Énergie

Comment des réseaux électriques plus intelligents peuvent prévenir les blackouts

Frédéric Lesur 20 juil. 2021

Frédéric Lesur, ingénieur senior en systèmes de câbles haute tension et réseaux électriques et animateur de What's Watt

À la suite des récents événements météorologiques extrêmes au Texas, qui ont causé des coupures massives (des « blackouts ») privant des millions de personnes d'électricité, nombreux sont ceux qui y ont vu le sinistre présage d'une multiplication de ce type d'événements dans un monde subissant rapidement l'impact des changements climatiques. Une tempête hivernale a causé l'une des plus fortes chutes de températures enregistrées dans cet État depuis 1989 et une montée en flèche record de la demande énergétique en cette saison.

Les températures glaciales ont également touché les opérateurs des réseaux électriques, en faisant geler les puits de gaz naturel, les éoliennes et les tas de charbon et en bloquant des conduites. Le réseau s'est ainsi retrouvé dans l'incapacité de produire suffisamment d'énergie pour répondre à l'augmentation de la demande. En conséquence, l'opérateur réseau texan a instauré des coupures par roulement afin de maintenir la demande en dessous de la capacité, évitant ainsi un blackout total.

Le prix du marché a atteint des sommets, à 9000 dollars le MWh. Les effets secondaires de la défaillance du réseau se sont vite fait sentir, sous la forme d'interruptions des circuits de distribution de nourriture et d'eau.

En janvier, le Pakistan a subi une mésaventure similaire, à savoir une panne d'électricité à l'échelle nationale. En l'occurrence, celle-ci était imputable à un incident technique, le deuxième du genre en moins de trois ans. Par ailleurs, le marché britannique de l'électricité est lui aussi sous tension. À au moins quatre reprises cet hiver, l'opérateur National Grid Plc a émis une alerte signalant que la marge nécessaire pour garantir l'approvisionnement était trop faible.

Les réseaux électriques sont confrontés à deux problèmes de taille qui, s'ils ne sont pas résolus, pourraient aboutir à des blackouts. Le premier est l'existence d'une grande quantité d'infrastructures vieillissantes (transformateurs, disjoncteurs, lignes électriques…). Le second tient à la transition énergétique des combustibles fossiles vers la neutralité carbone, qui va soumettre les réseaux à des flux d'énergie complexes et intermittents pour lesquels ils n'ont jamais été conçus.

Les causes des blackouts

Le chemin généralement emprunté par l'électricité, de sa production à sa consommation, passe par des réseaux de transport et de distribution. Lorsqu'un client est raccordé par une seule ligne (une source unique d'approvisionnement), une simple panne suffit pour « couper le circuit ». Le risque d'une coupure électrique est donc d'autant plus élevé. Les conséquences pour le client peuvent être lourdes en raison du délai nécessaire au rétablissement du courant (le temps de détecter et localiser la panne, puis de la réparer).

Un blackout est la forme la plus aiguë de coupure de courant car elle prive totalement d'électricité une zone entière. Elle peut faire déclencher des centrales, au risque de toucher les zones environnantes. Cependant, ces coupures peuvent être surmontées avec l'aide des pays voisins si ceux-ci sont en mesure d'exporter une partie de leur excédent. Même dans ce cas, la coupure peut se prolonger de quelques minutes à plusieurs jours.

Les blackouts se produisent principalement pour quatre raisons :

Surcharge et disjonction en cascade des lignes de transport

En raison de l'effet Joule, l'augmentation de l'énergie thermique dans un conducteur est à peu près proportionnelle au carré du courant nominal. Des courants trop élevés peuvent donc causer une surchauffe et endommager des composants essentiels, tels que les lignes et les câbles. En outre, les conducteurs aériens se dilatent en chauffant. En conséquence, ils présentent une « flèche » qui les rapproche du sol et réduit la distance d'isolement, au risque de provoquer des arcs électriques ou des courts-circuits mettant en danger les populations et les biens.

Écroulement de fréquence

La stabilité de la fréquence sur un réseau électrique reflète l'équilibre entre production et consommation. Si la demande (la consommation) est supérieure à l'offre (la production), le système est déséquilibré, faisant chuter la fréquence du réseau.

La fréquence doit cependant être maintenue dans les tolérances de la valeur nominale (soit quelques dixièmes de hertz autour  des 50 ou 60 Hz en fonction de la localisation géographique du réseau). Si la fréquence s'écarte de ces limites, l'équipement peut disjoncter et provoquer une coupure.

Écroulement de tension

De même que la fréquence, les réseaux électriques ont besoin d'une tension stable. Si celle-ci devient trop haute ou trop basse, l'équipement peut là encore déclencher.

