Les contraintes sur la production et la distribution de l’électricité dans un système énergétique moderne

19/03/2012
Auteurs : Jacques Cladé
Publication REE REE 2012-1
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-1:2323

Résumé

Les contraintes sur la production et la distribution de l’électricité dans un système énergétique moderne

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	    <date dateType="Updated">Sat 26 Aug 2017</date>
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16 ◗ REE N°1/2012 L’énergie, facteur clé du développement L’énergie, telle qu’il en est traité dans cet article, est confor- me à la définition qui en est donnée dans les dictionnaires ordinaires : la capacité à faire, la force en action. L’électricité en est l’une des formes, la chaleur l’un des produits. En cela, cette énergie, qu’on peut dire être celle de l’ingénieur qui agit, est très différente de celle du scientifique, qui utilise un concept d’énergie qui prend des formes diverses, y compris la chaleur, en se conservant. L’énergie ainsi conçue est un auxiliaire de l’homme, lui permettant de faire plus avec moins d’efforts. Et toute civili- sation dite développée est basée sur la découverte au fil des siècles des moyens d’exploiter toujours mieux les sources d’énergie que la nature met à notre disposition. Donnons-en trois exemples. Le premier, c’est l’énergie du vent, utilisée de façon im- mémoriale pour naviguer. Mais c’est quand on a découvert le moyen d’utiliser le vent pour naviguer contre lui, en le remon- tant, que s’est produite la première mondialisation, concréti- sée par le tour du monde de Magellan, ou plutôt, Magellan ayant été tué en cours de route, d’un de ses navires. Deuxième exemple : la vapeur. C’est à la fin du 18e siè- cle qu’on été mises au point les machines à vapeur, avant que Carnot n’énonce son deuxième principe : la calorie a un potentiel énergétique dès lors qu’on peut la transvaser astu- cieusement d’une source chaude à une source dite froide. Un peu comme l’eau a un potentiel énergétique qu’on savait déjà utiliser en la faisant couler d’un réservoir haut vers un réservoir bas. L’invention de la machine à vapeur a permis l’utilisation par l’homme d’une source nouvelle et abondante d’énergie : le charbon. Mais elle a fait plus. La disponibilité du charbon n’est pas aléatoire, comme l’est celle du vent. Il se transporte et se stocke, de sorte que celui qui maîtrise cette source peut produire de l’énergie où il veut et quand il veut. Et cela a provoqué la révolution industrielle du 19e siècle. Pas plus que pour la première mondialisation, il n’est dans l’objet de cette note d’épiloguer sur ses bons et ses mauvais cotés. On peut néanmoins constater que cette révolution a posé les bases nécessaires à la révolution suivante, beau- coup moins douloureuse, qui est notre troisième exemple : l’irruption, à la fin du 19e siècle, de l’électricité dans le monde de l’énergie. L’électricité, forme accomplie de l’énergie Qu’a apporté l’électricité ? Cela peut se résumer en quel- ques points. • L’électricité est une forme d’énergie qui se transmet à dis- tance : elle libère donc de la contrainte de co-localisation de la production et de la consommation d’énergie qu’exerçait auparavant la transmission mécanique. • De ce fait elle permet, par les réseaux électriques, une diffu- sion de l’énergie sur tout un territoire : l’énergie devient un bien utilisable par tous, dans la vie sociale comme dans les activités professionnelles, ce qui est d’une valeur humaine et économique considérable. • Simultanément, les réseaux permettent de concentrer la production d’énergie, immédiatement transformable en énergie électrique, en quelques grands sites bien choisis où elle est produite en grande quantité avant d’être diffusée à tous : cet effet de masse permet d’abaisser fortement le coût unitaire de l’énergie. A noter que cet avantage de la production « massive » s’applique même aux sources dé- concentrées, telles que l’éolien qu’on regroupe en ce qu’on appelle des fermes éoliennes. • Enfin, et cela est tout à fait fondamental, la forme électrique de l’énergie est d’une variété et