Vers une transition énergetique intelligente

Les nouvelles technologies accompagnent la transition vers une production énergétique plus "propre" et vers une consommation plus responsable. Des équipes de recherche engagées dans le projet "Smart Campus" développent à ce titre leur expertise dans le traitement des signaux, l'ingénierie des capteurs, la modélisation ou l'économie comportementale.

Le Costa Rica a produit suffisamment d’énergie non polluante pour fonctionner en autonomie 75 jours d’affilée, début 2015. La Chine, elle, vit au contraire des périodes « d’airpocalypse », terme désormais employé pour décrire les pics de pollution record enregistrés à Pékin. Pourquoi, alors que la technologie semble mature, dans la majeure partie des grands pays industrialisés, la « révolution verte » semble toujours devoir se cantonner à un temps futur ? En partie, parce que réussir sa transition énergétique nécessite des ajustements insoupçonnés du consommateur. Si l’insuffisance d’incitations financières, les barrières idéologiques et les freins économiques jouent leur rôle, ils n’expliquent pas tout. Il ne suffit pas d’installer des éoliennes et des cellules photovoltaïques pour changer de modèle de production énergétique.

« Il faut pouvoir intégrer efficacement ces unités de production au réseau », explique le Pr. Georges Kariniotakis, directeur de recherches au Centre Procédés, Énergies renouvelables et Systèmes énergétiques (PERSEE) de MINES Paris Tech. Il faut en quelque sorte lui ajouter une « couche d’intelligence », le rendre plus souple et plus dynamique, améliorer sa capacité d’adaptation. C’est pourquoi les spécialistes et les médias parlent désormais de « réseaux intelligents » ou de « smart grids » pour des villes, des quartiers voire des campus. En juin 2015, Université Côte d’Azur a ainsi obtenu, avec Saclay, Grenoble et Lille le label « Smart campus». Les quatre sites forment, depuis, un « méta campus » avec chacun ses spécificités. Néanmoins, dans la quête vers un futur plus vertueux, les chercheurs bûchent sur l’intégration des énergies renouvelables depuis des années.

Un de leurs défis a d’abord consisté à mettre au point des capteurs, autrement dit des objets capables de transmettre des informations en vrac et en continu, relatives à la consommation, mais également à la production ou même à… la météo. Ce type de projet a valu à Gilles Jacquemod, Professeur à Polytech Nice Sophia, le trophée de la recherche publique Energie-Environnement-Climat 2015. Avec le programme CoCoE (Contrôle de la Consommation Electrique), le chercheur souhaitait élaborer un appareil efficace pour évaluer la consommation électrique d’une façon assez fine, c’est-à-dire avec suffisamment de détails.

Une information fine pour des consommateurs éclairés

« La technologie, développée, en partenariat avec la société Qualisteo, consiste à placer un seul capteur sur l’arrivée électrique d’un bâtiment. Ensuite, au moyen d’algorithmes de retraitement du signal, on va pouvoir analyser chaque transaction enregistrée. On connaîtra la fréquence d’allumage d’un appareil, la vitesse de fonctionnement d’un autre etc. Tout cela laisse une signature spécifique », explique-t-il. Les capteurs génèrent ainsi un nuage de données, qu’il faut stocker, éventuellement sécuriser (cf dernier paragraphe) et surtout traiter pour les rendre pertinentes. Ensuite, il peut y avoir un retour d’informations directement sur le consommateur et/ou sur l’opérateur électrique.

Pendant un an, une trentaine de citoyens de la ville de Biot ont par exemple pu se connecter à une plate-forme numérique où figuraient en temps réel des éléments sur leur consommation. Cette expérimentation était pilotée par Nathalie Lazaric, directrice de recherche au GREDEG et alors chef du projet TICELEC (Technologies de l’Information pour une Consommation Electrique responsable). « Les volontaires pouvaient comprendre, à l’intérieur d’une pièce, quelles étaient les sources « défaillantes » en énergie. Comme un téléphone ou une cafetière électrique. Ils ont souvent été confrontés à des problèmes de vétusté, de maintenance ou de méconnaissance vis à vis de la consommation d’un appareil », commente la chercheuse. En moyenne, à l’issue du programme, les habitants concernés ont réduit leur demande énergétique de 20 à 23%.

« C’était la première fois que l’on avait une évaluation quantitative de ces technologies et une publication académique sur les capteurs intelligents en France », souligne Nathalie Lazaric. « Ce travail a permis de combler l’ignorance d’un échantillon de consommateurs vis à vis d’une énergie invisible : l’électricité », analyse-t-elle. La chercheuse s’apprête maintenant à poursuivre ses travaux sur le territoire sophipolitain du smart campus français. Les bâtiments et le réseau électrique du campus Polytech et plus tard de l’Eco campus de la Plaine du Var vont en effet se voir équipés de capteurs intelligents. À terme, des panneaux photovoltaïques intégreront également le paysage. Ceci permettra par exemple de soutenir la formation des Masters orientés sur les énergies renouvelables et sur les systèmes intelligents. L’enjeu consiste également à développer des partenariats avec les entreprises locales spécialisées dans les services et d’encourager l’implantation de start’up. Côté recherche, se dessine un vaste terrain d’expérimentations.

