Améliorer le réseau électrique américain : atténuer les vulnérabilités et améliorer le fonctionnement

May 17, 2023

Le réseau électrique américain présente de nombreuses vulnérabilités, mais les compagnies d'électricité, avec un soutien supplémentaire du gouvernement, investissent dans le système et améliorent son fonctionnement grâce à une nouvelle technologie innovante.

Le réseau électrique est sans doute l'infrastructure la plus importante qui existe aux États-Unis. Presque tout dans le pays dépend d'une électricité fiable pour fonctionner correctement. Le gouvernement, les industries, les entités commerciales, les équipes d'intervention d'urgence, les opérations militaires, etc., seraient tous sérieusement handicapés sans électricité.

Le Département américain de l'énergie (DOE) a signalé que plus de 70 % des lignes de transport d'électricité et des transformateurs du pays ont plus de 25 ans (Figure 1). C'est là que réside l'une des plus grandes vulnérabilités, car les équipements ne durent pas éternellement. Les composants plus anciens sont plus susceptibles de tomber en panne.

De nombreux composants du réseau sont exposés à des environnements difficiles. Au fil du temps, des facteurs environnementaux tels que les changements de température, l'humidité et l'exposition aux intempéries, ainsi que d'autres contraintes et contraintes sur le système, peuvent provoquer une usure et des pannes. L'isolation peut s'affaiblir et les composants métalliques peuvent se corroder, ce qui les rend plus susceptibles de tomber en panne. Plus les transformateurs, les disjoncteurs et les câbles sont en service depuis longtemps, plus ils sont susceptibles d'avoir subi une forme de surcharge, ce qui peut entraîner une surchauffe et des dommages. Cela peut également entraîner des défaillances, en particulier lorsque les composants fonctionnent au-delà des paramètres de conception pendant de longues périodes.

Le gouvernement américain reconnaît que le réseau a besoin d'attention. "Des événements météorologiques extrêmes comme le Dixie Wildfire, l'ouragan Ida et le Texas Freeze de 2021 ont clairement montré que l'infrastructure énergétique américaine existante ne supportera pas les impacts continus des événements météorologiques extrêmes provoqués par le changement climatique", a déclaré le DOE. Les composants vieillissants doivent être remplacés.

Pendant ce temps, les services publics doivent également étendre les systèmes pour tenir compte de la croissance attendue. Le DOE, citant des estimations indépendantes, s'attend à ce que les systèmes de transport d'électricité américains augmentent de 60 % d'ici 2030, et il a déclaré que la taille du réseau pourrait devoir tripler d'ici 2050. Une grande partie de la croissance résultera d'une électrification généralisée, y compris dans le secteur des transports.

"Avec une demande accrue d'électricité et des fonctions plus vitales dépendant d'un approvisionnement fiable, le réseau évolue et il doit être capable de générer et de distribuer beaucoup plus d'électricité qu'il ne le faisait par le passé", a déclaré Kumar Chandran, directeur principal de la stratégie commerciale chez S&C Electric Co., à POWER. "Dans le même temps, la fréquence et l'intensité accrues des tempêtes et autres événements météorologiques constituent une grande menace pour le réseau. La partie distribution du réseau, qui a une automatisation minimale, est particulièrement vulnérable aux impacts importants pendant les événements météorologiques et par la suite, lorsqu'il faut beaucoup de temps pour reconstruire les infrastructures endommagées. "

Dans un article publié il y a plusieurs années par The Bridge, une publication de la National Academy of Engineering, Theodore U. Marston, directeur de Marston Consulting, écrivait : , et des marges bénéficiaires réduites et réglementées. Le lien réussi entre ces secteurs très différents nécessite une coopération étroite."

Beaucoup a été accompli depuis la publication de l'article de Marston. L'Edison Electric Institute (EEI), une association qui représente toutes les entreprises d'électricité appartenant à des investisseurs américains, rapporte que les entreprises d'électricité ont investi plus de 1 000 milliards de dollars dans les infrastructures énergétiques essentielles au cours de la dernière décennie. EEI affirme que les entreprises d'électricité ont dépensé plus de 154 milliards de dollars rien qu'en 2022 pour rendre le réseau "plus fort, plus intelligent, plus propre, plus dynamique et plus sûr". Il indique également que les entreprises ont investi près de 30 milliards de dollars en 2022 dans des "initiatives d'adaptation, de durcissement et de résilience (AHR)" pour renforcer l'infrastructure de transmission et de distribution du pays.

