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Quand la pensée en silo atteint ses limites

23. décembre 2019 Part d'article :

La connexion des réseaux d'électricité et de gaz crée un système énergétique très complexe. Les données de ce système entraîneront de plus en plus de réactions automatiques et les décisions seront de moins en moins prises par des utilisateurs humains. Cette fusion des technologies de l'information et du génie électrique est la véritable convergence des réseaux à laquelle nous sommes confrontés.

Le nom du département de technologie de l'information et de génie électrique de l'ETH Zurich rappelle encore aujourd'hui que l'informatique et le génie électrique étaient autrefois considérés comme une seule discipline. L'un ne fonctionne pas sans l'autre. Dans la pratique opérationnelle, cependant, cela a cessé d'être le cas depuis longtemps : l'électronique, c'est-à-dire les dispositifs physiques à travers lesquels l'électricité circule et entraîne des réactions prévisibles dans les circuits électriques, est maintenant développée et considérée séparément du logiciel, la logique selon laquelle ces circuits sont programmés. Un degré de standardisation toujours plus élevé dans l'interface entre les deux domaines garantit la compatibilité, mais accroît encore la séparation des deux domaines. Tant que le logiciel peut être "rapproché" de la machine au moyen de traductions standard, le développeur de logiciel n'a guère à se préoccuper de la façon dont le matériel est réellement construit. L'ingénieur électricien se soucie tout aussi peu de l'efficacité avec laquelle le logiciel est finalement écrit pour son composant.

L'écart entre le monde physique et le monde numérique se réduit

La séparation entre les technologies de l'information et l'ingénierie électrique est particulièrement évidente dans le secteur de l'énergie. La production et le transport de l'électricité ne sont que des processus physiques et, en dehors de l'énergie d'équilibrage, l'électricité est produite et transportée chaque fois que cela est possible : s'arrêter lorsque l'eau de la centrale au fil de l'eau coule, lorsque le soleil brille, que le vent souffle et que les neutrons fendent l'uranium. En même temps, les processus physiques sont surveillés à l'aide de capteurs et de compteurs et évalués dans des systèmes très spécifiques, mais principalement pour répondre à des questions de nature financière : Quel montant peut être facturé à l'utilisateur final ? Mes coûts de revient sont-ils inférieurs au prix du marché ? Dois-je acheter des certificats de CO2 ? Ce n'est que très rarement (et alors seulement localement, par exemple dans la régulation d'un cycle de l'eau) que les données recueillies, c'est-à-dire le monde de l'informatique, ont une influence sur le monde physique de l'électrotechnique et de la thermodynamique. Les boucles de rétroaction sont pratiquement inexistantes. Les données, si elles ne sont pas utilisées à des fins financières, doivent au mieux être comprises comme une base pour la prise de décision par les acteurs humains. De plus, en raison d'un degré élevé de spécialisation, les systèmes d'information sont non seulement séparés du monde physique, mais aussi les uns des autres. Ce fait s'applique non seulement au réseau électrique, mais aussi à tous les réseaux d'approvisionnement. Les réseaux de gaz, d'eau et de chauffage ne sont également exploités que de manière isolée et les opérations techniques ne sont guère influencées par les logiciels et les technologies de l'information. Cette situation va changer à moyen terme : les capacités de production, l'augmentation des nouvelles énergies renouvelables difficiles à planifier et l'émergence de l'électromobilité sont les moteurs généraux des systèmes dans lesquels les données influencent la façon dont les systèmes physiques sont contrôlés et conduisent donc à des boucles de rétroaction. Le monde des technologies de l'information et celui de l'électrotechnique se rapprochent lentement. Mais l'un des moteurs les plus puissants de cette convergence est encore peu connu et peu discuté : la convergence des réseaux entre l'électricité et le gaz.

L'interface entre les réseaux

La technologie "Power-to-Gas" se situe entre les réseaux électriques et gaziers et intègre donc un certain nombre d'autres technologies existantes dans le système global.

