Interactions envisageables à moyen terme

Les interactions possibles à moyen terme mobilisent surtout le stockage embarqué du VE (Fig.20). C’est un pôle archi-présent qui est donneur et accepteur vis-à-vis de tous les autres pôles, sauf du moteur. Le stockage stationnaire intervient aussi, dans une moindre mesure, en interaction propre.

! .J! " Recharge directe du stockage embarqué par le photovoltaïque (P2B)

L’idée du production-to-battery (P2B) est d’injecter la production PV directement dans le stockage embarqué du VE. L’exemple typique est un véhicule qui se recharge sous une ombrière PV servant de parking couvert, des systèmes en vogue aujourd’hui. Mais on peut aussi penser à un simple garage recouvert de panneaux photovoltaïques. Dans notre cas, l’habitat solaire voit sa production PV installée en toiture. Le fait de recharger directement le VE via cette production suppose de tirer un câble dédié entre l’onduleur PV et la borne de recharge du VE, éventuellement via un switch intermédiaire qui gèrerait les échange d’énergie avec le reste des charges domestiques de la maison. Le but principal de l’interaction P2B est de recharger des batteries qui in fine fourniront l’énergie utile à la motricité du véhicule électrique dans son ensemble. On parle aussi de « mobilité solaire ». En réalité, le stockage embarqué rechargé par le PV peut offrir d’autres usages à l’énergie stockée, tels que l’alimentation des charges domestiques (B2H), l’injection sur le réseau (B2G) et le transfert d’énergie avec d’autres systèmes de stockage, embarqués (B2B) ou stationnaires (B2S). Cela veut dire que le stockage embarqué participe respectivement à la couverture solaire du besoin électrique, à la gestion de l’énergie solaire injectée sur le réseau (écrêtage de production, PV garanti) et à la recharge du stockage stationnaire pour alimenter des besoins électriques ultérieurs.

Exemple : Pour ce dernier cas, moins parlant, on peut imaginer les scénarios suivants :

- Nous sommes en semaine. Le VE a rechargé en journée sur le lieu de travail grâce à une ombrière PV. Quand il se stationne le soir devant l’habitat solaire, le VE restitue son restant d’énergie embarquée au stockage stationnaire afin de pallier les futures consommations de la maison (schéma mixte P2B/B2S/S2H) ; - Nous sommes le weekend. Le VE stationne devant l’habitat solaire toute la journée et ne sera utilisé que le soir à des fins de mobilité. Or les panneaux solaires PV produisent beaucoup : ils rechargent non seulement le stockage stationnaire mais également tout ou partie du stockage embarqué. Plus tard, en absence de soleil et en présence d’une forte demande des charges de la maison, le stockage stationnaire se vide intégralement. Le stockage embarqué prend alors le relais temporairement (schéma simple P2B/B2H) jusqu’à ce que ce soit le moment pour le propriétaire de s’en aller. Le stockage embarqué garde alors une partie de sa capacité pour couvrir l’autonomie utile aux déplacements prévus (schéma simple P2B/B2M) et transfère le reste au stockage stationnaire pour pallier la demande résiduelle de la maison (schéma mixte P2B/B2S/S2H).

" Injection réseau directe de l'énergie du stockage embarqué (B2G)

Le battery-to-grid (B2G) est une idée innovante en rupture avec les schémas classiques de mobilité électrique. C’est un concept somme toute applicable dans un futur proche qui correspond à ce qu’on a jusqu’ici appelé le vehicle-to-grid (V2G). Concrètement, cela consiste à réinjecter sur le réseau tout ou partie de l’électricité qu’on y a prélevée auparavant pour charger les batteries de VE (G2B). Le débouché principal de l’énergie embarquée est le soutien au réseau. Ce service rétribué devient valorisant et bénéfique à la fois pour le gestionnaire de réseau, qui y trouve le moyen de compléter son parc de production pour pallier une forte demande ou la perte d’un groupe de production, et pour le propriétaire du VE qui y trouve un apport financier complémentaire intéressant pour amortir le coût de ses batteries et du VE dans sa globalité. La gestion bidirectionnelle de l’énergie stockée dans les batteries de VE suppose la création d’un système de télécommunication entre VE et réseau. Le V2G tel qu’il a été conçu à la base n’intégrait pas d’autres flux d’énergie que ceux provenant du réseau (G2B) ou, trivialement, du moteur électrique (M2B). Il en existe pourtant une multitude. Outre la recharge classique et le freinage récupératif, on a vu que le stockage embarqué pouvait être rechargé par le PV (P2B). On verra qu’il peut aussi l’être par un autre VE via sa batterie (B2B) ou par l’habitat solaire via son stockage stationnaire (S2B). Outre l’équilibrage du réseau en réponse à la demande d’électricité exprimée par les charges en local (G2B et G2H) et à l’international (G2G), l’énergie restituée au réseau par le stockage embarqué peut aussi servir à recharger du stockage stationnaire (G2S). Au final, le B2G est au carrefour d’une kyrielle d’interactions simples formant des schémas mixtes d’usage d’énergie à la convergence entre habitat solaire et transport électrique.

