Pour en finir avec les énergies «pilotables»

 

Une certaine littérature sur l’énergie évoque volontiers le caractère « pilotable » des installations électriques fossiles ou nucléaires. Dans l’esprit de ceux qui l’utilisent, ce terme désigne la capacité à produire de l’électricité de manière prévisible et mobilisable à tout moment. Dans ce modèle, une énergie est pilotable ou elle ne l’est pas, il n’existe pas de situation intermédiaire. L’idée est séduisante, mais elle amalgame deux propriétés très différentes des équipements de production électrique et ne correspond pas à la manière dont l’industrie gère réellement l’alimentation des réseaux. Le moment est venu d’apporter une compréhension plus fine de la manière dont les producteurs gèrent la production d’électricité et les variations de la demande.

Énergie de base et énergie acheminable

Pour comprendre cette discussion, il faut garder à l’esprit que les distributeurs d’électricité doivent à tout moment maintenir un équilibre presque parfait entre la demande en électricité et la quantité d’électricité qui est injectée dans le réseau. Si on s’éloigne trop de cet état d’équilibre, les variations de tension et de fréquence peuvent endommager l’équipement de distribution ou même les appareils électriques des clients. Sans entrer dans les détails, soulignons que la tolérance aux écarts est très faible et qu’on cherche généralement à les corriger dans un délai de quelques secondes à peine.

Ceux qui veulent explorer ce concept peuvent se rapporter à un article que j’ai écrit à propos d’une panne d’équipement survenue en Australie en décembre 2017. Lors de cet incident, une turbine thermique a connu une panne et la puissance qu’elle injectait dans le réseau est passée de 560 à zéro MW en 30 secondes seulement. Le distributeur d’électricité a réagi en mobilisant toutes les réserves disponibles, y compris la première batterie de stockage de Tesla, dont ce fut le coup d’essai.

La première leçon à retenir, c’est que pour rester en équilibre, les réseaux électriques ont besoin de deux ressources différentes. La première ressources est l’accès à de grandes quantités de courant, fourni de manière soutenue. C’est que l’industrie appelle l’énergie de base (baseload power, en anglais). La seconde, c’est la possibilité de réagir aux variations de demande (ou aux pannes de production) dans le délai le plus court possible. L’industrie parle alors d’énergie acheminable (dispatchable power en anglais; le terme est utilisé au Canada, mais semble peu ou pas connu en France).

Il faut insister sur ce point : le concept d’énergie « pilotable » amalgame sans nuance les concepts d’électricité de base et d’électricité acheminable, deux termes techniques bien établis qui désignent deux besoins distincts pour la gestion des réseaux électriques. Cet amalgame débouche le plus souvent sur des conclusions fautives ou trop tranchées.

La planification de la production

La planification de la production électrique d’une journée donnée commence ordinairement quelques jours à l’avance. On estime sommairement les besoins en électricité pour une journée donnée en tenant compte de la saison (besoins de chauffage et de climatisation) du jour de la semaine (on consomme plus le lundi que le dimanche) des variations de demande selon l’heure et de la météo prévue (les besoins seront plus élevés pendant une canicule, par exemple).

L’étape suivante consiste à sélectionner les équipements qui seront mobilisés pour couvrir les besoins identifiés. On choisit de préférence les sources d’énergie renouvelable, parce que l’absence de frais de carburant les rend bon marché à exploiter. Les bulletins météo font qu’il est assez facile de prévoir à l’avance leur niveau de production. D’autres facteurs entrent en ligne de compte. Certains équipements peuvent être non disponibles en raison de pannes ou d’arrêt pour entretien. Dans certains pays, une grande partie de l’électricité est vendue des mois à l’avance par contrat à terme. Comme il paiera pour cette électricité quoi qu’il arrive, le distributeur la choisit évidemment en priorité.

Le processus d’estimation des besoins et d’allocation des ressources se répète la veille, puis quelques heures à l’avance, puis quelques minutes, puis enfin en temps réel. Plus on avance dans le temps, plus la qualité des prévisions s’améliore : les bulletins météo se précisent, on vérifie s’il y a une demande imprévue en électricité, s’il y a des bris d’équipement… Par contre, il y a diminution du nombre d’options pour réagir : certains équipements répondent moins vite que d’autres aux appels de puissance, autrement dit, leur énergie est moins acheminable que d’autres.

Fournir de l’énergie de base ou de l’énergie acheminable

Alors, une installation électrique donnée fournit-elle de l’énergie de base ou de l’énergie acheminable? Possiblement les deux, bien qu’elle ne soit probablement pas aussi efficace dans les deux rôles. Prenons une grande usine thermique, par exemple, qu’elle soit au charbon, au gaz ou au bois. Si elle doit être mobilisée alors qu’elle est à l’arrêt depuis un certain temps, l’eau de sa chaudière est froide et il faudra la chauffer pendant de 6 à 24 heures, selon le cas, pour produire assez de vapeur pour faire tourner la turbine assurant la production électrique.

Mais si on brûle du carburant pour garder l’eau chaude et tenir l’usine en réserve, son électricité devient acheminable en une ou deux minutes. Les « usines de pointe » au gaz sont conçues pour fournir de petites quantités d’électricité acheminable en quelques secondes, mais les maintenir sans cesse en état d’alerte coûte cher en carburant. On constate qu’une grande usine thermique fournit donc facilement de l’énergie de base, à condition de prévoir la production à l’avance, mais que ce n’est pas un équipement naturellement très réactif, fournissant de l’énergie acheminable.

