Les inconnues connues : Comment prendre en compte l'incertitude dans la flexibilité énergétique

Avez-vous entendu parler des "marchés de flexibilité locale" pour l'énergie ? C'est une idée assez intéressante. 

Auparavant, l'orientation des marchés de l'énergie était assez simple : les centrales électriques produisaient de l'énergie et la vendaient aux utilisateurs (entreprises ou ménages), de sorte que la demande provenait naturellement des consommateurs et que les producteurs étaient censés s'adapter à cette demande. Mais la dépendance croissante à l'égard des sources d'énergie renouvelables a compliqué les choses. La production d'énergie solaire et éolienne est difficile à prévoir, car elle dépend de conditions météorologiques très changeantes. La quantité de production est également déterminée d'un seul côté - en fonction des conditions météorologiques - et non en réponse à la demande. Alors que les énergies renouvelables représentent une part de plus en plus importante de l'approvisionnement en électricité, il faut d'une manière ou d'une autre faire en sorte que la consommation s'adapte à la production.

La manière classique d'influencer les consommateurs est de leur envoyer des signaux de prix. Il s'agit d'une manière indirecte d'adapter la demande : on augmente les prix et on espère que les consommateurs réagiront en consommant moins d'électricité. La tarification des heures creuses est un mécanisme bien établi qui permet de déplacer la consommation d'énergie vers les périodes où la demande est plus faible, ce qui fonctionne assez bien. Les ménages consommateurs d'énergie ont tendance à adapter leur comportement afin de payer le prix le plus bas. Par exemple, pour bénéficier de tarifs plus avantageux, davantage de personnes font leur lessive le soir ou le week-end, plutôt que pendant les heures de travail, ce qui compense efficacement la forte consommation d'électricité pendant la journée dans les bureaux et les usines. 

Mais un réseau qui dépend de plus en plus de sources d'énergie plus volatiles doit également trouver des moyens d'accroître la flexibilité de la consommation, non seulement en la déplaçant à un moment différent mais fixe, mais aussi en encourageant une plus grande adaptabilité à court terme. Nous ne pouvons pas compter sur un approvisionnement constant à tout moment, de sorte qu'une tarification fixée à l'heure ne suffit pas à faire correspondre la consommation à la production. Nous avons besoin d'un moyen plus direct d'adapter la demande, et c'est là que les marchés locaux de flexibilité entrent en jeu.

La flexibilité est le nouveau bien à vendre

Sur un marché de la flexibilité, le produit n'est pas nécessairement l'énergie elle-même ; il peut s'agir de la disponibilité de l'énergie (qui peut être activée ou non). La flexibilité peut être apportée au système par le consommateur ou le producteur. Ainsi, les consommateurs et les producteurs d'énergie forment tous deux le côté de l'offre : ils sont les propriétaires de ressources flexibles. Du côté de la demande, les gestionnaires de réseaux de transport et de distribution (GRT et GRD), qui sont les seuls acheteurs de volumes d'énergie, peuvent payer les consommateurs ou les producteurs pour la flexibilité. 

Les marchés reposent évidemment sur l'information. Les acheteurs et les vendeurs doivent déclarer leurs ressources et leurs besoins. Pour développer un marché de la flexibilité efficace, il faut donc un moyen de quantifier à l'avance la quantité de flexibilité disponible. Ce qui est compliqué ! C'est pourquoi Julie Rousseau, chercheuse au PRN Automation (PSL, ETH Zurich), étudie comment calculer la flexibilité potentielle dans un monde plein d'incertitudes. Plus nous en savons (même sur ce que nous ne savons pas), mieux nous pouvons nous adapter. 

Les consommateurs peuvent vendre de la flexibilité en utilisant leur stockage d'énergie. Si un ménage possède un véhicule électrique, tant que cette voiture est complètement chargée le matin, le moment où le chargeur fonctionne n'a pas d'importance. La maison elle-même stocke également de l'énergie : amener une maison froide à une température confortable demande beaucoup d'énergie au début, mais ensuite (en supposant une bonne isolation) elle conservera cette chaleur pendant un certain temps. Ces deux appareils sont également parmi ceux qui consomment le plus d'énergie dans un ménage, mais le chauffage est particulièrement complexe. 

