Des panneaux sur les toits, des chargeurs de véhicules électriques et des thermostats intelligents pourraient contribuer à renforcer la résilience du réseau électrique
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Les ingénieurs du MIT proposent un nouveau « marché local de l'électricité » pour exploiter le potentiel énergétique des appareils connectés au réseau des propriétaires.
Un exemple des différents types d’appareils IoT, des objets physiques contenant des capteurs et des logiciels qui se connectent à Internet, qui sont coordonnés pour augmenter la résilience du réseau électrique.
Une nouvelle étude montre qu'il existe un énorme potentiel inexploité dans nos maisons et nos véhicules qui pourrait être exploité pour renforcer les réseaux électriques locaux et les rendre plus résistants aux pannes imprévues.
En réponse à une cyberattaque ou à une catastrophe naturelle, un réseau de secours composé d’appareils décentralisés – tels que des panneaux solaires résidentiels, des batteries, des véhicules électriques, des pompes à chaleur et des chauffe-eau – pourrait rétablir l’électricité ou soulager la pression sur le réseau, affirment les ingénieurs du MIT.
Ces dispositifs sont des ressources « en périphérie du réseau » situées à proximité du consommateur plutôt qu’à proximité des centrales électriques, des sous-stations ou des lignes de transmission. Les dispositifs en périphérie du réseau peuvent générer, stocker ou ajuster de manière indépendante leur consommation d’énergie. Dans leur étude, l’équipe de recherche montre comment ces dispositifs pourraient un jour être appelés à injecter de l’électricité dans le réseau ou à le rééquilibrer en réduisant ou en retardant leur consommation d’énergie.
Dans un article publié cette semaine dans les Proceedings of the National Academy of Sciences , les ingénieurs présentent un plan directeur sur la manière dont les dispositifs de pointe pourraient renforcer le réseau électrique par le biais d’un « marché local de l’électricité ». Les propriétaires de dispositifs de pointe pourraient s’abonner à un marché régional et prêter leur appareil pour faire partie d’un micro-réseau ou d’un réseau local de ressources énergétiques sur appel.
En cas de panne du réseau électrique principal, un algorithme développé par les chercheurs interviendrait pour chaque marché local de l'électricité afin de déterminer rapidement quels appareils du réseau sont fiables. L'algorithme identifierait ensuite la combinaison d'appareils fiables qui atténuerait le plus efficacement la panne de courant, soit en injectant de l'électricité dans le réseau, soit en réduisant la quantité d'électricité qu'ils en consomment, d'un montant que l'algorithme calculerait et communiquerait aux abonnés concernés. Les abonnés pourraient ensuite être indemnisés par le biais du marché, en fonction de leur participation.
L'équipe a illustré ce nouveau cadre à travers un certain nombre de scénarios d'attaques de réseau, dans lesquels elle a envisagé des pannes à différents niveaux d'un réseau électrique, provenant de diverses sources telles qu'une cyberattaque ou une catastrophe naturelle. En appliquant leur algorithme, ils ont montré que divers réseaux de dispositifs de périphérie de réseau étaient capables de neutraliser les différentes attaques.
Les résultats démontrent que les dispositifs de périphérie du réseau tels que les panneaux solaires sur les toits, les chargeurs de véhicules électriques, les batteries et les thermostats intelligents (pour les appareils CVC ou les pompes à chaleur) pourraient être exploités pour stabiliser le réseau électrique en cas d'attaque.
« Tous ces petits appareils peuvent contribuer à ajuster leur consommation », explique Anu Annaswamy, co-auteure de l’étude et chercheuse au département de génie mécanique du MIT. « Si nous parvenons à exploiter nos lave-vaisselle intelligents, nos panneaux de toit et nos véhicules électriques, et à mettre nos épaules à la tâche, nous pourrons vraiment avoir un réseau électrique résilient. »
Les co-auteurs de l'étude au MIT comprennent l'auteur principal Vineet Nair et John Williams, ainsi que des collaborateurs de plusieurs institutions, dont l'Indian Institute of Technology, le National Renewable Energy Laboratory et d'ailleurs.
Augmentation de puissance
L'étude de l'équipe s'inscrit dans le prolongement de leurs travaux plus vastes sur la théorie du contrôle adaptatif et la conception de systèmes capables de s'adapter automatiquement aux conditions changeantes. Anu Annaswamy, qui dirige le laboratoire de contrôle adaptatif actif du MIT, étudie les moyens d'améliorer la fiabilité des sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire.