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" Transfert direct d'énergie entre stockages embarqués (B2B)

Le battery-to-battery (B2B) va plus loin dans le scénario futuriste d’une interaction du VE avec son voisinage immédiat, et non plus seulement avec le réseau qui l’approvisionne. Typiquement, il rend possible le transfert d’énergie entre des VE qui sont connectés à un même nœud du réseau pour leur recharge (G2B). Le temps de stationnement étant assez long dans des lieux où d’autres VE sont en train de recharger (ex : 7h au travail, 1h chez le coiffeur, au supermarché, etc.), cela constitue une base favorable à l’exploitation du stockage embarqué pour le soutien réseau (B2G), une exploitation qui serait réalisée soit par le gestionnaire de réseau, soit par des agrégateurs mandatés localement. La mise en œuvre la plus parlante est liée à la recharge des VE sur les parkings d’hypermarchés. Comme pour l’interaction précédente, l’origine de l’énergie fournie aux batteries de VE est variée et ne dépend pas seulement du réseau pour leur recharge. Concernant les débouchés de l’énergie transférée, le B2G n’est qu’un usage parmi d’autres.

Le propriétaire du VE bidirectionnel du futur ne fait pas que participer au service réseau (B2G) ou à la mutualisation de la charge du VE de ses voisins ou collègues de travail (B2B), il doit aussi mener sa propre existence et utiliser son véhicule pour son propre intérêt de mobilité. Au gré de son besoin naturel de déplacement, que celui-ci soit professionnel (mission ponctuelle, trajets domicile-lieu de travail) ou personnel (courses, services, loisirs, études), le véhicule qu’il conduit sera ainsi amené à stationner à des endroits distincts mais toujours à proximité immédiate d’autres VE (au travail, dans une zone commerciale, sur la voie publique, etc.). Comme il aura dépensé de l’énergie pour arriver à ce point de stationnement, son exigence minimale sera de récupérer tout ou partie de l’énergie dépensée pour regagner une autonomie satisfaisante lui permettant de poursuivre ses déplacements. Si la capacité de stockage disponible dans son véhicule est utilisée par un tiers, l’état de charge de la batterie variera forcément à la baisse. Toutefois, le propriétaire du véhicule s’attendra à ce qu’un niveau d’autonomie satisfaisant lui soit restitué. En particulier, il voudra en partant une autonomie au moins égale à celle affichée à l’arrivée sur le lieu de stationnement. Dans l’idéal, la batterie aura été totalement rechargée. Beaucoup de business plans sont possibles pour une participation du VE à un quelconque transfert d’énergie, mais ils présupposent tous de répondre à cette question de remettre les batteries sollicitées à leur état de charge de départ. On peut dès lors imaginer utiliser le

turnover naturel de véhicules sur le lieu de stationnement pour qu’un véhicule à peine arrivé serve

une fois garé à recharger un VE qui va repartir, le parc global servant par ailleurs au service réseau. En somme, c’est le principe des vases communicants appliqué aux VE.

