Publié le 2 avril 2024
Le projet Di-Hydro s’appuie sur la numérisation de centrales hydroélectriques, pour les exploiter de manière plus durable et mieux en anticiper la maintenance. Télécom SudParis est impliquée dans le développement d’une plateforme fédérée conçue pour faciliter l’échange sécurisé de données et la prise de décision, à l’échelle individuelle de chaque centrale, et collective.
La centrale hydroélectrique d'Ilarionas, située sur le bassin Aliakmon en Grèce, est l'un des sites qui servira de pilotes au système de gestion développé lors du projet Di-Hydro. Crédits : EUPCD.
Troisième source de production électrique au monde, derrière le charbon et le gaz, l’hydroélectricité en est également la première source renouvelable. Renouvelable, mais pas « verte » pour autant. Une centrale hydroélectrique exploite l’énergie cinétique d’un flux d’eau pour la convertir en énergie mécanique, puis électrique. Ces installations – alimentées soit par une prise d’eau directe, comme un fleuve ou une rivière, soit par une retenue d’eau, comme un barrage – ont un impact avéré sur la qualité de l’eau et des écosystèmes : blocage de la circulation des poissons et sédiments, eutrophisation, hausse de la température de l’eau, augmentation des risques d’inondation en aval…
De nombreux pays européens, notamment ceux disposant de régions montagneuses, ont ainsi exploité leur potentiel hydroélectrique de manière « sauvage » et opportuniste, sans cohérence avec les écosystèmes aquatiques. Dans un contexte de transition écologique, le développement de cette production d’énergie renouvelable et compétitive dispose donc d’une marge de manœuvre pour devenir plus durable et respectueuse de l’environnement.
C’est à ces enjeux que se propose de répondre le projet Di-Hydro, financé par le programme Horizon Europe dans le cadre d’un appel à projet sur la « numérisation » des centrales électriques. Le projet s’appuie sur l’intégration de technologies numériques pour moderniser des installations hydroélectriques existantes, afin d’en améliorer les performances énergétiques et écologiques. Deux équipes de Télécom SudParis y contribuent, en apportant leur expertise en matière d’interopérabilité et de cybersécurité.
L’ambition du projet Di-Hydro est d’optimiser le fonctionnement des installations hydroélectriques de sept sites pilotes, localisés en Grèce, en Serbie et en Italie. Cette optimisation repose sur la numérisation des opérations ordinaires et de la maintenance via l’internet des objets (IoT). Divers capteurs seront donc déployés, pour piloter les infrastructures et les machines d’une part ; suivre la qualité de l’eau et la biodiversité des écosystèmes attenants d’autre part.
Certains de ces capteurs seront directement pourvus par les fournisseurs d’énergie locaux partenaires du projet, tandis que d’autres seront développés par les autres membres du consortium. « Nous avons prévu environ six mois d’installation et de mise en fonction des capteurs avant de pouvoir exploiter et analyser les données », expose Georgios Bouloukakis, chercheur à Télécom SudParis et instigateur du projet (PI).
Ces nouvelles données permettront notamment de mieux suivre l’efficacité énergétique des centrales et leur impact sur l’environnement, afin d’en améliorer le fonctionnement. Combinées aux données historiques d’exploitation, elles serviront également à alimenter des outils d’intelligence artificielle (IA) pour faire de la maintenance prédictive, ou mieux anticiper la demande en énergie et adapter la production. L’ensemble des outils pour l’exploitation des données et la prise de décision sera regroupé sur une plateforme fédérée, développée par Télécom SudParis.
Les centrales hydroélectriques sont alimentées soit par une prise d’eau directe, soit par une retenue d’eau comme ici, la centrale d’Ovčar Banja, en Serbie. Crédits : Elektroprivreda Srbije JSC.
Initialement sollicitée pour répondre aux besoins de cybersécurité de cette plateforme, l’équipe de Télécom SudParis identifie rapidement des besoins supplémentaires en matière d’interopérabilité. Autrement dit : la fonctionnalité du système à échanger de la donnée et à faciliter le partage d’information. Un sujet qui émerge naturellement face à la multiplicité des données et la diversité des acteurs – tant par leur activité que par leur localisation – pour ce projet Di-Hydro.
