Une Stratégie de Charge Intelligente PV-DC Atteint un Taux de Satisfaction de Charge de 100 % à Pékin
Dans un progrès majeur vers l’intégration énergétique urbaine durable, une nouvelle stratégie de charge intelligente, développée par des chercheurs de l’Institut de Recherche sur l’Énergie Électrique de State Grid Beijing et de l’Université Tsinghua, a démontré son potentiel à alimenter entièrement des flottes de véhicules électriques (VE) en utilisant exclusivement de l’énergie solaire produite sur les toits. L’étude, menée dans un immeuble de bureaux à Pékin, présente une approche novatrice pour aligner la génération d’énergie photovoltaïque (PV) sur la demande de charge des véhicules électriques, éliminant ainsi la dépendance au réseau électrique externe pendant les heures de jour et améliorant considérablement l’utilisation des énergies renouvelables.
Alors que les villes du monde entier accélèrent leur transition vers la neutralité carbone, la convergence des énergies renouvelables intégrées aux bâtiments et de l’électrification des transports offre d’immenses opportunités, mais aussi des défis techniques complexes. L’énergie solaire, bien qu’abondante et propre, est intrinsèquement intermittente et atteint souvent son pic à midi, moment où la demande d’électricité dans les bâtiments commerciaux peut être modérée, tandis que la demande de charge des véhicules électriques est généralement faible. Inversement, la demande de charge des véhicules électriques augmente souvent en soirée, lorsque la production solaire a cessé, augmentant ainsi la pression sur le réseau et la dépendance aux sources d’énergie basées sur les combustibles fossiles. Ce décalage temporel a longtemps constitué une barrière critique à la maximisation des avantages environnementaux de la charge des véhicules électriques par l’énergie solaire.
L’équipe de recherche, dirigée par Yifeng Ding, Shuang Zeng, Baoqun Zhang, Liyong Wang, Chang Liu de l’Institut de Recherche sur l’Énergie Électrique de State Grid Beijing, et Zhi Fu, Ji Zhang de l’École d’Architecture de l’Université Tsinghua, a relevé ce défi grâce à une stratégie innovante de charge intelligente en courant continu (PV-DC). Leur travail, publié dans Electric Power, introduit une stratégie de charge ordonnée qui ajuste dynamiquement la puissance de charge du véhicule électrique en temps réel en fonction de la production solaire disponible et de l’état de la batterie du véhicule, atteignant des niveaux sans précédent d’autoconsommation et d’indépendance par rapport au réseau.
L’innovation centrale réside dans l’utilisation de la tension du bus en courant continu comme signal d’équilibre énergétique en temps réel. Contrairement aux systèmes de charge en courant alternatif (AC) conventionnels, qui nécessitent de multiples conversions d’énergie et fonctionnent souvent selon des horaires de charge fixes, cette architecture couplée en courant continu (DC) permet un flux d’énergie plus efficace et réactif. Le système intègre des panneaux photovoltaïques sur le toit, des convertisseurs AC/DC bidirectionnels pour l’interaction avec le réseau, les charges du bâtiment et des stations de charge intelligentes en courant continu, tous connectés à un bus en courant continu commun de 375 volts. En exploitant la tension du bus en courant continu comme paramètre de contrôle, le système crée un cadre de gestion énergétique décentralisé mais coordonné, nécessitant une infrastructure de communication minimale.
La logique de contrôle est élégamment simple mais hautement efficace. Lorsque la production solaire est abondante, la tension du bus en courant continu augmente, signalant aux stations de charge d’augmenter leur puissance de sortie. À l’inverse, lorsque la production solaire diminue en raison de la couverture nuageuse ou du coucher du soleil, la tension du bus diminue, incitant les chargeurs à réduire leur demande de puissance. Cette stratégie de contrôle basée sur la tension élimine le besoin d’algorithmes complexes de prévision ou de systèmes de contrôle centralisés, rendant la solution à la fois robuste et évolutible.
Ce qui distingue cette stratégie, c’est l’intégration de paramètres spécifiques au véhicule dans le processus de prise de décision de la charge. Le système surveille en continu l’état de charge (SoC) de chaque véhicule électrique et la puissance de charge maximale autorisée. Les véhicules ayant un SoC plus bas ont la priorité pendant les périodes de faible disponibilité solaire, garantissant que ceux qui ont le plus besoin d’énergie reçoivent un traitement préférentiel. Cette priorisation est obtenue grâce à un algorithme dynamique d’allocation de puissance qui module la courbe de charge en fonction de la tension du bus et du SoC, créant une distribution équitable et efficace de l’énergie solaire disponible entre plusieurs véhicules.
La configuration expérimentale a été déployée dans un immeuble commercial à Pékin, doté d’un système photovoltaïque de toit de 20 kilowatts crête (kWc) et de deux stations de charge intelligentes de 6,6 kilowatts. Les employés du bâtiment, principalement des travailleurs de bureau, ont été invités à brancher leurs véhicules électriques pendant la journée de travail, sous réserve que la charge soit gratuite et alimentée exclusivement par de l’énergie solaire. Ce modèle de « brancher et laisser » est particulièrement adapté aux scénarios de charge sur le lieu de travail, où les véhicules restent stationnés pendant de longues périodes, offrant un temps suffisant pour que l’énergie solaire s’accumule et charge les batteries.
