Énergie

Pourquoi n’est-il pas si simple de remplacer le nucléaire par le vent et le soleil ?

Site nucléaire du Cruas. Crédit : Jean-Louis Zimmermann

Les objectifs affichés par la France concernant son mix électrique visent à réduire à 50 % la part du nucléaire dans la production nationale d’électricité, à une échéance encore floue. On pourra se demander d’où vient ce chiffre de 50 % : pourquoi pas 60 %, 30 %, ou même 0 % ? Ne pourrait-on pas être ambitieux, et viser un remplacement de la totalité du parc nucléaire ? Après tout, le soleil et le vent ne manquent pas, et s’ils sont à même de remplacer 17 réacteurs, il suffirait de multiplier par un peu plus de trois nos efforts pour remplacer la totalité de nos 58 réacteurs.

Mais on ne remplace pas le nucléaire par du vent et du soleil aussi simplement que l’on remplace le charbon par du nucléaire. Illustration.

Test d’un mix électrique hypothétique

Début 2018, France. Le mois de décembre a été doux, la période des fêtes en particulier, et janvier continue sur cette lancée. Le parc nucléaire tourne à un bon régime, soutenu, malgré un nombre légèrement plus élevé que la normale de réacteurs à l’arrêt. Et le parc gaz est significativement sollicité pour ménager des réserves d’eau déjà basses dans les barrages. Rien d’alarmant cependant, jusqu’aux derniers jours du mois. Mais voilà que les températures commencent à baisser considérablement sur toute l’Europe, durablement jusqu’en mars, et alors reviennent les inquiétudes sur les capacités du mix électrique français…

Si cet hiver n’a pas battu le record de consommation d’électricité atteint en 2012 (102,1 GW), avec une pointe à 96,6 GW le 28 février 2018 à 19h30, nos capacités de production et nos interconnexions ont été lourdement sollicitées. Donc cette période, sans aller chercher dans le cas extrême, semble une bonne base pour étudier le dimensionnement d’un mix électrique alternatif. Un mix sans nucléaire, évidemment sans charbon et sans fioul et, dans la mesure du possible, sans gaz !

Voyons la consommation, demi-heure par demi-heure, telle que la retrace le gestionnaire du réseau de transport d’électricité français, RTE, et comparons-là à la production de notre système électrique, déduction faite du nucléaire et des énergies fossiles. De la sorte, ne restent que l’hydraulique, les bioénergies (biomasse, biogaz, déchets), le solaire et l’éolien :

On reconnaîtra, dans le tracé de la consommation, quelques variations bien identifiables :

  • un cycle quotidien jour/nuit,
  • un cycle hebdomadaire semaine/week-end,
  • une élévation rapide de la consommation à la fin du mois.

Dans la réalité, l’intervalle entre ces deux courbes est couvert par le nucléaire, les énergies fossiles, et les échanges avec les pays voisins – souvent des exports mais, à cette période, parfois aussi des imports d’électricité.

Finalement, à vue de nez, si on multiplie par 4 environ le niveau de production, on devrait atteindre la courbe de consommation, non ? C’est un raisonnement à expérimenter. Cependant, dans la mesure où la quasi-totalité du potentiel hydraulique en France est déjà exploitée, il n’y a que le solaire, l’éolien et les bioénergies que l’on puisse encore développer à grande échelle. Prenons donc un peu de marge, et multiplions leur production par 8 :

On voit alors que la production parvient, par moments, à rattraper la consommation. Pour rendre l’observation plus simple, il est possible de tracer l’écart, à chaque instant, entre production et consommation :

Ainsi, au-dessus de l’axe horizontal, on produit davantage que l’on consomme et en dessous, la production est insuffisante. Le but est donc que la courbe reste très proche de l’axe horizontal. En moyenne sur la période, on n’est pas trop loin de l’équilibre, mais à chaque instant, la production est rarement égale à la demande. Et pour cause ! L’éolien et le solaire ne sont pas pilotables : le vent souffle et le soleil brille au gré de la météo, c’est-à-dire indépendamment de nos besoins, tandis que les bioénergies fonctionnent à puissance relativement constante. Ne reste que l’hydraulique qui tente courageusement de suivre la demande, mais c’est bien insuffisant…

Octroyons-nous trois leviers d’action supplémentaires. Commençons par abaisser la consommation de, disons, 20%. Efficacité et sobriété énergétique en appui à la sortie du nucléaire. Puis prenons en compte les échanges aux frontières : nos records, historiquement, sont de respectivement 12 et 17 GW en import et en export. Envisageons d’avoir la possibilité d’importer ou exporter, selon les besoins, jusqu’à 20 GW. Pour ce faire, il faudra réaliser un généreux développement des interconnexions, mais pas surréaliste. Par ailleurs, ce faisant, on suppose qu’à tout moment, notre voisinage sera en mesure de nous délivrer ou nous délester la puissance que l’on souhaite, avec un maximum de 20 GW. Et… On ferme les yeux sur l’origine de cette électricité qu’ils nous fourniront.

