Introduction aux centrales électriques virtuelles (VPP) — Regroupement de ressources distribuées et vente sous forme de centrale électrique

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Pris individuellement, quelques kW de panneaux solaires installés sur un toit ou une batterie domestique n'ont aucune valeur pour un gestionnaire de réseau en tant que « centrale électrique ». Mais en les regroupant par milliers, voire par dizaines de milliers, et en les contrôlant simultanément grâce à la communication et à un logiciel, la production combinée peut rivaliser avec celle d'une seule centrale thermique. C'est le principe de base d'une centrale électrique virtuelle (VPP). Une VPP n'est pas une nouvelle méthode de production d'électricité ; c'est une plateforme d'information qui regroupe les ressources distribuées existantes en une unité négociable sur le marché. Les infrastructures de communication et de comptage nécessaires au regroupement des ressources distribuées ont été présentées dans le Guide des réseaux intelligents. Cet article se concentre sur la structure commerciale qui repose sur ces infrastructures, ainsi que sur le cadre institutionnel japonais et des exemples concrets.

L'essentiel en 30 secondes

Une centrale virtuelle (VPP) est un mécanisme qui regroupe des ressources distribuées aux caractéristiques très différentes — panneaux solaires photovoltaïques, batteries domestiques, véhicules électriques et gestion de la demande (DR) industrielle — grâce à la communication et aux logiciels, les traitant comme une seule centrale électrique contrôlable.
Au Japon, le système est conçu autour d'une structure à deux niveaux : les « agrégateurs de ressources », qui contractent directement avec les consommateurs et contrôlent leurs ressources, et les « coordinateurs d'agrégation », qui regroupent la production offerte par plusieurs agrégateurs de ressources et gèrent les échanges en gros. En avril 2022, le système de fournisseurs de gros agréés a été mis en place, et ENERES est devenu le premier agrégateur certifié au Japon.
Les ressources ciblées par une VPP diffèrent en termes de rapidité de réponse, de durée et de prévisibilité. Les batteries et les véhicules électriques réagissent rapidement ; la production solaire est difficile à contrôler à la hausse ; et la gestion de la demande issue des systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) et des équipements de production est à grande échelle mais peu flexible. Le principal champ de bataille pour les centrales virtuelles japonaises (VPP) n'est pas tant le marché de gros de l'électricité (JEPX) lui-même que le marché d'équilibrage, où les gestionnaires de réseaux de transport et de distribution s'approvisionnent en électricité de régulation. Ce marché propose plusieurs catégories de produits, classées selon le temps de réponse et la durée, et une VPP choisit le produit sur lequel elle souhaite enchérir en fonction des caractéristiques de ses ressources.

À titre d'exemple concret, lors de la forte tension entre l'offre et la demande d'électricité de l'été 2022, REXEV et ENERES ont mis en pratique la technologie V2G (Vehicle-to-Grid) – utilisant les batteries de véhicules électriques en autopartage – pour fournir de l'électricité de régulation. La VPP est une technologie où la conception institutionnelle et l'exploitation concrète progressent de plus en plus de concert, dépassant ainsi le stade de la démonstration.

1. Qu'est-ce qu'une VPP ? – La signification de « virtuel »

Le terme « virtuel » dans VPP signifie qu'elle ne possède aucune centrale électrique physique propre. Les panneaux solaires, les batteries domestiques, les batteries embarquées des véhicules électriques et la capacité de réponse à la demande d'une usine ne sont, physiquement, que de petites ressources situées à un emplacement distinct. En connectant ces ressources via un réseau, un logiciel central analyse l'état de chaque ressource (charge restante, prévisions de production, programme de fonctionnement, etc.) et envoie des commandes d'augmentation ou de diminution de la production aux moments opportuns. Du point de vue d'un gestionnaire de réseau ou du marché de l'énergie, cet ensemble se comporte comme une seule centrale électrique.

La capacité VPP agrégée est-elle toujours disponible ?

La disponibilité dépend de l’état de charge, des limites des appareils, des besoins des utilisateurs et des communications. Distinguez la capacité installée de la flexibilité livrable à un instant donné.

2. Le système d'agrégation japonais — une structure à deux niveaux

Le système japonais de VPP repose sur deux rôles : l'agrégateur de ressources et le coordinateur d'agrégation. Un agrégateur de ressources signe un contrat de service VPP directement avec un consommateur (un ménage ou une usine) et contrôle ses panneaux solaires, ses batteries ou ses équipements de gestion de la demande. Un coordinateur d'agrégation met en commun la production collectée par plusieurs agrégateurs de ressources et effectue des échanges directs d'électricité avec les gestionnaires de réseau de transport et de distribution ou les fournisseurs d'électricité au détail.