En fait, les réseaux électriques et gaziers sont depuis longtemps reliés par des centrales à gaz. Cependant, cette connexion a été jusqu'à présent assez facile à comprendre et à gérer sans grands systèmes d'information interconnectés. Les centrales électriques au gaz étant relativement élevées dans l'ordre de mérite, les prix du gaz n'ont que peu d'influence sur ceux de l'électricité. La décision d'exploiter une centrale électrique au gaz ne dépend en fait que de la différence de prix actuelle entre l'électricité et le gaz et n'est donc pas un système particulièrement complexe. L'avènement des technologies de conversion de l'énergie en gaz complique toutefois considérablement la situation. Le Power-to-Gas est le nom donné à une série de processus, dont chacun commence par la séparation de l'eau en hydrogène et en oxygène par électrolyse. L'énergie électrique est ainsi transformée en énergie chimique (sous forme d'hydrogène). L'hydrogène peut alors être stocké (appelé "power-to-hydrogen") et être ensuite reconverti en électricité au moyen d'une pile à combustible - ou transformé en méthane avec une augmentation du dioxyde de carbone (appelé "power-to-methane"). Le diagramme montre comment la technologie est directement intégrée à l'interface entre les réseaux d'électricité et de gaz, et comment elle intègre toute une série d'autres technologies dans la connexion entre les deux réseaux. Avec l'hydrogène et le dioxyde de carbone, deux autres flux de matières sont ajoutés. Le CO2 peut provenir de centrales à bois et de centrales de cogénération, ce qui signifie que la chaleur produite par ces dernières peut également être prise en compte dans le système global. La conversion de l'électricité en gaz ne peut pas encore être exploitée de manière rentable, mais en raison de l'augmentation des générations non planifiées, de la hausse des prix des certificats de CO2 et du manque d'installations de stockage à moyen terme, on peut supposer que cette technologie apportera une contribution majeure à l'approvisionnement à l'avenir.

La convergence réelle des réseaux

Comment le bilan climatique d'une centrale électrique au gaz change-t-il si une proportion importante du gaz provient de la méthanisation ? Quelle est l'efficacité de la centrale électrique compte tenu de la longueur de la chaîne d'approvisionnement ? Est-il utile pour le moment de charger une batterie avec le surplus d'électricité ou serait-il préférable de l'utiliser pour produire de l'hydrogène pour le stockage à moyen terme ? Est-il plus écologique de chauffer une maison avec une pompe à chaleur ou avec la chaleur du réseau local de chauffage urbain ? Les bonnes réponses à ces questions ne sont plus statiques. Par exemple, l'impact écologique d'un mètre cube de méthane dépend du fournisseur actuel, et la meilleure façon de gérer financièrement un kilowattheure excédentaire change plusieurs fois au cours d'une journée. Dans un système aussi complexe, il est logique que certaines de ces décisions ne soient plus prises par des personnes. Le système ne peut être géré efficacement que par une technologie de capteurs qui va bien au-delà des systèmes actuels. Où les signaux représentent non seulement la base des décisions, mais aussi "la vérité" en soi, déclenchant ainsi des boucles de rétroaction automatiques. Le système d'information devient un élément essentiel du réseau d'approvisionnement : L'informatique et le génie électrique sont à nouveau inextricablement liés. Les réseaux d'électricité, de gaz et de chauffage sont connectés et interdépendants, contrôlés par des systèmes d'information superposés qui communiquent entre eux et combinent les données de production, de consommation et de système pour assurer un fonctionnement optimal. Cette fusion des frontières du système entre les disciplines (génie électrique et technologies de l'information) et les sources d'énergie constitue la véritable convergence des réseaux. Avec l'utilisation croissante des technologies de connexion, il devient inutile de parler de "marché de l'électricité" ou de "marché du gaz". Ces termes sont de plus en plus remplacés par le "marché de l'énergie". La conséquence est qu'aujourd'hui encore, l'énergie ne peut être pensée que de manière interdisciplinaire. Cela vaut tant pour les solutions techniques que pour les décisions politiques dans le secteur de l'énergie. La réalité physique, le génie électrique et les technologies de l'information travaillent main dans la main et sont difficiles à séparer. Peut-être qu'à un moment donné dans l'avenir, l'ingénierie électrique et les technologies de l'information seront enseignées comme une seule discipline, "l'énergie", avec l'économie de l'énergie et la thermodynamique au niveau universitaire. Nous en sommes encore loin : mais il est clair que le raisonnement en silos va bientôt disparaître dans l'industrie.    
 
Source de l'image : pixelio.de https://www.pixelio.de/media/140107 / Auteur de l'image (Henrik G. Vogel)

 
 
Auteur :  Tobias Mohrhauer, responsable de l'innovation et des produits

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