EEI explique que l'AHR implique plus que la simple capacité de se remettre d'événements météorologiques extrêmes. Cela "implique également de traiter les risques dynamiques et potentiellement percutants en anticipant, en résistant, en récupérant et/ou en s'adaptant à une grande variété de menaces, y compris les conditions météorologiques extrêmes, les incendies de forêt, les tremblements de terre et les cyberattaques ou les attaques de sécurité physique".

Dans l'analyse de Marston, il a divisé les menaces en «menaces naturelles ou environnementales» et «menaces liées à l'homme». Il a suggéré que bon nombre des menaces naturelles ou environnementales, y compris les ouragans/vents extrêmes, les tornades, la sécheresse, les tempêtes hivernales/la glace/la neige, la chaleur extrême/les vagues de chaleur et les incendies de forêt, augmenteraient avec le changement climatique. Parmi les autres menaces naturelles ou environnementales qu'il a citées, Marston a déclaré que les tremblements de terre pourraient augmenter dans certaines régions en raison d'activités locales, telles que la fracturation hydraulique, mais il ne voyait aucune raison d'augmenter la menace posée par les tempêtes géomagnétiques ou la faune et la végétation. Parmi les menaces liées à l'homme, Marston a prédit que les cyberattaques, le sabotage électromagnétique et les pannes d'équipement dues à l'âge pourraient tous augmenter à l'avenir, alors qu'il ne voyait aucune base pour des changements dans la fréquence des attaques physiques.

L'American Society of Civil Engineers (ASCE) a publié un rapport sur l'infrastructure américaine en 2021. Dans son rapport, l'ASCE a évalué 17 catégories d'infrastructures, y compris l'énergie, ainsi que des éléments tels que les ponts, les barrages et les routes, en utilisant un système de notation de style scolaire A – F. L'évaluation complète de l'ASCE de l'infrastructure énergétique, qui comprend la transmission et la distribution ainsi que les investissements dans les pipelines, a abouti à une note de C– à l'époque. Notamment, la note était une amélioration par rapport au rapport précédent de l'ASCE, achevé en 2017, lorsque les infrastructures énergétiques avaient reçu une note de D+.

"Les services publics prennent des mesures proactives pour renforcer le réseau électrique grâce à des mesures de résilience. Cependant, les conditions météorologiques restent une menace croissante", indique le rapport de l'ASCE. "[D] L'infrastructure de distribution est aux prises avec la fiabilité, avec 92% de toutes les pannes se produisant le long de ces segments. Dans les années à venir, une infrastructure de transmission et de distribution supplémentaire, une planification intelligente et une fiabilité améliorée sont nécessaires pour s'adapter à l'évolution du paysage énergétique, à mesure que la livraison devient distribuée et que les énergies renouvelables se développent. "

« Le réseau d'aujourd'hui doit évoluer pour répondre aux demandes de demain. Heureusement, avec des investissements proactifs et une planification minutieuse, un réseau plus fiable, résilient et renforcé qui intègre des sources d'énergie renouvelables est en effet possible », a déclaré Chandran de S&C Electric.

Chandran prédit que le système de distribution électrique américain changera considérablement dans les années à venir. « Dans quelques années, lorsque nous regarderons en arrière vers 2023, nous nous rendrons compte que l'utilisation de la partie distribution du réseau a radicalement changé. Il est passé d'un système de distribution de flux d'énergie à sens unique à un système électrique qui maintient autant d'électricité connectée pendant les événements météorologiques majeurs, de sorte qu'ensuite, les réparations sont plus rapides et ciblées. Comme tous les consommateurs dépendent beaucoup plus de l'électricité, cette fiabilité et cette résilience sont essentielles », a-t-il déclaré.

Chandran a déclaré qu'une approche à l'échelle du système et un investissement dans une technologie innovante pour la distribution d'énergie sont nécessaires pour réduire la vulnérabilité. Parmi les solutions qu'il a recommandées figuraient la technologie PulseClosing (Figure 1), l'automatisation latérale et la détection et la restauration des défauts souterrains.

"Des clients tels que Florida Power and Light (FPL), Oncor et bien d'autres ont investi massivement dans les technologies pour renforcer le réseau et ont par conséquent constaté des réductions significatives des délais de restauration des tempêtes", a déclaré Chandran. "Ces solutions offrent une excellente segmentation de la" ligne d'alimentation "de la sous-station avec une automatisation latérale - souterraine ou aérienne jusqu'au client final."