Exemple : Imaginons plusieurs VE qui se garent successivement sous une même ombrière PV. Les panneaux

génèrent une énergie supposée constante mais le nombre de VE à alimenter varie avec le temps. Une voiture chargée à 50% arrive en premier et charge 2h jusqu’à atteindre 90% de SOC (soit 20% de SOC par heure). Puis trois VE de même capacité et chargés à 50% se stationnent à côté. Les quatre VE sont programmés pour partir 30 min plus tard. Va-t-on préférer laisser partir la première voiture à 100% et les autres à 60% ou bien réaliser un transfert d’énergie entre les batteries des VE pour égaliser leur état de charge à 70% ? Tout dépend du business plan choisi mais on conçoit aisément que la mutualisation présente parfois un avantage particulier que n’offre pas le simple schéma P2B/B2G. Comme pour le B2G, elle exigera toutefois l’automatisation des ordres de charge et décharge selon les desiderata des propriétaires de VE. Optimisation et télématique devront donc faire partie intégrante d’un système complexe mais attractif pour l’usager final.

" Transfert direct d'énergie entre stockages stationnaires (S2S)

Dans le même esprit de mutualiser la gestion des systèmes de stockage, on peut cette fois imaginer un système de vases communicants entre des stockages stationnaires, par exemple à l’échelle d’un quartier d’habitats solaires. C’est le stationary-to-stationary (S2S). Comme pour B2B, une kyrielle de scénarios d’usage et de business plans sont envisageables pour le S2S selon la nature, la quantité et la temporalité de l’offre et de la demande d’électricité mettant en jeu ces stockages stationnaires.

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Exemple : Imaginons une maison délaissée pendant les vacances. En l’absence du propriétaire, le PV en

toiture continue de produire et le stockage stationnaire continue d’absorber l’énergie produite (P2S). Si le propriétaire n’a pas souscrit à un service de soutien réseau permettant au gestionnaire ou à un agrégateur d’utiliser son stockage stationnaire comme réserve de capacité pour le réseau (S2G), il peut alors aider d’autres personnes – typiquement, les voisins – en mettant à leur disposition une réserve d’énergie pour alimenter leur maison (S2H) ou leur VE (S2B) moyennant une contrepartie (financière ou énergétique). Cette énergie échangée entre plusieurs stockages stationnaires peut résulter d’interactions à court et à moyen terme. Chaque stockage stationnaire peut avoir été rechargé au préalable via la production PV (P2S), le réseau (G2S) ou le transfert d’énergie issue d’autres systèmes de stockage (B2S, S2S). On peut également imaginer des maisons particulières équipées de stockage stationnaire mais sans installation photovoltaïque en toiture et/ou véhicule électrique dans le garage. Grâce au S2S, elles profiteront d’une plus grande couverture de leur besoin électrique sans passer par le réseau national. Le S2S exigera les mêmes dispositifs de gestion intelligente et automatisée des flux d’énergie et de puissance entre systèmes de stockage, via des logiciels d’optimisation en lien avec des stations de mesures pour prédire le productible solaire attendu et avec de la télématique apte à transmettre les exigences ou desiderata des voisins propriétaires d’habitat solaire vis-à-vis de l’usage partiel ou total de leur stockage par l’agrégateur et/ou le gestionnaire de réseau.

" Recharge directe du stockage embarqué par le stockage stationnaire (S2B)

L’interaction stationary-to-battery (S2B) correspond à la recharge du stockage embarqué du VE à partir du stockage stationnaire de l’habitat solaire. Elle peut intervenir après une recharge de ce dernier par la production photovoltaïque (P2S), par le réseau (G2S), par un système de stockage stationnaire voisin (S2S) ou par un VE (B2S). Ensuite, elle peut déboucher sur de la mobilité électrique (B2M) et des interactions à moyen terme déjà citées plus haut (B2H, B2G, B2B, B2S).

Exemple : Le propriétaire d’un VE est au travail toute la journée. Pendant ce temps, il ne consomme que

peu d’énergie chez lui et toute sa production PV sert à charger le stockage stationnaire de la maison (P2S). Il rentre le soir avec son VE et le connecte via un câble de recharge bidirectionnel. Suivant un ordre de priorité du transfert d’énergie, le stockage stationnaire va se décharger dans la batterie du VE (S2B) pour lui redonner une autonomie utile aux trajets du lendemain (B2M) et ce sans devoir prélever d’énergie sur le réseau au moment critique du pic de consommation. Plus tard, si l’usager consomme de l’énergie chez lui, la recharge du véhicule pourra être suspendue ou arrêtée au profit des charges domestiques (S2H), selon le mode de gestion d’énergie choisi par l’usager et selon le contexte technico-économique de gestion du réseau et des marchés de l’électricité. Le cas échéant, si le stockage stationnaire ne suffit pas à approvisionner les charges domestiques, la batterie de VE pourra prendre le relais, directement (B2H) ou indirectement (B2S).