Intégrer les énergies renouvelables au réseau

Nathalie Lazaric a initié un projet de collaboration avec Skema Business School, le programme SMARTENERGY. Cette fois, elle étudiera la dynamique comportementale d’une génération particulière d’individus dans une résidence d’étudiants. Ces derniers vont co-concevoir avec la société GridPocket un jeu, disponible sous forme d’application pour smartphone. L’objectif consiste ici à vérifier si ce genre d’engagement permet de sensibiliser un consommateur qui, souvent, ne paie pas lui-même ses factures. « Nous aurons aussi à repérer les leaders, les faiseurs d’opinion, des individus clés pour les politiques d’innovation », souligne la directrice de recherche du GREDEG. « Nous passerons ainsi de la dynamique comportementale au réseau social », remarque-t-elle.

Mais pour amorcer une véritable transition énergétique, en plus de réduire la consommation, il s’avère incontournable d’augmenter l’intégration des énergies renouvelables au réseau existant. Depuis les années 90, Georges Kariniotakis travaille sur les problématiques liées à la prédictibilité de la production des centrales renouvelables, avec des pays comme l’Espagne ou le Danemark. Car si on sait transformer un courant marin, du vent ou de la lumière en électricité, il demeure délicat d’anticiper les conditions météorologiques, donc les quantités d’énergie ainsi produites. Selon les cas de figures, il faudrait ainsi être en mesure de jouer sur le nombre d’unités de production en activité, sur leur nature et de garder en option une réserve d’énergie « classique » disponible.

« Pour pouvoir prendre des décisions de façon dynamique, nous élaborons des modèles dans lesquelles nous combinons les prévisions météorologiques à grande échelle avec des mesures récupérées sur les fermes éoliennes ou photovoltaïques. Nous obtenons alors une prévision sur un horizon temporel et avec un certain degré d’incertitude », précise Georges Kariniotakis. Ces travaux ont été amorcés dans les années 90. Il existe donc aujourd’hui des solutions opérationnelles, utilisées par les différents acteurs (gestionnaires des réseaux, operateurs des centrales à énergie renouvelable etc.). Toutefois, les travaux de recherche continuent d’une manière intensive, afin notamment d’améliorer la prédictibilité de la production, en particulier dans le cas des situations dites « extrêmes ». Il s’agit de cas de figure où d’importantes erreurs de prévision sont susceptibles de perturber la mise en œuvre du système électrique. Quand le smart campus commencera à générer des données, à l’horizon 2017, des nouvelles approches de prévision de production photovoltaïque devraient se développer. « Toutefois, les projets de recherche exploiteront également les données produites ailleurs sur le méta campus français », souligne Georges Kariniotakis.

L’épineuse question du chiffrement des données

Interrogé sur la sécurité des données véhiculées le long des smart grids, le Professeur Bruno Martin, directeur du département d’informatique à l’Université Nice Sophia Antipolis et chercheur au laboratoire I3S, estime que cette question soulève un ensemble de problèmes relativement compliqués à traiter. Pour commencer, assurer une sécurité sur un nuage de données coûte de l’énergie… Ensuite, explique-t-il, cette opération ne se résume pas à brouiller certaines informations. « Il faut assurer de la confidentialité sur ce qui a été transmis puis stocké et sur ce qui est alors disponible. Il faut aussi garantir l’intégrité de l’information, c’est-à-dire ne pas la modifier. Elle doit correspondre à quelque chose de pertinent. Enfin, simultanément, il faudrait conserver une traçabilité de l’information », énumère-t-il. Les usages associés aux nuages de données relativisent toutefois grandement le recours à la notion de respect de la vie privée.

« Dans tous les cas, les informations captées sont traitées chez l’opérateur par des programmes informatiques », explique Bruno Martin. Elles « retournent » ensuite à qui peut en avoir besoin sur une interface de type tableau de bord. « Quand il s’agit d’une application numérique, il n’existe pas forcément de copie ailleurs », souligne le chercheur. « Mais dans tous les cas, même si des données étaient jugées « sensibles », il serait difficile d’assurer un niveau de sécurité élevé », prévient-il. Assurer la confidentialité consiste à chiffrer l’information sous forme d’une suite de valeurs, accessible au moyen d’une clé secrète, connue seulement de l’émetteur et du récepteur. « Mettre au point ce genre de procédé nécessite des collaborations de plus en plus fréquentes entre informaticiens, mathématiciens et microélectriciens, surtout pour des capteurs comme ceux utilisés dans les smart grids », révèle Bruno Martin. Néanmoins, il demeure impossible d’assurer une sécurité absolue, inconditionnelle et infinie. « Par exemple, chaque fois qu’on change le système de chiffrement, on ajoute quelque chose de nouveau et donc on introduit des failles », termine le spécialiste.

Laurie CHIARA