Pour en avoir le plus pour leur argent, les entreprises aux budgets limités devraient commencer par mettre en œuvre une technologie d'automatisation latérale. "92 % des interruptions de service électrique se produisent sur la partie distribution du réseau, et la majorité d'entre elles se produisent sur des lignes latérales - des lignes de quartier - qui sont protégées par un fusible", a expliqué Chandran. "Les nouvelles technologies réduiront considérablement ces perturbations. En remplaçant les fusibles par l'automatisation, elles peuvent réduire la fréquence et la durée des pannes. Un service public du sud a constaté une réduction de 74 % des interruptions prolongées sur les sites où cette technologie a été déployée."

Chandran a déclaré que FPL investit massivement dans la construction d'un réseau plus fort et plus intelligent depuis des décennies, et il pense que les avantages ont largement dépassé les coûts. Bien qu'aucun réseau électrique ne soit à l'épreuve des ouragans, des évaluations détaillées ont confirmé la résilience du réseau énergétique de FPL résistant aux tempêtes. "Après l'ouragan Ian l'automne dernier, FPL a rétabli le courant aux deux tiers de ses clients après seulement une journée complète", a déclaré Chandran. "Seulement huit jours après que la tempête haut de gamme a quitté l'État, FPL a été en mesure de rétablir le courant pour l'ensemble de ses plus de 2,1 millions de clients touchés par Ian."

En avril, la WATT Coalition (Working for Advanced Transmission Technologies), une coalition d'entreprises intéressées à apporter des solutions technologiques au système de transmission électrique américain pour améliorer la fiabilité et l'efficacité, a publié un article de 30 pages du Brattle Group intitulé Building a Better Grid: How Grid Enhancing Technologies Complement Transmission Buildouts. La recherche a pris en compte trois technologies d'amélioration du réseau (GET) : les évaluations de ligne dynamiques (DLR), les systèmes de transmission à courant alternatif flexibles (FACTS) et le contrôle de la topologie de transmission.

Le document explique que le DLR est une application représentative qui tente de mieux répondre à la capacité de transfert des lignes individuelles. Pendant ce temps, FACTS - une catégorie commune de dispositifs basés sur l'électronique de puissance qui permettent un contrôle flexible et dynamique des systèmes de transmission - sont des exemples de solutions matérielles axées sur le contrôle du flux et sont fonctionnellement similaires aux transformateurs déphaseurs, également appelés régulateurs d'angle de phase. Enfin, Transmission Topology Control est "une alternative logicielle élégante à ces matériels de contrôle de flux - il contrôle le flux en ajustant la topologie du système (par exemple, en ouvrant ou en fermant les disjoncteurs) et donc en modifiant la distribution du flux définie par la loi de Kirchhoff pour atteindre les objectifs opérationnels. "

Le document note : « Ces technologies représentent un nouveau modèle pour augmenter l'infrastructure de réseau en débloquant une capacité supplémentaire sur le système de transmission existant, et peuvent être développées beaucoup plus rapidement et de manière modulaire et sans regret à une petite fraction du coût des projets de transmission traditionnels. De plus, elles complètent les constructions de transmission en améliorant l'utilité de l'infrastructure de transmission au lieu de l'éliminer ou de la remplacer.

La recherche a quantifié comment les GET réduisent les coûts et améliorent la planification et les opérations du système de transport à toutes les étapes du développement du transport. La WATT Coalition a déclaré que les GET peuvent réduire la congestion de 40 % ou plus avant même le début des projets de construction. Pendant la construction, les pannes peuvent être "évitées ou améliorées, avec des réductions similaires des coûts de congestion de 40% ou plus", a-t-il déclaré. Ensuite, après la construction, l'utilisation sur les nouvelles lignes peut augmenter de 16 %, améliorant le rapport avantages-coûts des nouvelles lignes.

"Une capacité de transmission insuffisante est le principal obstacle à la transition énergétique", a déclaré Julia Selker, directrice exécutive de la WATT Coalition, dans un communiqué remis à POWER. "Les technologies d'amélioration du réseau et les nouvelles lignes de transmission doivent être déployées ensemble pour réaliser l'expansion nécessaire du système à la vitesse la plus élevée et au coût le plus bas. Plus les États-Unis sont capables d'augmenter rapidement et de manière stratégique la capacité de transmission, plus le coût pour la planète et les contribuables est faible."

—Aaron Larson est le rédacteur en chef de POWER.

Partagez cet article

Plus d'actualités T&D