DS0201 - Exploration de concepts en rupture

Les réseaux fractals. Vers les futurs smart grids. – FractalGrid

Fractal Grid - Les réseaux électriques fractals

Fractal Grid est un projet de recherche qui propose l'utilisation de la fractalité comme concept-clé pour l'analyse, la compréhension, la planification et la conduite des futurs Smarts Grids.

Comprendre et optimiser l’organisation des réseaux électriques

Pendant des années, le système énergétique a été vu comme un objet éloigné, fortement centralisé. Avec la transition énergétique, il s’ancre de plus en plus dans les territoires, à l’échelle des régions, des villes, des quartiers et finalement au plus proche des personnes. Un exemple récent en est le fort intérêt pour les communautés locales d’énergie. L’ancrage territorial ne pourra se réaliser pleinement, efficacement, durablement et sûrement, sans une réflexion sur les différentes échelles concernées par la planification et la conduite de la transition du système énergétique. Le réseau électrique est un élément clé de ce système. Il mutualise la production d’énergie électrique pour la distribuer en tout point du territoire. Pour l'analyse, la compréhension, la planification et la conduite des réseaux électriques à travers les différentes échelles, Fractal Grid propose l'utilisation de nouveaux outils d'analyse et des concepts d'organisation et de conduite qui s'inspirent des approches multi-échelles, plus particulièrement de la géométrie fractale.

Dans Fractal Grid, le réseau est étudié à travers les échelles, en partant de la distribution territoriale du bâti et des usages jusqu’au réseau de transport de l’électricité. Des analyses fractales de réseaux de distribution électriques situés dans des zones rurales, péri-urbaines ou urbaines des départements du Jura, de Haute- Saône et d’Isère ont été réalisées. Elles ont permis d’identifier leurs comportements invariants à différentes échelles. Les mêmes analyses ont été réalisées sur le bâti et les réseaux routiers afin d’étudier les concordances entre ces différents objets et de comprendre s’ils se déploient de manière cohérente sur un territoire. On montre ainsi que les valeurs des dimensions fractales et d’autres indicateurs fractals de différentes zones sont en lien étroit avec leur histoire (zones récentes ou anciennes) et leur fonction principale (résidentielle, commerciale ou industrielle).
Le réseau électrique doit alimenter tous les usagers avec la plus grande fiabilité possible. Les identifications des lignes vulnérables, des possibilités d’action face à des pannes ont été réalisées. Pour cela, des méthodes d’analyse multiéchelle issues de la théorie des graphes ont fait l’objet de développements mathématiques et applicatifs originaux. En outre, l'identification de nœuds défectueux a été étudiée, nous avons montré qu'en observant le réseau à des nœuds précis on peut identifier la source du défaut et l'importance de celui-ci.
Enfin, la flexibilité disponible pour apporter des services au système tant au niveau local (réduction des congestions et surcharges) que global (équilibre production-consommation) a été modélisée par une approche originale tenant compte de la distribution des flexibilités à travers les échelles.

et leur application pour les réseaux électriques constituent en effet une première au niveau international. Mais le résultat le plus marquant reste certainement la proposition d’une reconfiguration fractale du réseau électrique de Grenoble. Le choix de l’architecture fractale permet à la fois une desserte du territoire dans son ensemble tout en faisant émerger des clusters, favorables à des échanges très locaux d’énergie, par exemple entre usagers d’un même quartier quand ils disposent de panneaux photovoltaïques ou de moyens de stockage (batteries des véhicules électriques).

L’architecture fractale d’un réseau et la stratégie de gestion multi échelle sont certainement des avantages pour le raccordement de ressources locales (production ou stockage) par la hiérarchisation qu’ils opèrent entre des clusters très locaux et un niveau plus global. On peut ainsi espérer faciliter les échanges d’énergie locaux tout en gardant un niveau de mutualisation système permettant de faire face aux fluctuations trop importantes. Ces avantages n’ont pas été formellement démontrés mais le travail est maintenant envisageable à moyen-terme à l’aide des outils proposés par Fractal Grid.

Les résultats les plus fondamentaux ont été publiés dans des revues ou des conférences internationales. Pour une plus grande dissémination, une journée finale a été organisée rassemblant acteurs académiques, institutionnels et industriels sur le thème « Faire énergie territoire » (https://eco-fractal.sciencesconf.org/).

Ce projet a donné lieu à la production de 8 revues internationales à comité de lecture, 4 communications internationales, 2 mémoires de thèse, 1 prix de thèse Think SmartGrids.

FractalGrid est un projet de recherche qui propose l'utilisation de la fractalité comme concept-clé pour l'analyse, la compréhension, la planification et la conduite des futurs smarts grids. Nous proposerons de nouveaux outils d'analyse et des concepts d'organisation et de conduite qui s'inspireront de la géométrie fractale. On espère ainsi obtenir des réseaux plus stables et plus résistants aux pannes aléatoires ou aux attaques intentionnelles.

Le projet analysera l'organisation multiéchelle des smart grids et développera des nouvelles architectures fractales. Il montrera comment la structure des réseaux électriques intelligents impacte leurs performances et comment une topologie autosimilaire peut bénéficier à l'ensemble du système électrique, des producteurs aux consommateurs. Pour cela, le réseau sera étudié en partant de la distribution territoriale du bâti et des usages pour ensuite remonter dans les différentes couches du réseau jusqu'au réseau de transport.

Un outil de simulation sera aussi finalement proposé pour étudier la gestion coordonnée du nouveau réseau électrique fractal, tenant compte des différentes échelles temporelles et spatiales, incluant notamment la prise en compte les échelles associées à la prise en compte du système météorologique et des marchés de l'énergie. Ces deux derniers aspects ne peuvent plus maintenant être ignorés tant ils impactent le fonctionnement du système électrique.

Coordinateur du projet

Monsieur Nicolas Retière (Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ARMINES PERSEE ARMINES Centre Procédés, Energies Renouvelables, Systèmes énergétiques de Mines ParisTech
LMI - INSA Rouen Laboratoire de Mathématiques de l'INSA de Rouen
ThéMA - UFC Théoriser et Modéliser pour Aménager
G2Elab - UJF Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble

Aide de l'ANR 498 189 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2016 - 42 Mois

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