Johanna Mathieu, University of Michigan
Avec l’arrivée de l’été, les gens allument leurs climatiseurs dans la plupart des États-Unis. Les générations précédentes se débrouillaient sans climatisation – en ai-je vraiment besoin ? Et quel mal y a-t-il à utiliser toute cette électricité pour la climatisation dans un monde qui se réchauffe ?
Si je laisse mon climatiseur éteint, j’ai trop chaud. Mais si tout le monde allume son climatiseur en même temps, la demande d’électricité monte en flèche, ce qui peut obliger les opérateurs de réseaux électriques à activer certaines des centrales électriques les plus chères et les plus polluantes. Parfois, ces pics peuvent demander trop d’efforts au réseau et entraîner des coupures de courant ou des pannes d’électricité.
Une recherche I récemment publiée avec une équipe de chercheurs me rassure un peu, cependant. Nous avons découvert qu’il est possible de coordonner le fonctionnement d’un grand nombre de climatiseurs domestiques, en équilibrant l’offre et la demande sur le réseau électrique – et sans obliger les gens à supporter des températures élevées à l’intérieur de leur maison.
Des études de ce type, utilisant le contrôle à distance des climatiseurs pour soutenir le réseau, ont pendant de nombreuses années exploré des possibilités théoriques comme celle-ci. Cependant, peu d’approches ont été démontrées dans la pratique, et jamais pour une application d’une telle valeur et à une telle échelle. Le système que nous avons mis au point a non seulement démontré qu’il était possible d’équilibrer le réseau à l’échelle de quelques secondes, mais aussi qu’il était possible de le faire sans nuire au confort des habitants.
Les avantages comprennent l’augmentation de la fiabilité du réseau électrique, ce qui facilite l’acceptation d’une plus grande quantité d’énergie renouvelable. Notre objectif est de transformer les climatiseurs, qui représentent un défi pour le réseau électrique, en un atout, en favorisant l’abandon des combustibles fossiles au profit d’une énergie plus propre.
Equipement réglable
Mes recherches portent sur les batteries, les panneaux solaires et les équipements électriques – tels que les véhicules électriques, les chauffe-eau, les climatiseurs et les pompes à chaleur – qui peuvent s’ajuster pour consommer différentes quantités d’énergie à différents moments.
A l’origine, le réseau électrique américain a été construit pour transporter l’électricité des grandes centrales électriques vers les maisons et les entreprises des clients. À l’origine, les centrales électriques étaient de grandes exploitations centralisées qui brûlaient du charbon ou du gaz naturel, ou qui récoltaient de l’énergie à partir de réactions nucléaires. Ces centrales étaient généralement disponibles en permanence et pouvaient ajuster la quantité d’électricité qu’elles produisaient en fonction de la demande des clients, de sorte que le réseau était équilibré entre l’électricité provenant des producteurs et celle utilisée par les consommateurs.
Mais le réseau a changé. Il y a plus de sources d’énergie renouvelables, à partir desquelles l’électricité n’est pas toujours disponible – comme les panneaux solaires la nuit ou les turbines éoliennes par temps calme. Et il y a les appareils et les équipements que j’étudie. Ces nouvelles options, appelées « ressources énergétiques distribuées », produisent ou stockent de l’énergie à proximité de l’endroit où les consommateurs en ont besoin – ou ajustent la quantité d’énergie qu’ils utilisent en temps réel.
Un aspect du réseau n’a cependant pas changé : Il n’y a pas beaucoup de stockage dans le système. Ainsi, chaque fois que vous allumez une lumière, il n’y a pas assez d’électricité pour alimenter tout ce qui en a besoin à ce moment-là : Le réseau a besoin d’un producteur d’électricité pour produire un peu plus d’énergie. Et lorsque vous éteignez une lumière, il y a un peu trop d’électricité : Un producteur d’électricité doit réduire sa production..
Les centrales électriques savent quels ajustements de puissance en temps réel sont nécessaires en surveillant de près la fréquence du réseau. L’objectif est de fournir de l’électricité à une fréquence constante – 60 hertz – à tout moment. Si les besoins en électricité sont supérieurs à la production, la fréquence baisse et la centrale électrique augmente sa production. S’il y a trop d’électricité produite, la fréquence augmente et la centrale électrique ralentit légèrement sa production. Ces actions, appelées « régulation de la fréquence », se produisent en quelques secondes pour maintenir l’équilibre du réseau.
Cette flexibilité de la production, principalement des centrales électriques, est essentielle pour que tout le monde puisse continuer à avoir de l’électricité.