Dans une maison de taille et de normes de construction données, la quantité d'énergie nécessaire pour la chauffer dépend à la fois de facteurs externes (la météo) et de facteurs internes. Ainsi, l'organisation d'une fête produira sa propre chaleur, tout comme la cuisson. Si les habitants partent en vacances, la maison peut avoir besoin de moins de chauffage que d'habitude. Et ainsi de suite. Ainsi, toute flexibilité de consommation que le ménage souhaite offrir devra tenir compte de ces conditions variables susceptibles d'influencer les besoins du ménage. 

La chose la plus facile à déterminer est le résultat souhaité : nous pouvons définir une plage de température confortable (disons entre 20º et 24º) pour l'intérieur de la maison. On peut supposer que les habitants auront la volonté et la capacité de modérer leur consommation d'énergie tant que la température reste dans cette fourchette. À partir de données de base sur la maison, nous pouvons également estimer la quantité d'énergie nécessaire pour maintenir ce niveau de confort le jour suivant. Cela signifie que nous pouvons également calculer le degré de flexibilité que ce ménage peut offrir.

Mais plus on avance dans le temps, plus l'incertitude entre en jeu, et plus la tâche devient difficile. 

Tout ce que nous savons, c'est ce que nous ignorons 

Si nous calculons la flexibilité future sur la base des conditions actuelles, la seule certitude est que nous ferons des erreurs. Plus l'horizon temporel est éloigné, moins nous sommes en mesure de faire les bons calculs, car tous les facteurs inconnus s'additionnent. Les prévisions météorologiques pour demain sont assez fiables, mais restent incertaines (notamment en ce qui concerne le rayonnement solaire). Je peux aussi connaître mes projets personnels, mais il est raisonnable de penser que le modèle de mon bâtiment ne les connaîtra pas. Pourtant, la variabilité de tous ces facteurs aura un impact considérable sur la flexibilité potentielle que je peux offrir.

Notre modèle utilise une formulation contrainte par le hasard. Au lieu de garantir la plage de température souhaitée, cette plage n'est assurée que dans 90 % des cas. Cela permet d'assurer un confort raisonnable, mais reconnaît le rôle de l'incertitude dans la vie réelle. Elle permet également au ménage de profiter de la flexibilité de la vente, sans sacrifier le confort et la sécurité. Il s'agit d'un compromis : le consommateur offre moins de flexibilité au marché que s'il ne tenait pas du tout compte de l'incertitude. En revanche, il jouit d'une plus grande sécurité en sachant qu'il n'aura pas à faire face à un froid inattendu dans sa maison. 

Bien entendu, la flexibilité fournie par un seul consommateur domestique ne compensera jamais la perte d'une seule centrale électrique. Plus les sources renouvelables contribueront à l'approvisionnement total en électricité, plus il sera important que le marché de la flexibilité se développe, en agrégeant la capacité d'adaptation de nombreux ménages. 

C'est pourquoi notre travail est si important. Nous avons besoin de meilleures informations et de meilleurs algorithmes pour calculer la quantité de flexibilité qui peut être mise à disposition, afin de faire évoluer un marché qui fonctionne. Nous ne pouvons pas réduire la plupart des incertitudes qui affectent la consommation d'énergie d'un ménage, mais nous pouvons les prévoir et introduire ces données dans des systèmes tels que les compteurs intelligents et les contrôles automatisés, afin de gérer le marché local de la flexibilité et d'adapter les comportements. 

Appliqué à l'ensemble d'une communauté, ce système peut contribuer de manière significative à faire correspondre la consommation d'énergie à une production volatile et à garantir ainsi la résilience du réseau électrique. Nous pensons que le développement de marchés de flexibilité locaux efficaces contribuera grandement à la construction de villes et de communautés véritablement durables, en aidant à réduire les émissions indépendamment des changements de mode de vie.