L’avenir des EnR au défi de la garantie de puissance à fournir au réseau

Une tribune signée Christian Le Brun, docteur en physique à la retraite, expert énergie pour Hydro 21, cluster de l’écosystème hydro de l’arc alpin.

Lorsque l’on évoque le futur mix électrique d’un pays, on se contente en général de décrire des quantités d’électricité produites par les diverses sources en opération. Mais cela ne prend pas du tout en compte la réalité des contraintes qui s’imposent sur le réseau électrique qui alimente ce pays.

Un réseau électrique est un objet physique complexe dont l’équilibre est régi par des lois de la nature bien connues qui ne peuvent être changées et doivent donc être respectées par le gestionnaire de réseau, sous peine de voir le réseau disjoncter. On va se contenter ici de leur traduction la plus basique mais qui entraine la contrainte la plus forte : à tout instant la puissance utilisée sur le réseau doit être compensée par une puissance produite strictement égale. Pour juger du réalisme d’un scénario, on ne peut se contenter de garantir la consommation annuelle en Térawattheures (TWh).

1. L’importance de la garantie de puissance

Il faut aussi assurer que le réseau peut apporter à chaque instant la puissance en Gigawatt (GW) nécessaire. Cette garantie de puissance en GW est une contrainte autrement plus forte que celle de la consommation annuelle en TWh. Elle est la seule garantie du réalisme d’un scénario. Cette garantie de puissance est évidemment plus ou moins difficile à obtenir selon la nature des sources dont on dispose, selon qu’elles sont pilotables ou fatales. Dans la première catégorie on trouve les centrales thermiques (charbon, fuel, gaz, biomasse et nucléaire) dont la production peut être arrêtée et modulée. Il y a aussi l’hydraulique qui est la plus utilisée pour faire le suivi de puissance. La seule condition pour l’utilisation de ces sources est la disponibilité du combustible ou de l’eau.

Pour les énergies dites fatales, la situation est plus compliquée car leur production dépend de facteurs extérieurs liés essentiellement à la rotation de la terre et à la météorologie qui en découle. Il faut les utiliser lorsqu’elles alimentent le réseau et, si nécessaire, stocker le surplus non utilisé.

Pour donner un ordre de grandeur les Français consomment 500 TWh/an d’électricité avec une demande de puissance qui varie continûment au cours de l’année entre 30 GW à 90 GW. Cette puissance est fournie par des sources pilotables d’une puissance installée d’environ 100 GW et des sources fatales de puissance installée 32 GW qui apportent respectivement 90% et 10% de la production annuelle.

Si on veut obtenir 100 TWh, un cinquième de cette production annuelle, par du solaire photovoltaïque, il faudra une puissance nominale de 90 GW dont la fourniture s’annule la nuit. Si ces 100 TWh proviennent de l’éolien, il faudra une puissance installée de 46 GW qui ne produit plus en l’absence de vent. Il faut donc être capable de fournir une puissance additionnelle en l’absence de ces productions. Il faut par ailleurs stocker lorsque la production dépasse la demande. Nous allons donc faire le point sur ce qui existe actuellement pour gérer cette garantie de puissance, et enfin discuter de solutions réalistes à adopter dans le développement des énergies renouvelables.

2. Sources pilotables et sources fatales

On examine ci-dessous la situation offerte par les diverses sources d’énergies renouvelables : hydraulique, solaire, éolien.

• • La production hydraulique, qui se situe pour la France autour de 65 TWh selon les années et les précipitations, est la première des énergie renouvelables. Les installations, d’une puissance totale de 25,7 GW, sont de trois types :
    • les centrales au fil de l’eau, d’une puissance installée de 7,5 GW, ont une pilotabilité limitée liée aux possibilités de marnage des installations ;
    • la puissance installée des centrales de barrage est de 13,3 GW, elles sont pilotables à la fois pour le stockage en accumulant de l’eau et pour la production ;
    • il y a enfin 5,8 GW de STEP (station de transfert d’énergie par pompage) qui couplent deux bassins à deux altitudes différentes reliés par un système de pompage et de production ; ces STEP permettent d’utiliser la même eau plusieurs fois et sont aussi très souples, surtout avec des appareils à vitesse variable, et moins dépendants de la pluviométrie.

2. • La production solaire photovoltaïque dépend de l’ensoleillement, de l’angle d’incidence du rayonnement et de l’état du ciel. La production est évidemment nulle la nuit et présente un pic chaque jour qui peut atteindre 80% de la puissance crête installée et ainsi dépasser le niveau de la consommation. Elle n’offre donc, seule, aucune garantie de puissance et nécessite, pour pouvoir être utilisée sur le réseau, des moyens conséquents de stockage ou de production de secours (généralement appelées back-up).

2. • La production éolienne n’offre pas beaucoup plus de garantie pour la puissance et nous allons voir pourquoi. Les lois de la physique nous disent que la puissance électrique éolienne dépend de la vitesse du vent à la puissance trois. En clair la puissance est multipliée par 64 quand la vitesse du vent est multipliée par 4. On a donc une puissance produite qui subit des variations extrêmement rapides et s’annule quand le vent tombe en dessous de 15 km/h ou dépasse 90km/h. Il ne suffit pas d’installer des éoliennes, il faut regarder ce qu’elles produisent réellement et se préparer à gérer leur introduction dans le réseau.

Tous les pays ont des sites donnant les diverses productions électriques. En France vous pouvez consulter le site RTE eCO2 mix. Vous y verrez que l’éolien a de nombreux minima de production très proche de 0.