Au cours de l’étude, le système a été testé dans diverses conditions météorologiques, allant de journées ensoleillées et claires à des scénarios nuageux et à faible irradiation. Lors d’une journée typiquement ensoleillée, le système photovoltaïque a généré 71,8 kilowattheures (kWh) d’électricité, avec une puissance maximale de 13,7 kW. Pendant cette période, deux véhicules électriques ont été chargés, recevant respectivement 30,6 kWh et 13,9 kWh. Crucialement, le système a atteint un taux de satisfaction de la charge de 100 %, ce qui signifie que toute l’énergie de charge provenait directement du système solaire local, sans recours au réseau externe. L’énergie solaire excédentaire, représentant 63 % de la production totale, a été exportée vers le réseau, démontrant la capacité du système non seulement à satisfaire la demande locale, mais aussi à contribuer à l’apport d’énergie propre excédentaire au réseau électrique plus large.
Même dans des conditions moins favorables, le système a fonctionné remarquablement bien. Par une journée nuageuse avec seulement 22,1 kWh de production solaire totale, la stratégie de charge intelligente a néanmoins réussi à satisfaire 100 % des besoins de charge des véhicules électriques sans puiser d’énergie sur le réseau. Le taux d’autoconsommation photovoltaïque a atteint 86 %, et lorsqu’on tient compte de la petite quantité d’énergie utilisée par les propres systèmes de contrôle, l’utilisation effective de l’énergie solaire est montée à 94 %. Cette résilience sous des conditions météorologiques variables souligne la robustesse de la stratégie de contrôle basée sur la tension, qui peut s’adapter sans heurts aux changements rapides de la production solaire.
Pour quantifier les avantages de leur approche, les chercheurs ont mené une analyse comparative à l’aide de simulations de Monte Carlo. Ils ont modélisé le même scénario de charge en utilisant une méthode traditionnelle de charge à puissance constante, où les véhicules électriques prélèvent de la puissance à leur taux nominal maximal (6,6 kW) indépendamment de la disponibilité solaire. Dans cette configuration conventionnelle, la demande de charge a créé un pic matinal significatif, forçant le système à importer jusqu’à 10,9 kW du réseau pour répondre aux exigences de puissance instantanée. Pendant ce temps, au pic de production solaire à midi, lorsque la génération était à son maximum, les véhicules électriques avaient déjà été partiellement chargés, entraînant une grande quantité d’énergie solaire non utilisée ou exportée. Le résultat a été un taux d’autoconsommation photovoltaïque de seulement 43,2 % et une puissance maximale d’exportation vers le réseau de 11,5 kW.
En contraste marqué, la stratégie de charge intelligente a atteint un taux d’autoconsommation de 61,3 %, représentant une amélioration de 42 % par rapport à la méthode traditionnelle. Plus important encore, la puissance maximale exportée vers le réseau a été réduite à seulement 5,3 kW, une diminution de 54 %. Cette réduction drastique du pic d’exportation est un bénéfice critique pour les opérateurs de réseau, car elle atténue le risque de surtension et d’instabilité dans les réseaux de distribution qui ne sont pas conçus pour gérer de grandes injections imprévisibles d’énergie solaire distribuée. En lissant à la fois les profils d’importation et d’exportation, le système améliore la stabilité du réseau et réduit le besoin de coûteuses mises à niveau de l’infrastructure.
Les implications de cette recherche vont bien au-delà d’un seul immeuble de bureaux à Pékin. Alors que les zones urbaines du monde entier font face aux défis doubles de la décarbonation des transports et de l’intégration de niveaux élevés d’énergie renouvelable, cette stratégie de charge PV-DC offre une solution pratique et évolutible. La technologie est particulièrement adaptée aux installations commerciales et industrielles, où de grands espaces sur les toits sont disponibles pour l’installation solaire et où les parkings des employés fournissent un point d’agrégation naturel pour les véhicules électriques. Les centres commerciaux, les centres logistiques et les institutions publiques pourraient adopter des systèmes similaires pour créer des écosystèmes énergétiques autonomes qui réduisent les coûts d’exploitation et l’empreinte carbone.
De plus, le succès de ce projet souligne l’importance de la conception au niveau du système dans la transition énergétique. Plutôt que de considérer les panneaux solaires, les véhicules électriques et le réseau comme des entités séparées, les chercheurs ont démontré la valeur d’une approche intégrée qui optimise les interactions entre ces composants. L’architecture en courant continu (DC) elle-même est un élément facilitateur clé, car elle réduit les pertes de conversion et simplifie le contrôle. Dans un système en courant alternatif (AC) conventionnel, l’énergie solaire en courant continu (DC) doit être convertie en courant alternatif (AC) pour alimenter le réseau ou alimenter des charges en courant alternatif (AC), puis reconvertie en courant continu (DC) pour charger la batterie du véhicule électrique, un processus qui peut entraîner des pertes de 10 % ou plus. En maintenant l’énergie sous forme de courant continu (DC) de la génération à la consommation, le système atteint une efficacité globale plus élevée.