d’une commodité d’emploi sans commune mesure avec la forme mécanique, seule forme connue jusque là. Ces très remarquables propriétés ont fait de l’électricité, forme particulière de l’énergie, un « fluide » rapidement de- venu indispensable à toute société humaine développée. Ce fluide doit être fourni en permanence, dans les quantités requises, sans interruption autre qu’exceptionnelle. C’est ce qu’on désigne en France par l’expression « service public » : le système électrique, regroupant production et réseau électri- ques, doit garantir à la communauté, au public, une fourniture continue et conforme à ses besoins du fluide électrique. Les contraintes sur la production et la distribution de l’électricité dans un système énergétique moderne L'article invité jacques cladé REE N°1/2012 ◗ 17 L'article invité Une contrainte majeure pèse sur le secteur électrique : assurer au public la permanence de fourniture du « fluide » électrique Or ce fluide a une particularité fondamentale : il doit être produit à l’instant même où il est utilisé. Il faut que l’appareil de production soit dimensionné en conséquence, c’est-à- dire surdimensionné par rapport à ce qui lui sera générale- ment demandé, de façon à ce qu’à chaque instant la pro- duction disponible soit suffisante pour faire face aux aléas (disponibilité des sources, des moyens de production, du ré- seau) qui l’affectent, ainsi qu’aux aléas sur la consommation (météorologie, activité économique). Cette obligation de desserte sûre porte sur chaque minu- te, heure, jour, mois, année à venir. Elle s’exprime donc non en énergie, mais en énergie productible à chaque instant, c’est-à-dire en puissance. Il est bien évident que dès lors que les obligations en puissance sont satisfaites, celles en énergie le sont aussi. On peut dire que le passage de l’énergie par un réseau électrique transforme une exigence en énergie en exigence en puissance garantie au fil du temps futur. Attention ! Cela ne signifie pas qu’il suffise d’assurer à tout instant la « production » de la puissance appelée par la com- munauté humaine desservie. Il reste une contrainte sur la production d’énergie, mais ce n’est pas une contrainte sur la quantité, c’est une contrainte sur le coût. Autrement dit, le parc de production doit être composé de façon à : • garantir qu’à tout instant la puissance demandée pourra être fournie, • tout en fournissant l’énergie au moindre coût global. Les différentes sources d’énergie contribuent inégalement à garantir les puissances Examinons d’abord la principale contrainte, la puissance. Chaque source d’énergie utilisée pour faire de l’énergie électrique contribue à la garantie de puissance. Le calcul de la puissance garantie globale qui en résulte doit combiner les garanties données par chaque source. Ce calcul est complexe (on procède généralement par tirage au sort d’un grand nom- bre de situations), mais on peut se faire une idée de l’apport de garantie de chaque source en utilisant la notion de « capa- cité contributive » (sous-entendu : à la puissance garantie), ca- pacité exprimée en pourcentage de la puissance nominale de transformation de cette source en énergie. Ainsi une capacité contributive de la source charbon de 80 % signifie qu’on est à peu près sûr (disons à 90 % ou 95 %) de pouvoir disposer de 80 % de la puissance installée totale des centrales à charbon. A partir de là, on peut classer les sources en fonction de leurs capacités contributives. Par ordre décroissant, on trouve : • les combustibles fossiles ou de biomasse, capacité contri- butive de l’ordre de 80 % à 85 %, essentiellement liée aux besoins d’entretien et aux risques de pannes aléatoires des centrales de production, • le nucléaire, quelques pourcents en dessous en raison de la nécessité de recharger régulièrement les cœurs en matière fissile, • l’hydraulique au fil de l’eau, dépendante du régime hydrauli- que des fleuves équipés, • l’éolien, dont la capacité contributive, même étendue à un territoire aux régimes météorologiques contrastés vaste com- me la France, est inférieure à 10 %, • le photovoltaïque solaire, capacité contributive nulle la nuit, très faible