionnement du réseau électrique sont toutes concernées par la diminution des ressources, qu’il s’agisse de produire, de transporter, de distribuer et de consommer de l’électricité. Les ressources dont il s’agit ici sont les ressources fossiles d’énergie primaire comme le gaz et le pétrole l’uranium et le charbon dans une moindre mesure, ainsi que la plupart des ressources minérales métalliques. Concernant les ressources d’énergie fossile, il est de nos jours établi que le temps de leur déclin est venu. En dehors de toute considération environnementale, nous allons quoiqu’il arrive devoir faire face à une pénurie de ces ressources énergétiques. Lorsque l’on commence à puiser dans des réserves limitées, il est mathématiquement impossible de les exploiter indéfiniment de manière croissante, tout comme il est impossible de puiser dans ces réserves indéfiniment de manière constante. Lorsque l’on exploite un gisement au ressources limitées, il y une période de croissance de la production, puis un pic d’exploitation avant le déclin inévitable du stock et de la production. Le pic des découvertes des gisements de pétrole étant passé entre les années 1950 et 1970, nous entrons donc maintenant dans l’ère du pic de production pétrolier (Annexe, fig 1, page 164). À l’heure actuelle c’est le gaz et les pétroles non conventionnels tels que les sables bitumineux qui prennent le relais pour assurer l’approvisionnement énergétique en hydrocarbures (Annexe, fig 2, page 163). Les réserves de gaz naturels, de sables bitumineux, de gaz de schiste et d’hydrates de méthane qui remplacent progressivement le pétrole sont elles aussi limitées en volumes et susceptibles de s’épuiser. Pourtant, les projections laissent entrevoir que l’évolution de la consommation d’énergie fossile à l’échelle mondiale, va augmenter pendant plusieurs décennies. Au delà des risques de rupture de stock et d’approvisionnement énergétique à l’échelle locale, la raréfaction des ressources fossiles, fait surtout craindre une envolée des prix de l’énergie et une grande volatilité des prix des hydrocarbures. Ce qui entraînera de plus en plus de difficultés, pour la production électrique des pays dépendants de l’importation de ces ressources. Pire ! Les ressources fossiles de minerais métalliques s’épuisent elles aussi et arriveront bientôt à terme de leur exploitation à l’échelle mondiale (Annexe, fig2, page 165). Prenons l’exemple du cuivre, pour lequel il est prévu qu’en 2040, il n’y ait plus de gisements suffisamment riche en minerais pour être exploitable. Le cuivre est pourtant utile à de nombreuses applications électronique et énergétique. Il est le constituant des câbles électriques des lignes haute tension, il est utilisé dans les bobines supraconductrices, dans les bobinages des génératrices et des moteurs électriques et il se trouve mélangé à d’autres métaux sous forme d’alliages dans de nombreuses applications des plus diverses. En vérité, il en restera encore, notamment dans les déchets en contenants et dans des gisements avec de très faibles concentrations de cuivre. Le recyclage des déchets contenant du cuivre permettra vraisemblablement de continuer son usage dans les applications les plus stratégiques, mais il ne sera plus envisageable de continuer à l’utiliser à l’échelle aujourd’hui employée. Car le recyclage des métaux est compliqué et coûteux en énergie du fait de sa répartition parfois mélangé dans de nombreux objets de la vie courante. Quant aux derniers gisements, ils seront tellement faibles en concentration de minerais que les exploiter serait énergivore et non rentable. Il en va de même pour les ressources d’hydrocarbures fossiles qui deviennent de plus en plus coûteuses à extraire car de plus en plus profondes et de moins en moins concentrées. Il n’est plus intéressant d’exploiter une ressource, quand son extraction requiert plus d’énergie qu’elle n’en rapporte. Ceci, se caractérise par le taux de retour énergétique ou ERoEI en anglais (Energy Returned On Energy Invested).Un ERoEI de 100 (pétrole des années 30) correspond à un profit de 100 fois l’énergie de départ investie. Les ressources énergétiques de la révolution industrielle étaient bien plus faciles d’accès et avait donc un ERoEi plus élevé, de nos jours les sources d’énergie affichent un ERoEI bien inférieur ! (Annexe, fig 1, page 165). 132


G) LA TRANSITIONS ÉNERGÉTIQUE ET LA CROISSANCE VERTE Ces contextes de raréfaction des ressources, de crise environnementale, d’évolution des usages énergétiques et d’augmentation globale de la demande mettent les systèmes électriques et énergétiques en péril. C’est dans ce contexte de crise qu’est apparu le concept de la transition énergétique. La transition énergétique c’est d’abord remplacer les énergie carbonées et fossiles par des énergie renouvelables. La transition c’est aussi améliorer l’efficacité des systèmes pour en diminuer la consommation, comme par exemple améliorer l’isolation des bâtiments ou le rendement des centrales nucléaires. Depuis maintenant quelques années les gouvernements du monde entier prennent progressivement en considération les problématiques climatique et énergétique. Des changements dans les systèmes énergétiques des pays développés sont initiés un peu partout à travers le monde et les pays en voie de développement se tournent eux aussi vers des solutions décarbonnées. Cependant, dans les pays développés, les énergies renouvelables ont plutôt tendance à s’ajouter au cumul de production des énergies fossiles et carbonées plutôt qu’à les remplacer. En effet, les renouvelables servent surtout pour le moment à assurer l’augmentation de la consommation dans les pays développés. Cette augmentation de la consommation est principalement liée aux nouveaux usages de l’électricité, comme les outils multimédia, les mobilités électriques et les télécommunications. Dans les économies émergentes, les énergie renouvelables progressent généralement rapidement notamment lorsqu’il y a une large disponibilité en énergie solaire et/ou lorsque les capitaux indispensables à leur développement sont disponibles. Pourtant, la tendance principale est plutôt à l’augmentation de la consommation d’énergie fossile, comme le charbon et le gaz, qui viennent largement combler les besoins énergétiques grandissants de ces pays au fort potentiel de croissance. De fait la Chine par exemple, leader mondial dans le développement des énergie renouvelables est pourtant dépendante comme jamais de sa production de charbon. Il en va de même pour le Chili, qui se targue d’avoir des journées entières de consommation 100% solaire, mais qui ne communique pas sur l’augmentation des centrales thermiques au gaz et au charbon qui viennent palier au manque de production solaire lors d’épisodes nuageux. L’Allemagne, bon élève de l’Europe, consomme plus que jamais de la lignite (charbon de basse qualité) pour palier à l’augmentation de sa consommation et à la fermeture de certaines de ses centrales nucléaires. Enfin, en Espagne, le parc éolien qui produit parfois la totalité de la puissance électrique nécessaire au pays, a cependant, obligé les gestionnaires du réseau électrique à rajouter beaucoup de centrales thermiques. Ces centrales fonctionnant principalement au gaz viennent combler le manque occasionnel de vent et donc de production électrique éolienne, rendant ainsi le pays toujours plus dépendant de l’importation gazière... On peut donc aujourd’hui dire que les énergies renouvelables sont en plein développement mais il n’est pas pour autant possible de dire que la transition énergétique est en marche. À ce sujet, Matthieu Auzanneau, directeur du Shift Project, auteur de prospection économique et écologique comme avec son dernier livre «Oil Man, Chroniques du début de la fin du pétrole», avoue que «le principal paradoxe de la transition énergétique, c’est de soutenir une croissance continue de la consommation, ce qui tend tout de même, à remettre en question le principe même de croissance verte». Il est de fait paradoxal que «croissance verte» et «développement durable» soient des principes qui allient à la fois des concepts de préservation et de pérennité avec des concepts de changement et d’amplification... Il est extrêmement peu probable que la transition énergétique puisse se faire dans un contexte d’augmentation ou même de stagnation de la consommation énergétique. C’est pourquoi, des associations comme NegaWatt militent pour une transition énergétique basée sur la décroissance de notre consommation, à l’aide de systèmes énergétiques à l’efficacité améliorée et à l’aide notamment d’une sobriété énergétique volontaire des consommateurs. 133