Enfin, mettons en œuvre un mécanisme d’effacement. Il s’agit de rémunérer des clients (particuliers ou, surtout, des entreprises très consommatrices d’électricité) pour qu’ils acceptent, à la demande du gestionnaire du réseau, « d’effacer » leur consommation, c’est-à-dire de la réduire jusqu’à être autorisés à l’augmenter à nouveau. En d’autres termes, cela permet, face aux pointes de consommation, de diminuer la consommation plutôt que d’augmenter la production avec des capacités de réserve (généralement, des turbines à combustion au gaz ou au fioul, très onéreuses car ne fonctionnant que quelques heures par an). Pour modéliser ce mécanisme de manière très simple, à chaque fois que la production et les interconnexions sont insuffisantes, pour chaque GW de consommation en trop, on réduit la consommation de 0,2 GW.

En cumulant dopage des interconnexions, consommation réduite et effacement, on en vient aux résultats suivants, avec :

  • en rouge, la différence entre production et consommation réduite de 20 %,
  • en orange, la différence une fois sollicitées les interconnexions,
  • en vert, la différence une fois mise en œuvre le mécanisme d’effacement.

On le voit, nous avons pu considérablement réduire les écarts. L’équilibre production/consommation est très souvent respecté, et nous n’avons pas de forts déficits à combler, et quelques surproductions qu’il faudra simplement écrêter. Cela peut se faire en arrêtant des moyens de production (facile à réaliser, mais coûteux, puisque l’on va perdre de l’électricité), ou en stockant ces excédents (complexe et coûteux), en prévision des périodes où l’électricité manquera. Le déficit de puissance atteint 16 GW au maximum, telle est donc la puissance minimale qu’on doit conserver en « back-up » fossile ou de stockage futur.

Notons aussi que, compte tenu des exports, des imports, et des excédents de production qui sont écrêtés et donc perdus, la balance commerciale est nettement déficitaire, alors qu’elle est aujourd’hui excédentaire. Selon les conditions du marché, les pertes pour la France peuvent aisément atteindre quelques centaines de millions d’euros sur le mois.

Conclusion

Finalement, ce mix est relativement coûteux à mettre en place (+ 94 GW d’éolien, + 52 GW de solaire, + 14 GW de bioénergies, + 3 GW en interconnexions, centrales à gaz à maintenir en état malgré un usage réduit) et à entretenir (pertes, déficit commercial…), mais ne paraît pas irréaliste, en dépit du cadre relativement sévère retenu que fut le mois de février 2018.

Mais regardons nos hypothèses…

  • développement très important des bioénergies en dépit de contraintes de ressources,
  • pays voisins à notre entière disposition pour les interconnexions,
  • consommation électrique en baisse – et ce, malgré le besoin de sortir des fossiles (63% de notre consommation d’énergie), en partie grâce au remplacement par l’électricité ;
  • exports à prix positif (lors des fortes productions éoliennes en Europe, ils peuvent devenir négatifs, et ce, potentiellement de plus en plus souvent) ;
  • imports à prix soutenable.

Cliquez ici pour accéder au fichier ayant servi à réaliser cette analyse. Soyez joueurs, tentez de réaliser un mix électrique pertinent, avec des hypothèses plus ou moins ambitieuses. Prenez le temps d’observer les réactions des courbes aux coefficients sur le solaire, l’éolien, les bioénergies. Regardez évoluer les indicateurs. Prenez en main la difficulté d’atteindre un certain équilibre, les différentes transformations à appliquer au mix et au réseau électrique pour réduire autant que possible à la fois les coûts pour notre société et son impact sur le climat. Cette difficulté est directement liée au caractère intermittent des productions éolienne et solaire. À mesure qu’on augmente la part des moyens non pilotables, de fortes adaptations du réseau électrique sont nécessaires pour garantir la sécurité d’approvisionnement sans augmenter les émission de gaz à effet de serre.

À l’heure d’une urgence climatique de plus en plus pressante, on pourra se demander s’il est pertinent d’affronter de tel défis, sans le moindre bénéfice pour le climat. L’électricité française est déjà bas carbone et représente moins d’un quart de notre consommation d’énergie, le reste étant largement dominé par le pétrole et le gaz. Les moyens que la France alloue à la fameuse transition énergétique étant limités, les efforts consentis pour réduire la part du nucléaire sont autant d’efforts que l’on ne déploie pas pour réduire notre lourde dépendance aux énergies fossiles.

16 Commentaires

  1. Tilleul

    Dans vos 96 GW de pointe il y a 40 GW de chauffage électrique qui n’ont pas besoin d’être répondu de façon instantanée. Quand vous prenez votre douche, votre chauffe-eau électrique ne fait pas la puissance instantanée, il stocke l’énergie dans le ballon d’eau chaude pendant un grand moment pour ensuite la restituer sur une durée courte. Les pays qui font de l’énergie renouvelable comme le Danemark font la même chose en stockage sur plusieurs jours/semaines et même mois de façon à adapter la demande en fonction de la production. Votre fichier xls est totalement incapable de permettre d’évaluer un mix renouvelable puisque vous prenez la demande comme étant fixe, ce qui n’est absolument pas le cas.