le jour (la France entière sous ciel couvert n’est pas un phénomène rare). L’hydraulique de lac a une excellente capacité contributive si ses capacités de stockage sont suffisantes. Le solaire à concen- tration peut avoir une certaine capacité de report de l’énergie solaire du jour sur la nuit si le fluide caloporteur est utilisé pour stocker des calories ; mais à l’échelle de quelques jours cela ne suffit pas pour lui donner de la capacité contributive. Du constat sur le manque de capacité contributive de l’éo- lien et du solaire résulte une évidence trop oubliée : ces sour- ces n’apportent au système électrique quasiment rien de ce dont il a le plus besoin, à savoir une contribution significative à la garantie de la puissance demandée par les utilisateurs de l’énergie électrique. Tant que ces sources sont utilisées en petite quantité, ce n’est pas trop grave : l’aléa qu’elles en- gendrent est faible et noyé dans le « bruit » des autres aléas. Mais si on en fait des sources importantes, il faut assurer la garantie de puissance par d’autres voies, des voies à bonne capacité contributive, telles que les combustibles fossiles ou le nucléaire. Il faut donc doubler les investissements en solaire et éolien par des investissements en moyens « classiques », qu’on utilisera moins que s’il n’y avait pas de solaire ou d’éo- lien, mais qui n’en seront pas moins là, servant assez souvent, avec tous les risques qu’on espérait éliminer grâce à un large emploi des énergies dites vertes. Avec aussi, bien entendu, le surcoût considérable que le doublement des moyens de production entraîne. L’électricité ne peut être stockée, tout au plus peut-on fabriquer avec elle des sources artificielles d’énergie, ultérieurement reconvertibles en électricité Mais, plutôt que de doubler les moyens de production à source intermittente par des moyens à source stockable, ne pourrait-on passer par un stockage de l’électricité que l’éolien ou le solaire produisent en quantité quand il y a du vent ou du soleil ? C’est là qu’il faut rappeler que l’énergie, électrique ou pas, ne se stocke pas. Tout ce qu’on peut en faire, si on dispose d’un excédent d’énergie productible, c’est de l’utiliser pour créer une source artificielle d’énergie qui sera exploitée plus tard par un moyen de production d’énergie à créer si- multanément. Le terme stockage est trompeur, car ce qu’on appelle «stocker» de l’électricité, c’est en fait la produire une deuxième fois : on se retrouve avec le même problème de coût que précédemment. 18 ◗ REE N°1/2012 L'article invité Ainsi en est-il par exemple du stockage par station de pompage hydraulique : il faut créer un réservoir supérieur, installer les conduites forcées et mettre au pied de tout cela turbines et alternateurs. C’est cher. Ainsi en est-il aussi du stockage de l’électricité dans des accumulateurs. Un accumulateur n’est rien d’autre qu’une pile, moyen de production ici rechargeable en rendant à ses composantes leur capacité voltaïque initiale. La pile voltaïque était au début du 19e siècle un outil de laboratoire – qui a permis de découvrir les lois de l’électromagnétisme – puis un moyen d’argenter du métal ; on ne pouvait aller plus loin tant c’était cher. Et cela reste le cas, quelque progrès qu’on ait fait depuis lors. Rêvons à un accumulateur qui ne coûte rien, mais sachons que pour l’instant c’est un rêve et gardons les accumulateurs pour des usages spécifiques tels que la traction automobile ou les alimentations de sécurité. Une autre voie envisageable serait d’utiliser les surplus d’énergie électrique des périodes ventées ou ensoleillées pour produire de l’hydrogène. Dès lors qu’on l’aurait rendue stocka- ble et transportable, cette source artificielle pourrait remplacer des carburants fossiles. Elle pourrait même permettre de sup- primer les grands réseaux électriques, l’électricité redevenant produite localement comme il y a un siècle, mais cette fois par des piles à combustible. Pourquoi pas, si on pense que c’est une des nécessités d’un avenir qu’on veut plus durable et plus vert ? Mais pour permettre production, stockage et transport sûrs de l’hydrogène, il faudra de tels