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Babelectric sous tension ! CrĂŠdits : Matthieu Stefani


ÉLECTRICITÉ & RÉALITÉS Le réseau électrique et son agent l’électricité, sont sans aucun doute l’un des principaux vecteurs de modernisation de nos sociétés humaines. Depuis son apparition, le réseau électrique, réseau des réseaux, permet de fournir l’énergie nécessaire au fonctionnement de bien des systèmes. Il est indéniablement le réseau le plus utile de notre monde. Tellement utile que sans lui, notre civilisation industrielle s’effondrerait littéralement. Donc utile oui, mais aussi très addictif ! Aujourd’hui, le changement climatique et la diminution des ressources énergétiques fossiles, poussent les pays du monde entier à s’équiper de moyens de production d’énergie renouvelable comme l’éolien et le solaire. Pour satisfaire à cette logique, de nombreuses innovations sont attendues. Parmi celles-ci, le Smart Grid. Il permet d’intégrer au mieux le mix énergétique renouvelable. Il autorise à une gestion plus fine et plus efficace de l’énergie, de son transport et de sa distribution. Il permet au consommateur de substantielles économies en optimisant sa consommation. Il autorise aussi d’autres usages de l’électricité plus novateurs, comme la voiture électrique. Enfin, le Smart Grid permet la coopération à grande échelle des différents acteurs sur les réseaux électriques. Ce sont les nouvelles technologies de l’information et de la communication (NTIC), qui permettent les évolutions actuelles sur le réseau électrique. Les NTIC permettent maintenant l’émergence des Smart Grids et des concepts hybrides traitant de l’optimisation de la ville, de l’habitat et de divers thèmes sociétaux. Il est indéniable que ces outils numériques apportent des solutions au problématiques actuelles, cependant certains défauts, inhérents aux nouvelles technologies, remettent parfois en question la logique de Smart Grid. Alors qu’en penser ? Ces technologies dites «intelligentes» sont-elles réellement les solutions permettant à nos systèmes d’être plus efficaces, plus simples à gérer et moins consommateurs ? 135


Les défis urbains bientôt surmontés par le Big data et l’intelligence des systèmes ? La «ville intelligente» fait de nos jours l’objet d’un tel engouement, que cela dépasse le simple effet de mode. Ce concept pousse à repenser l’organisation et le fonctionnement des villes, afin d’en bouleverser positivement les usages et la manière de les concevoir. La Smart City serait donc en quelque sorte le nouvel idéal urbain. La Smart City est le fruit de deux dynamiques urbaines conjointes : La première est la globalisation grandissante du phénomène urbain. Dans les quatre prochaines décennies, les villes de la planète vont très probablement devoir accueillir près de 3 milliards d’habitants supplémentaires, portant ainsi la part des urbains dans le monde à 66% en 2050. Cette dynamique, particulièrement marquée dans les pays en voie de développement, n’empêche pas pour autant les mégapoles des pays développés d’être aussi concernées. Les question de mobilité, d’efficience énergétique, d’étalement urbain, de qualité de vie et de cohésion culturelle et sociale se posent aujourd’hui dans la majorité des villes du globe. La seconde dynamique qui pousse à l’émergence du concept de Smart City, c’est la fulgurante percée des NTIC dans nos sociétés urbanisées. Plus que d’équipements informatiques, dont disposent déjà les villes et les particuliers, la généralisation des NTIC nous donne des perspectives inédites : automatisation et interconnexion des systèmes, modernisation des infrastructures et optimisation des flux, mais aussi, mobilisation des citoyens et évolution des modes de gouvernance. La transformation numérique de nos sociétés se caractérise par 1: la pénétration fulgurante du smartphone dans les usages du quotidien. 2: le développement encore plus rapide des réseaux sociaux et, plus récemment, de la consommation collaborative. 3: l’explosion de la consommation de services digitaux et sa conséquence, une production exponentielle de données. L’idée c’est donc, que le numérique apportera des réponses plus intelligentes (plus ingénieuses, moins onéreuses, plus coordonnées), aux nouveaux défis urbains auxquels toutes les villes du globe vont devoir faire face. La manière dont les villes du monde s’emparent du concept varie fortement en fonction des régions, du contexte économique, climatique ou socio-culturel local, aussi sa définition dépend-elle bien souvent des objectifs qui lui sont alloués. La Smart City se décline principalement de deux façons : les villes traditionnelles augmentées et les villes nouvelles hautement technologiques. Les exemples construits de toutes pièces comme Masdar, Tianjin ou bien même Songdo, sont plus à voir comme des expérimentations à taille réelle des technologies les plus avancées, plutôt que comme des lieux de vie. À la fois laboratoires et vitrines technologiques, ces opérations peinent cependant à acquérir le statut de ville. En dépit de leurs bonnes performances et de leurs conceptions rationalisées, elles peinent à attirer les habitants sûrement car il leurs manque les attraits culturels spécifiques des villes qui ont une histoire. Aussi n’est-il pas surprenant que les villes existantes et notamment les villes du vieux continent choisissent d’autres voies, nettement moins spectaculaires. Ayant un passé, elles doivent se transformer et se réinventer en partant de l’existant spatial, social, politique et économique, qui constitue leur identité. D’où, au-delà de la communication sur le thème de la Smart City, la démarche par projets qui caractérise la plupart des initiatives lancées par les villes. Elles mettent en œuvre des projets intégrant les NTIC pour répondre à un ou plusieurs des enjeux suivants : 1 : Citoyenneté – Information du citoyen, accès aux données et services de la ville. 2 : Qualité de vie – Vie locale, vie des quartiers, cohésion sociale, diversité ethnique et culturelle. 3 : Mobilité et transport – Gestion du trafic, transport « doux », voiture et vélo en partage, réduction de la pollution, gestion de la multimodalité et du stationnement. 4 : Économie – Pépinière et incubateur d’entreprises, espaces de coworking, pôle de compétitivité. 5 : Environnement et énergie – Bâtiments positifs, gestion et valorisation des déchets, maîtrise des consommations d’eau et d’énergie, développement des énergies renouvelables, circuits courts. 6 : Gouvernance – Démocratie participative/collaborative, vote électronique, open data... 136


