Loi relative à la Transition Energétique pour la Croissance Verte

Un des leviers de la France contre le changement climatique

La France est engagée depuis plus de 20 ans dans la lutte contre le changement climatique et ses impacts sur l’environnement et la société. Impliquée dans ce défi planétaire dès le Protocole de Kyoto (1997), elle a présidé la Conférence de Paris sur le Climat (COP 21 – 2015) qui a abouti au 1^er accord universel sur le climat¹. A l’échelle européenne, la France met en œuvre les dispositions « 3X20² » du Paquet Climat – Energie 2020 (2008). Sur le plan national, son action pour une atténuation des émissions de gaz à effet de serre et une croissance durable est portée par la Loi relative à la Transition Énergétique pour la Croissance Verte (LTECV – 2015), qui confirme son engagement en la matière avec des objectifs élevés de réduction de 40% de ses émissions à l’horizon 2030, et de division par deux de sa consommation énergétique d’ici à 2050, allant par là-même au-delà des objectifs communautaires³ du Paquet Climat – Energie 2030.

Une évolution majeure des réseaux de distribution d’électricité nécessaire

Dans les faits, cette ambition nationale pour la planète suppose le passage d’un système énergétique centralisé et axé sur des énergies fossiles  à un mix énergétique plus efficace, moins carboné et plus proche des besoins des usagers. Une orientation stratégique de développement bas-carbone qui s’appuie en particulier sur le déploiement à grande échelle d’énergies renouvelables (ENR) intermittentes (ex. éolienne et solaire), la mobilité électrique, l’autoconsommation individuelle ou collective et son stockage en cas d’excédents. Parallèlement, la réussite de cette transition énergétique nécessite une évolution majeure des réseaux de distribution d’électricité et de leur gestion. Alors qu’ils ont été initialement conçus pour distribuer l’électricité des centres producteurs vers les sites consommateurs, les réseaux doivent désormais permettre une circulation dans les deux sens, potentiellement de et vers n’importe quel  lieu du territoire. Un nouveau modèle qui demande flexibilité, adaptation en continue, et qui nécessite l’acquisition et le traitement dynamique des données sur leur état (ex. profil de l’onde de tension, état des différentes composantes, etc.) doit être mis en place. L’objectif est de garantir la sécurité, la sûreté et l'efficacité des réseaux dans la fourniture d’électricité à tous les usagers. Les réseaux électriques deviennent de facto des « smart grids », car de plus en plus intelligents dans leurs fonctionnements.

Des expertises dans le domaine de l’électricité et des réseaux intelligents

Pilote de la métrologie française et acteur de référence dans le domaine de la mesure à l’échelle européenne et sur la scène internationale⁴, le LNE est mandaté par le Ministère de l’industrie pour assurer des missions :

• d’intérêt général  de protection des citoyens et des consommateurs ;
• d’assistance technique et de service aux entreprises aux entreprises, institutionnels et collectivités.

Dans le cadre de ses fonctions, le LNE participe à la réussite de la LTECV. Son savoir-faire reconnus et ses travaux visant à relever des défis complexes du changement climatique et de la Transition mise en œuvre pour y remédier s’illustrent en particulier dans le domaine de l’électricité et des réseaux intelligents qui assureront demain notre évolution vers une humanité « décarbonée » et durable … comme en témoignent les projets et développements ci-dessous

Création du réseau européen de métrologie « Smart Electricity Grids »

EURAMET, l’association européenne des laboratoires nationaux de métrologies, dont le LNE est membre pour la France, a validé en mai 2018 la création du Réseau européen de métrologie « Smart Electricity Grids », un groupe d’acteurs travaillant sur les enjeux des réseaux électriques intelligents.

Dans sa mission d’accompagner l’ensemble des acteurs de la transition énergétique - industriels, laboratoires, organismes institutionnels et pouvoirs publics, le LNE a décidé de rejoindre ses homologues européens dans cette initiative.

« Smart Electricity Grids » a pour objectif de développer de nouveaux outils et méthodologies de mesure qui aideront les acteurs impliqués dans la production et distribution d’électricité ainsi que dans la gestion des réseaux associés à relever les défis de la transition énergétique. La force du Réseau réside dans sa capacité à pouvoir adresser tous les  enjeux de mesure liés à cette transition et à l’intégration des ENR intermittentes (ex : énergie solaire ou éolienne) : assurer la qualité de l'alimentation, la surveillance et le contrôle du réseau, les tests haute tension, la mesure des pertes, mettre en place l'instrumentation numérique (capteurs et compteurs intelligents)... L’ambition générale du réseau est de faire de l’Europe l’un des principaux centres mondiaux de métrologie des réseaux électriques.

Au regard de cette ambition, ses objectifs stratégiques sont de :

• S'assurer que tous les besoins des parties prenantes seront satisfaits en coordonnant l'alignement des stratégies nationales de R&D. Ceci comprend l'élaboration d'un programme de recherche stratégique qui identifie les besoins en matière de services de mesure et de recherche, ainsi qu'une feuille de route pour répondre à ces besoins.
• Créer une plate-forme Web pour les laboratoires nationaux de métrologie et les parties prenantes, industriels, associations, universités, organisations institutionnelles, afin de favoriser le transfert de connaissances et des technologies
• Mettre en place des liaisons stratégiques avec les parties prenantes
• Créer une identité visible en tant que porte-parole de la communauté européenne de la métrologie des réseaux électriques et un point de contact unique pour les parties prenantes

Un nouvel étalon pour la mesure des courants de forte valeur

Le LNE a développé un Shunt étalon calculable pour la mesure des courants électriques à 10 A et pour une bande de fréquence opérationnelle entre le continu (DC) et 1 MHz.

