Un système énergétique intelligent valorise les déchets et les véhicules électriques
La transition vers des villes plus durables et plus intelligentes exige une refonte fondamentale de la manière dont nous produisons, distribuons et consommons l’énergie. L’ère des systèmes énergétiques isolés, où l’électricité, la chaleur et le froid sont gérés séparément, appartient au passé. L’avenir réside dans l’intégration, la synergie et la circularité. C’est précisément ce que propose une étude pionnière menée par une équipe de chercheurs de l’Université du Guangxi, qui a mis au point un modèle révolutionnaire de Système d’Énergie Intégré Régional (RIES). Ce modèle, conçu par Li Jiyong, Song Zihan et Liu Bin de l’École de Génie Électrique, transforme deux défis urbains majeurs – la gestion des déchets et la mobilité électrique – en des piliers d’un réseau énergétique plus efficace, plus économique et plus résilient.
L’approche traditionnelle de la gestion énergétique est marquée par des silos. L’électricité est produite dans des centrales, souvent à partir de combustibles fossiles, tandis que le chauffage des bâtiments peut provenir de chaudières au gaz ou de pompes à chaleur. Le froid, quant à lui, est généré par des climatiseurs alimentés en électricité. Cette fragmentation conduit à des pertes massives d’énergie, notamment sous forme de chaleur résiduelle, qui est simplement rejetée dans l’environnement. Le concept de RIES vise à briser ces barrières en créant un écosystème énergétique unifié, où les différentes formes d’énergie sont produites, converties, stockées et consommées de manière coordonnée. Le modèle de l’Université du Guangxi va encore plus loin en intégrant deux composants souvent négligés mais extrêmement puissants : la valorisation énergétique des déchets municipaux et les véhicules électriques comme ressources de stockage d’énergie distribuée.
Le premier pilier de ce système innovant est la centrale de valorisation énergétique des déchets. Plutôt que de voir les ordures ménagères comme un problème de gestion et un fardeau environnemental, cette centrale les considère comme une ressource précieuse. Le processus de combustion des déchets solides génère une quantité colossale de chaleur. Traditionnellement, cette chaleur est utilisée pour le chauffage urbain (cogénération). Le modèle de recherche, cependant, exploite pleinement ce potentiel en utilisant cette chaleur non seulement pour chauffer, mais aussi pour produire de l’électricité via des turbines à vapeur. Cette approche en cascade maximise la valeur énergétique extraite d’un flux de déchets inévitable. La centrale de valorisation énergétique devient ainsi un générateur de base fiable, alimenté par une source d’énergie constante – les déchets de la ville – qui réduit considérablement la dépendance du réseau électrique principal et transforme un coût opérationnel en une source de revenus énergétiques.
Le deuxième composant révolutionnaire est la flotte de véhicules électriques (VE). Le modèle les perçoit non pas comme de simples consommateurs d’électricité, mais comme une gigantesque batterie mobile et distribuée, capable d’interagir activement avec le réseau. La technologie du Véhicule vers le Réseau (V2G) est le catalyseur de cette transformation. Elle permet aux véhicules non seulement de puiser de l’énergie dans le réseau pour se recharger, mais aussi de la restituer au réseau lorsqu’elle est nécessaire. Ce changement de paradigme transforme le propriétaire d’un VE d’un simple consommateur passif en un « prosumer » actif, un acteur clé dans la gestion du réseau. Pendant les heures creuses, généralement la nuit, lorsque la demande est faible et que les prix de l’électricité sont au plus bas, le système RIES privilégie la recharge des véhicules électriques. Cette stratégie permet de stocker l’énergie excédentaire, notamment celle produite par les panneaux solaires photovoltaïques pendant la journée, évitant ainsi son gaspillage par « curtailment » et optimisant l’utilisation des sources d’énergie renouvelables.
La véritable puissance de ce système se manifeste pendant les périodes de pointe. Lorsque la demande d’électricité atteint son maximum, typiquement en fin de matinée et en début de soirée, les prix sur le réseau principal grimpent en flèche. Au lieu d’acheter de l’électricité coûteuse à ces moments-là, le système RIES peut puiser dans l’énergie stockée dans les batteries des véhicules électriques. Les véhicules, connectés via des bornes de recharge bidirectionnelles, se déchargent de manière contrôlée, injectant de l’électricité dans le réseau local. Ce processus, connu sous le nom de « lissage des pics » ou « peak shaving », a un effet de nivellement sur la courbe de charge. Il réduit la nécessité d’activer des centrales électriques de pointe, souvent alimentées par du gaz naturel, qui sont moins efficaces, plus polluantes et plus coûteuses à exploiter. Le résultat est un réseau plus stable, plus économique et avec une empreinte carbone nettement réduite. Pour inciter les utilisateurs à participer, le modèle propose un mécanisme de compensation financière, payant aux propriétaires de véhicules électriques une somme pour chaque kilowattheure d’énergie qu’ils fournissent au réseau, créant ainsi un bénéfice mutuel.
