Par : Julia Matevosyan, directrice associée et ingénieure en chef, Énergie Systems Integration Group (ESIG)
Julia Matevosyan est membre senior de l'IEEE et titulaire d'un doctorat en génie électrique de l'Institut royal de technologie de Stockholm. Elle est experte en intégration des Énergie renouvelables et possède une vaste expérience en matière de conformité au code des réseaux, de planification de la production d'énergie éolienne et hydroélectrique et de développement de systèmes de transmission. Julia a contribué de manière significative à l'avancement des exigences techniques en matière de connexion de la production d'énergie renouvelable aux réseaux électriques et est une autorité reconnue en matière d'analyse et de planification des réseaux électriques. Elle a précédemment occupé le poste d'ingénieur en chef de la planification à l'ERCOT et est maintenant directrice associée et ingénieur en chef à l'ESIG.
Les centres de données en tant que charges importantes
Les centres de données apparaissent rapidement comme l'une des nouvelles catégories les plus importantes de la demande d'électricité. Selon diverses projections du ministère américain de l'Énergie (DoE), de l'EPRI et de Grid Strategies, leur capacité installée augmentera rapidement, passant d'environ 20 GW en 2023 à plus de 120 GW en 2030 (scénario de la limite supérieure), et ils sont géographiquement concentrés dans quelques régions où leurs demandes d'interconnexion représentent une part substantielle de la nouvelle charge totale.
Les centres de données font partie d'une catégorie plus large de grandes charges modernes, qui comprend également les dépôts de véhicules électriques, les usines d'électrolyse de l'hydrogène, les installations de fabrication de semi-conducteurs et de batteries, et d'autres industries Énergie. Ces installations diffèrent fondamentalement des charges industrielles historiques telles que les fonderies d'aluminium ou les usines chimiques. Alors que les anciennes charges industrielles étaient importantes mais régulières et prévisibles, les grandes charges modernes présentent des caractéristiques qui créent des défis nouveaux et complexes pour le réseau électrique.
Les principales caractéristiques qui font des centres de données une nouvelle catégorie de charge importante sont les suivantes :
- Demande de charge : Une seule installation peut représenter des centaines de mégawatts, et des projets à l'échelle du gigawatt sont aujourd'hui proposés.
- Niveau de tension à l'interconnexion : Ils se connectent généralement à des tensions de transport, et non de distribution.
- Regroupement géographique : De nombreuses installations sont concentrées dans des régions telles que la Virginie du Nord ou Dallas-Fort Worth, ce qui crée une demande localisée très importante.
- Interface basée sur l'électronique de puissance : Les centres de données utilisent des convertisseurs pour assurer l'interface avec le réseau, ce qui pose des problèmes d'interconnexion uniques, notamment la sensibilité aux perturbations de la tension et de la fréquence, la qualité de l'énergie et les problèmes de protection.
- Profils de charge dynamiques : Les clusters de formation à l'IA peuvent créer des fluctuations importantes et rapides, avec des dizaines de mégawatts de changement en quelques secondes, un comportement plus proche de la production variable que de la demande traditionnelle. La figure 1 montre le profil de charge d'un centre de données d'IA présentant des fluctuations de consommation d'énergie active à grande vitesse et à forte amplitude pendant la formation à l'IA.
- Opaque pour les opérateurs du système : De nombreuses charges importantes sont développées par des entités privées qui communiquent peu sur leur calendrier, leurs caractéristiques, la forme de leur charge ou leur potentiel de flexibilité, ce qui complique les prévisions et la planification opérationnelle. Cela crée une incertitude importante pour la prévision et la planification de la croissance de la charge.
- La vitesse de construction : Les centres de données à grande échelle sont généralement construits en deux ou trois ans, soit beaucoup plus rapidement que les sept à dix ans nécessaires pour les grandes mises à niveau du réseau de transport, ce qui crée des décalages temporels qui entraînent des retards d'interconnexion, des problèmes d'adéquation des ressources et des goulets d'étranglement au niveau du réseau de transport.
- Comportement de franchissement et de déclenchement des défauts : Lors de perturbations au niveau de la transmission, les grandes installations de charge passent du réseau à leur alimentation de secours, ce qui amplifie l'effet d'événements par ailleurs routiniers. Une commutation simultanée de plusieurs grandes installations de charge concentrées dans une zone géographique peut se produire, entraînant potentiellement des pertes de production en cascade et un délestage involontaire de la part des clients.