Le tableau suivant résume les caractéristiques de quelques installations électriques courantes comme énergie de base et énergie acheminable :

La distinction entre le nucléaire dans le monde et celui en France s’explique par le fait que les centrales françaises sont capables de faire varier leur débit beaucoup rapidement que leurs équivalent à l’étranger, soit de 3 à 5 % par minute environ. Ceci leur permet de faire du « suivi de charge », c’est-à-dire de s’adapter aux variations régulières de la demande. Le nucléaire français est donc souple comme énergie de base et autorise une planification quelques minutes à l’avance, mais son caractère acheminable reste insuffisant en cas de variation très soudaine.

La grande question est de savoir ce que vaut un parc solaire ou éolien. Dans la mesure où la production peut être prévue quelques jours ou plus à l’avance, elle peut parfaitement être intégrée au plan de production d’électricité de base. Si on annonce un bon vent, par exemple, on va prévoir de manière conservatrice une production de 50 MW pour un parc donné. Il est parfaitement possible que ce parc produise en réalité 10 ou 20 MW de plus le jour venu. Cette production excédentaire peut facilement être mobilisée au dernier moment pour répondre à une urgence. Dans un tel cas de figure, ce parc fournit en même temps de l’électricité de base et de l’électricité acheminable.

Le rôle du mode d’approvisionnement

L’intégration de la production d’énergie renouvelable au débit variable a initialement posé des problèmes aux distributeurs d’électricité. Il y a dix ans, le distributeur n’avait pas la possibilité de refuser l’électricité que les producteurs lui vendaient, de sorte qu’il devait gérer un approvisionnement assez volatil avec des moyens de production traditionnels (généralement thermiques) à la production relativement inflexible. Une turbine est un équipement qui produit beaucoup d’électricité à la fois et dont il n’est pas facile de faire varier le débit. En comparaison, un parc solaire ou éolien moderne se décompose en petites tranches qui peuvent être injectées dans le réseau une à la fois.

Les modes d’approvisionnement les plus courants sont les suivants :

• Achat obligatoire : Dans ce système, universel il y a 10 ans et en perte de vitesse de nos jours, le distributeur doit accepter toute l’électricité que le producteur lui envoie. Ce système a d’abord été implanté pour sa simplicité et parce que l’État espérait qu’il faciliterait l’adoption des renouvelables, mais en pratique, la difficulté d’équilibrer cet apport variable avec des équipements peu acheminables rendait les distributeurs réticents à accepter plus de fournisseurs sur leur réseau.
• Mode de réduction : Pour éviter des surplus d’approvisionnement, les distributeurs se sont mis à envoyer des ordres de type « ne pas livrer plus que telle quantité » aux producteurs. Cela peut se faire par des moyens aussi simples qu’un coup de téléphone demandant une réduction des livraisons. Ce modèle, appelé « curtailment » en anglais, est encore employé, mais il a l’inconvénient de gaspiller une partie de l’énergie produite.
• Mode de flexibilité complète : Ce mode de gestion plus récent et qui tend à s’imposer repose sur des contrôles automatisés qui permettent au distributeur de faire varier en temps réel la quantité d’électricité livrée. Cela permet non seulement d’éviter les surplus, mais d’augmenter les livraisons rapidement s’il y une hausse de la demande soudaine et qu’il reste de la capacité inexploitée dans le parc.

Selon une étude réalisée chez un distributeur de la Floride, le mode d’achat obligatoire limite en pratique la part de l’énergie solaire à 11 % dans un système mixte où le solaire n’est adossé qu’à de grandes unités thermiques. Cette part monte à 23 % en mode de réduction et à 28 % en flexibilité complète. Le taux de pénétration des renouvelables pourrait monter encore plus haut dans un système où plus de formes d’énergie différentes s’appuieraient entre elles.

Conclusions

Il ressort de tout ceci que si le réseau électrique doit être alimenté en permanence, il n’a pas besoin de l’être au moyen de sources d’énergie dont chacune est disponible à tout moment. Il suffit de pouvoir mobiliser l’énergie nécessaire au moment voulu. De plus, les énergies renouvelables peuvent parfaitement être intégrées à la production d’énergie de base quand les conditions s’y prêtent et le sont bel et bien partout dans le monde. La priorité accordée aux énergies renouvelables se traduit par des économies de coût que les producteurs d’électricité apprécient beaucoup. La tendance consiste de plus en plus à reléguer les énergies fossiles à des rôles de soutien, quand l’énergie renouvelable n’est pas disponible en quantité suffisante.

Quant au concept « d’énergie pilotable », il devrait être abandonné. Il ne correspond pas à la manière dont les distributeurs d’électricité remplissent actuellement leur mandat et éloigne la réflexion des véritables enjeux de gestion sur le terrain.

 

Sources :

• Baffled by baseload? Dumbfounded by dispatchables? Here’s a glossary of the energy debate
• Mark Disendorf, Is coal power “dispatchable”?
• Melissa Stark, The potential (and allure) of more dispatchable renewables
• Jerry Elmer, Making Renewable Energy “Dispatchable” https://www.clf.org/blog/making-renewable-energy-dispatchable/
• Australian Energy Market Operator Limited, Advice To Commonwealth Government On Dispatchable Capability 
• Energy Matters, Renewable energy ‘the main game in the electricity market’ – Energy Council CEO
• Energy and Environmental Economics, Inc., Investigating the Economic Value of Flexible Solar Power Plant Operation
• Colin Meehan, fil Twitter
• Philippe Gauthier, Non, la batterie de Tesla n’a pas sauvé l’Australie du blackout