investissements et de tels progrès techniques que ce n’est envisageable qu’en terme de prospective. Pour quelques décennies encore, il faudrait retransformer l’hydrogène, sur place ou quasiment sur place, en énergie électrique. On retombe sur le même problème : on ne stocke pas l’électricité, tout au plus peut-on la produire une deuxième fois en passant par l’intermédiaire d’une source artificielle. Ce qui est fort cher. En résumé, la voie du «  stockage  » de l’électricité pour la restituer ensuite au réseau n’est économiquement guère réaliste, sauf situation particulière. C’est plutôt une façon de créer des sources artificielles - accumulateurs, hydrogène - aptes à se substituer aux produits pétroliers dans la fourniture d’énergie aux transports individuels ; ce n’est pas une bonne façon de trouver de la capacité contributive. Contraindre les consommations pour limiter de coûteuses garanties en puissance ne doit pas aller jusqu’à l’acceptation de pénuries récurrentes Ceci constaté, il reste une voie à envisager pour réaliser l’indispensable équilibrage de la production et de la consom- mation d’électricité sur un réseau  : agir sur la consomma- tion. Agir sur la consommation, c’est d’abord réduire les « poin- tes de charge », c’est-à-dire chercher à égaliser, au fil du temps et autant que faire se peut raisonnablement, la puissance totale appelée sur un réseau électrique. Cela se pratique de- puis longtemps en France par des systèmes tarifaires faisant payer plus cher lorsqu’on anticipe des appels de puissance plus élevés. En jouant à la fois sur des primes fixes liées à la puissance appelée, et sur des prix proportionnels à l’éner- gie consommée, on donne aux consommateurs un signal de coût auquel ils peuvent s’adapter. Si ce signal est convena- blement conçu, c’est-à-dire s’il représente vraiment le surcoût de production engendré par une consommation supplémen- taire dans chaque période de temps, alors les adaptations individuelles engendrées par la tarification aboutissent à une optimisation globale de la production et de la consommation d’électricité. C’est en gros ce que les Américains, qui ont dé- couvert tardivement ces techniques de régulation économi- que de la charge des réseaux électriques, appellent le DSM (Demand Side Management). Mais remédier par action sur la consommation aux insuf- fisances en puissance dues au manque de vent ou de soleil pose un problème d’une autre nature : il faut arriver à faire dépendre la consommation d’électricité, donc certains usa- ges de celle-ci, de conditions météorologiques qui peuvent se manifester n’importe quand dans l’année, et ce de façon largement imprévisible. C’est ce que certains appellent la DSI (Demand Side Integration) : on gère simultanément la production et la consommation, et si la production n’est pas suffisante, on se donne le droit de sacrifier certains usages de l’électricité. Comment ? Par délestage d’office ou par application tem- poraire de tarifs dissuasifs. Pour parler sans fard : par les mé- thodes de gestion de la pénurie bien connues des anciens qui ont vécu, dans les années 1940, la guerre et l’après guer- re : le rationnement (délestage), adouci pour ceux qui en avaient les moyens par le marché noir (tarifs dissuasifs). Or le développement attendu des réseaux de distribution dits intelligents, c’est-à-dire à contrôle très numérisé et as- surant un large échange d’informations avec un organisme centralisé, permet d’envisager cette solution : l’outil « réseau intelligent  » – en anglais «  smart grid  » – peut être utilisé pour gérer la pénurie. Comme, avec le développement des productions éoliennes et solaires, on va vers des périodes récurrentes de manque de puissance par absence de vent et de soleil, la tentation est grande d’utiliser l’intelligence pour en faire porter le poids sur la clientèle des réseaux. Mais quels secteurs de la consommation va-t-on lui demander de sacrifier en attendant qu’Eole et Hélios fassent revenir vent et soleil ? Lesquels seront socialement acceptables et économi- quement justifiés ? Il faut bien dire que cela n’est guère pré- cisé par ceux qui présentent les réseaux intelligents