Elaine Siyu Liu, senior au MIT, ne possède pas de voiture électrique, ni aucune voiture. Mais elle considère l’impact des véhicules électriques (VE) et des énergies renouvelables sur le réseau comme deux pièces d’un puzzle énergétique qu’elle souhaite résoudre.
Le ministère américain de l’Énergie rapporte que le nombre de bornes de recharge publiques et privées pour véhicules électriques a presque doublé au cours des trois dernières années, et que de nombreux autres sont en préparation. Les utilisateurs s’attendent à se brancher à leur convenance, à recharger et à partir. Mais que se passe-t-il si le réseau ne peut pas le gérer ?
La demande d’électricité, stagnante depuis longtemps aux États-Unis, a augmenté en raison des véhicules électriques, des centres de données qui pilotent l’intelligence artificielle et de l’industrie. Les planificateurs du réseau prévoient une augmentation de 2,6 à 4,7 pour cent de la demande d’électricité au cours des cinq prochaines années, selon les données communiquées aux régulateurs fédéraux. Tout le monde, des opérateurs de bornes de recharge pour véhicules électriques aux opérateurs de systèmes de services publics, a besoin d’aide pour naviguer dans un système en évolution.
C’est là qu’intervient le travail de Liu.
Liu, qui étudie les mathématiques, le génie électrique et l’informatique (EECS), s’intéresse à la distribution, c’est-à-dire à la manière d’acheminer l’électricité d’un emplacement centralisé jusqu’aux consommateurs. «Je considère les systèmes électriques comme un bon endroit pour la recherche théorique en tant qu’outil d’application», dit-elle. « Cela m’intéresse car je connais les techniques d’optimisation et de probabilité utilisées pour cartographier ce niveau de problème. »
Liu a grandi à Pékin, puis après le collège, elle a déménagé avec ses parents au Canada et s’est inscrite dans une école préparatoire à Oakville, en Ontario, à 30 miles de Toronto.
Liu a eu l’opportunité de participer à un concours régional de mathématiques et a finalement créé un club de mathématiques, mais à l’époque, la culture mathématique de l’école l’a surprise. Ayant été exposée à ce qui semblait être une aversion de certains élèves pour les mathématiques, elle déclare : « Je ne pense pas que mes sentiments à l’égard des mathématiques aient changé. Je pense que mes sentiments sur ce que les gens pensent des mathématiques ont changé.
Liu a apporté sa passion pour les mathématiques au MIT. L’été après sa deuxième année, elle a entrepris le premier des deux projets du programme d’opportunités de recherche de premier cycle qu’elle a réalisé avec l’experte en systèmes électriques Marija Ilić, professeure adjointe à l’EECS et chercheuse scientifique principale au Laboratoire des systèmes d’information et de décision du MIT. .
Prédire la grille
Depuis 2022, avec l’aide du financement de la MIT Energy Initiative (MITEI), Liu travaille avec Ilić pour identifier les manières dont le réseau est remis en question.
L’un des facteurs est l’ajout d’énergies renouvelables au pipeline énergétique. Un écart de vent ou de soleil peut entraîner un retard dans la production d’électricité. Si ce décalage se produit pendant la demande de pointe, cela pourrait entraîner des problèmes pour un réseau déjà mis à rude épreuve par des conditions météorologiques extrêmes et d’autres événements imprévus.
Si vous considérez le réseau comme un réseau de dizaines de parties interconnectées, dès qu’un élément du réseau tombe en panne – par exemple, un arbre abat une ligne de transport – l’électricité qui passait par cette ligne doit être réacheminée. Cela peut surcharger d’autres lignes, créant ce que l’on appelle une défaillance en cascade.
« Tout cela se produit très rapidement et a des effets en aval très importants », explique Liu. « Des millions de personnes connaîtront des coupures de courant instantanées. »
Même si le système peut gérer une seule ligne coupée, Liu note que « la nuance est qu’il existe désormais de nombreuses énergies renouvelables et que celles-ci sont moins prévisibles. Vous ne pouvez pas prédire un écart de vent ou de soleil. Lorsque de telles choses se produisent, il n’y a soudainement plus assez de production et trop de demande. Le même type d’échec se produirait donc, mais à une échelle plus grande et plus incontrôlable. »
La production variable des énergies renouvelables présente la complication supplémentaire de provoquer des fluctuations de tension. « Nous branchons nos appareils en attendant une tension de 110, mais à cause des oscillations, vous n’obtiendrez jamais exactement 110 », explique Liu. « Donc, même si vous pouvez fournir suffisamment d’électricité, si vous ne pouvez pas la fournir au niveau de tension spécifique requis, c’est un problème. »
Liu et Ilić construisent un modèle pour prédire comment et quand le réseau pourrait tomber en panne. N’ayant pas accès aux données privatisées, Liu utilise pour ses modèles des données de l’industrie européenne et des cas de test mis à la disposition des universités. «J’ai un faux réseau électrique sur lequel je mène mes expériences», dit-elle. « Vous pouvez prendre le même outil et l’exécuter sur le réseau électrique réel. »
Le modèle de Liu prédit les défaillances en cascade à mesure qu’elles évoluent. L’alimentation d’une éolienne, par exemple, peut chuter brutalement en une heure. Le modèle analyse quelles sous-stations et quels ménages seront affectés. « Une fois que nous savons que nous devons faire quelque chose, cet outil de prédiction peut permettre aux opérateurs de système d’intervenir stratégiquement à l’avance », explique Liu.