La gestion de la complexité de ce système interconnecté repose sur un modèle d’optimisation sophistiqué. L’objectif principal était de minimiser le coût total d’exploitation du système sur une période de 24 heures. Ce coût total est une somme composée de plusieurs éléments : la dépense liée à l’achat d’électricité sur le réseau principal, le coût du gaz naturel consommé par les unités de cogénération (CHP), et les coûts associés à la recharge des véhicules électriques. De ce total, on soustrait les revenus générés par la vente d’électricité produite par la valorisation énergétique des déchets et par l’énergie injectée par les véhicules électriques. Pour trouver la stratégie opérationnelle qui minimise ce coût total tout en respectant un ensemble de contraintes techniques et pratiques, l’équipe a utilisé un algorithme d’optimisation par essaim de particules (PSO) amélioré. Inspiré du comportement collectif des bancs de poissons ou des vols d’oiseaux, cet algorithme intelligent explore un vaste espace de solutions possibles. Il ajuste continuellement la « position » et la « vitesse » de chaque « particule » (représentant une stratégie d’exploitation possible) pour converger vers la solution optimale globale, qui correspond au coût minimum du système.
Les simulations, réalisées à l’aide du langage de programmation Python, se sont appuyées sur des profils de charge réalistes pour un district urbain pendant la saison estivale. Les résultats ont été probants. Le modèle a démontré que la coordination optimale entre la centrale de valorisation énergétique et la flotte de véhicules électriques réduit de manière significative la dépendance du système au réseau électrique externe. Pendant la nuit, le système se fournit principalement à partir de sa propre génération locale, utilisant l’électricité provenant de la centrale à déchets et de l’excédent de production photovoltaïque pour recharger les véhicules électriques. Cela n’est pas seulement plus économique, mais cela allège également la charge sur le réseau principal pendant ses périodes de moindre stress.
L’analyse a également révélé une efficacité remarquable dans la gestion thermique. Le système exploite pleinement le principe de la « cascade énergétique », utilisant la chaleur de haute qualité d’abord pour produire de l’électricité dans les unités CHP, puis exploitant la chaleur résiduelle pour répondre aux besoins de chauffage ou, de façon cruciale, pour produire du froid via des machines de réfrigération par absorption. Cette approche est particulièrement efficace en été, lorsque la demande de climatisation est élevée. Au lieu d’utiliser de l’électricité coûteuse pour alimenter des compresseurs, le système utilise la chaleur résiduelle (provenant de la cogénération ou de la valorisation des déchets) pour produire du froid. Ce transfert intelligent entre chaleur et froid maximise la valeur extraite de chaque unité d’énergie primaire et réduit drastiquement la consommation d’électricité pour la climatisation.
L’un des résultats les plus frappants de l’étude a été la relation directe entre l’échelle de la flotte de véhicules électriques et la rentabilité du système. Les chercheurs ont mené des scénarios de simulation en faisant varier la capacité de recharge de la flotte de VE. Les résultats ont montré une tendance claire : plus la capacité de stockage de la flotte de véhicules électriques est grande, plus les coûts totaux du système sont bas. Avec une capacité de recharge maximale de 5 MW, le coût total était de 45,53 millions de yuans. En augmentant cette capacité à 25 MW, le coût total est tombé à 34,01 millions de yuans. Cette réduction substantielle est attribuée principalement à la capacité du système à couvrir la demande de pointe en utilisant l’énergie stockée dans les batteries des véhicules, évitant ainsi d’avoir à acheter de l’électricité coûteuse sur le réseau ou de brûler de grandes quantités de gaz naturel dans des centrales de production de pointe.
La recherche souligne l’importance critique des mécanismes d’incitation. Pour que ce modèle fonctionne, il est essentiel qu’un nombre suffisant de propriétaires de véhicules électriques soient disposés à participer au programme V2G. Le modèle propose une compensation de 0,4 yuan par kilowattheure (kWh) d’électricité injectée dans le réseau. Cet incitant économique est le catalyseur qui transforme la technologie V2G d’une possibilité technique en une réalité pratique, en alignant les intérêts individuels des utilisateurs sur les objectifs collectifs d’efficacité et de durabilité du système.
Les implications de ce travail vont bien au-delà du domaine de l’ingénierie. Il offre une vision des villes du futur où les déchets ne sont plus un fardeau, mais une source d’énergie, et où les automobiles sont bien plus qu’un moyen de transport ; elles sont des nœuds actifs dans un réseau énergétique intelligent. Ce changement de paradigme exige une collaboration sans précédent entre différents secteurs : les fournisseurs d’énergie, les autorités de gestion des déchets, les urbanistes et les fabricants d’automobiles. Une infrastructure de recharge bidirectionnelle est nécessaire, des politiques réglementaires qui encouragent la participation doivent être mises en place, et un cadre de marché doit être établi pour valoriser correctement les services de flexibilité fournis par les véhicules électriques.
Le travail de Li Jiyong, Song Zihan et Liu Bin de l’École de Génie Électrique de l’Université du Guangxi représente une contribution fondamentale à ce domaine émergent. Il ne fournit pas seulement une base théorique solide, mais offre également des preuves empiriques convaincantes que l’intégration intelligente de la valorisation des déchets et de la mobilité électrique est une stratégie viable et économiquement attrayante pour le développement urbain durable. Leur modèle sert de feuille de route pour la planification et l’exploitation de futures réseaux énergétiques urbains, qui seront non seulement plus efficaces, mais aussi plus résilients et respectueux de l’environnement. Alors que l’urbanisation s’accélère et que la pression pour réduire les émissions de gaz à effet de serre s’intensifie, l’approche intégrée présentée par cette équipe de recherche deviendra un outil indispensable pour construire un avenir énergétique durable.
Li Jiyong, Song Zihan, Liu Bin, École de Génie Électrique, Université du Guangxi, publié dans une revue leader en énergie, DOI: 10.19753/j.issn1001-1390.2024.04.016