Système énergétique : comment assurer sa flexibilité ?

Publié par Encyclopédie Énergie, le 1 octobre 2019 2.8k

Disponibilité énergétique et santé économique d’un pays vont de pair, mais ce couplage ne doit pas menacer l'environnement, notamment à travers des émissions de gaz à effet de serre (GES) incompatibles avec le climat planétaire. Pour parer à de tels risques, tout scénario énergétique doit s'appuyer sur des analyses système exhaustives, garantissant le service, précisant les contraintes induites, incluant un bilan écologique et climatique global. Il faut quantifier les causes et leurs effets, effectuer des comparaisons de services rendus à coût et impacts équivalents. Il ne s’agit ni de sortir immédiatement du fossile, ni de réduire totalement les émissions directes de GES, mais de trouver le meilleur compromis sur le court et moyen terme pour minimiser les impacts du système sur des critères à définir : environnementaux, techniques, stratégiques, sociaux, économiques.

1. Qu'est-ce qu'un système énergétique ?

Il s'agit d'un ensemble complexe de flux (combustibles, carburants, électricité) reliant des ressources dites primaires (charbon, pétrole, gaz naturel, biomasse, électricité nucléaire, hydraulique, éolienne ou solaire, déchets) à des consommations finales satisfaisant des besoins de chaleur (fours, chaudières), de force motrice fixe (moteurs) ou mobile (véhicules), d'éclairage, d'électrolyse et réduction des métaux, entre autres.

Mesurés en millions de tonnes équivalent pétrole (Mtep), un tel système, en France, au cours de l'année 2018, a assuré la transformation de 262 Mtep de ressources primaires en 154 Mtep de consommation finale sous trois formes d’énergie : les combustibles chimiques (gaz ou liquides), la chaleur et l'électricité. Cette dernière ne compte que pour un petit tiers de l’énergie finale mais assure actuellement l'accessibilité aux principales sources d'énergie non carbonées, comme l’électronucléaire et les sources renouvelables majeures : hydraulique, et plus récemment éolien et photovoltaïque. Ces deux dernières sont potentiellement abondantes mais diffuses ; elles sont intermittentes, mais leur coût apparent au kWh produit devient de plus en plus attractif. Le réseau électrique est donc au cœur du système énergétique.

2. Le réseau électrique français

Réseau de Transport d'Electricité (RTE) est garant de l’équilibre du réseau électrique et pilote l’ajustement entre productions et consommations. En moyenne annuelle, la consommation électrique varie en puissance de 45 GW à 100 GW, avec un creux nocturne de typiquement 10 GW et une énergie consommée typique de 0.7 à 2 TWh/jour, selon la saison. Il y a toujours eu des variations côté production, mais le caractère difficilement pilotable des énergies renouvelables, et leur croissance en cours, compliquent l’exercice. D'où la nécessité d'organiser un réseau électrique flexible dont profitera tout le système énergétique. Comment y parvenir ?

3. De nécessaires flexibilités

Tout écart entre production et consommation nécessite de faire appel à des flexibilités. Quelles sont-elles ? Comment les choisir ? Pour les comparer quantitativement, on introduit un temps caractéristique Tc défini comme le temps où la flexibilité pourrait répondre seule à la demande moyenne électrique nationale, tout autre mode de production étant temporairement indisponible.

3.1. Variations de la production

En France, la première ressource de flexibilité est la pilotabilité des centrales nucléaires, règlementairement limitée à 5% de puissance nominale par minute (PN/min) sur chaque réacteur, mais aboutissant à un volume total important, compte tenu d’un parc de 58 réacteurs. Un complément est apporté par le recours à des centrales thermiques conventionnelles au charbon et désormais surtout au gaz, aptes à des variations plus rapides (jusque 10 à 20% de PN/min). La production hydraulique, première production d’énergie renouvelable avec plus de 10% de production annuelle électrique, complète ce service de flexibilité. Le stock disponible dans les productions hydrauliques éclusées est de 3.5 TWh, soit un Tc de quelques jours.

3.2. Stockage de l'énergie

Pour être stockée, l’énergie électrique est convertie sous forme gravitaire dans le cas des stockages hydrauliques, électrochimique dans le cas des batteries, chimique dans le cas des carburants de synthèse. L’hydraulique en éclusée, permet de choisir le moment de production à partir du volume d'eau accumulé naturellement. Certaines installations, dites stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), font plus en remontant de l’eau dans les barrages pour stocker un surplus d’électricité. La France dispose de 5 GW de puissance et 0.1 TWh d’énergie d’un tel stockage ce qui représente un Tc de l’ordre de 1 heure.