Cette structure est soutenue institutionnellement par les dispositions spécifiées. Le système de fournisseurs en gros (agrégateurs), lancé en avril 2022, confère un cadre juridique à l'activité de regroupement de ressources distribuées et de vente en gros d'électricité, à l'instar d'une entreprise de production. ENERES est ainsi devenu le premier agrégateur certifié au Japon dans le cadre de ce système. Avant même son institutionnalisation, le projet pilote de centrale virtuelle (VPP) du METI (mené de l'exercice 2016 à l'exercice 2020) avait déjà validé la répartition des rôles entre agrégateurs de ressources et coordinateurs d'agrégation, ainsi que la standardisation de leurs interfaces de communication.

| Rôle | Principales responsabilités | Relation avec les consommateurs |

|---|---|---|

| Agrégateur de ressources | Contrats avec les consommateurs, contrôle direct des équipements, gestion de la production de référence | Contrat direct |

| Coordinateur d'agrégation | Agrégation de la production de plusieurs agrégateurs de ressources, échanges avec le marché et le gestionnaire de réseau | Relation indirecte (sans contrat) |

3. Types et caractéristiques des ressources regroupées dans une VPP

Les ressources ciblées par une VPP ne sont pas uniformes. La vitesse, la durée et la prévisibilité de la production varient considérablement selon la ressource. Les agrégateurs conçoivent donc les caractéristiques de la puissance de régulation qu'ils peuvent fournir en fonction de la manière dont ils combinent les ressources.

|---|---|---|---|---|

| Véhicule électrique / V2G | Rapide (secondes à minutes) | Dépend de l'état de fonctionnement du véhicule | Charge et décharge possibles | L'équilibre entre la demande de conduite et la fourniture de puissance de régulation représente un défi |

| Systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) et équipements de production d'usines/bâtiments (gestion de la demande) | Modérée (de quelques minutes à un peu plus de dix minutes) | Dépend des termes du contrat | Principalement à la baisse | À grande échelle, mais Contraintes liées au confort et aux impératifs de production |

L'énergie solaire, ne pouvant augmenter sa production sans ensoleillement, est peu adaptée à la régulation de la demande. En revanche, les batteries et les véhicules électriques peuvent être utilisés aussi bien pour la charge que pour la décharge, ce qui en fait des sources potentielles pour la régulation de la puissance au sein d'une centrale virtuelle. Le V2G (Vehicle-to-Grid) utilisant des véhicules électriques repose sur l'utilisation de la batterie embarquée non seulement comme source d'énergie pour le transport, mais aussi pour la régulation de la puissance lorsque le véhicule est à l'arrêt.

4. Architecture de contrôle — Rappel des couches de communication

Pour qu'une centrale virtuelle puisse contrôler un grand nombre de petites ressources, les couches de communication décrites dans le Guide d'introduction aux réseaux intelligents constituent son fondement. ECHONET Lite est souvent utilisé pour le contrôle des appareils domestiques, et OpenADR pour l'automatisation des signaux de réponse à la demande interentreprises. Sur le système cloud de l'agrégateur, l'état de chaque ressource est enregistré. Les ressources (état de charge, programme d'exploitation, prévisions de production) sont agrégées, et les commandes du marché sont reçues et réparties entre elles. La précision et la rapidité de cet algorithme d'allocation déterminent directement la qualité de la puissance de régulation qu'une centrale virtuelle peut fournir.

5. Structure du marché japonais — le marché d'équilibrage et le JEPX

Les principaux marchés de revenus d'une centrale virtuelle se répartissent en deux catégories : le marché de gros de l'électricité (JEPX), où l'électricité est achetée et vendue, et le marché d'équilibrage, où les gestionnaires de réseaux de transport et de distribution d'électricité achètent de la puissance de régulation pour maintenir la fréquence et l'équilibre entre l'offre et la demande.

Le marché d'équilibrage s'est ouvert progressivement depuis l'exercice 2021, proposant des produits allant de la puissance de régulation primaire à la puissance de régulation tertiaire ②, classés selon leur temps de réponse et leur durée (le fondement physique détaillé de cette classification est présenté dans le Guide d'introduction à l'inertie du réseau et à la régulation de fréquence). Les batteries et les véhicules électriques à réponse rapide conviennent aux catégories de produits à temps de réponse court, tandis que les batteries et les véhicules électriques à réponse relativement plus lente conviennent aux catégories de produits à temps de réponse court. La gestion de la demande (DR) convient aux catégories de ressources offrant une plus grande flexibilité en matière de temps de réponse. Un VPP (Programme de production virtuelle) détermine la catégorie de produits dans laquelle il souhaite soumettre une offre en évaluant les caractéristiques de réponse des ressources qu'il regroupe.

Par ailleurs, la « cumul des revenus » – c'est-à-dire la superposition de plusieurs sources de revenus, comme la vente d'électricité sur le marché de gros, la fourniture d'énergie de régulation sur le marché d'équilibrage et la réduction des coûts pour le consommateur grâce à l'écrêtement des pointes de consommation – est ce qui détermine la viabilité commerciale d'un VPP. Même une ressource qui ne peut pas rentabiliser son investissement sur un seul marché peut parfois devenir rentable une fois ses usages combinés.