comme une réponse au considérable inconvénient qu’est l’incapacité constitutive du vent et du soleil à apporter aux réseaux élec- triques, significativement, une capacité contributive à la ga- rantie de puissance qu’ils se doivent d’assurer à leurs clients dans les limites fixées par une tarification non arbitraire. De toute façon, quel que soit le résultat d’études objectives et chiffrées du problème de l’intermittence, il faut considérer REE N°1/2012 ◗ 19 L'article invité que la pénurie d’électricité n’est pas une situation accepta- ble, sauf événement très exceptionnel. Comme l’absence de vent et de soleil sur toute la France, et même au-delà, n’a rien d’exceptionnel, il faut s’en tenir à l’obligation dite de ser- vice public, ou service du public : fondamentalement et sous réserve d’adaptation à la marge, la production et le réseau doivent garantir tout au long de l’année une alimentation en électricité telle que requise par la communauté à partir de tarifs lui permettant de faire des choix raisonnables dans la durée. Et donc la contrainte directe qui s’exerce sur la produc- tion d’électricité et le réseau qui la transmet à ses utilisateurs est bien une contrainte en puissance, non en énergie. Produire, transporter, distribuer l’électricité nécessite de gros investissements, à engager judicieusement Dans tout ce qui précède il est implicitement supposé que le réseau électrique est capable de transmettre la puis- sance électrique de n’importe quelle source à n’importe quel consommateur. C’est ce que l’on appelle un réseau « plaque de cuivre », qu’on ferait mieux d’appeler « plaque d’or » tant il serait coûteux. Le réseau réel résulte d’un compromis entre le désir d’éten- dre et de sécuriser les transmissions entre les différents points d’injection et de prélèvement de puissance, et le coût que cela représente. Mais cette optimisation n’est pas simple. Elle fait intervenir des investissements, des pertes d’énergie sur le ré- seau, des probabilités d’incident, des coûts de production et bien entendu des coûts de nuisance d’un service de l’électricité non rendu. Elle est influencée par le positionnement des cen- trales, qui peut influer grandement sur le coût du réseau et de son exploitation et, pour les réseaux de distribution, par le posi- tionnement des postes dits source qui les alimentent en électri- cité. L’art du planificateur de réseau est de trouver les voies qui, compte-tenu de tous ces coûts, permettront d’optimiser le coût global de desserte de la clientèle. Ce n’est pas simple, mais une chose est sûre : produire de l’énergie électrique est cher, réaliser et exploiter les réseaux qui permettront de la mettre à la disposition de tout un chacun l’est encore plus. Le cadre institutionnel du secteur électrique doit tenir compte de ses caractéristiques propres Des investissements à très long terme, une responsabilité collective de ses acteurs dans la fourniture permanente d’un fluide non stockable et une importance sociale et économi- que vitale caractérisent le système électrique. Ceci nous amène au dernier point de cette analyse. Produi- re et diffuser de l’énergie sous forme électrique a de tels avan- tages pour une communauté humaine que le bon fonctionne- ment de son « système électrique » est devenu vital pour elle. Mais constituer un bon équipement en production, transport et distribution d’électricité est gourmand en capital, c’est-à-dire en prélèvement sur la capacité de production de biens et de services de la communauté. C’est dire que les dirigeants de cette communauté sont inévitablement très impliqués. Il n’appartient pas à la présente étude d’examiner com- ment ils devraient s’impliquer, mais on peut, pour conclure, rappeler quelques données objectives dont il est souhaitable qu’ils tiennent compte. Les données essentielles à ne pas oublier dans une réflexion sur le système électrique • L’unité de temps en matière d’énergie est la décennie. Pour s’en tenir à l’électricité, il faut dix ans pour mettre en ser- vice une décision d’investissement lourd, qu’il s’agisse d’un groupe de production ou d’une ligne à très haute tension. Et l’équipement réalisé restera