Deux visions partagent aujourd’hui la mise en place des projets de «Smart City». Une vision technocentrée, avec une ville bardée de capteurs, collectant des données qui servent aux pilotage des systèmes urbains. Cette Smart City repose sur le monitoring continu des informations remontées depuis une foule de capteurs. Ce modèle est d’ailleurs déjà en place dans différentes villes à travers le monde. De Rio de Janeiro, à Memphis, les données relatives à la sécurité de la ville, de la météo et du trafic sont centralisées et traitées dans d’impressionnantes salles de contrôle (control room). En France c’est à Nice qu’une expérimentation de ce type à lieu avec le fameux boulevard connecté expérimental. L’autre vision de la Smart City propose une ville collaborative, par l’utilisation des NTIC au service des citoyens, par le libre accès des données et par la mise en place d’outils participatifs. Cette ville collaborative nous promet de créer plus de lien social, de réduire les inégalités, d’optimiser les services administratifs et sociaux, de réduire les consommations individuelles par la consommation de groupe. La ville collaborative promet surtout d’impliquer toujours plus le citoyen dans la gestion quotidienne des villes, des quartiers, des projets qui y sont liés et dans le développement de nouveaux usages urbains. Paris est probablement l’une des villes qui a le plus travaillé dans cette direction ces derniers temps. Cela lui vaut, alors qu’elle ne s’affiche « Smart City » que depuis peu, d’être reconnue comme un laboratoire sur les usages de l’espace urbain et un écosystème particulièrement favorable aux starts-up et au développement de nouvelles pratiques collaboratives. Les villes doivent elles forcement choisir de se consacrer à l’une ou l’autre de ces deux visions de la Smart City ? Il serait plus stratégique de les faire converger et d’apprendre à les conjuguer. Une approche, où le numérique serait un outil de transformation, d’adaptation et de réinvention de la ville, est possible. Comme le rappelle Antoine Picon « la ville intelligente apparaît […] comme le fruit d’une dynamique qui n’est que partiellement technologique ». Il souligne néanmoins qu’« inexorablement, les villes se transforment en systèmes d’information, une information souvent en temps réel. Au sein de ces systèmes, les relations entre infrastructures physiques, offres de services et usagers se trouvent reconfigurées afin de parvenir à une meilleure réactivité et une plus grande souplesse d’usage.» Au regard de la multiplicité des sources et des types de données, du nombre d’acteurs et des volumétries en jeu, une stratégie Big Data, pilotée par la ville elle-même, semble être une condition sine qua non de la ville durablement intelligente. Pour concilier intérêts publics et privés, une stratégie open-data dotant les utilisateurs d’une plate-forme de collecte et de traitement des données, semble être l’unique solution permettant aux particuliers d’accepter la collecte et l’utilisation d’une grande masse de données les concernant. Pour assurer le résultat optimal pour la ville, le Big Data doit être au service des citoyens, il doit donc reposer sur des principes simples et partagés par tous ; il doit notamment être participatif, fédérateur et ne pas être intrusif, tout en garantissant la transparence via l’open data. Concrètement cela signifie que le Big data doit limiter son action à des thèmes qui intéressent directement le citoyen ou lui donner les moyens de répondre à ses demandes plutôt que d’analyser ses moindres faits et gestes. Les villes et leurs opérateurs urbains doivent lancer des partenariats pour la maîtrise, la gestion et l’usage optimisé des données. Les services des villes ne pourront être améliorés que par une étroite collaboration entre les services municipaux, les partenaires privés et les citoyens usant de ces services. Cette cohésion entre les différents acteurs améliore réellement l’efficacité énergétique de nos systèmes. Qu’ils s’agissent de transports, d’infrastructures, de lien social ou de bâtiments, les technologies «intelligentes» sont d’ores et déjà en train de s’intégrer au paysage urbain. Elles changent au passage radicalement la vision que l’on peut avoir de la ville. Elles modifient la façon de vivre les diverses activités qui s’y trament. Enfin, les nouvelles technologies de l’information et de la communication, en arrivent même à bouleverser la manière de concevoir la ville, de la penser et de la construire. 137


En ce qui concerne le réseau électrique, pour savoir, si les Smart Grids, sont effectivement des solutions d’avenir, il faut se tourner vers les démonstrateurs. Il faut aussi regarder l’ensemble des possibilités permises par ces solutions, mais il fait surtout avoir une vision prospective, sur l’avenir énergétique de nos sociétés, sur l’évolution des usages et de la consommation et sur l’évolution des ressources restantes... D’un côté, Jeremy Rifkin, dans son livre «Troisième révolution industrielle», prédit que les outils numériques et les hautes technologie seront l’avenir de l’humanité. Selon l’auteur, ils permettront la convergence de l’ensemble des cultures, des techniques, des réseaux et de bien des choses. Ils permettront aussi de se débarrasser de l’addiction obsolète au pétrole et de passer à des modes de production plus respectueux de l’environnement. Cette 3ème révolution industrielle est déjà bien engagée : réseaux sociaux, Big Data, géolocalisation, Smart (Grid, Home, City, Phone), applications mobile, robotisation, drônes, imprimante 3D, véhicules électriques, énergie renouvelable et stockage... Tout est déjà là et il est vrai que tout converge. De son côté, Antoine Picon, dans son livre «Smart Grid théorie et critique d’un idéal auto-réalisateur», réaffirme ce propos tout en l’étayant. L’ingénieur urbaniste, tend à montrer qu’en dépit des volontés politiques ou privées de développement et de gestion de ces nouvelles technologies, ces dernières apparaissent et presque naturellement leurs usages se diversifient, se démocratisent et séduisent toujours un plus grand nombre d’utilisateurs. Il est vrai que les outils numériques sont aujourd’hui omniprésents. Leur réalité dans notre monde se décline au travers différentes applications dans différents domaines. Antoine Picon illustre son propos de nombreux exemples bien concrets : puces RFID sur les arbres parisiens, Big data à des fin marketing, gestion prédictionelle de la criminalité, applications sur téléphone portable, optimisation du fonctionnement de divers systèmes, etc. Ainsi, est mis en exergue la convergence du virtuel au réel et ses implications dans la gestion de nos villes, de nos systèmes et de nos vies au quotidien. D’un autre côté, en totale opposition, Philippe Bihouix écrit dans «l’Âge des low tech» que l’avenir de l’humanité ne sera pas fait de hautes technologies, mais plutôt de «basses technologies» ! Son propos se base sur un simple fait : l’épuisement prochain des ressources fossiles et minérales. Hydrocarbures, gaz naturel ou non conventionnel, uranium, métaux et terres rares sont des matières stratégiques dont la demande ne fait qu’augmenter tandis que leurs exploitations deviennent de plus en plus compliquées et pose de sérieux problèmes socio-environnementaux. L’ingénieur, dans son livre, montre que le cumul des découvertes de gisements et des projections de découvertes à venir, permettent de prédire l’imminence du problème pour certaines de ces ressources. Il met aussi en avant le fait qu’avec moins d’énergie disponible par personne, le travail manuel et l’artisanat seront forcement valorisés à l’avenir. L’auteur ne prédit pas un retour en arrière de notre civilisation, mais plutôt une avancée technique par une logique de la simplicité. Les lowtechs, par nature résilientes, évidement durables et de fait, simples à réparer... Enfin, l’association NegaWatt, prône elle, un scénario énergétique de la décroissance. Car il est bien vrai que si la consommation continue sur le rythme actuel, la France comme d’autres pays industrialisés, s’expose à terme à des pénuries. Et à plus court terme, à des difficultés économiques liées à la volatilité des prix de l’énergie et à la difficulté ponctuelle d’approvisionnement en ressource énergétique. Plus que les nouveaux usages énergétique, ce qu’il nous faut aujourd’hui développer, c’est la sobriété énergétique. Elle s’applique certes déjà aux systèmes, mais il faut aussi l’appliquer à nos comportements et nos modes de consommation, pour réellement initier la transition. Il faut donc d’une part rénover l’isolation des bâtiments, mais aussi porter des pulls ! Il faut aussi d’un côté, admettre que le stockage des données des Smart Grids requiert une consommation énergétique, tout en rationalisant nos propres usages numériques... 138


