[BELLE HISTOIRE] Chaire ValaDoE : accélérer la transition énergétique grâce aux données

La transition énergétique passe nécessairement par l’évolution des systèmes énergétiques, conçus pour produire, distribuer et stocker l’énergie. Des adaptations et des optimisations qu’il faut apporter sur toute la chaîne, des centres de production aux lieux de consommation, en passant par les réseaux de transport et de distribution.

Une chaire réunissant toute la chaîne de gestion de l’énergie

Cette indispensable transformation implique de nombreux acteurs, à commencer par les collectivités territoriales, chargées d’organiser la distribution d’énergie. À cet effet, elles délèguent généralement la gestion des réseaux d’énergie, dont elles sont propriétaires, à des entreprises spécialisées telles qu’Enedis ou GRDF. Et pour aider les collectivités dans cette mission, des bureaux d’études mettent à leur disposition des services d’accompagnement. Autant d’acteurs partageant le même engagement en faveur de la transition énergétique, mais possédant chacun des objectifs et des expertises spécifiques.

« La chaire de recherche représente l’outil adapté pour mettre tout le monde autour de la table, partager informations, expertises et construire de la connaissance ensemble », relève Bruno Lacarrière, enseignant-chercheur au département Systèmes Energétiques et Environnement (DSEE) d’IMT Atlantique et animateur de la chaire Valeur Ajoutée Données et Énergie (ValaDoE), née en décembre 2018, initialement pour une durée de quatre ans. « Avec une ambition commune : comment mettre au point de nouvelles pratiques permettant d’optimiser la production, la distribution et le stockage de l’énergie ? »

À l’origine, ValaDoE regroupait trois partenaires académiques : IMT Atlantique, Télécom Paris – deux écoles composantes de l’institut Carnot TSN – et Mines Saint-Étienne. Parmi les membres fondateurs figuraient également deux collectivités territoriales : Nantes Métropole et la Région Pays de la Loire, ainsi qu’Enedis, gestionnaire du réseau de distribution d’électricité. Puis s’est ajouté un quatrième partenaire non académique : Akajoule, bureau d’études spécialisé dans l’accompagnement et l’ingénierie en énergie et environnement. Un consortium couvrant ainsi l’ensemble de la chaîne de valeur.

Les données au cœur du réacteur

Pour aider à optimiser la gestion de l’énergie, les partenaires ont choisi une approche centrée sur les données. Mais lesquelles ? « Chaque acteur possède les siennes, qui diffèrent, par leur nature, leur qualité ou leur objectif, de celles des autres membres de l’écosystème », décrit Bruno Lacarrière. « Par exemple, les collectivités connaissent la consommation de leur patrimoine bâti. Tandis que les gestionnaires de réseau disposent d’informations quant aux caractéristiques techniques et aux capacités de leur réseau de distribution. Notre idée était donc de réunir toutes ces informations, via un tiers neutre – le partenaire académique –, de sorte à livrer une information leur permettant d’envisager de nouvelles organisations, en s’appuyant sur la donnée au sens large (mesures, résultats de simulation ou d’optimisation…). »

Avant d’aborder ces problématiques, les partenaires se sont réunis pour partager leurs attentes et les verrous scientifiques auxquels ils étaient confrontés. « Ce travail d’écoute préalable est primordial afin, ensuite, de transformer ces besoins en questions scientifiques », souligne Bruno Lacarrière. « Et ces échanges sont aussi l’occasion, pour nous, de proposer des idées plus innovantes. Par exemple, nous avons poussé à considérer les vecteurs énergétiques – comme l’électricité, le gaz ou la chaleur – non pas dans des réseaux séparés, pilotés indépendamment, mais comme pouvant faire partie de systèmes multi-énergies. Dès lors, chaque vecteur pourrait se mettre au service des autres, dans une forme de symbiose, de manière à optimiser l’ensemble du système. » Une idée qui a progressivement pris de l’ampleur au sein de la chaire.

L’IA pour accélérer la modélisation des systèmes énergétiques

Les travaux de ValaDoE ont été déclinés en six thèses, répondant aux problématiques des partenaires. Deux d’entre elles partageaient un même objectif : la réduction du temps de calcul nécessaire à la modélisation de systèmes énergétiques. « Nous savons modéliser les phénomènes physiques (électriques ou thermiques) de manière fine », explique Bruno Lacarrière. « Mais à l’échelle d’un réseau de plusieurs dizaines de kilomètres, une telle démarche demanderait un temps de calcul rédhibitoire pour une utilisation opérationnelle (pilotage, contrôle). Nous avons alors travaillé sur une modélisation hybride qui couple modélisation physique et machine learning. »

Cette méthode a été appliquée à différents systèmes énergétiques – systèmes de production, réseaux, stockage. Une des deux thèses a d’ailleurs abouti à la création d’une start-up, nommée Invaria, par le doctorant Shri Balaji Padmanabhan. Son objectif : accélérer les modélisations de systèmes énergétiques, au bénéfice des acteurs du secteur tels que les gestionnaires de réseau.