en service pendant un nombre respectable d’années. Décider – ou d’ailleurs ne pas déci- der – a des effets à quarante ou cinquante ans : le système décisionnel doit être conçu en en tenant compte. • Pour un pays comme la France – et plus largement l’Europe – le problème des sources d’énergie est vital. Les capacités hydrauliques sont à peu près épuisées. Pétrole et gaz sont chers et nous rendent très dépendants de l’étranger, qui un jour ou l’autre aura envie d’en abuser. Le charbon est moins cher et rend moins dépendant en raison de sources plus réparties sur la planète ; mais il pollue encore plus que le pétrole et le gaz. L’éolien et le solaire sont chers au kWh produit et, de par leur intermittence, ne répondent pas aux exigences d’un système électrique moderne. • Restent des sources diverses – géothermie, biomasse, éner- gie des vagues, des marées, des courants marins – dont on peut craindre qu’elles ne mènent pas très loin. Reste aussi le charbon avec piégeage du CO2 dans des structures sou- terraines ad hoc ; au-delà du coût de cette solution, il ne faut pas oublier que le CO2 est un gaz plus lourd que l’air et que donc toute fuite se traduirait par l’écoulement en sur- face d’une nappe d’un gaz parfaitement asphyxiant. • Reste enfin le nucléaire qui est, pour une production de masse, la moins chère de toutes les sources. Mais le nu- cléaire se heurte à des craintes instinctives sur les consé- quences d’un accident grave, et il est difficile de les traiter dans un cadre rationnel. • Stocker de l’énergie pour en adapter la production à la consommation, c’est en fait utiliser de l’énergie pour fabri- quer une source artificielle qu’on utilisera plus tard pour en tirer à nouveau de l’énergie. C’est inévitablement cher et semble peu adapté à un emploi massif pour régulariser la production d’électricité sur un réseau. • Le poids des investissements dans la production et la dif- fusion de l’électricité par réseau public est tel que toute po- litique d’équipement doit être évaluée économiquement. Mais on ne peut utiliser pour cela les outils habituels des industriels, temps de retour ou taux d’intérêt fluctuant au gré des cycles et accidents économiques. A très long terme seul est adapté l’emploi d’un « taux d’actualisation », variable 20 ◗ REE N°1/2012 L'article invité duale des moyens que la communauté accepte de consa- crer à la préparation de son avenir, celui de ses enfants et petits-enfants. Il ne serait pas responsable de se boucher les yeux en n’éclairant pas des décisions lour- des par des études basées sur ce taux, ce qui ne signifie nullement qu’il faille décider en fonction de ces seules études. • L’adaptation du parc de production à l’exi- gence de continuité de la fourniture d’éner- gie électrique relève d’une responsabilité collective des producteurs, à laquelle le réseau est associé. Elle entraîne d’impor- tantes dépenses d’investissement, dont la justification ne se trouve pas dans l’intérêt naturel de producteurs indépendants. Il faut définir, s’il y a producteurs indépendants les uns des autres, comment ces dépenses sont décidées, financées et réparties. • L’organisation institutionnelle du secteur électrique doit être pensée en fonction de ses caractéris- tiques propres et non d’assimilations plus ou moins hasardeuses à d’autres situations. Cette affirmation n’a pas pour origine le sentiment, naturel et humain, que chacun a d’être un cas unique, différent de celui des autres. Elle résulte d’une évidence : il n’y a pas beaucoup de secteurs industriels pro- duisant, à grands coups d’investissements lourds, un fluide non stockable, fût-ce une minute, et aussi vital pour le fonctionne- ment d’une société développée moderne que l’est devenue l’électricité. ■ Jacques Cladé, contrôleur général honoraire d'EDF, a fait toute sa carrière dans cette entreprise, où il a notamment dirigé le service Etudes de Réseaux de la direction des Etudes & Recherches. Il a siégé au Comité des Grands Réseaux et des Interconnexions Internationales de l’UNIPEDE, et a présidé le Comité planification et évolution des ré- seaux du CIGRE (Conseil Internatio- nal des Grands réseaux Electriques).