Au final donc, oui les Smart Grids sont une solution pour les réseaux électriques. Il leur permet d’afficher moins de pertes, une meilleure intégration des énergies renouvelables et des nouveaux usages électriques. Le Smart Grid permet une meilleure réactivité sur la conduite du réseau et donc une meilleure organisation gage de qualité du service. Le Smart Grid est aussi vecteur d’échanges et de coopération énergétique entre régions et même entre nations. Enfin le Smart Grid c’est surtout un moyen permettant aux consommateurs de devenir eux même acteurs sur le réseau électrique. Par les offres d’effacement, par la gestion intelligente de la charge d’appareils domestiques et par la maîtrise de la consommation, les «consommacteurs» gardent la main sur leurs dépense énergétiques tout en facilitant la gestion du réseau électrique. Les solutions Smart Grid semble donc être la réponse à apporter, afin d’améliorer et d’adapter le système électrique industriel existant, aux vues des dynamiques énergétiques actuelles et des évolutions à prévoir. Au delà, les solutions Smart Grid semblent surtout parfaites, pour la création de nœuds de résilience énergétique. Il est en effet indéniable, que l’approvisionnement énergétique, va devenir problématique pour les territoires dépendant largement de son importation. À l’échelle du Micro Grid, la gestion intelligente et communicante du réseau électrique, permet à certaines structures territoriales d’atteindre l’autonomie énergétique (logement, immeuble, quartier ou village). Ces nœuds de résilience énergétique soulagent le réseau électrique lors des pics de consommation et permettent surtout une sécurité d’approvisionnement et une certaine forme d’indépendance énergétique vis-à-vis d’un système électrique industriel fort addictif et à l’avenir incertain. De nombreuses villes du globe connaissent ponctuellement des black-out de plusieurs minutes voire de plusieurs heures. Dans ces villes sensibles, des particuliers, des professionnels, des industries et des institutions publiques se dotent de solutions NTIC. En mutualisant les ressources, en prenant le relais en cas de défaillance et en maîtrisant les coûts de l’électricité, ces systèmes assurent dans un contexte parfois difficile une qualité du service maximale. C’est par exemple, le cas des réseaux de chaleur mutualisés, qui permettent sans aucun doute de réduire la consommation des bâtiments. Le Smart Grid, solution pour le réseau électrique ? La Smart City, modèle pour la ville de demain ? Indéniablement ces deux concepts apportent une foule de solutions aux problèmes attenants au réseaux électriques et aux villes. Aussi, ils soulèvent une quantité impressionnante de questions et de problématiques, dont certaines sont sans réponses ! Sans tenir compte de ces nouvelles problématiques, il reste un paradoxe fondamental, facilement identifiable, qui permet de sérieusement douter du bien fondé de ces solutions Smart Grid et Smart City. De fait ces concepts viennent principalement résoudre des problèmes causés par l’échelle industrielle de nos sociétés à l’aide de solutions à l’échelle industrielle. En effet nos villes dépendent étroitement de la consommation (énergie, services, nourriture, biens matériels...) à des niveaux industriels. Cette consommation à l’échelle industrielle de nos sociétés et de nos villes, nous met aujourd’hui face à de sérieux problèmes, attenants à la raréfaction des ressources, au réchauffement climatique et aux disparités économiques et sociales. Malheureusement, les solutions Smart Grid et Smart City rajoutent toujours plus de dépendance à ce système industrialisé et elles ne permettent par réellement la résilience de territoires et de villes. Finalement, il me semble que ces technologies ne font qu’entretenir le mythe d’une énergie facilement disponible à l’avenir. Au regard, des réserves restantes en métaux et hydrocarbures, en tenant compte de notre demande et de notre consommation de ces derniers, je reste perplexe quant à l’avenir de nos sociétés et surtout de nos villes. Et finalement, je suis sceptique, quand j’entend que les Smart Grids et les Smart Cities représentent l’avenir du réseau électrique et de nos villes. Ces solutions, dites «intelligentes», ne remettent absolument pas en question, le fondement industriel de nos sociétés, à la base même des problèmes auxquels nous devons aujourd’hui faire face. «Tout ce qui brille, n’est pas or !» 139


RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES : Robert Lomas, L’HOMME QUI INVENTA LA VINGTIÈME SCIÈCLE, Nikola Telsa, le génie oublié de l’électricité, Serbie, Éd. Un infini cercle bleu, 2013. Alain Beltran, La fée Électricité, Imprimerie Kapp Lahure à Évreux, Éd. Gallimard, 1991. Sophie Chabin, Louis Devatine, Guillaume Héroin, Camille Meyer, Nicolas Oury & Patrick Philipon, Les travaux sous tension, une technique de pointe, 50 ans d’histoire Française, Éd. Textuel + RTE, 2013 Patrick Bastard, Daniel Fargue, Philippe Laurier, Bernard Mathieu, Muriel Nicolas, Philippe Roos, Électricité, voyage au coeur du système, Paris, Éd. Eyrolles, 1999. Thierry Gallauziaux, David Fedullo, Les évolutions de la norme électrique, Éd. Eyrolles, 2014. Florence Dinh, Les métropoles, nouveaux défis des villes européenes, Paris, Éd. Autrement, 2009. Frédéric Migayrou, L’enjeu capital(es) les métropoles de la grande échelle, Paris, Éd. Centre Pompidou, 2009. Antoine Picon, Smart Cities, théorie et critique d’un idéal auto-réalisateur, Éd. B2 Collection Actualité, 2014. Coordonné par Gilles Guerassimoff & Nadia Maïzi, écrits par les élèves de la promotion 2011 et d’anciens des promotions 2010 et 2008 des Mines ParisTech, Smart Grids, au-delà du concept, comment rendre les réseaux plus intelligents, Paris, Éd. Presses des Mines, Collection Développement durable, 2013. Jeremy Rifkin, La Troisième révolution industrielle, Éd. Actes Sud, Collection Babel, 2013. Mathis Wackernagel et William Rees, Notre empreinte écologique, Éd. Écosociété, 2004. Philippe Bihouix, L’Âge des low tech, vers une civilisation techniquement soutenable, Éd. Seuil, 2014. Matthieu Auzanneau, OR NOIR, La grande histoire du pétrole, Éd. La Découverte, 2015. Jessi Bloom & Dave Boehnlein, La permaculture en pratique, Paris, Éd. Ulmer, 2015 Document Hors-série AMC en partenariat avec la Fondation d’entreprise Bouygues Immobilier dans le cadre de l’exposition MIX(CITE) à la Cité de l’architecture et du patrimoine, Éd. Groupe Le Moniteur, 2012. RTE, l’acceuil des énergie renouvelables sur le réseau, SRCAE Les schémas régionaux climat, air, énergie, état des lieux au 31 Mars 2014, Direction Économie Prospective et Transparence, 2014. Marie Calmet, Compteur Linky : pas facile pour les communes de se faire entendre, n°357, Environnement et Technique, 22-23p. Avril 2016. Peter Terwiesch, Clarissa Haller, Ron Popper, Axel Kuh, Friedrich Pinnekamp, Andreas Moglestue, traduction française : Dominique Helies, ABB revue, n°1/10, Les réseaux électriques du futur, 2010. Rachida Boughriet, Répartiteurs de frais de chauffage, les économies dur la facture d’énergie en question, n°357, Environnement et Technique, 24-27p. Avril 2016. Florence Roussel, Dossier énergies renouvelables, Méthanisation : entre espoirs et incertitudes, n°357, Environnement et Technique, 50-52p. Avril 2016. Michel, Alberganti, L’or noir va-t-il nous manquer? 25-27p., Les dossiers de La Recherche, n° 47, février 2012. 140


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RÉFÉRENCES FILMOGRAPHIQUES Steven Spielberg, Minority report, long métrage, 2002. -145 min. Axel Engstfeld, La grande bataille de l’électricité, télefilm documentaire, 2004. - 49min. Eric Bross, On the line, long métrage, 2010. -85min. Jérôme Le Maire, Le thé ou l’électricité, long métrage documentaire, 2012. - 93min. Olivier Bourgeaois & Pierre barougier, Nous resterons sur terre, long métrage documentaire, 2009. -83min. Eric Kriple, Révolution, Série de 2 saisons et de 42 épisodes, 2012-2013. - 42min. Baptiste Roux Dit Riche, La chaîne Smart City, YouTube, 55 plateaux d’interview avec l’avis d’experts. Jean-marc jancovici, Commision d’enquête sur le coût réel de l’électricité, Sénat [CC] [SD], 2013. -92min. Jean-Marc jancovici, Audition sur le changement climatique à l’Assemblée Nationale, 2013. -115min. Corinne Lepage, Jean-Marc Jancovici, Daniel Boy, Jacques Percebois, C dans l’air, nucléaire, 13/03/2015. -63min. Philippe Bihouix, Cycle de conférence coordonnées par Sébastien Marot, EAVT, 29 mars 2016. -99min. Matthieu Auzanneau, Croissance verte : contradiction dans les termes, DPEA architecture post carbone, Conférence dans le cadre du séminaire énergie, EAVT, 27 septembre 2016. -72min. 143


REMERCIEMENTS Ce travail de recherche, d’enquête, de compréhension du sujet et de restitution, fut pour moi une véritable épreuve tant enrichissante qu’éprouvante. Je tiens donc avant toute chose, à saluer les personnes qui m’ont aidées dans ce processus : Laurent Schmitt, Vice-Président Smart grid chez Alstom, nommé l’une des personnes les plus marquantes et persuasives du secteur des Smart Grids par le magazine Metering & Smart Energy International. Il présenta les objectifs Smart Grids, lors d’une table ronde à l’EAVT. Il m’a aussi reçu en interview dans ses bureaux et répondit honnêtement à mes questions, enfin il est toujours disponible au dialogue par e-mail. Michel Bena, Directeur Smart Grids chez RTE, lui aussi m’a reçu en interview dans ses bureaux à La Défense et a répondu à toutes mes interrogations sur les problématiques Smart Grids. Il m’a aussi orienté vers l’étude des marchés de l’énergie, sujet ici non traité, de par sa complexité et ses implications socio-économiques multiples. Robin Girard, Enseignant/Chercheur au PERSEE (centre procédés, Énergies renouvelables et Systèmes énergétiques), rattaché à Mines ParisTech, coauteur de l’étude la France 100% renouvelable de l’Ademe. Nous nous sommes rencontrés pour discuter des sujets en lien avec ses domaines d’expertise. Antoine Picon, Enseignant/Chercheur à l’École nationale des ponts et chaussées et à l’École polytechnique. Auteur de l’excellent livre en libre accès «Smart Cities, théorie et critique d’un idéal autoréalisateur». N’ayant malheureusement pas le temps de me recevoir, il prit cependant le temps de répondre à mes question par e-mail. Matthieu Auzanneau, Manager Prévisionnel & Affaires publics à The Shift Project. Auteur/Blogueur de prospective et de lobbying économique et écologique, avec notamment son livre «Or Noir, la grande histoire du pétrole» et son blog «Oil man». Lors d’une conférence à l’EAVT, il répondit à mes ultimes questions. Phillipe Bihouix, ingénieur centralien ayant travaillé dans des secteurs clés de l’industrie (énergie, chimie, transport, bâtiment, télecommunication, aéronautique). Auteur des ouvrages «Quel futur pour les métaux» et «L’Âge des lowtech, vers une civilisation techniquement soutenable». Ses ouvrages et ses récentes participations au débat énergétique public, ont réorienté mon travail. Pour approfondir mes recherches sur la finitude des ressources, j’ai eu l’occasion de le questionner lors d’une conférence à l’EAVT. Jean-Marc Jancovici, ingénieur, enseignant à Mines ParisTech, cofondateur de Carbon4 : un cabinet de conseil spécialisé dans la stratégie carbone et président du Conseil d’administration du think-tank The Shift Project. Ses nombreuses participations au débat énergétique public, ses conseils aux administrations d’état et ses publications, m’ont beaucoup aidé dans la compréhension du système électrique et de ses problématiques. Baptiste Roux Dit Riche, Directeur des contenus médias en ligne de Cleantech Republic et d’Okédito, animateur sur la chaîne Smart City sur YouTube. Ses plateaux vidéos réunissants diverses personnalités, m’ont été bien utiles pour aborder le vaste ensemble de sujet attenant au Smart grid et à la Smart City. Je tiens aussi à remercier implicitement l’ensemble des auteurs des livres, des articles et des vidéos qui m’ont aidé dans cette tâche de grande ampleur, qu’est la vulgarisation et la prospection du réseau électrique et de son futur. Sans eux, je n’aurais sûrement jamais pu faire le lien, entre de nombreux sujets liés au réseau électrique, au Smart Grid et à l’intelligence des systèmes. Sans eux, je n’aurais jamais pu saisir l’entière complexité de ce sujet. Enfin, bien naturellement je congratule et remercie ma famille pour m’avoir aidé et supporté dans les moments difficiles au cours de l’élaboration de cette enquête. 144