« Ces énergies renouvelables ont une forte signature temporelle, dans la mesure où nous savons avec certitude que le soleil se couchera tous les jours, et que l’énergie solaire disparaîtra », souligne Anu Annaswamy. « Comment compenser ce manque à gagner ? »
Les chercheurs ont découvert que la réponse pourrait résider dans les nombreux appareils de pointe que les consommateurs installent de plus en plus dans leurs propres maisons.
« De nombreuses ressources énergétiques décentralisées apparaissent aujourd’hui, plus proches des clients que des grandes centrales électriques, et cela est principalement dû aux efforts individuels de décarbonation »,précise Vineet Nair. « Nous disposons donc de toutes ces capacités à la périphérie du réseau. Nous devrions certainement pouvoir les utiliser à bon escient. »
Tout en réfléchissant aux moyens de faire face aux baisses de consommation d’énergie dues au fonctionnement normal des sources renouvelables, l’équipe a également commencé à étudier d’autres causes de baisse de puissance, comme les cyberattaques. Ils se sont demandé, dans ces cas malveillants, si et comment les mêmes dispositifs de bord de réseau pourraient intervenir pour stabiliser le réseau après une attaque ciblée imprévue.
Mode d'attaque
Dans leur nouveau travail, Anu Annaswamy, Viteen Nair et leurs collègues ont développé un cadre permettant d'intégrer des dispositifs en bordure du réseau, et en particulier des dispositifs IoT (Internet des objets), de manière à soutenir le réseau plus vaste en cas d'attaque ou de perturbation. Les dispositifs IoT sont des objets physiques qui contiennent des capteurs et des logiciels qui se connectent à Internet.
Pour leur nouveau cadre, appelé EUREICA (Efficient, Ultra-REsilient, IoT-Coordinated Assets), les chercheurs partent du principe qu'un jour, la plupart des appareils en bordure du réseau seront également des appareils IoT, permettant aux panneaux de toit, aux chargeurs de véhicules électriques et aux thermostats intelligents de se connecter sans fil à un réseau plus vaste d'appareils tout aussi indépendants et distribués.
L'équipe imagine que pour une région donnée, par exemple une communauté de 1 000 foyers, il existe un certain nombre d'appareils IoT qui pourraient potentiellement être intégrés au réseau local de la région, ou microgrid. Un tel réseau serait géré par un opérateur, qui serait en mesure de communiquer avec les opérateurs d'autres microgrids à proximité.
Si le réseau électrique principal est compromis ou attaqué, les opérateurs exécuteront l'algorithme de prise de décision des chercheurs pour déterminer les appareils fiables au sein du réseau qui peuvent intervenir pour aider à atténuer l'attaque.
L'équipe a testé l'algorithme sur plusieurs scénarios, comme une cyberattaque dans laquelle tous les thermostats intelligents d'un fabricant donné seraient piratés pour augmenter simultanément leurs valeurs de consigne à un degré qui modifierait considérablement la charge énergétique d'une région et déstabiliserait le réseau. Les chercheurs ont également envisagé des attaques et des événements météorologiques qui pourraient interrompre la transmission d'énergie à différents niveaux et nœuds d'un réseau électrique.
« Dans nos attaques, nous considérons qu'entre 5 et 40 % de la puissance est perdue. Nous partons du principe que certains nœuds sont attaqués, mais que d'autres sont encore disponibles et disposent de ressources IoT, qu'il s'agisse d'une batterie avec de l'énergie disponible ou d'un dispositif de véhicule électrique ou de chauffage, ventilation et climatisation contrôlable », lance Viteen Nair. « Notre algorithme décide donc lequel de ces foyers peut intervenir pour fournir une production d'énergie supplémentaire à injecter dans le réseau ou réduire sa demande pour combler le déficit. »
Dans tous les scénarios testés, l’équipe a constaté que l’algorithme était capable de stabiliser à nouveau le réseau et d’atténuer l’attaque ou la panne de courant. Ils reconnaissent que la mise en place d’un tel réseau de dispositifs de périphérie du réseau nécessitera l’adhésion des clients, des décideurs politiques et des responsables locaux, ainsi que des innovations telles que des onduleurs avancés qui permettent aux véhicules électriques de réinjecter de l’électricité dans le réseau.
« Ce n’est que la première étape d’une longue série qui doit être franchie rapidement pour que cette idée de marchés locaux de l’électricité soit mise en œuvre et développée », déclare Anu Annaswamy. « Mais nous pensons que c’est un bon début. »
Ce travail a été soutenu, en partie, par le ministère américain de l’Énergie et la MIT Energy Initiative.