Dicter le prix et la puissance
L’année dernière, Liu a porté son attention sur les véhicules électriques, qui présentent un type de défi différent de celui des énergies renouvelables.
En 2022, S&P Global a rapporté que les législateurs ont fait valoir que la structure des tarifs de gros de l’électricité de la Federal Energy Regulatory Commission (FERC) des États-Unis était injuste pour les exploitants de bornes de recharge pour véhicules électriques.
En plus des opérateurs payant au kilowattheure, certains paient également plus pour l’électricité pendant les heures de pointe. Seules quelques voitures électriques rechargées pendant ces heures pourraient entraîner des coûts plus élevés pour l’opérateur, même si leur consommation globale d’énergie est faible.
Anticiper la quantité d’énergie dont les véhicules électriques auront besoin est plus complexe que de prévoir l’énergie nécessaire, par exemple, au chauffage et au refroidissement. Contrairement aux bâtiments, les véhicules électriques se déplacent, ce qui rend difficile la prévision de la consommation d’énergie à un moment donné. « Si les utilisateurs n’aiment pas le prix d’une borne de recharge ou la longueur de la ligne, ils iront ailleurs », explique Liu. « Où attribuer les chargeurs de VE est un problème auquel beaucoup de gens sont confrontés en ce moment. »
Une approche serait que la FERC dicte aux utilisateurs de véhicules électriques quand et où recharger et quel prix ils paieront. Pour Liu, ce n’est pas une option attrayante. « Personne n’aime qu’on lui dise quoi faire », dit-elle.
Liu cherche à optimiser une solution basée sur le marché qui serait acceptable pour les principaux producteurs d’énergie – parcs éoliens, solaires et centrales nucléaires – jusqu’aux agrégateurs municipaux qui garantissent l’électricité à des tarifs compétitifs et supervisent la distribution au consommateur.
L’analyse de l’emplacement, des mouvements et des comportements de tous les véhicules électriques conduits quotidiennement à Boston et dans d’autres grands centres énergétiques, note-t-elle, pourrait aider les agrégateurs de demande à déterminer où placer les chargeurs de véhicules électriques et combien facturer aux consommateurs, un peu comme Walmart décide du montant à facturer. baliser les œufs en gros sur différents marchés.
L’année dernière, Liu a présenté ses travaux lors de la conférence de recherche annuelle du MITEI. Ce printemps, Liu et Ilić soumettent un article sur l’analyse de l’optimisation du marché à une revue de l’Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Liu a accepté son introduction précoce aux attitudes envers les STEM qui lui semblaient nettement différentes de celles de la Chine. Elle dit : « Je pense que l’école (prépa) avait une très forte ambiance « les mathématiques sont pour les nerds », en particulier pour les filles. Il y a eu un « pourquoi vous donnez-vous plus de travail ? » genre de mentalité. Mais avec le temps, j’ai appris à ignorer cela.
Après avoir obtenu son diplôme, Liu, le seul chercheur de premier cycle du groupe des systèmes d’énergie électrique du MIT d’Ilić, envisage de postuler à des bourses et à des programmes d’études supérieures en EECS, en mathématiques appliquées et en recherche opérationnelle.
Sur la base de son analyse, Liu affirme que le marché pourrait déterminer efficacement le prix et la disponibilité des bornes de recharge. Offrir des incitations aux propriétaires de véhicules électriques pour qu’ils rechargent pendant la journée plutôt que la nuit lorsque la demande est élevée pourrait contribuer à éviter une surcharge du réseau et à éviter des coûts supplémentaires pour les opérateurs. « Les gens conserveraient toujours la possibilité de se rendre à une autre borne de recharge s’ils le souhaitaient », dit-elle. « Je dis que cela fonctionne. »