Mémoires Babel Matthieu Stefani Sous la direction de David Mangin, et de ses assistants Remi Ferrant et Diane Gobillard Babel sous tension, Mémoire Séminaire Babel, 2016. -171p. 145


ANNEXE

PARTIE 1 - HISTOIRE

Fig 1 : Les principales sociétés françaises d’électricité de 1913. Source : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles

Fig 2 : Carte de la consommation française d’énergie électrique en 1942. Source : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles

146


ANNEXE

PARTIE 2 - PRODUCTION - GAZ DE SCHISTE

Fig 1 : Les trois étapes de la production de gaz de schiste. Source : Science & Vie, n° 1148, mai 2013

147


ANNEXE

PARTIE 2 - PRODUCTION - NUCLÉAIRE

Fig 1:

Fig 2:

Fig 3: Fig 1 : Les étapes du démantèlement d’une centrale nucléaire. Fig 2 & 3 : Les différentes parois du coeur des réacteurs des centrales nucléaires. Source : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles

148


ANNEXE

Fig 1:

PARTIE 2 - PRODUCTION - HYDROÉLECTRIQUE

Fig 2: Fig 3:

Fig 4: Fig 5:

Fig 6: Fig 1, 2, 3, 4, 5 & 6 : Les dispositifs de surveillance des barrages. Source : Bernard Matthieu pour les éditions Eyrolles

149


ANNEXE

PARTIE 2 - STOCKAGE

Fig 1 : Les différentes technologies de stockage en fonction de leurs puissances et de leurs temps de décharge (autonomie). En ordonné (axe vertical) : le temps de décharge, en abcisse (axe horizontal) : la puissance du stockage Source : IFPEN

150


ANNEXE

PARTIE 2 - DISTRIBUTION

Fig 1:

Fig 2:

Fig 1 & 2 : Exemples de tableaux électriques domestiques et des différents usages électrique qui y sont liés. Source : Thierry Gallauziaux, David Fedullo, pour Eyrolles

151


L’appel de puissance par usages PARTIE 2 - CONSOMMATION

ANNEXE

és aux différents usages e l'électricité

dentiel et ses enjeux

es on)

• Les principales variations saisonnières sont dues au chauffage électrique de base et à la climatisation • Les principales variations journalières sont dues au chauffage électrique et aux usages spécifiques (pics du matin et du soir)

Fig 1 : Évolution de la consommation et des usages électriques au cours d’une journée en semaine. Source : Préfet région IDF, 2012.

cité joule eur

Séminaire sur l'approvisionnement électrique du Grand Paris – 6 mars 2012

ques +,A++) veille) BC) Fig 2 : La part des différents usages énergétiques dans la consommation finale d’électricité du résidentiel en 2009. Source : région IDF

152

ments

ons : investissements et comportements

4


ANNEXE

PARTIE 2 - ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE (MONDE)

Fig 1 : Comparatif infographique des sources énergétiques de différentes entités mondiales. Source : EDF, 2013

Fig 2 : La croissance démographique urbaine et ses conséquences sur la consommation et la précarité énergétique. Source : EDF, 2013

153


ANNEXE

PARTIE 2 - ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE (EUROPE)

Fig 1 (ci dessus) : Les sources énergétiques des différents pays de l’Union Européenne. Source : UE, ESPN, 2013

Fig 1 page de droite : Carte des réseaux électriques et énergétiques de la zone Euro et de ses environs proches. Source : UE, ESPN, 2013

154


ANNEXE

PARTIE 2 - Ã&#x2030;TAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE (EUROPE)

155


ANNEXE

PARTIE 2 - ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE (FRANCE)

LE SYNDICAT DES ÉNERGIES RENOUVELABLES (SER) *Créé il y a une vingtaine d’années par les PME

INDUSTRIEL

PARTI POLITIQUE À l’exception d’Europe-Écologie-les-Verts (EELV), l’ensemble des partis politiques français affiche depuis toujours un soutien au nucléaire, même si ces organisations sont, à l’instar du Parti socialiste, parfois traversées de débats sur le sujet. INSTITUTION Depuis 2010, l’énergie a quitté la tutelle du ministère de l’Écologie, du Développement durable, des Transports et du Logement, pour passer sous le contrôle du ministère de l’Industrie. L’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (Ademe) est placée sous ces deux tutelles, ainsi que sous celle du ministre de l’Enseignement supérieur et de la Recherche.

Le marché de l’énergie en France est dominé par quatre grandes entreprises toutes en faveur du nucléaire, EDF, GDF-Suez, Areva et Total. Ce dernier a commencé à investir dans le nucléaire. GDF-Suez exploite plusieurs centrales en Belgique. Quant à EDF, c’est le leader mondial de l’électronucléaire. ORGANISATION NON GOUVERNEMENTALE On distingue deux types d’associations. Celles dont les membres sont pour l’essentiel des personnes physiques et celles qui sont des réseaux ou fédérations d’associations. Elles sont généralement favorables aux énergies renouvelables hormis la FED, qui regroupe des associations anti-éoliennes.

pionnières du solaire et l’éolien pour fédérer les différentes filières (éolien, solaire, biomasse, etc.), le SER est aujourd’hui contrôlé par des géants de l’énergie, en raison de son mode de suffrage censitaire : le nombre de voix de chaque membre varie de 1 à 32 selon le montant de sa cotisation. Officiellement, le SER n’a pas de position sur l’énergie nucléaire, mais les entreprises qui le contrôlent y sont toutes favorables : la doubleflèche blanche (sur le graphique ci-dessus) indique son positionnement particulier. THINK TANK

Plusieurs groupes produisent des études et des scénarios énergétiques pour la France. Parmi les plus cités, deux petites associations, négaWatt et Global Chance, financées par des personnes physiques, sont en faveur des renouvelables. L’Institut Montaigne, créé par Claude Bébéar, le fondateur d’Axa, financé par 80 entreprises, soutient le nucléaire.