" Recharge directe du stockage stationnaire par le stockage embarqué (B2S)

L’interaction battery-to-stationary (B2S) est la réciproque du S2B. Elle correspond à la recharge du stockage stationnaire de l’habitat solaire à partir du stockage embarqué du VE. Elle peut intervenir après une recharge de ce dernier par la production PV (P2B), par le réseau (G2B), par le système de stockage stationnaire (S2B) ou par un VE voisin (B2B). Ensuite, elle peut déboucher sur les usages classiques du stockage stationnaire déjà cités plus haut (S2H, S2G, S2B, S2S ; cf. Chap.2, §3).

Exemple : Le possesseur d’un VE rentre du travail où sa batterie a été chargée par une ombrière PV (P2B).

Le temps étant maussade, le besoin de recharge n’a été que partiellement couvert ; le réseau a fourni le complément aux périodes où l’énergie était moins chère à consommer (G2B). En passant, l’usager s’arrête à l’hypermarché pour faire des courses. Pour le remercier de sa venue et de sa fidélité, l’agrégateur mandaté par l’hypermarché lui fournit une part de l’énergie générée par les ombrières PV du parking et accumulée via les vases communicants avec d’autres VE (P2B/B2B) ou via le stockage stationnaire afférent (P2S/S2B). En arrivant chez lui, s’il n’a pas été rechargé par le PV, l’usager peut décider d’utiliser une part de sa capacité de batterie pour recharger le stockage stationnaire (B2S) utile aux charges domestiques (S2H).

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" Alimentation directe des charges domestiques par le stockage embarqué (B2H)

L’interaction battery-to-house (B2H) correspond à l’alimentation des charges domestiques via les batteries du VE. Avec ce concept, le stockage embarqué pourrait servir de générateur de secours en cas d’indisponibilité du réseau. Dans la littérature, on parle de vehicle-to-house (V2H), concept issu du V2G et pouvant aussi s’appliquer aux immeubles via le vehicle-to-building (V2B). Le B2H peut faire suite à toute interaction permettant la recharge du stockage embarqué. En revanche, l’énergie n’a pas de débouché ultérieur car les charges domestiques sont un pôle accepteur pur d’électricité. Sa mise en œuvre suppose simplement que le VE soit connecté au même bus bar que les charges. 2.4 Interactions envisageables à long terme

Les interactions à long terme mobilisent le moteur électrique (Fig.21), un pôle a priori peu propice à la convergence car dépendant de fortes ruptures technologiques. D’apparence irréalistes, ce sont des vues de l’esprit intéressantes pour imaginer et créer les futurs schémas de mobilité électrique.

Fig.21. Schéma de synthèse des 3 interactions bipolaires à long terme : G2M, M2G, P2M.

" Alimentation directe du moteur électrique par le réseau (G2M)

Une vision futuriste des VE consiste à les voir directement alimentés par le réseau via des rails ou des glissières électrifiées, tels des trains, trams ou autos-tamponneuses. Le concept en lui-même est simple mais sa réalisation suppose une infrastructure coûteuse et complexe à réaliser concrètement. Au moins en ville, on peut imaginer installer des rails comme ceux d’un tram, mais cela suppose de suivre une voie toute tracée là où le véhicule particulier est a priori l’expression d’un besoin de se déplacer où bon semble au conducteur. On peut aussi imaginer un système rétractable de caténaires permettant à l’usager de suivre un câble électrifié tout en pouvant s’en séparer quand il en a l’envie, basculant alors sur l’autonomie des batteries (ex : autobus bi-mode à caténaire et batteries [27]). L’avantage de ce système est que l’autonomie du VE est augmentée ; elle ne repose plus seulement sur le stockage embarqué mais également sur le réseau. Ce dernier sera d’autant plus robuste que les prélèvements d’énergie utiles à la mobilité seront progressifs et de fait prévisibles du gestionnaire. En outre, il est possible de mutualiser les infrastructures concernées avec d’autres types de transport (tram, bus) à la place du système de bornes de recharge imaginé aujourd’hui pour développer le VE.