Les nouvelles technologiques telles que le développement des véhicules électriques, la production et la distribution d’énergie électrique basée sur l’intégration des énergies renouvelables, la naissance des réseaux électriques intelligents Smart Grids, placent au cœur des besoins industriels la mesure des courants de fortes valeurs du continu jusqu’à des fréquences de quelques MHz avec des performances plus grandes qui dépassent les capacités d’étalonnage des laboratoires.

Pour aider les industriels à répondre à cette problématique, le LNE vient de développer un shunt étalon pour mesurer des courants jusqu’à 1 MHz et 10 A avec des performances 10 fois supérieures à celles existantes sur le marché (mesure du module et de la phase). Pour les autres shunts étalons existants, la bande de fréquence opérationnelle est limitée à 100 kHz.

Maîtriser les performances des nouveaux équipements et satisfaire aux exigences demandées par les réseaux électriques nécessitent de mesurer les courants injectés en régime établi et en régime transitoire, l’injection de courant générant des phénomènes impulsionnels qui ont un impact sur la qualité de l’énergie et la performance des appareils électriques. Les limites en matière d’harmoniques ont été établies dans la norme européenne NF EN 50160-2010. L’utilisation du shunt large bande développé permet de bien caractériser ces harmoniques et les impulsions du réseau électrique. Dans plusieurs domaines, dont celui des véhicules électriques, les bancs d’essais mettent en œuvre des analyseurs de puissance pour évaluer le rendement des moteurs électriques. Le spectre des signaux est riche en harmoniques et il subsiste aujourd’hui une méconnaissance de la capacité de ces instruments à prendre en compte ces harmoniques. L’enjeu pour les industriels est d’avoir une plus grande confiance dans la mesure du rendement et de réduire les incertitudes de ce dernier. Les analyseurs de puissance disponibles actuellement sur le marché sont capables de mesurer des puissances jusqu’à 10 MHz avec des valeurs de courant d’entrée allant jusqu’à 20 A. Le shunt étalon développé par le LNE permet l’étalonnage de ces analyseurs de puissance avec un niveau de performance jusque-là jamais atteint.

En parallèle de ce nouveau développement, le LNE a établi une méthode pour mesurer simultanément le module et la phase des shunts étalons couramment utilisés par les industriels et les laboratoires de métrologie et d’essais⁵. La bande de fréquence va du courant continu jusqu’à plusieurs dizaines de mégahertz Basée sur l’utilisation d’un analyseur de réseaux vectoriel, cette méthode innovante présente la première méthode capable de caractériser des shunts de courant jusqu’à ces fréquences (supérieures à 100 kHz) avec un tel niveau d’incertitudes en garantissant la traçabilité au SI : à 1 MHz l’incertitude relative sur le module est de 2.10^-3.

L’offre métrologie électrique du LNE

Le pôle Métrologie électrique du LNE offre une large gamme de prestations pour la caractérisation et l’étalonnage des équipements et installations Industrielles aux producteurs d’énergie, équipementiers et laboratoires mettant en pratique des mesures de tension, courant, impédances, en onde sinusoïdale et impulsionnelle.

Ses laboratoires de « Puissance et Energie », « Haute Tension », « Forts Courants », « Haute et Basse Fréquence » et Temps-Fréquence sont accrédités COFRAC.

Ses équipes interviennent également sur site. Les prestations sont alors couvertes par le CIPM MRA (Arrangement de reconnaissance mutuelle du comité international des poids et mesures) et garantissent la traçabilité métrologie au système international.

Les ingénieurs et techniciens du LNE accompagnent leurs clients aussi au travers de formations qui peuvent être élaborées sur mesure pour mieux répondre à leurs  attentes.

En tant que laboratoire national, le LNE peut construire en collaboration avec ses clients des projets de recherche partenariale en leur faisant bénéficier d’une subvention publique.

Parallèlement à ces projets qui peuvent s’inscrire dans le court terme, le LNE peut intégrer ses clients en tant que partenaire financé dans des projets de recherche européens pilotés et subventionnés par EURAMET, l’association européenne des instituts nationaux de métrologie.

1 : Cet accord vise à stabiliser le réchauffement climatique dû aux activités humaines « nettement en dessous » de 2°C d’ici 2020, en renforçant les efforts pour atteindre la cible de 1,5°C).

2 : Cette disposition a pour objectifs de :

 - faire passer la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique européen à 20 % ;
 - réduire les émissions de CO2 des pays de l'Union de 20 % ;
 - accroître l'efficacité énergétique de 20 % d'ici à 2020.

3 : Le paquet climat-énergie de 2014 fixe de nouveaux objectifs communautaires pour 2030 :

 - 40 % de réduction des émissions de gaz à effet de serre par rapport à 1990 ;
 - 27 % d'énergies renouvelables dans le mix énergétique ;
 - 27 % d'efficacité énergétique.

4 : Le LNE, représente la France au sein d’EURAMET (Association Européenne des Instituts nationaux de métrologie), et participe régulièrement à des comparaisons interlaboratoires au niveau international (key comparisons du CIPM).

5 : M. Ouameur, F. Ziade, and Y. L. Bihan, “Novel Broadband Calibration Method of Current Shunts Based on VNA” IEEE Trans. Instrum. Meas., pp. 1–10, 2018 (Early Access).

[dossier publié en novembre 2018]