La réduction du temps de calcul était également au cœur d’une autre thèse, à l’approche totalement différente. Ici, l’idée était de s’attaquer à la complexité des réseaux et de travailler sur leur simplification tout en gardant la précision des résultats.

Intégration locale d’énergie renouvelable dans les réseaux électriques

Par ailleurs, une thèse s’intéressait au recours à l’énergie renouvelable pour optimiser localement des réseaux électriques. « Par exemple, une opération d’urbanisme ou la création d’un nouveau quartier entraîne généralement une hausse de la demande d’énergie », expose Bruno Lacarrière. « Mais plutôt que de renforcer le réseau d’électricité, pourquoi ne pas ajouter localement un système de production et de stockage d’énergie renouvelable ? Nous avons cherché à modéliser cette possibilité. »

L’étude a conclu qu’une telle solution pouvait effectivement suffire. Néanmoins, sa mise en œuvre dépend fortement de la variabilité de la demande, celle-ci pouvant grandement fluctuer. Or, ces variations exercent une influence importante sur la quantité, la dimension et la localisation des systèmes de production et de stockage d’énergie renouvelable à installer.

Enfin, une thèse s’est penchée sur le déploiement massif d’objets connectés, avec une ambition de frugalité quant à leur consommation d’énergie, tout en gardant une qualité de transmission de l’information. Et une autre s’est intéressée aux mécanismes d’échanges innovants au sein de modèles de partage d’énergie, dans une logique d’autoconsommation collective.

ValaDoE 2 : des systèmes multi-énergies aux questions de flexibilité

Les résultats obtenus lors des quatre ans de la première édition de la chaire ont conduit les partenaires à renouveler la chaire, pour cinq ans de plus, à partir de 2025. « Le sujet des données et de la transition énergétique est tellement vaste qu’il restait énormément à explorer », constate Bruno Lacarrière. « Nos résultats ont beaucoup intéressé nos partenaires, et même au-delà, puisque trois autres nous ont rejoints, toujours dans une approche locale ». Il s’agit de Territoire d’énergie Loire-Atlantique (TE44), qui organise la distribution d’énergie à l’échelle du département, de SCE (groupe Keran), bureau d’études spécialisé dans l’accompagnement de collectivités, dont le siège social est à Nantes, et de GRDF, gestionnaire de réseau de distribution de gaz. La partie académique, quant à elle, est désormais uniquement portée par IMT Atlantique.

Cette deuxième phase s’inscrit pleinement dans la continuité de la précédente, avec une attention particulière portée à des thématiques telles que le traitement transversal des données, les systèmes multi-énergies ou l’analyse de la flexibilité. Sur ce dernier point, une thèse, lancée dès ValaDoE 1, se poursuit à l’occasion du renouvellement de la chaire. Elle étudie le pilotage des réseaux via des mécanismes de flexibilité, tant au niveau de la production d’énergie que de la demande ou de la capacité des utilisateurs à décaler leur consommation. Une démarche qui s’appuie ici sur des méthodes multi-agents et d’apprentissage par renforcement, une autre branche de l’IA.

De la recherche aux outils opérationnels

Enfin, de nouvelles thèses ont vu le jour, notamment sur l’évaluation de scénarios de « microgrids » – des micro-réseaux multi-énergies – sur des sites d’intérêt public tels que des dépôts de bus, des stations d’épuration ou des ports de commerce. Ces derniers font d’ailleurs l’objet d’une thèse à part entière, autour de leur devenir énergétique, au regard de l’activité qu’ils génèrent et des technologies qu’ils pourraient accueillir.

En outre, de façon générale, ValaDoE 2 vise à favoriser le transfert des connaissances produites. « Lors de cette deuxième phase, nous souhaitons passer des résultats de recherche à des outils exploitables par des acteurs de l’écosystème », annonce Bruno Lacarrière. « Un processus qui nécessite de s’approprier le savoir généré et de le transformer en solutions, via un travail d’ingénierie, expertise des partenaires Akajoule et SCE. Ce n’est qu’ainsi que nos travaux pourront véritablement servir à accélérer la transition énergétique. »