Pourquoi le « déclenchement » solaire est une menace pour le réseau pour les énergies renouvelables

Le 9 mai de l'année dernière était censé être une journée typique pour l'énergie solaire dans l'ouest du Texas. Mais vers 11h21, quelque chose s'est mal passé.

Selon l'Electric Reliability Council of Texas (ERCOT), de grandes quantités de capacité solaire se sont déconnectées de manière inattendue, apparemment déclenchées par un défaut sur le réseau lié à une usine de gaz naturel à Odessa. La perte de production solaire représentait plus de 13% de la capacité solaire totale à l'époque dans la région du réseau ERCOT, qui s'étend sur la majeure partie de l'État.

Alors que toutes les unités solaires sont revenues en ligne dans les six minutes, l'incident a mis en évidence un défi persistant pour le secteur de l'électricité qui, selon les experts, doit être relevé alors que les ressources énergétiques propres continuent de remplacer les combustibles fossiles.

"Comme au Texas, nous assistons assez rapidement à cet énorme boom de la technologie solaire", a déclaré Ryan Quint, directeur de l'ingénierie et de l'intégration de la sécurité à la North American Electric Reliability Corporation (NERC). "Et maintenant, nous assistons à de très grandes perturbations venues de nulle part."

Aux États-Unis, les ressources sans carbone représentent une part croissante du mix électrique et la grande majorité de la nouvelle génération proposée. L'été dernier, les systèmes de stockage solaires et de batterie ont aidé à garder les lumières allumées au Texas et en Californie alors que les opérateurs de réseau étaient aux prises avec une forte demande d'électricité due à une chaleur extrême, selon des experts du réseau.

Même ainsi, bien que les troubles de l'année dernière près d'Odessa aient été inhabituels, ce n'était pas un incident isolé. Si l'industrie et les régulateurs n'agissent pas pour empêcher les futurs événements de "déclenchement" des énergies renouvelables, de tels incidents pourraient déclencher une panne d'électricité s'ils sont suffisamment répandus et nuire à la perception du public des énergies renouvelables, selon les experts.

L'événement de déclenchement au Texas - qui s'est étendu sur 500 miles - et d'autres incidents similaires ont été liés aux onduleurs qui convertissent l'électricité générée par les systèmes de stockage solaire, éolien et de batterie en puissance utilisée sur le réseau. Les générateurs conventionnels - centrales électriques à combustibles fossiles, centrales nucléaires et barrages hydroélectriques - n'ont pas besoin d'onduleurs, car ils génèrent de l'énergie différemment.

"Nous devons compter de plus en plus sur la technologie des onduleurs, il devient donc de plus en plus critique que nous n'ayons pas ces problèmes de risque de fiabilité systémique, comme les déclenchements inattendus et les performances inattendues", a déclaré Quint.

Selon les experts, les ressources renouvelables - ou "basées sur des onduleurs" - ont des attributs précieux qui manquent aux générateurs conventionnels. Ils peuvent monter et descendre beaucoup plus rapidement qu'une centrale électrique conventionnelle, de sorte que les incidents de déclenchement ne durent généralement pas plus de plusieurs minutes.

Mais les onduleurs doivent également être programmés pour se comporter de certaines manières, et certains ont été conçus pour se déconnecter en cas de panne électrique, plutôt que de la traverser, a déclaré Debra Lew, directrice associée de l'Energy Systems Integration Group à but non lucratif.

"[La programmation] vous donne beaucoup d'espace pour jouer", a déclaré Lew. "Vous pouvez faire toutes sortes de choses folles. Vous pouvez faire de grandes choses et vous pouvez faire des choses merdiques."

Lorsque les parcs solaires et éoliens sont devenus un acteur important de l'industrie de l'énergie dans les années 2000 et 2010, il aurait peut-être été logique de programmer leurs onduleurs pour qu'ils se déconnectent temporairement en cas de panne, a déclaré Barry Mather, ingénieur en chef au National Renewable Laboratoire de l'Energie (NREL).

Les pannes peuvent être causées par des lignes électriques tombées en panne, la foudre ou d'autres perturbations plus courantes. La réponse des ressources basées sur les onduleurs visait à empêcher les équipements d'être endommagés, et elle avait initialement peu de conséquences pour le réseau dans son ensemble, car les énergies renouvelables à l'époque ne représentaient qu'une si petite partie du réseau, a noté Mather.

Alors que Quint a déclaré que des progrès étaient en cours pour améliorer les onduleurs au Texas et ailleurs, d'autres sont moins optimistes quant au fait que l'industrie et les régulateurs traitent actuellement le problème avec l'urgence qu'il mérite.

"La vérité est que nous n'avançons pas vraiment en termes de solution", a déclaré Mather. "Nous réparons en quelque sorte les choses pour un événement, puis le prochain événement se déroule assez différemment."

Le NERC a tiré la sonnette d'alarme sur la menace de déclenchement des ressources basées sur les onduleurs depuis plus de six ans. Mais les recommandations de l'organisation pour les propriétaires de transmission, les fabricants d'onduleurs et autres sur la façon de résoudre le problème n'ont pas été adoptées universellement.