! .N! A long terme, l’impact réseau des appels de puissance des VE sera d’autant moins important que de nombreux schémas de transferts d’énergie auront été inventés à cette date et développés en suivant l’axe applicatif du soutien réseau, par exemple sur la base du stockage bidirectionnel (S2G, B2G). Au niveau des débouchés de l’énergie électrique fournie par le réseau au moteur électrique, outre le freinage récupératif réinjecté dans les batteries (M2B), un autre type de scénario de gestion verrait la réinjection de l’énergie récupérée sur le réseau électrique global (M2G). Il est présenté ci-après.

" Injection réseau directe de l'énergie récupérée au freinage (M2G)

Le motor-to-grid (M2G) sera le pendant du motor-to-battery (M2B) pour le réseau, si tant est que le

grid-to-motor (G2M) ait été préalablement rendu possible. En clair, le fonctionnement du moteur

comme générateur au freinage convertit l’inertie des roues en une énergie valorisée sur le réseau. Les forts pics de puissance ainsi réinjectés seront lissés par le nombre de VE en circulation et par les appels d’énergie simultanés prélevés sur le même câble par des VE en fonctionnement moteur. L’énergie récupérée au freinage servira à tous les autres usages issus du réseau, de l’alimentation de charges (G2H, G2M) à la recharge du stockage (G2B, G2S) en passant par l’interconnexion (G2G). Pour éviter d’endommager le stockage embarqué dans l’habitacle, on pourra envisager de se passer du freinage récupératif alimentant la batterie et ne considérer in fine que cette réinjection réseau. Cela suppose néanmoins une bonne indépendance des circuits électriques dédiés et/ou un besoin d’autonomie limité entre deux raccordements du VE au câble réseau.

" Alimentation directe du moteur électrique par le photovoltaïque (P2M)

Le concept du production-to-motor (P2M) consiste à alimenter le moteur électrique à partir du PV directement, sans interface de stockage. C’est une légère entorse à l’habitat solaire tel que défini au début de ce mémoire car cela suppose que la production soit elle aussi embarquée à bord du VE. Toutefois, on imagine bien la présence de cellules PV intégrées à la carrosserie ou aux vitres du VE. Une fois de plus, l’énergie fournie par le PV au moteur électrique peut être récupérée au freinage ou réinjectée soit dans les batteries de VE (M2B), soit dans le réseau électrique global (M2G). L’idée du P2M existe déjà derrière le concept de Sun Racers, ces prototypes de VE qui concourent lors de compétitions internationales pour couvrir le plus long trajet avec la seule énergie solaire. Mais souvent ils mettent en jeu un stockage embarqué palliant l’absence de soleil ou bien alors les courses sont organisées à des endroits spécifiques où la ressource solaire est garantie. Dans la vie de tous les jours, ce ne sont pas les conditions de mobilité auxquelles on s’attend. En particulier, une grande partie de nos besoins de mobilité sont exprimés tôt le matin et en soirée, des moments où l’ensoleillement n’a pas encore commencé ou est trop faible pour alimenter un moteur de plusieurs kilowatts de puissance nominale. Cependant, pour d’autres véhicules motorisés (camions, tracteurs) ou tractés (remorques, caravanes), l’idée de satisfaire une partie des besoins électriques de mobilité (via des moteurs ou moteurs-roues) a du sens car les trajets coïncident avec la présence du soleil. Vraisemblablement, le PV servira plutôt aux auxiliaires utilisés en journée lorsque l’ensoleillement est présent, si tant est qu’un petit étage de conversion DC/DC ait été prévu pour la circonstance. Dans l’ensemble, il faut néanmoins s’attendre à ce que les cellules intégrées à la carrosserie ou aux vitres servent à alimenter en direct le stockage embarqué plutôt que le moteur, revenant ainsi à une interaction production-to-battery (P2B). Ce constat est étayé par le fait que les VE passeront le plus clair de leur temps à l’arrêt et à l’extérieur, sous le soleil, contribuant ainsi à recharger les batteries. En clair, le PV ne pourra fournir qu’une petite partie de l’énergie utilisée par le VE, et non pas la totalité, et il alimentera sûrement le stockage embarqué plutôt que le moteur. Néanmoins, on n’est pas à l’abri d’une découverte majeure en rupture technologique totale qui permette une production d’énergie singulière à partir de faibles surfaces photovoltaïques.