A16Z: réseau électrique décentralisé

Auteur: Ryan McEnrush, partenaire de A16Z;

Le réseau électrique est un système énorme et complexe composé de fils et de centrales électriques, ce qui est crucial pour notre économie et le fondement de notre force industrielle.Actuellement, les États-Unis sont confrontés à de graves défis: la demande d’électricité américaine devrait augmenter d’ici 2040 en raison de facteurs tels que l’informatique de l’intelligence artificielle, la reflux et « l’électrification ».Presque doublé, mais notre infrastructure et nos opérations de grille sont difficiles à suivre.

Pour saisir l’avenir riche en énergie, nous devons simplifier la production, la transmission et la consommation d’électricité;Réseau électrique décentralisé.La construction de grandes centrales électriques et de lignes de transmission à longue distance est très lourde, mais des technologies telles que l’énergie solaire, les batteries et les réacteurs nucléaires avancés ont apporté de nouvelles possibilités.Ce sont ces technologies et d’autres plus «locales» qui peuvent éviter les câblage à longue distance coûteux et se déployer directement sur le site,Cela aidera à soutenir une croissance importante de la charge au cours des prochaines décennies.

Alors que l’expansion industrielle historique repose sur de grandes centrales centralisées, le 21e siècle marque un passage à une énergie décentralisée et intermittente, d’un modèle de «rayonnement central» à un réseau distribué.Bien sûr, cette évolution apporte de nouveaux défis et nous avons besoin d’innovation pour combler l’écart.

Troubles de la croissance

La grille américaine se compose de trois principaux réseaux Internet: l’Est, l’Ouest et le Texas, gérés par 17 coordinateurs de la NERC, et l’ISO (opérateur de système indépendant) et le RTO (opérateur de transmission régional) supervisent l’économie et l’infrastructure régionales.Cependant, la production d’électricité et la transmission réelles sont gérées par des sociétés de services publics locales ou des coopératives.Cette structure a joué un rôle dans une ère de faible croissance des charges, mais l’élargissement de l’infrastructure du réseau pour répondre aux demandes d’aujourd’hui est devenueDe plus en plus difficile et coûteux.

Problèmes d’accès

Utilisé par les opérateurs de réseau électriqueFile d’attente d’accèsPour gérer un nouvel accès aux actifs, évaluez si le réseau peut prendre en charge une nouvelle puissance à l’emplacement sans déséquilibre et déterminer le coût des mises à niveau nécessaires.De nos jours, plus de2000 GWEn attendant l’accès à la grille, plus de 700 GW de projets seront dans la file d’attente en 2022 seulement.C’estunUn grand nombre: La capacité installée de l’ensemble du réseau électrique américain n’est que de 1200 GW.

Mais en réalité, de nombreux projets ont été retirés en raison du coût de la connexion au réseau.Historiquement, seulement 10 à 20% des projets en file d’attente ont été réalisés, nécessitant souvent plus de 5 ans après la connexion pour finalement se connecter – et ces temps ne feront que s’augmenter et plus.Les générateurs e-mails soumettent souvent plusieurs propositions spéculatives pour identifier les points d’accès les moins chers, puis retirer les propositions défavorables après la connu du coût, compliquant ainsi les études de faisabilité.L’opérateur de grille de Californie Caiso a été contraint de cesser d’accepter de nouvelles demandes en 2022 et prévoit de recommencer en 2024 en raison de la surtension des demandes.

Il s’agit d’un facteur de limitation des taux clés et d’un moteur des coûts dans notre transition énergétique.Un récent rapport du ministère américain de l’Énergie a révélé que pour respecter une croissance élevée de la charge d’ici 2035, la transmission intrarégionale qui intègre les nouveaux actifs doit augmenter de 128% et la transmission interrégionale doit augmenter de 412%.Des prévisions plus optimistes devraient augmenter respectivement à 64% et 34%.