« Comme j’étais impliqué dans les premiers échanges et que je bénéficie d’une bonne expérience dans la construction des systèmes IoT, j’ai expliqué au Centre for Research & Technology, Hellas (CERTH), qui coordonne le projet, quelles allaient être les exigences en matière d’échange de données », relate Georgios Bouloukakis. « C’est comme ça qu’il a été ensuite suggéré que je supervise cet axe. » Ces travaux rejoignent ainsi ceux de Joaquim Garcia Alfaro, également chercheur à Télécom SudParis en cybersécurité et co-PI du projet, autour du développement de plateforme fédérée dans un contexte IoT sécurisé. Cette dernière doit faciliter la prise de décision et le partage d’expérience entre les différents acteurs – au sein d’un même pays ou entre différents pays, tout en garantissant la sécurisation et la confidentialité des données et modèles de chacun.
La première étape dans la construction de cette plateforme est l’intégration de « jumeaux numériques » des centrales hydroélectriques. Chaque site physique sera ainsi représenté numériquement « sur la base de données à la fois statiques (pièces, couloirs…) et dynamiques, comme l’entrée d’une personne dans une pièce, fournies par des appareils IoT », explique Georgios Bouloukakis.
Le problème, comme le souligne ce dernier, est que même si les modèles d’IA sont entraînés par les fournisseurs de centrale hydroélectrique, « chaque capteur a une structure de donnée propre, ainsi chaque fournisseur va délivrer ses données dans un format différent ». Il est donc indispensable, pour rendre la collaboration possible, de définir un format standard commun auquel chaque partenaire doit se soumettre.
Ce standard s’appliquera à toutes les données, qu’elles soient issues de capteurs existants ou des futurs capteurs qui seront intégrés au système. Les partenaires en charge de développer de nouveaux capteurs devront donc s’assurer que la donnée collectée « sorte » dans le format défini par le projet. « Il est possible que certains partenaires rencontrent des difficultés à se conformer au format choisi. Auquel cas, nous les aiderons en créant des connecteurs pour assurer la « liaison » de ces données non-standards », précise Georgios Bouloukakis.
Le but de la plateforme est d’offrir de nouvelles solutions grâce à un algorithme de prise de décision distribué et non centralisé. Dans un premier temps, plusieurs modèles d’IA seront entrainés indépendamment, à partir de données locales. Pour consolider ces avancées, les scientifiques de l’IMT tireront parti de leur expertise en matière de mécanismes de partage sélectif et d’« architectures logicielles fédérées ».
Cette approche d’IA pourrait impliquer le développement d’un modèle global en consolidant plusieurs modèles entraînés sur des données locales – en l’occurrence les données issues des différentes centrales. Les modèles « fédérés » pourraient ensuite être simulés pour faire de la prise de décision à plusieurs échelles.
Le partage de toutes ces données standardisées pourrait également permettre de compléter des données manquantes. « Nous anticipons un degré de variabilité dans les données fournies, entre des centrales qui seront en mesure de délivrer certaines données, et d’autres non. Grâce à ces recherches et aux outils en cours de développement, nous visons à combler ces lacunes en matière de données », projette Georgios Bouloukakis. L’objectif in fine étant toujours de mieux comprendre ces systèmes pour un des centrales hydroélectriques fonctionnelles, optimales et durables.
Di-hydro est le nom raccourci de Digital maintenance for sustainable and flexible operation of hydropower plant, en français « maintenance numérique, pour une exploitation durable et flexible des centrales hydroélectriques ». Le projet bénéficie d’un financement de 4 millions d’euros, dans le cadre de l’appel à projet « Sustainable, secure and competitive energy supply » du programme Horizon Europe.
Il mobilise 13 partenaires, publics et privés, répartis dans 7 pays (Chypre, Espagne, France, Grèce, Italie, Roumanie, Serbie). Parmi eux se trouvent le CERTH, qui coordonne le projet, et les principaux fournisseurs d’électricité pour les pays où se situent les centrales hydro-électriques étudiées : DEI (ou Public Power Corporation, PPC) en Grèce, EPS en Serbie, et A2A, premier opérateur dans le secteur du chauffage urbain, en Italie.
Le projet a été lancé en octobre 2023 pour une durée de 3 ans ; une première réunion physique a déjà eu lieu en Grèce, une seconde se déroulera prochainement en Roumanie, le 11 avril. Plus d’information sur le site internet : https://dihydro-project.eu
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