Ce minimum est par exemple tombé à 0,15 GW le 25 janvier 2022 et est restée à moins de 1% des 18 GW de puissance installée pendant 5 h. De plus, dès le 24/01 et pendant plus de 2 jours la puissance éolienne a stagné en-dessous de 0,9 GW (5% de la puissance installée).

3. Le foisonnement, une fausse « bonne idée »

Ceci démontre clairement que le foisonnement, toujours annoncé par les tenants des renouvelables pour répartir temporellement la production, ne comble pas les absences de production. Comme le solaire, l’éolien n’apporte aucune garantie pour répondre aux appels de puissance. Et la situation n’est pas meilleure pour l’ensemble du continent européen. Une étude récente de la VGB montre que la puissance garantie par l’addition de la production éolienne terrestre et maritime de 18 pays d’Europe en 2016 ne dépasse pas 4% de la puissance installée.

(Référence : https://www.vgb.org/vgbmultimedia/PT201903LINNEMANN-p-14954.pdf.)

Toutes les études basées sur les valeurs mesurées obtiennent ce même résultat qui démontre l’obligation d’adjoindre une production de secours à tout système basé sur l’éolien et le solaire sous peine de subir des délestages voire des « blackouts » dans les périodes où le vent et le soleil sont absents. Ceci s’applique aussi à l’éolien maritime pour lequel l’étude de la VGB montre qu’il n’apporte rien de plus à la garantie de puissance. Il faut aussi, sous peine de perdre une électricité précieuse, prévoir un stockage pour les périodes où la production dépasse la consommation. En clair, ces énergies renouvelables sont incapables si elles sont seules, de s’adapter à la variabilité de la consommation et vont demander des investissements supplémentaires.

4. Comment remédier à cette situation, la nécessité de stocker massivement

L’électricité ne se stockant pas directement, il faut lui appliquer une transformation réversible vers une forme d’énergie stockable, au prix d’au moins deux pertes d’énergie (au moment de convertir l’électricité dans une autre forme d’énergie, et au moment de produire à nouveau de l’électricité à partir de l’autre forme d’énergie), et avec les limites technologiques et économiques de telles opérations. Nous allons regarder ce qui existe sur ce point.

L’hydraulique est de loin la solution la plus efficace, la plus souple et la plus utilisée pour stocker l’électricité. Elle se fait, comme dit plus haut, de deux façons soit en gérant les barrages pour adapter leur production à la demande du réseau soit en utilisant les STEP, qui peuvent utiliser de l’électricité (pour pomper l’eau dans le bassin du bas vers celui du haut) ou produire de l’électricité (en libérant de l’eau du bassin du haut vers celui du bas).

Une autre technologie souvent mise en avant aujourd’hui utilise le stockage chimique avec les batteries. La puissance atteinte actuellement par les plus grosses batteries tourne autour de quelques centaines de MW, et celle des batteries de voitures électriques autour des dizaines de kW. Les autres moyens de gérer le réseau comme l’effacement qui fait l’objet de contrats spécifiques avec des gros consommateurs, la gestion de la demande et d’autres ont des capacités limitées par rapport à la demande.

Les capacités de ces outils devraient être considérablement développées suivant une progression dont la faisabilité n’est pas démontrée pour pouvoir suivre le développement annoncé des énergies renouvelables fatales. La tâche sera considérable, comme le montre le cas d’un scénario à 50% de nucléaire, comme le scénario N03+ de RTE. Pour cette configuration qui produit 750 TWh d’électricité pour moitié par le nucléaire, pour 275 TWh par éolien et solaire et pour le reste par hydroélectricité et biomasse, une étude montre qu’il faudra, pour la garantie de puissance, disposer d’une puissance de 55 GW d’appoint à la production et de 60 GW de gestion des surplus.

Le système actuel est très loin d’avoir ces capacités et on peut remarquer que le développement des énergies renouvelables ne s’est pas du tout accompagné des moyens de sa gestion. Pour arriver à un mix avec une proportion significative d’énergies fatales, il va falloir accroitre la part des énergies pilotables (biomasse, nucléaire et hydraulique), et c’est cette dernière, en particulier avec les STEP, qui est la mieux adaptée à ce développement.

5. Conclusion

Le développement des énergies renouvelables fatales (éolien et solaire) est toujours présenté comme l’axe principal du développement de la production électrique future. On ne voit nulle part pour l’instant la prise en compte sérieuse des conditions de la mise sur le réseau de ces énergies.

Pourtant il va être indispensable de n’installer sur le réseau que ce que l’on saura gérer. Sinon nous ferons des investissements dans des outils qui seront sous-utilisés, alors que ces investissements auraient été mieux utilisés ailleurs dans le réseau électrique. Pour avoir une garantie de puissance sécurisée, il faut garder une part d’énergies pilotables (stockage compris) supérieure aux appels de puissance du réseau. C’est en augmentant autant qu’on le pourra technologiquement et économiquement les capacités de stockage et de pilotage du réseau que l’on pourra développer les énergies éoliennes et solaires.

Il est donc urgent de mettre en place tous les moyens possibles pour développer la production hydraulique en général et les STEP en particulier. Celles-ci offrent les réponses de loin les mieux adaptées aux contraintes imposées par les énergies renouvelables fatales ; toutes les opportunités de développement doivent être saisies au plus vite.

Ainsi l’avenir des énergies renouvelables fatales est mise au défi de la garantie de puissance à fournir au réseau à chaque instant et les deux leviers qui paraissent les plus réalistes sont le stockage hydraulique et les sources pilotables.