Les réformes proposées aident à atténuer cet arriéré de développement.La Federal Energy Management Commission (FERC) met en œuvre une politique de «premier service et de premier service» qui filtre les propositions et accélère les examens en augmentant les frais.La Commission de fiabilité de l’électricité du Texas (ERCOT) adopte une approche «accès et gestion» qui permet un accès plus rapide, mais déconnecte le projet si elle menace la fiabilité du réseau – cela ajoute que de nouveaux actifs de grille rapidement ont connu un grand succès.Bien que ces politiques marquent les progrès, la simplification d’autres réglementations telles que la NEPA est également cruciale pour accélérer la construction.

Mais même avec l’approbation, la construction de grille est toujours confrontée à des obstacles à la chaîne d’approvisionnement, y compris plus de 12 mois de délai de livraison, une augmentation de 400% de prix pour les transformateurs de puissance importants et une pénurie d’aciers spécialisés.La réalisation de l’objectif fédéral de développer la fabrication des transformateurs dépend également du soutien à l’industrie de l’acier électrique, en particulier les prochaines normes d’efficacité énergétique de 2027.Tout cela se produit lorsque la panne de courant de la grille (principalement liée aux conditions météorologiques) atteint son plus haut niveau en 20 ans, nécessitant un remplacement matériel.

Cela n’inclut pas la livraison

En fin de compte, la réforme des coûts de la construction des infrastructures de réseau électrique se manifeste dans la hausse des prix à la consommation.Le «prix de détail» que les consommateurs paient est une combinaison de prix de gros (le coût de la production d’électricité) et des frais de livraison (le coût de la livraison de l’électricité à l’infrastructure dont vous avez besoin).Surtout, bien que les prix de production d’énergie renouvelable et de gaz naturel bon marché aient diminué, les prix de la transmission d’énergie ont fortement augmenté.

Cet incident est causé par de nombreuses raisons.Les services publics utilisent des factures de distribution pour compenser les pertes de la production d’électricité des clients, visant à garantir les revenus des investissements à infrastructures de rendement fixe (similaires à la contractation de défense sur le coût).Le développement des énergies renouvelables nécessite l’extension des lignes électriques vers des zones éloignées, qui sont moins utilisées en raison de l’intermitténtité.De plus, avec l’augmentation de l’électrification et de l’auto-génération, les charges deviennent plus instables et les infrastructures conçues pour la demande de pointe deviennent inefficaces et coûteuses.

Les ajustements de politique et de marché abordent ces coûts de transport croissants, et l’adoption massive de systèmes électriques distribués tels que le solaire sur le toit en est un exemple notable.

Le programme Net Energy Metering (NEM) de Californie a initialement permis aux propriétaires de vendre un excédent solaire au réseau aux prix de détail, ignorant les coûts de distribution du service public.Les changements récents rachètent désormais essentiellement l’électricité à des prix de gros variables, réduisant les revenus des propriétaires de panneaux solaires pendant les périodes de production de pointe, qui sont souvent conformes au prix de l’électricité le plus bas.L’ajustement prolonge la période de récupération pour les installations solaires, incitant les propriétaires et les entreprises à investir dans le stockage d’électricité pour vendre de l’énergie lorsqu’elle est plus rentable.

Les services publics de Californie ont également proposé un modèle de facturation où les frais fixes dépendent des niveaux de revenu et des frais d’utilisation dépendent de la consommation.Cette décision vise à permettre aux clients riches de supporter plus de coûts d’infrastructure de grille et de protéger les personnes à faible revenu de la hausse des prix de l’électricité au détail.Bien que cette politique spécifique ait été suspendue récemment pour des versions similaires mais moins extrêmes, une telle idée pourrait conduire à des utilisateurs riches complètement hors réseau.La trahison peut amener les utilisateurs restants à payer des coûts plus élevés et à déclencher une «spirale de la mort».Certains pensent que cela s’est produit sur le marché hawaïen de l’énergie, certaines régions se tournant rapidement vers les pompes à chaleur électriques.