En août 2016, la fumée et la chaleur à proximité d'un feu de forêt actif dans le comté de San Bernardino, en Californie, ont provoqué une série de pannes électriques sur les lignes électriques à proximité. Cela a déclenché la déconnexion de plusieurs onduleurs ou l'arrêt momentané de l'injection d'électricité dans le réseau, entraînant la perte de près de 1 200 mégawatts d'énergie solaire, le premier incident de déclenchement généralisé documenté aux États-Unis.

Plus de la moitié des ressources affectées par l'événement californien sont revenues à une production normale en cinq minutes environ. Pourtant, le phénomène de déclenchement à l'époque était considéré comme une "préoccupation importante" pour l'opérateur de réseau californien, a déclaré le NERC dans un rapport de 2017 sur l'incident.

La perception autour de certains des premiers incidents était que les unités solaires concernées étaient relativement anciennes, avec des onduleurs moins sophistiqués que ceux installés aujourd'hui, a déclaré Ric O'Connell, directeur exécutif du GridLab, un groupe de recherche à but non lucratif axé sur la puissance grille. C'est pourquoi les troubles de l'année dernière près d'Odessa ont fait sensation, a-t-il dit.

"On s'attend à ce qu'il y ait de vieilles usines héritées en Californie qui ont 10, 15 ans et qui ne sont peut-être pas en mesure de suivre les normes modernes", a déclaré O'Connell. "Mais [ces] usines du Texas sont toutes assez neuves."

À la suite de la perturbation d'Odessa en mai 2021, ERCOT a contacté les propriétaires des centrales solaires concernées – qui n'ont pas été nommés publiquement dans les rapports publiés par l'opérateur du réseau – pour essayer de déterminer quelles fonctions ou facteurs de programmation les avaient provoqués, a déclaré Quint du NERC. Plus tôt cette année, ERCOT a également créé un groupe de travail sur les ressources basées sur les onduleurs pour "évaluer, examiner et recommander des améliorations et des activités d'atténuation" afin de soutenir et d'améliorer ces ressources, a déclaré Trudi Webster, porte-parole de l'opérateur de réseau.

Pourtant, le problème est réapparu au Texas cet été, à nouveau centré près d'Odessa.

Le 4 juin, neuf des mêmes unités solaires qui s'étaient déconnectées lors de l'événement de mai 2021 ont de nouveau cessé de produire de l'électricité ou ont réduit leur puissance de sortie. Surnommé "Odessa Disturbance 2" par ERCOT, l'incident de juin était le plus grand événement de déclenchement basé sur un onduleur documenté à ce jour aux États-Unis, impliquant un total de 14 installations solaires et entraînant une perte de 1 666 mégawatts d'énergie solaire.

Le NERC a préconisé plusieurs solutions au problème. D'une part, les propriétaires de transmission et les fournisseurs de services doivent améliorer les exigences d'interconnexion pour les ressources basées sur les onduleurs, a déclaré Quint. En outre, la Federal Energy Regulatory Commission devrait améliorer les accords d'interconnexion à l'échelle nationale pour s'assurer qu'ils sont "appropriés et applicables à la technologie basée sur les onduleurs", a déclaré Quint. Enfin, les normes de fiabilité obligatoires établies par le NERC doivent être améliorées, un processus qui est en cours, a-t-il déclaré.

L'un des défis liés à la résolution du problème semble être les intérêts concurrents des différentes parties de l'industrie, a déclaré Mather de NREL. Parce que le déclenchement peut essentiellement être un mécanisme de défense pour les unités solaires, éoliennes ou à batterie qui pourraient être endommagées par une panne, certains propriétaires de centrales électriques pourraient se méfier des politiques qui les obligent à traverser toutes les pannes, a-t-il déclaré.

"Si vous êtes un [opérateur de système indépendant], vous préféreriez que ces usines ne se déconnectent jamais, elles devraient traverser n'importe quoi", a déclaré Mather. "Si vous êtes propriétaire et exploitant d'une centrale, vous vous méfiez un peu de cela, car cela met votre équipement en danger ou du moins potentiellement en danger et vous pourriez subir des dommages à vos systèmes d'onduleurs photovoltaïques."

En outre, certains propriétaires de centrales d'énergie renouvelable pourraient supposer à tort que les installations qu'ils possèdent ne nécessitent pas beaucoup d'entretien, selon O'Connell. Mais le solaire constituant désormais une part de plus en plus importante du mix global des ressources électriques, cette façon de penser doit changer, a-t-il déclaré.

"Maintenant que l'industrie a grandi et que nous avons des centrales [solaires] de 100 mégawatts, et non des centrales de 5 kilowatts, nous devons changer de paradigme", a-t-il déclaré.