Fig 1 : Les acteurs d’influence sur l’énergie en France. Qui pèse aujourd’hui sur le débat énergétique en France ? Industriels, institutions, partis politiques et associations, ils sont une trentaine d’acteurs principaux à jouer de leur influence. En dépit des discours officiels, beaucoup sont défavorables à l’éolien. Source : Denis Delbecq, infographie : Philippe Mouche, Les dossiers de la Recherche n°47, page 32-33

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ANNEXE

PARTIE 2 - ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE (FRANCE)

Fig 1:

Fig 2:

Fig 3:

Fig 4:

Fig 1 : L’état d’avancement des SRCAE (Schémas Régionaux, Climat, Air & Énergie). Fig 2 : Estimation des ambitions EnR 2020 sur l’ensemble de la France, hors Corse (MW). Fig 3 : Ambitions 2020 des SRCAE pour l’éolien terrestre (MW). Fig 4 : Ambitions 2020 des SRCAE pour le photovoltaïque (MW). Source : RTE

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ANNEXE

PARTIE 3 - DÉMONSTRATEUR SMART GRID FRANCE

Fig 1 : Les émissions de CO2 et les types des réseaux de chaleur de la région parisienne. Source : APUR, 2015.

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ANNEXE

PARTIE 3 - DÉMONSTRATEUR SMART GRID FRANCE

Fig 1 : Les principaux projets Smart Grids en France. Source : Think SmartGrids

Fig 2 : L’ ensemble des solutions Smart Grid qui sont mises en oeuvre dans le cadre du démonstrateur GreenLys. Source : GrennLys

159


ANNEXE

Source : Mairie d’Issy & Bouygues Immobilier

160

PARTIE 3 - DÉMONSTRATEUR SMART GRID FRANCE


ANNEXE

PARTIE 3 - DÃ&#x2030;MONSTRATEUR SMART GRID FRANCE

161


ANNEXE Fig 1:

PARTIE 3 - SMART GRID, PROBLÉMATIQUES ET LIMITES Fig 2:

Fig 1 : La demande d’électricité par segments des NTIC (nouvelles technologies de l’information et de la communication) Fig 2 : Courbe d’évolution de la demande d’électricité des appareils connectés NB : La consommation des appareils connectés croît à un rythme annuel de plus de 6%. Source : OECD/IEA 2014

Fig 3:

L’INTERNET MONDIALE UTILISE PLUS D’ÉNERGIE PAR JOUR QUE LA RUSSIE ET SES 141 900 000 HABITANTS

MAIS, LES DATA CENTERS NE REPRÉSENTE QUE 2% DE LA CONSOMMATION MONDIALE D’ÉNERGIE...

Fig 3 : Infographie comparative de la consommation d’électricité mondiale dédiée aux usages numériques . Source : OECD/IEA 2014

162


ANNEXE

PARTIE 3 - TECHNOLOGIE SALVATRICE ET ILLUSIONS VERTES

Fig 1 : Empilement heure par heure des productions éoliennes en Europe de l’Ouest, de septembre 2010 à Mars 2010. Source : SAU

Fig 2 : La production mondiale de pétrole. Source : Les Dossiers de la Recherche n° 47

163


ANNEXE

PARTIE 3 - TECHNOLOGIE SALVATRICE ET ILLUSIONS VERTES

Fig 1 : Volumes comparés des découvertes et de la production/consommation de pétrole conventionnel. Source : ExxonMobil 2002

Fig 1 : Volumes comparés des production/consommation d’énergie de 1973 avec celle de 2011. Source : referentiel-nouvelobs

164


ANNEXE

PARTIE 3 - TECHNOLOGIE SALVATRICE ET ILLUSIONS VERTES

Fig 1 : Le taux de retour énergétique des différentes sources d’énergie primaire : ERoEI (energy returned on energy invested). ERoEI = énergie récupérée / énergie investie. Source : Benoît Thévard & Yves Cochet

Fig 2 : Dates d’épuisement des ressources naturelles facilement exploitables, au rythme actuel de notre consommation. NB : Le recyclage et l’extraction profonde, permettront vraisemblablement à certaines de ces ressources, d’être toujours disponibles au delà des dates mentionnées ci-dessus. Néanmoins ces techniques sont dans l’ensemble énergivores, risquées et donc coûteuses. Source : terresacree.org

165


ANNEXE

PARTIE 3 - TECHNOLOGIE SALVATRICE ET ILLUSIONS VERTES

Fig 1 : Courbes historiques cumulées de la consommation d’énergie dans le monde par types d’énergies. Source : manicore.com

Fig 1 : Courbes historiques dédiées de la consommation d’énergie dans le monde par types d’énergies. Source : AIE

166


ANNEXE

CONCLUSION - ÉLECTRICITÉ & RÉALITÉS

Fig 1 : L’augmentation à prévoir de la demande en énergie primaire dans le monde par types d’énergies. NB : La demande d’énergie primaire dans le monde, va très probablement augmenter de plus de 68% entre l’an 2000 et 2030. Source : AIE

Fig 2 : Courbe prévisionnelle de différents scénarios de la consommation d’énergies primaires dans le monde. Source : manicore.com

167


TABLE DES MATIÈRES AVANT PROPOS 4

1

JUSQU’OÙ VONT-ILS ALLER ? ORIGINE ET ESSOR

1.1 DÉCOUVERTES ET INVENTION 1.2 S’ÉCLAIRER 1.3 SE DÉPLACER 1.4 VIVRE ET TRAVAILLER 1.5 COMMUNIQUER 1.6 L’ÉLECTRIFICATION DE LA FRANCE

2

LES ÉLÉMENTS DU RÉSEAU

2.1 NOTIONS DE BASE

26-28

2.2 PRODUCTION

29-51

SUR L’ÉNERGIE SUR L’ÉLECTRICITÉ SUR LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES CENTRALES THERMIQUES À FLAMME CENTRALES NUCLÉAIRES

PROBLÉMATIQUES ET AVENIR DU NUCLÉAIRE

CENTRALES GÉOTHERMIQUES CENRALES À BIOMASSE CENTRALES THERMIQUES SOLAIRE PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES GÉNÉRATRICE ÉOLIENNE ALTERNATIVES RENOUVELABLES LA PRODUCTION HYDRO-ÉLECTRIQUE

SCHÉMAS DE PRINCIPE DES OUVRAGES

2.3 STOCKAGE STOCKAGE, BASES STOCKAGE, SES UTILITÉS ET SES APPLICATIONS DANS LE RÉSEAU STOCKAGE ÉLECTROCHIMIQUE STOCKAGE ÉLECTROSTATIQUE STOCKAGE THERMIQUE STOCKAGE CHIMIQUE STOCKAGE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STOCKAGE MÉCANIQUE : HYDRAULIQUE GRAVITAIRE STOCKAGE MÉCANIQUE : AIR COMPRIMÉ STOCKAGE MÉCANIQUE : VOLANT D’INERTIE