Trouver de nouvelles options
Je m’intéresse à la manière dont les ressources énergétiques distribuées peuvent améliorer la flexibilité du réseau. Elles peuvent produire plus d’énergie, ou en consommer moins, pour répondre à l’évolution de l’offre ou de la demande, et contribuer à équilibrer le réseau, en veillant à ce que la fréquence reste proche de 60 hertz.
Certaines personnes craignent que cela ne soit invasif, en donnant à quelqu’un en dehors de votre domicile la possibilité de contrôler votre batterie ou votre climatiseur. Nous avons donc voulu voir si nous pouvions contribuer à équilibrer le réseau en régulant la fréquence à l’aide de climatiseurs domestiques plutôt que de centrales électriques – sans affecter la façon dont les habitants utilisent leurs appareils ou le confort qu’ils ressentent dans leur maison.
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De 2019 à 2023, mon groupe à l’université du Michigan a essayé cette approche, en collaboration avec des chercheurs de Pecan Street Inc, du Los Alamos National Laboratory et de l’université de Californie à Berkeley, grâce à un financement du ministère américain de l’énergie Advanced Research Projects Agency-Energy.
Nous avons recruté 100 propriétaires à Austin, au Texas, pour tester notre système en conditions réelles. Toutes les maisons étaient équipées de systèmes de refroidissement à air pulsé, que nous avons connectés à des tableaux de commande et à des capteurs personnalisés que les propriétaires nous ont permis d’installer chez eux. Cet équipement nous a permis d’envoyer des instructions aux climatiseurs en fonction de la fréquence du réseau.
Avant d’expliquer le fonctionnement du système, je dois d’abord expliquer comment fonctionnent les thermostats. Lorsque l’on règle un thermostat, on choisit une température, et le thermostat allume et éteint le compresseur de l’air conditionné pour maintenir la température de l’air dans une petite fourchette autour de ce point de consigne. Si la température est réglée à 68 degrés, le thermostat allume le climatiseur lorsque la température est, disons, de 70 degrés, et l’éteint lorsqu’elle est redescendue à, disons, 66 degrés.
Toutes les quelques secondes, notre système modifiait légèrement le moment de la commutation du compresseur de climatisation pour certains des 100 climatiseurs, ce qui entraînait une modification de la consommation d’énergie globale des unités. Ainsi, notre petit groupe de climatiseurs domestiques réagissait aux changements du réseau comme le ferait une centrale électrique, en consommant plus ou moins d’énergie pour équilibrer le réseau et maintenir la fréquence à près de 60 hertz.
En outre, notre système a été conçu pour maintenir les températures domestiques dans la même petite plage de température autour du point de consigne.
Tester l’approche
Nous avons effectué quatre tests, d’une durée d’une heure chacun. Nous avons obtenu deux résultats encourageants.
Premièrement, les climatiseurs ont pu faire de la régulation de fréquence au moins aussi précisément qu’une centrale électrique traditionnelle. Nous avons donc montré que les climatiseurs pouvaient jouer un rôle important dans l’amélioration de la flexibilité du réseau. Mais ce qui est peut-être plus important encore – du moins pour encourager les gens à participer à ce type de systèmes – c’est que nous avons constaté que nous pouvions le faire sans affecter le confort des gens dans leur maison.
Nous avons constaté que les températures domestiques ne s’écartaient pas de plus de 1,6 Fahrenheit de leur point de consigne. Les propriétaires étaient autorisés à passer outre les commandes en cas d’inconfort, mais la plupart d’entre eux ne l’ont pas fait. Pour la plupart des tests, nous n’avons reçu aucune demande de dérogation. Dans le pire des cas, nous avons reçu des demandes de dérogation de la part de deux des 100 foyers de notre test.
En pratique, ce type de technologie pourrait être ajouté aux thermostats connectés à l’internet disponibles dans le commerce. En échange de crédits sur leurs factures d’énergie, les utilisateurs pourraient choisir d’adhérer à un service géré par la société de thermostats, leur fournisseur d’électricité ou un autre tiers.
Les gens pourraient alors allumer l’air conditionné pendant la chaleur de l’été sans se sentir coupables, sachant qu’ils contribuent à rendre le réseau plus fiable et plus apte à accueillir les sources d’énergie renouvelables – sans sacrifier leur propre confort dans le processus.
Johanna Mathieu, Associate Professor of Electrical Engineering & Computer Science, University of Michigan
Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’ article original.