STEP, station de transfert d’énergie par pompage (ill. C. Beurtey – CEA)

Dans le futur, une flotte de 30 millions de véhicules électriques, soit la totalité du parc de véhicules personnels, connectés au réseau, pourrait apporter jusqu’à 0.6 TWh de stockage, soit un Tc de quelques heures.

Le stockage d’électricité sous forme de gaz nécessitera le déploiement de moyens de synthèse, notamment grâce à l’électrolyse puis à la méthanisation. Les réseaux de gaz, pour l’heure surtout d'origine fossile, disposent de plus de 120 TWh de stockage en France, soit Tc de plusieurs mois.

Le stockage de chaleur ou de froid est peu onéreux et encore sous-exploité, de vrais stockages d’énergie en volume sous forme thermique sont donc possibles.

3.3. Pilotage des consommations

Le pilotage des chauffe-eau électriques en France représente pour RTE une flexibilité constatée de plus de 20 TWh (15 GW), avec des temps caractéristiques de l’ordre de la journée. Le pilotage des chauffages à accumulation de chaleur est une autre flexibilité. Le déploiement de pilotages numériques va permettra des gains systèmes supplémentaires. On cite fréquemment une implication à venir des usagers sous forme d'une attention accrue à leurs consommations, un investissement personnel dans des systèmes plus autonomes, tels que des moyens locaux de production, de stockage, et de pilotage. Pour une garantie de service, ces usagers n’envisagent que rarement la déconnexion complète du réseau. Ces initiatives en émergence ont donc un impact significatif sur ce dernier.

3.4. Contribution de la mutualisation des réseaux et de l'interconnexion

La mutualisation opérée par les réseaux électriques et les interconnexions transfrontalières n’est pas considérée comme une flexibilité mais elle facilite le maintien de l’équilibre par élargissement de son périmètre.

En conclusion

De multiples solutions techniques existent pour faire évoluer significativement les modes de production et de consommation. Toutes seront utiles quelque part dans un monde qui reste basé à plus de 85% sur les ressources fossiles. Il parait indispensable que la France et l’Europe entrent sur le marché international des nouvelles technologies qui tirent parti d’un savoir-faire système et d’un accès aux industries des hautes technologies. La production électrique française est presque complètement décarbonée ; il faudra aussi vérifier que ses développements aillent dans le bon sens environnemental, qu’ils restent accessibles à tous à un coût acceptable et n’ouvrent pas de nouvelles dépendances géostratégiques.

Pour aller dans ce sens, la construction d’un « scénario énergétique » cohérent doit s’appuyer sur des analyses système exhaustives, garantissant le service, précisant les contraintes induites, incluant un bilan écologique et climatique global. Il faut identifier et quantifier les causes et les effets, effectuer des comparaisons à service, coût et impacts équivalents. La compréhension du réseau électrique est centrale, mais il faut lui adjoindre les autres usages de l’énergie, les modalités de décarbonation du transport, la faisabilité et le coût de l’isolation des habitations, les conditions du développement des pays pauvres, entre autres. La chaleur émise et perdue (effet Carnot) représente une large part de l’énergie finale consommée (46% dans le monde), d'où des pertes de rendement, surtout en chaleur, qui ouvrent sur des optimisations potentiellement importantes. Dans une analyse systémique couvrant tous les vecteurs énergétiques, il s’agira de :

décrire les modes de production et les spécificités de consommation,
s’assurer du bon fonctionnement des réseaux d’énergie,
évaluer les besoins en stockage associés à de nouvelles technologies,
assurer l’équilibre entre production et consommation sur les temps longs et aussi garantir le fonctionnement du réseau sur des temps courts,
prendre en compte les installations existantes (investissements passés),
inscrire les évolutions futures dans des trajectoires techniquement, économiquement, et socialement réalistes,
intégrer aussi de nouvelles technologies en émergence, tout particulièrement les technologies du numérique, qui vont ouvrir la porte à des pilotages dynamiques et des optimisations nouvelles.

Enfin, il est essentiel d’estimer les impacts complets, incluant l’intégralité du cycle de vie d’une filière technique, et l’ensemble des impacts environnementaux et stratégiques.