Garder la lumière allumée

L’électricité n’est pas magique; le réseau électrique fonctionne de manière complexe.À tout moment,La puissance générée doit être liée à la demande de puissanceou des correspondances de «chargement»;À un niveau supérieur, la stabilité du réseau repose sur le maintien d’une fréquence constante – 60 Hz aux États-Unis.

La congestion causée par une capacité de ligne électrique excessive (déversement d’électricité dans le réseau) peut entraîner des limites de puissance et des différences de prix locales.Tout écart de fréquence peut également endommager le générateur et l’équipement moteur.Le vent, l’énergie solaire et les batteries – les ressources réverse dépourvues d’inertie – stabilité de fréquence complexe à mesure qu’elles prolifèrent.Dans les cas extrêmes, les écarts peuvent entraîner des pannes de courant et même des dommages à l’équipement connecté au réseau.

En raison de la vulnérabilité inhérente de la grille, les actifs qui y sont liés doivent être soigneusement considérés pour aligner l’offre fiable avec la demande prévue.La croissance des alimentations intermittents (offre peu fiable) combinées à la montée en puissance de « l’électrification » (augmentation de la demande) apportegraveLe défi.

Quand est-ce suffisant, assez?

Environ les deux tiers de la charge sont équilibrés par le marché de gros à travers (principalement) il y a quelques jours les enchères, où le prix est déterminé par le coût de la dernière unité d’électricité requise.Les énergies renouvelables n’ont aucun coût marginal et sont généralement plus élevées que les autres sources d’énergie lorsqu’elles sont actives, ce qui entraîne des fluctuations de prix – les prix sont extrêmement bas lorsque les énergies renouvelables répondent à la demande, les prix montent en flèche lorsque l’énergie plus coûteuse est nécessaire (Remarque: Les offres sont différentes deNiveler les coûts d’énergieLCOE.)

L’imprévisibilité de l’énergie solaire et éolienne, ainsi que la fermeture des centrales fossiles vieillissantes, exercent la pression sur la stabilité du réseau.Cela peut entraîner des pannes de courant (sous-production) et des limites de puissance (surproduction), comme les déchets de 2400 GWh en Californie en 2022.La résolution de ce problème nécessite des investissements dans le stockage d’énergie et l’amélioration de la transmission (décrit ci-dessous).

De plus, à mesure que l’approvisionnement en électricité devient plus imprévisible, le gaz naturel joue un rôle de plus en plus important en raison de sa rentabilité et de sa flexibilité.Le gaz naturel soutient généralement les énergies renouvelables par des «centrales de pointe» qui ne sont démarrées que lorsque cela est nécessaire.D’une manière générale, la nature intermittente de l’énergie solaire et éolienne rend les centrales à gaz et d’autres types de centrales électriques rentables par intermittence, parfois même en fonction de pertes continues pour des raisons techniques.Par conséquent, lorsqu’une «centrale électrique de pointe» fixe des prix de gros lorsque les pannes d’énergie renouvelable entraîneront des coûts plus élevés, ce qui entraînera la volatilité des consommateurs.

La demande d’électricité change également.Bien que les technologies telles que les pompes à chaleur aient une économie d’énergie, elles peuvent entraîner des charges maximales en hiver lorsque la production d’énergie renouvelable est faible.Cela oblige les opérateurs à conserver un certain tampon d’actifs électriques et ignore souvent les énergies renouvelables dans la planification de l’adéquation des ressources.Les opérateurs de grille suivent généralement la règle «un dixième», acceptant les pénuries de puissance tous les dix ans, mais les calculs réels sont plus complexes.À ERCOT, en raison du manque de marchés traditionnels de capacité pour remplacer les incitations à l’augmentation des prix, nous avons vu que les «réserves d’urgence» continuent de croître à mesure que les énergies renouvelables entrent dans le réseau.

Des zones comme la Californie sont également confrontées à une «courbe de canard» qui nécessite que les opérateurs de grille augmentent rapidement plus de 20 GW d’électricité à mesure que la lumière du jour baisse et la demande augmente.Ceci est techniquement et économiquement difficile pour les usines qui visent à maintenir la production.