L’expérience utilisateur est un autre facteur critique pour le succès de tels systèmes. La nature « brancher et oublier » du processus de charge, où les conducteurs branchent simplement leurs véhicules et reçoivent une charge complète à la fin de la journée de travail, élimine les barrières comportementales qui entravent souvent l’adoption des technologies de charge intelligente. Il n’est pas nécessaire que les utilisateurs programment des sessions de charge ou répondent à des signaux de prix ; le système fonctionne de manière autonome en arrière-plan, optimisant l’utilisation de l’énergie sans nécessiter aucune action de la part du conducteur. Cette intégration transparente dans les routines quotidiennes est essentielle pour une adoption généralisée.
La recherche ouvre également de nouvelles possibilités pour le développement futur. L’équipe note que, bien que le système actuel fonctionne exceptionnellement bien, il y a de la place pour une optimisation supplémentaire. Par exemple, l’intégration de paramètres de l’heure de la journée dans l’algorithme de contrôle pourrait aider à répartir plus uniformément la charge au cours de la journée, évitant les situations où les véhicules sont complètement chargés en milieu de matinée, laissant une grande partie de l’énergie solaire de l’après-midi à être exportée. De plus, le système pourrait être étendu pour inclure un stockage par batterie, permettant à l’énergie solaire excédentaire d’être stockée pour une utilisation en soirée ou lors de jours à faible production. Cela augmenterait encore l’autoconsommation et l’indépendance par rapport au réseau, se rapprochant davantage de l’objectif d’un bâtiment à consommation nette nulle.
Une autre voie prometteuse est l’intégration des capacités véhicule-vers-bâtiment (V2B). Bien que le système actuel se concentre sur le flux d’énergie du solaire au véhicule (S2V), des itérations futures pourraient permettre aux véhicules électriques de se décharger vers le bâtiment pendant les périodes de pointe de demande, transformant efficacement les véhicules stationnés en unités de stockage d’énergie mobiles. Cette capacité bidirectionnelle améliorerait la résilience du bâtiment et fournirait des flux de revenus supplémentaires grâce à la participation à des programmes de réponse à la demande.
Les avantages économiques d’un tel système sont également significatifs. En réduisant ou en éliminant les achats d’électricité pour la charge des véhicules électriques, les propriétaires de bâtiments peuvent réaliser des économies substantielles sur les coûts. En même temps, les revenus provenant de la vente de l’énergie solaire excédentaire au réseau peuvent encore améliorer la viabilité financière de l’investissement. Alors que le coût des panneaux solaires et de l’électronique de puissance continue de baisser, la période de retour sur investissement de ces systèmes devrait se raccourcir, les rendant de plus en plus attrayants pour les entreprises et les institutions.
D’un point de vue politique, cette recherche fournit des preuves précieuses pour soutenir le développement de réglementations et d’incitations qui favorisent des solutions énergétiques intégrées. Les gouvernements et les entreprises de services publics peuvent utiliser ces résultats pour concevoir des programmes qui encouragent l’adoption d’infrastructures de charge intelligente, en particulier dans les secteurs commercial et public. Il pourrait être nécessaire de mettre à jour les normes pour les micro-réseaux en courant continu (DC) et les systèmes énergétiques intégrés aux bâtiments afin d’accommoder ces nouvelles technologies, assurant l’interopérabilité et la sécurité.
Le succès de ce projet souligne également l’importance de la collaboration entre les entreprises de services publics, les institutions académiques et l’industrie. Le partenariat entre l’Institut de Recherche sur l’Énergie Électrique de State Grid Beijing et l’Université Tsinghua illustre comment l’expertise d’ingénierie pratique et la recherche académique peuvent se combiner pour résoudre des problèmes du monde réel. De telles collaborations sont essentielles pour accélérer le déploiement de technologies innovantes qui sont cruciales pour atteindre les objectifs climatiques mondiaux.
En conclusion, le travail de Ding, Zeng, Zhang, Wang, Liu, Fu et Zhang représente un grand pas en avant dans l’intégration des énergies renouvelables et des transports électriques. Leur stratégie de charge intelligente PV-DC s’est révélée capable de satisfaire à 100 % la demande de charge des véhicules électriques en utilisant exclusivement de l’énergie solaire locale, améliorant considérablement l’autoconsommation photovoltaïque et réduisant l’impact sur le réseau. Les résultats, publiés dans Electric Power (DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202305101), fournissent un plan convaincant pour l’avenir des systèmes énergétiques urbains durables. Alors que les villes du monde entier cherchent à réduire leurs émissions de carbone et à construire des infrastructures plus résilientes, cette recherche offre une solution pratique, évolutible et hautement efficace qui rapproche la vision d’un avenir énergétique propre d’un pas de la réalité.
Yifeng Ding, Shuang Zeng, Baoqun Zhang, Liyong Wang, Chang Liu (State Grid Beijing Electric Power Research Institute), Zhi Fu, Ji Zhang (Tsinghua University), Electric Power, DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202305101