L'ensemble de ces caractéristiques fait des centres de données à grande échelle l'exemple le plus pressant des grandes charges modernes. Leurs caractéristiques uniques ont de vastes implications pour la planification, l'exploitation et la fiabilité du système électrique - des défis qui sont examinés dans les sections suivantes.
Implications au niveau du système électrique
L'émergence de charges importantes a des conséquences significatives sur le système électrique. Leur croissance met en évidence un décalage entre la vitesse à laquelle ces installations sont construites et les délais nécessaires pour renforcer le réseau et construire de nouvelles installations de production. Les développeurs peuvent mettre en ligne de grands centres de données en 2 à 3 ans environ, alors que la planification, l'autorisation et la construction de la transmission et de la production prennent souvent une décennie ou plus. Cette inadéquation entre la planification de la transmission et de la production crée des risques de congestion et une capacité inadéquate pour répondre à la demande lorsqu'elle se présente. En ce qui concerne l'exploitation, l'incertitude des prévisions de charge à court terme (à l'avance et en cours de journée) conduit à un engagement sous-optimal des unités de production, tandis que la forte variabilité de la demande entraîne des besoins croissants en matière de réserve d'exploitation.
Les problèmes de fiabilité découlent également du comportement de traversée, de la stabilité de la tension/fréquence et du comportement oscillatoire des centres de données. De grands groupes d'installations peuvent se mettre hors ligne lors de pannes normalement habituelles, ce qui produit des événements en cascade qui affectent le système de production en vrac.
En Virginie du Nord, les analyses des perturbations ont permis de constater que 1 500 à 1 800 MW de charge se sont déclenchés lors de défauts de transmission. Des études de l'ERCOT ont montré que le déclenchement simultané de 2,6 GW de charge concentrée dans les centres de données pouvait dépasser les limites de sécurité de la fréquence, créant ainsi un risque de pannes en cascade des générateurs. Ces exemples montrent que les défis posés par les centres de données à grande échelle ne sont plus théoriques, mais qu'ils sont déjà observés dans la pratique.
Les impacts sur la qualité de l'énergie se manifestent également sous la forme d'harmoniques, de papillotements et de variations rapides de la puissance réactive qui se propagent au-delà des convertisseurs et des systèmes de refroidissement de l'installation, dans les couloirs de transmission, compliquant les systèmes de protection et dégradant la qualité de l'énergie pour d'autres clients. Enfin, l'observabilité limitée et le partage incomplet des données empêchent les opérateurs de systèmes d'évaluer toutes les implications de ces charges. Avec l'augmentation de la taille, de la variabilité et des nouvelles caractéristiques de performance introduites par les nouvelles grandes charges, il y a un besoin croissant d'enregistrement de données à grande vitesse (telles que les unités de mesure de phase, les enregistreurs de défauts dynamiques et les enregistreurs de perturbations dynamiques).
Études d'interconnexion et besoins de modélisation
Les pratiques actuelles en matière d'étude d'interconnexion ne sont pas adaptées aux centres de données et autres grandes charges. Les méthodes actuelles s'appuient fortement sur des modèles de charge statiques, qui ne permettent pas de saisir la dynamique rapide, le comportement des convertisseurs, les performances de traversée et les interactions complexes des grandes charges avec d'autres éléments du réseau. En conséquence, les processus d'interconnexion ne parviennent souvent pas à saisir l'impact réel de ces installations sur la stabilité et la fiabilité du système.
Une modélisation avancée est nécessaire pour répondre à ces limitations. Les simulations de transitoires électromagnétiques (EMT) sont nécessaires pour étudier la dynamique à grande vitesse des systèmes d'alimentation sans interruption (ASI), des convertisseurs et des comportements des centres de données en grappes. En l'absence d'études EMT détaillées et précises, d'importants modes oscillatoires et interactions de défauts risquent de passer inaperçus.