La nature intermittente des énergies renouvelables peut entraîner des coûts cachés, obligeant les opérateurs à prendre des risques ou investir dans de nouveaux actifs.Alors que les coûts de nivellement de l’énergie évaluent la viabilité économique du projet, il simplifie la véritable valeur des actifs au réseau plus large.Cependant, LCOE met en évidence les défis économiques confrontés à la construction de nouveaux actifs tels que les centrales nucléaires.Bien que l’énergie nucléaire soit plus chère que le gaz naturel d’aujourd’hui, il fournit une voie convaincante et fiable pour décarboniser l’électricité.Nous avons juste besoin d’élargir l’échelle de la construction des réacteurs.

Mais nous ne pouvons pas compter uniquement sur l’énergie nucléaire.S’appuyer sur une seule source d’énergie est risqué, comme l’ont démontré les défis nucléaires auxquels la France est confrontée pendant les sanctions énergétiques russes et le problème du gaz par temps froid dans le sud des États-Unis, sans parler des fluctuations des prix des produits de base.Les zones avec de grandes quantités d’énergies renouvelables, comme la Californie, sont également confrontées à l’incertitude en raison de leur dépendance quotidienne à l’égard des importations.Même des endroits comme l’Islande ou la Scandinavie qui utilisent presque 100% d’énergie propre maintiendront des options de sauvegarde ou d’importation fiables pendant une crise.

Devenir intelligent

À mesure que la demande d’électricité augmente, le réseau a eu du mal à faire face à des situations de plus en plus complexes en raison de sources d’énergie renouvelables décentralisées et intermittents.Nous ne pouvons pas forcer cette transformation avec une force brute;Nous devons vraiment être intelligents.

Le réseau actuel vieillit et «stupide» et s’appuie sur des centrales électriques pour ajuster la production en fonction de la demande prévue tout en effectuant de petits ajustements en temps réel pour assurer la stabilité.Le réseau a été conçu à l’origine pour un débit à sens unique de grandes centrales électriques, mais elle a été contestée par le concept de plusieurs petites alimentations, fournissant de la puissance dans toutes les directions, telles que votre solaire sur le toit chargé la voiture électrique de votre voisin.De plus, le manque de visibilité réel dans les tendances en temps réel pose des problèmes imminents, en particulier au niveau de la distribution.

L’énergie solaire résidentielle, les batteries, le nucléaire avancé et (éventuellement) l’énergie géothermique offrent de l’électricité dispersée, réduisant le besoin de construction d’infrastructures.Cependant, l’intégration d’une grille changeante et instable nécessite toujours des solutions innovantes.De plus, grâce à un stockage local et à une réponse côté demande (comme la désactivation du thermostat lorsque la grille est serrée), l’utilisation efficace des systèmes d’alimentation à l’échelle des services publics peut même être considérablement améliorée, réduisant ainsi la période de pointe de la nécessité de construire des actifs sous-utilisés qui ne sont que brièvement en ligne.

La «grille intelligente» vise à réaliser tout cela et plus encore et peut être divisée en trois groupes techniques principaux:

• Avant du compteur

• Notes de ligne dynamiques, transformateurs à semi-conducteurs, gestion de tension et systèmes de tendance, meilleurs conducteurs, surveillance des infrastructures, production d’énergie à l’échelle du réseau, stockage à l’échelle du réseau, etc.

• Backend

• Pompes à chaleur, appareils électriques, énergie solaire résidentielle, stockage d’énergie domestique, chargeurs de véhicules électriques, thermostats intelligents, compteurs intelligents, micro réacteurs et petits réacteurs modulaires, microréseaux, etc.

• Logiciel de grille

• Les centrales électriques virtuelles, la meilleure prévision, la gestion des équipements, l’infrastructure de données énergétiques, la cybersécurité, les ADM, la planification d’interconnexion, les outils financiers de puissance, l’automatisation du protocole bilatéral, etc.