Sean Gallagher, vice-président des affaires d'État et réglementaires à la Solar Energy Industries Association, a souligné que les incidents de déclenchement ne peuvent pas être résolus par les seuls développeurs. Il est également crucial pour les propriétaires de transmission "de s'assurer que les onduleurs sont correctement configurés à mesure que davantage de ressources basées sur les onduleurs sont mises en ligne", a déclaré Gallagher.

"Avec plus de projets d'énergie propre sur le réseau, la physique du réseau évolue rapidement, et les développeurs de projets énergétiques, les services publics et les propriétaires de transmission doivent tous jouer un rôle en ce qui concerne la fiabilité à l'échelle du système", a déclaré Gallagher dans un communiqué.

Dans l'ensemble, l'industrie soutiendrait des "exigences de modélisation réalisables" pour les projets solaires et de stockage dans le cadre du processus d'interconnexion - ou du processus par lequel les ressources se connectent au réseau, a-t-il ajouté.

Le défi du déclenchement n'est pas passé inaperçu par les agences fédérales alors qu'elles travaillent à préparer le réseau pour une injection rapide de ressources énergétiques propres - une tendance motivée par l'économie et les politiques climatiques, mais turbocompressée par l'adoption récente de la loi sur la réduction de l'inflation.

Le mois dernier, le ministère de l'Énergie a annoncé une nouvelle opportunité de financement de 26 millions de dollars pour des projets de recherche qui pourraient démontrer un système électrique fiable entièrement alimenté par des ressources de stockage solaires, éoliennes et de batteries. L'un des objectifs du programme de financement est d'aider à montrer que les ressources basées sur les onduleurs peuvent faire tout ce qui est nécessaire pour garder les lumières allumées, ce que l'agence a décrit comme "un obstacle majeur à la transition vers une énergie propre".

"Parce que la nouvelle production éolienne et solaire est interfacée avec le réseau via des onduleurs électroniques de puissance, elles ont des caractéristiques et une dynamique différentes de celles des sources de production traditionnelles qui fournissent actuellement ces services", a déclaré le DOE dans son avis de financement.

La FERC a également proposé une nouvelle règle qui s'inspire des recommandations existantes de la NERC. Dans le cadre d'une proposition radicale visant à mettre à jour le processus de connexion des nouvelles ressources au réseau, la FERC a inclus deux nouvelles exigences visant à réduire les déclenchements par les ressources basées sur les onduleurs.

Si elle est finalisée, la règle de la FERC exigerait que les ressources basées sur les onduleurs fournissent des "modèles précis et validés" concernant leur comportement et leur programmation dans le cadre du processus d'interconnexion. Les ressources devraient également généralement être en mesure de traverser les perturbations sans se déconnecter, a déclaré la commission dans la proposition publiée en juin.

Bien qu'elle soit conçue pour aider à prévenir les déclenchements généralisés, la proposition actuelle de la FERC pourrait être améliorée, a déclaré Julia Matevosyan, ingénieure en chef au Energy Systems Integration Group. Entre autres changements, l'agence devrait exiger des ressources basées sur des onduleurs pour injecter ce que l'on appelle la "puissance réactive" lors d'un défaut, tout en réduisant la puissance de sortie réelle proportionnellement à la taille de la perturbation, a déclaré Matevosyan. La puissance réactive fait référence à la puissance qui aide à déplacer l'énergie autour du réseau et supporte les tensions sur le système.

"C'est une bonne intention. C'est juste que le langage, tel qu'il est proposé actuellement, n'est pas un comportement techniquement possible ou souhaitable", a déclaré Matevosyan à propos de la proposition de la FERC.

Pour améliorer sa proposition, la FERC pourrait s'appuyer sur le langage utilisé par l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) dans une nouvelle norme qu'elle a développée pour les ressources basées sur les onduleurs plus tôt cette année, a-t-elle ajouté. Les normes émises par l'IEEE, une organisation professionnelle axée sur les questions d'ingénierie électrique, ne sont ni exécutoires ni obligatoires, mais elles représentent les meilleures pratiques pour l'industrie.

Le processus de l'IEEE est axé sur les parties prenantes. Quatre-vingt-quatorze pour cent des 170 experts de l'industrie impliqués dans le processus de développement de la dernière norme de ressources basée sur les onduleurs - y compris les fabricants d'onduleurs, les développeurs d'énergie, les opérateurs de réseau et autres - ont approuvé la version finale, a déclaré Matevosyan.

L'approbation de la norme IEEE est un signe qu'un consensus pourrait émerger sur le déclenchement des ressources basées sur les onduleurs, malgré les obstacles techniques et politiques qui subsistent, ont déclaré des observateurs. Alors que l'industrie cherche à améliorer les performances des ressources basées sur les onduleurs, on comprend également de plus en plus les avantages que présentent les ressources par rapport aux ressources conventionnelles, telles que leur capacité à réagir rapidement aux conditions du réseau, a déclaré Tom Key, cadre technique supérieur chez Electric Institut de recherche sur l'énergie.

"Ce n'est pas le ciel qui tombe ou quelque chose comme ça", a déclaré Key. "Nous allons dans la bonne direction."