Onduleurs grid-forming et grid-following : le dilemme technique de la transition énergétique

Un basculement historique dans la production d'électricité

Pendant des décennies, la stabilité des réseaux électriques reposait sur de grandes machines rotatives – turbines à vapeur, gaz ou centrales nucléaires – dotées d'une inertie mécanique considérable. Cette inertie permettait d'absorber les variations soudaines de la demande ou de la production sans compromettre la fréquence du réseau. Un écart de quelques dixièmes de hertz suffisait à déclencher une réaction des opérateurs. Au Royaume-Uni, par exemple, la limite statutaire se situe entre 49,5 Hz et 50,5 Hz, mais la plage opérationnelle est resserrée entre 49,8 Hz et 50,2 Hz.

Avec l'essor des sources d'énergie renouvelables – solaire et éolien – le paysage change radicalement. Ces sources sont connectées au réseau via des onduleurs, des dispositifs électroniques qui transforment le courant continu en courant alternatif. Or, contrairement aux alternateurs classiques, les onduleurs n'apportent aucune inertie mécanique. La fréquence du réseau devient ainsi plus sensible aux variations, et le risque d'instabilité augmente.

Grid-following : la technologie dominante mais limitée

La majorité des onduleurs déployés aujourd'hui sont dits « grid-following » (GFL), ou « suiveurs de réseau ». Leur principe est simple : ils se synchronisent sur la tension et la fréquence existantes du réseau pour injecter de la puissance active et réactive. Ils ne façonnent pas eux-mêmes la fréquence ; ils se contentent de suivre un signal de référence. Ces appareils sont rapides, peu coûteux et efficaces tant que le réseau est stable et dominé par des machines synchrones.

Comme le relèvent des experts techniques, les onduleurs GFL ont été conçus pour un réseau « fort », c'est-à-dire un réseau où la tension et la fréquence sont fermement établies par des alternateurs de forte puissance. Lorsque la part des renouvelables était faible, leur impact était négligeable. Mais avec l'augmentation de la pénétration solaire et éolienne, le réseau s'affaiblit : moins de machines tournantes signifie moins d'inertie, un contrôle de fréquence dégradé et un amortissement réduit des oscillations. Les onduleurs GFL peuvent même engendrer des instabilités de commande lorsqu'ils tentent de se synchroniser sur des signaux déformés.

Grid-forming : une alternative pour restaurer l'inertie virtuelle

Face à ces limites, une autre technologie émerge : les onduleurs « grid-forming » (GFM), ou « formeurs de réseau ». Contrairement aux GFL, ils sont capables de créer leur propre forme d'onde de tension, agissant comme une « machine synchrone virtuelle ». Ils peuvent fixer la fréquence, fournir de l'inertie et stabiliser les réseaux faibles – précisément ce qui fait défaut dans les systèmes à forte proportion de renouvelables.

Cependant, cette capacité a un coût. Les onduleurs GFM sont plus complexes à concevoir, plus onéreux à produire et nécessitent un réglage minutieux. Leur déploiement à grande échelle imposerait une coordination à l'échelle du réseau, une contrainte qui n'est pas encore pleinement intégrée dans les codes de réseau actuels. Si certains pays commencent à faire évoluer leur réglementation, la plupart des codes de raccordement ne rendent pas encore obligatoire l'utilisation de cette technologie.

Le cas espagnol et la situation mondiale

Le réseau électrique espagnol, comme la plupart des grands systèmes mondiaux, utilise encore majoritairement des onduleurs grid-following. Cette préférence s'explique par leur coût inférieur et leur simplicité d'emploi, qui étaient jugés suffisants tant que les renouvelables représentaient une part modeste de la production totale. Mais cette situation évolue : avec la montée en puissance du solaire et de l'éolien, l'équation change, et les opérateurs de réseau sont contraints de s'adapter.

Défis techniques et perspectives d'évolution

Les experts soulignent plusieurs défis. D'une part, la transition vers les onduleurs GFM ne pourra pas se faire du jour au lendemain : elle implique de modifier les équipements, les logiciels de contrôle et les protocoles de communication. D'autre part, le coût et la complexité des GFM devront diminuer pour devenir compétitifs. Enfin, les codes de réseau doivent être mis à jour pour imposer, dans certaines zones, des capacités de « grid-forming », comme cela commence à se faire dans quelques régions pionnières.

L'enjeu est de taille : sans une gestion adéquate de l'inertie et de la fréquence, les réseaux à haute pénétration de renouvelables risquent de devenir instables, compromettant la sécurité d'approvisionnement. La concurrence entre les deux technologies d'onduleurs n'est donc pas seulement un débat d'ingénieurs ; elle conditionne la fiabilité même des futurs systèmes électriques décarbonés.