Plus précisément, deux tendances majeures sont cruciales pour l’avenir de « Smart Grid ».

Tout d’abord, nous devons construire un grand nombre d’installations de stockage d’énergie pour lisser les charges de pointe locales et stabiliser l’alimentation intermittente à l’ensemble du réseau électrique.Les batteries de stockage d’énergie sont déjà cruciales pour les épidémies de puissance à petite échelle et peuvent même couvrir plus longtemps à mesure que les prix continuent de baisser.Mais l’élargissement de la taille de la batterie de centaines de GWH nécessite également de développer la chaîne d’approvisionnement.Heureusement, une solide situation économique peut continuer à accélérer le déploiement;

La seconde consiste à accélérer le déploiement et l’intégration des réseaux d’actifs énergétiques distribués.Tout ce qui peut être utilisé pour l’alimentation sera alimenté.Permettre à ces systèmes d’interagir avec les systèmes énergétiques à la maison et à l’échelle du réseau nécessitera une variété de nouvelles solutions.Une collection de dispositifs «intelligents» tels que les véhicules électriques ou les thermostats peut même former des centrales virtuelles qui imitent le comportement des actifs énergétiques plus importants.

Quel est l’avenir?

Un défi de base dans l’expansion du réseau est d’équilibrer soigneusement la transition entre les systèmes centralisés et décentralisés tout en tenant compte des problèmes économiques et de fiabilité.Bien que des grilles simples et (généralement) fiables et centralisées sont également confrontées à des fluctuations de demande complexes et à des coûts fixes élevés – par exemple, la plupart des grandes centrales nucléaires du monde entier sont financées par le gouvernement, et des réseaux décentralisés sont toujours en cours de déploiement. , mais ne garantissent pas automatiquement de l’électricité fiable, comme le suggèrent les préférences de certaines communautés rurales en Inde.

Il devrait être clair que la grille centralisée que nous avons aujourd’hui ne disparaîtra certainement pas – en fait, elle doit être élargie – mais ce seraConsommé par le réseau croissant d’actifs décentralisés.Les contribuables adopteront de plus en plus l’auto-génération et le stockage, remettant en question les monopoles de puissance traditionnels et la promotion des réformes réglementaires et du marché.Cette tendance auto-générateur atteindra son apogée dans les industries à forte intensité énergétique qui mettent un accent particulier sur la fiabilité – Amazon et Microsoft ontPoursuivre un centre de données nucléaire, Nous devons faire tout son possible pour accélérer le développement et le déploiement de nouveaux réacteurs.

Plus largement, les contribuables ont besoin d’électricité fiable, abordable et propre, généralement dans cet ordre.L’emplacement géographique unique d’Ercot, un marché «pur à énergie» facile à innover et des politiques d’interconnexion lâche seront la clé de l’objectif pour comprendre si, quand et comment cela peut être réalisé grâce à une grille décentralisée.Il ne fait aucun doute que la navigation avec succès de cette transformation entraînera une croissance économique importante.

Surtout, la construction de cette grille décentralisée nécessite nos entrepreneurs et ingénieurs les plus talentueux:Nous avons besoin d’un « réseau intelligent » qui innove sérieusement devant les utilisateurs, derrière les utilisateurs et la technologie des logiciels de réseau et mène des innovations sérieuses en termes de technologie logicielle de réseau..Les tendances politiques et économiques accéléreront ce développement de pouvoir, mais la responsabilité de s’assurer qu’une telle grille décentralisée fonctionne mieux que l’ancienne réseau incombera au secteur privé.

L’avenir du réseau électrique américain est d’utiliser de nouvelles technologies et d’adopter des marchés libres pour surmonter les défis de notre pays et ouvrir la voie à un paysage énergétique plus efficace et dynamique.C’est l’une des grandes causes du 21e siècle, mais nous devons faire face aux défis.

Le monde change rapidement et le réseau électrique doit changer en conséquence.