Pour que les études d'interconnexion détaillées soient représentatives, il est nécessaire de disposer de modèles d'équipement très fidèles, tant dans le domaine des phases que dans celui de l'EMT. Si les exigences relatives aux modèles de générateurs sont désormais bien comprises et que des modèles génériques et spécifiques à un fournisseur peuvent être obtenus et paramétrés pour représenter des centrales électriques réelles, il n'en va pas de même pour les modèles de grandes charges, pour les raisons suivantes :
- Absence d'exigences établies en matière de modélisation, de tests de qualité des modèles, de validation des modèles et d'analyse comparative pour les centres de données ou d'autres charges importantes.
- La diversité des utilisations et des conceptions des sites à forte charge ainsi que les problèmes de confidentialité qui entravent le développement de modèles de bibliothèques standard représentatifs.
- Manque de compréhension des aspects des grandes charges qui sont importants pour la modélisation et les études d'impact sur le réseau.
- Manque de données à haute résolution et absence de processus de validation des modèles après la mise en service.
Les lacunes susmentionnées correspondent aux premiers jours de l'intégration des ressources basées sur l'onduleur (IBR), lorsque des modèles incomplets ralentissaient la capacité d'étudier les impacts du système. De même, un processus itératif est nécessaire pour le développement de modèles de grandes charges. Les exploitants de réseaux doivent définir des exigences de modélisation pour garantir l'utilité et la fidélité des études d'interconnexion et de planification. Les fabricants d'équipement doivent développer des modèles d'équipement validés et spécifiques au fournisseur, en se concentrant sur les aspects de l'équipement pertinents pour le réseau. Les développeurs et les consultants seront alors en mesure d'élaborer un modèle représentatif de chaque site de grande consommation qui réponde aux exigences de l'opérateur du système. Des exigences en matière de mesure et de conservation des données à haute résolution doivent être établies pour permettre la validation du modèle après la mise en service. Les modèles de bibliothèque standard de grandes charges peuvent encore être utiles, par exemple pour les études de planification de zones étendues ou les études de faisabilité, lorsque la conception spécifique d'une grande charge est encore incertaine.
Groupe de travail sur les grandes charges de l'ESIG
Pour combler certaines des lacunes susmentionnées, l'Énergie Systems Integration Group (ESIG) a créé le Large Load Task Force (LLTF). L'objectif principal est de coordonner la recherche, de partager les meilleures pratiques et de développer des solutions pour l'interconnexion des grandes charges émergentes. Le groupe de travail rassemble des opérateurs de systèmes, des services publics, des chercheurs et des parties prenantes de l'industrie afin de relever collectivement ces défis.
Comme le montre la figure 2, le champ d'application du LLTF couvre tous les domaines décrits dans cet article, y compris :
- Collecte de données et prévision de la charge
- Processus d'interconnexion et performance
- Exigences en matière de modélisation
- Planification du transport d'électricité
- Adéquation des ressources
- Options du marché de gros
Si les questions d'interconnexion ont été la priorité immédiate, le groupe de travail examine également les incidences plus larges sur le système, telles que la planification du transport, l'adéquation des ressources et l'intégration des grandes charges dans le marché. Ces domaines sont moins développés mais sont essentiels pour garantir que la croissance des grandes charges soutienne la fiabilité et l'efficacité du système au lieu de les compromettre.
Principaux enseignements
Les grands centres de données illustrent la nouvelle catégorie de grandes charges qui remodèlent le système électrique. Leurs caractéristiques uniques - taille, regroupement, interfaces de convertisseurs, comportement dynamique et opacité - ont des répercussions sur la planification, l'exploitation, l'interconnexion et la fiabilité. Des événements réels dans des régions telles que le PJM et l'ERCOT confirment que ces défis se matérialisent déjà.
Pour y répondre, il faut adopter de nouvelles approches en matière d'études d'interconnexion, centrées sur la modélisation EMT, les modèles de charge normalisés et le partage transparent des données. Au-delà des études techniques, une coordination plus large est nécessaire entre les marchés, la planification du transport et les évaluations de l'adéquation.
Le groupe de travail sur les grandes charges de l'ESIG constitue un forum unique pour organiser ce travail, réunir des experts dans différents domaines et développer des résultats pratiques qui soutiennent les opérateurs de systèmes et les parties prenantes de l'industrie. La collaboration continue au sein du LLTF sera essentielle pour garantir que les grands centres de données - et d'autres grandes charges émergentes - puissent être intégrés de manière fiable dans le système électrique du futur.