Perte de synchronisme du réseau

Sur un réseau fonctionnant correctement, tous les grands alternateurs tournent à la même vitesse. Connue sous le nom de synchronisme, cette vitesse commune définit la fréquence du système électrique. L'inertie des rotors tend à faire se comporter les alternateurs comme s'ils étaient mécaniquement solidaires. Cependant, en cas de perte de synchronisme, par exemple si une grande centrale se retrouve hors service, cela peut entraîner un écroulement du réseau. Le problème s'accentue avec l'ajout sur les réseaux de sources de production asynchrones, telles que les parcs éoliens ou solaires), et la fermeture des centrales à combustibles fossiles, car il en résulte une perte d'inertie de rotation.

Ces quatre phénomènes peuvent être successifs, simultanés ou combinés.

Innovation sur les réseaux

La continuité de l'approvisionnement en électricité est essentielle au bien-être social et financier à travers le monde. Le numérique est une solution importante car il aide les opérateurs à se concentrer sur la gestion de leurs actifs critiques, en fournissant des indications et des informations exploitables qui étayent et éclairent les stratégies de remplacement et d'investissement.

Les prévisions sur le long terme tablent sur une augmentation de la demande mondiale totale d'électricité. Toutefois, il importe davantage de suivre au jour le jour la variation des flux de production et de consommation. Ce n'est qu'en mesurant, modélisant et simulant ces variations quotidiennes qu'il est possible d'identifier les points chauds sur le réseau et les modes de congestion. Cela permettra ensuite d'effectuer des investissements ciblés afin de rehausser les performances du réseau en termes de capacité et de flexibilité.

En outre, les capteurs et les outils numériques permettent la collecte de données, aboutissant à une meilleure compréhension grâce à l'intelligence artificielle (IA) et à une gestion intelligente des actifs. Le but est de faciliter la transition des réseaux d'un modèle reposant sur une production d'électricité centralisée à grande échelle vers l'intégration de plusieurs sources énergies renouvelables, décentralisées et intermittentes.

Rôle des interconnexions et des supraconducteurs

Une approche innovante au niveau national et continental est la construction d'interconnexions, c'est-à-dire des câbles HVDC (ou CCHT, courant continu haute tension), terrestres ou sous-marins, qui permettent le transfert efficace d'énergie sur de longues distances et entre les réseaux de différents pays. Une insuffisance de production dans un pays peut alors être compensée par un excédent provenant d'un autre. Un autre avantage des systèmes HVDC est qu'ils agissent comme des « pare-feu » pour éviter que les pannes sur un réseau ne fassent tache d'huile d'un pays à un autre.

À l'échelle d'une ville, les câbles supraconducteurs offrent la capacité de transporter de grandes quantités d'énergie avec une empreinte au sol minimale. Ils pourraient donc permettre le renforcement économique des réseaux d'électricité dans les zones urbaines très denses où la construction de nouvelles infrastructures est problématique.

Enfouissement des lignes

Tandis que les lignes électriques aériennes peuvent jouer un rôle majeur pour le transport de grandes quantités d'électricité sur de longues distances, elles peuvent aussi être vulnérables au très mauvais temps : vents forts, neige, gel. Les États-Unis, par exemple, connaîtront un nombre croissant d'événements météorologiques extrêmes dans les années à venir. Cela va probablement conduire la demande d'électricité à monter et chuter régulièrement, entraînant encore plus de coupures dévastatrices comme celles qu'a subies le Texas.

Les chutes de câbles sont souvent un facteur important dans les coupures d'électricité. L'enfouissement des câbles d'énergie nécessite généralement un investissement initial plus lourd. Cependant, les câbles souterrains offrent une plus grande résilience et exigent moins de maintenance, ce qui en fait un meilleur choix sur le long terme.

Conclusion

La demande mondiale de l'électricité ira en croissant pour répondre à l'évolution des besoins de la société, qu'il s'agisse des véhicules électriques, des climatiseurs fonctionnant toute l'année ou des datacenters indispensables à l'Internet des objets (IoT). Toute interruption de l'approvisionnement électrique peut avoir des conséquences de plus en plus lourdes, tant pour la collectivité que pour l'économie mondiale. C'est pourquoi nous devons nous attacher en priorité à améliorer les réseaux électriques en termes de capacité, de flexibilité et de résilience, et ce à l'échelle des continents, des pays et des villes.

A propos de l'auteur

Frédéric Lesur

Ingénieur senior systèmes câbles haute tension et réseaux d’énergie chez Nexans, Frédéric Lesur s’appuie sur plus de 25 années d’expérience ainsi que divers postes antérieurs dans la R&D chez des fabricants de câbles et opérateurs de réseaux.
En 2021, il devient responsable du Grid Engineering Design Lab, aidant les clients du Groupe à optimiser l’architecture de câblage des projets commerciaux de parcs d’énergie renouvelable.
Passionné de vulgarisation scientifique, il anime la chaîne YouTube WHAT’s WATT de Nexans.
Frédéric a toujours été un membre actif d’instances de normalisation et de groupes de travail. Auteur d’une cinquantaine de publications, il intervient lors de conférences et d’ateliers majeurs dans le domaine des réseaux d’énergie.

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