6. Un exemple concret : de la démonstration au V2G pratique

Au Japon, le secteur des VPP, à travers le projet de démonstration VPP du METI (Ministère de l'Économie, du Commerce et de l'Industrie) mené de 2016 à 2020, a vu la participation de nombreuses entreprises en tant qu'agrégateurs et coordinateurs de ressources, validant ainsi les normes de communication et les règles de fonctionnement. KDDI et ENERES ont fait progresser une initiative VPP utilisant la 5G et le MEC (Multi-Access Edge Computing), un exemple connu de tentative d'amélioration de la latence et de la fiabilité du contrôle des VPP. Du point de vue des infrastructures de communication.

À titre d'exemple concret ayant trouvé une application pratique, lors des tensions particulièrement fortes entre l'offre et la demande d'électricité durant l'été 2022, REXEV et ENERES ont mis en œuvre un système permettant de décharger les batteries embarquées des véhicules électriques utilisés dans un service d'autopartage dans la région d'Odawara/Hakone via la technologie V2G (Vehicle-to-Grid). L'énergie ainsi produite est ensuite utilisée pour réguler le réseau électrique de la région de Kanto. Ce système vise à tirer deux types de valeur de la batterie d'un même véhicule : le transport et la fourniture d'énergie de régulation. Il constitue un exemple concret d'application de la technologie V2G.

7. Relation entre les centrales virtuelles, les batteries et le réseau intelligent

Une centrale virtuelle ne remplace pas la technologie des batteries de réseau (chimie des cellules, système de gestion de batterie, rendement aller-retour, etc.). Il s'agit plutôt d'une « couche métier » qui regroupe les différentes batteries mentionnées dans la section [Power Battery]. Introduction en une unité négociable sur le marché. De même, une centrale virtuelle (VPP) est un mécanisme institutionnel et opérationnel reposant sur une infrastructure matérielle telle que les compteurs intelligents et les protocoles de communication. Son fonctionnement est impossible sans l'infrastructure de comptage et de communication décrite dans Introduction aux réseaux intelligents. Il est plus pertinent de considérer les VPP, les batteries et les réseaux intelligents non pas comme des technologies concurrentes, mais comme différentes couches superposées.

8. Défis actuels et axes de recherche

Latence et fiabilité des communications : un mécanisme est nécessaire pour envoyer simultanément des commandes à un grand nombre de ressources et confirmer la réponse dans un délai imparti. L'utilisation de la 5G et du MEC constitue une solution à ce défi.
Précision de référence : mesurer l'effet de la gestion de la demande (DR) nécessite de l'évaluer par rapport à la différence avec une « estimation de la consommation en l'absence de contrôle » (la référence). La précision de cette estimation détermine directement la Crédibilité du marché.
Cybersécurité : avec le grand nombre d’appareils domestiques et de véhicules électriques connectés au réseau, la gestion de la surface d’attaque devient cruciale.
Diversification des ressources : l’intégration de nouveaux types de ressources est à l’étude, comme les chauffe-eau thermodynamiques, les pompes à chaleur industrielles et la régulation de la charge des centres de données.
Normalisation : la mise en place d’interfaces standardisées pour le contrôle des appareils de différents fabricants et l’adoption de normes de communication universelles facilitent l’accès au marché pour les agrégateurs.

Résumé : Un VPP n’est pas une « centrale électrique », mais une « couche de regroupement »

Un VPP n’est pas une technologie de nouvelle génération ; il s’agit d’un mécanisme qui regroupe des ressources distribuées existantes, telles que l’énergie solaire, les batteries, les véhicules électriques et la gestion de la demande, en une seule unité échangeable grâce à la communication et aux logiciels. Le Japon a mis en place un système à deux niveaux d’agrégateurs de ressources et de coordinateurs d’agrégation. Grâce au marché d’équilibrage qui offre un cadre concret pour les échanges, le passage de la démonstration au déploiement pratique est en cours.

Lors de l’évaluation d’une initiative VPP, il est important de vérifier… Questions suivantes :

Quelles ressources (solaire, batteries, véhicules électriques, gestion de la demande) sont regroupées ? À quelle vitesse et pendant quelle durée ?
S’agit-il d’un agrégateur de ressources ou d’un coordinateur d’agrégation ? Comment la répartition des rôles est-elle structurée ?
Quelle combinaison de sources de revenus (marché de gros, marché d’équilibrage, réduction des coûts) est utilisée ? Comment ?
Comment la fiabilité des mesures de référence et des communications est-elle assurée ?

Gardez ces quatre points à l’esprit pour interpréter une annonce VPP comme une structure concrète : comment les ressources distribuées sont regroupées et où elles sont échangées.

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