168

6 8 10-11 12-13 14-15 16-17 18-21 22-23

24 26 27 28

29-31 32-35 34-35

36-37 38-39 40-41 42-43 44-45 46-47 48-51 50-51

52-61

52 53 54 55 56 57 58 59 60 61


2.4 LE TRANSPORT DE L’ÉLECTRICITÉ

62-69

2.5 LA DISTRIBUTION DE L’ÉLECTRICITÉ

70-73

2.6 LES POSTES DE CONSOMMATION 2.6 ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE

74-75 76-79

3

L’AVENIR DU RÉSEAU

3.1 L’ORIGINE DU CONCEPT DU SMART GRID

LE TRANSPORT DE L’ÉLECTRICITÉ : HISTOIRE 62 LE TRANSPORT DE L’ÉLECTRICITÉ EN FRANCE 63-65 LES PYLÔNES HT/THT 66-67 POSTES ET CENTRES DE CONTRÔLE 68 ORGANISATION ET TYPOLOGIE DES POSTES ÉLECTRIQUES 69 ERDF / ENEDIS LES DIFFÉRENTS POSTES LA CAPACITÉ D’ADAPTATION DES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES URBAINS RECONVERSION D’INFRASTRUCTURE

EN EUROPE : PRODUCTION - CONSOMMATION EN EUROPE : ÉCHANGES EN FRANCE : L’ÉNERGIE

L’INTÉGRATION MASSIVE DES ÉNERGIE RENOUVELABLES L’OPTIMISATION DE FONCTIONNEMENT ET LA QUALITÉ DU SERVICE L’ARRIVÉE DES VOITURES ÉLECTRIQUES ET AUTONOMES

70 71 72 73

76 77 78-79

80 82-85

82-83 84 85

3.2 L’HYBRIDATION DU CONCEPT DU SMART GRID 86-87

LES SYSTÈMES COMPLEXES ET L’INTELLIGENCE ARTIFICIELLE SMART TECHNOLOGIES, BIG DATA ET APPLICATIONS

86 87

3.3 ÉCHELLES ET USAGES DES SMART TECHNOLOGIES 88-95

À L’ÉCHELLE CONTINENTALE À L’ÉCHELLE NATIONALE À L’ÉCHELLE MÉTROPOLITAINE : LES SMART CITIES À L’ÉCHELLE DU QUARTIER, DU VILLAGE : LES MICRO GRIDS À L’ÉCHELLE DE L’IMMEUBLE : BEPOS À L’ÉCHELLE DU LOGEMENT INDIVIDUEL, DIFFÉRENTS DEGRÉS D’APPLICATIONS

3.4 RÉALISATION ET DÉMONSTRATEURS DE SMART GRID & SMART CITY

88-89 88-89 90-91 92-93 94 95

96-105

EN FRANCE 96-101 PARIS 96-97 CLUSTER SACLAY LYON NICE, STRASBOURG, TOULOUSE, MARSEILLE & CARTE DES SMART GRID EN FRANCE

DANS LE MONDE INDE : BANGALORE

JAPON : LE PROJET SMART COMMUNITY ÉTATS UNIS : SMART GRID & MODERNITÉ, BIG DATA, CRIMINALITÉ, GÉOMARKETING ÉMIRATS ARABES UNIS : MASDAR CHINE : TIANJIN SLOVÉNIE : LJUBLJANA / RWANDA: KIGALI / ESPAGNE : BARCELONE

98-99 100-101 102-103

104-109

104 105 106 107 108 109

169


3.5 SMART TECHNOLOGIES APPLIQUÉES

À L’ÉLABORATION DE PROJETS D’ARCHITECTURE ET D’URBANISME À LA GESTION OPTIMALE DES STRUCTURES À LA CONSTRUCTION ET À LA MISE EN OEUVRE DRÔNES, IMPRIMANTES 3D ET ROBOTS CNV AUTONOMES

110-113

110 111 112-113

3.6 GÉNÉRIQUES DE «SMART MACHINE» 114-123 SMART HUB 114-115 SMART STREET 116-117 SMART LOGISTIC 118-119 SMART ROAD 120-121 SMART RURAL, SMART AGRICULTURE 122-123 3.7 SMART GRID, PROBLÉMATIQUES ET LIMITES 124-128 L’OBSOLESCENCE ET SES CONSÉQUENCES 124 LA SUR-COMPLEXIFICATION DU RÉSEAU 124-125 LA CONSOMMATION D’ÉNERGIE LIÉE AU STOCKAGE DES DONNÉES 125-126 LA GESTION DU DROIT DE PROPRIÉTÉ DES DONNÉES 126-127 LA SÉCURITÉ INFORMATIQUE 127 3.8 TECHNOLOGIE SALVATRICE ET ILLUSIONS VERTES 128-134 LE FOISONNEMENT ÉOLIEN ET SOLAIRE 128 RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE & PRODUCTION/CONSOMMATION ÉLECTRIQUE 129 LA FUSION NUCLÉAIRE 130 LE PARADOXE DES TECHNOLOGIES ÉCONOMES EN ÉNERGIE 131 RARÉFACTION DES RESSOURCES & TAUX DE RETOUR ÉNERGÉTIQUE 132 133 LA TRANSITIONS ÉNERGÉTIQUE ET LA CROISSANCE VERTE

ÉLECTRICITÉ & RÉALITÉS

134

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

140

RÉFÉRENCES SITOGRAPHIQUES

142

RÉFÉRENCES FILMOGRAPHIQUES

143

REMERCIEMENTS

144

CRÉDITS

145

170


ANNEXES

146-163

PARTIE 1 - HISTOIRE

144

PARTIE 2 - PRODUCTION - GAZ DE SCHISTE

145

PARTIE 2 - PRODUCTION - NUCLÉAIRE

146

PARTIE 2 - PRODUCTION - HYDROÉLECTRIQUE

147

PARTIE 2 - STOCKAGE

148

PARTIE 2 - DISTRIBUTION

149

PARTIE 2 - CONSOMMATION

150

PARTIE 2 - ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE (MONDE)

151

PARTIE 2 - ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE (EUROPE)

152

PARTIE 2 - ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE (EUROPE)

153

PARTIE 2 - ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE (FRANCE)

154

PARTIE 2 - ÉTAT DES LIEUX INFOGRAPHIQUE (FRANCE)

155

PARTIE 3 - DÉMONSTRATEUR SMART GRID FRANCE

156

PARTIE 3 - DÉMONSTRATEUR SMART GRID FRANCE

157

PARTIE 3 - DÉMONSTRATEUR SMART GRID FRANCE

158

PARTIE 3 - DÉMONSTRATEUR SMART GRID FRANCE

159

PARTIE 3 - SMART GRID, PROBLÉMATIQUES ET LIMITES 160 PARTIE 3 - TECHNOLOGIE SALVATRICE ET ILLUSIONS VERTES 161 PARTIE 3 - TECHNOLOGIE SALVATRICE ET ILLUSIONS VERTES

162

PARTIE 3 - TECHNOLOGIE SALVATRICE ET ILLUSIONS VERTES

163

PARTIE 3 - TECHNOLOGIE SALVATRICE ET ILLUSIONS VERTES

164

CONCLUSION - ÉLECTRICITÉ & RÉALITÉS

165

TABLE DES MATIÈRES

166-171

171


Babel sous tension  

séminaire mémoire métropoles 2016 EAVT enquête sur le réseau électrique passé - présent - futur

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