    Vous pouvez en apprendre sur la théorie derrière les systèmes renouvelables et les outils permettant de les dimensionner sur ce site de l’université d’Aalborg, ça vous évitera de contredire ce que dit la science…

    https://www.energyplan.eu/smartenergysystems/

    • bertrand cassoret

      Tilleul, l’auteur de cet article a voulu montrer la problématique de manière compréhensible et ne contredit en rien la science.
      Pouvoir stocker en grande quantité changerait évidemment tout, mais l’énergie n’aime pas être stockée, c’est comme ça. A l’heure actuelle la seule façon de stocker qui ait fait ses preuves est le pompage de l’eau en STEP. Ceci nécessite des sites géographiques adaptés qui ne sont pas suffisants. Je suis content d’apprendre que le Danemark stocke en grande quantité sur plusieurs mois. J’ai plutôt connaissance qu’il compte sur les échanges avec ses voisins qui lui fournissent en l’absence de vent de l’électricité provenant de charbon ou gaz.
      La flexibilité de la demande serait évidemment un outil important qui permettrait de moins avoir besoin de stocker. On demande déjà actuellement aux gros industriels de s’effacer et on peut certainement faire mieux avec les particuliers. Mais cela ne résoudra pas tous les problèmes.

  2. Guillet Mathieu

    Merci très intéressant

  3. TF

    Article intéressant qui montre les difficultés que peut présenter la mise en place d’un mix 90% ENR (enfin si on commençait par aller déjà à 50…)

    Ceci dit j’y vois quelques biais qu’il serait intéressant de corriger :
    – les bioénergies que vous développez ne sont pas utilisées pour leur pilotabilité dans votre scénario, alors que c’est leur atout premier, surtout si on convertit des centrales fossiles existantes, à l’image de ce qui se fait au Danemark ;
    – votre scénario est basé sur une conservation du mix énergétique ENR actuel, sans tenir compte de l’éolien offshore par exemple, dont le facteur de charge est nettement supérieur (de 10 points environ) à celui du terrestre ;
    – les centrales à gaz à maintenir en état le sont déjà aujourd’hui pour causes de problème de gestion de la pointe élec hivernale, c’est même l’origine du mécanisme de capacité pondu par RTE ;
    – il faut de façon générale penser davantage à la conso, surtout sur ce mois de février, très sollicitant comme vous dites, et le déploiement des ENR ne se fera pas sans une remise en question du chauffage quasi tout-élec, spécialité (et aberration) bien franco-française…

    • Ethan

      En meme temps, se chauffer a autre chose que l’electricite, c’est se chauffer en brulant des trucs : gaz, foiul, ou meme bois pour les courageux qui veulent recharger leur chaudiere regulierement.

      Donc, ca fait du CO2, ce qui ext exactement l’inverse du but recherché.

    • Merci pour cet article extrêmement intéressant et pédagogique.
      J’ajouterais deux éléments de réflexion malheureusement très peu connus et pourtant très puissants pour résoudre l’équation.
      1/ Il est possible de produire du biométhane, qui est un gaz naturel produisant 0 kg de CO2 fossile, et qui ne contribue donc pas au réchauffement climatique. Ce gaz peut être produit de façon locale par la méthanisation (déchets agricoles, déchets organiques municipaux…), et bientôt par la gazéification (bois, papier, carton, textile, non recyclés), ce gaz Peut ensuite être introduit dans les réseaux actuels de gaz naturel, pour être consommé en tout points de France et d’Europe.
      2/ L’électricité aussi peut-être transformée en méthane par des unités locales, et de technologie très simple, on appelle cela le  « power to gaz ». Les excédents produits ponctuellement par l’éolien et le solaire peuvent donc être stockés dans les réservoirs naturels de méthane dont le volume est absolument considérable : trois mois de consommation énergétique française. Le Danemark en tête, l’Allemagne, et la France ont prévu de recourir massivement à cette solution d’ici 10 ou 20 ans.

      • bertrand cassoret

        le biogaz est très certainement une énergie à développer. Mais je doute que son potentiel de production soit très élevé.
        Le stockage par power to gas résoudrait en effet bien des problèmes. Mais cette technologie n’existe actuellement que sous forme expérimentale, personne ne sait si elle sera effectivement développée à grande échelle.

      • Théo

        Merci de votre commentaire. Je suis d’accord avec vous concernant la méthanisation, j’ai récemment écrit un article sur le sujet (disponible ici). Toutefois, la tendance actuellement est à l’injection du biométhane dans le réseau de gaz (pour remplacer le gaz fossile) et pas pour la production d’électricité.

  4. Gabriel Guillocheau

    Bonjour, merci pour cet article fort intéressant !
    Toutefois pourquoi ne pas prendre en compte le potentiel des usines marémotrices (notamment les sous-marines) ? La France est deuxième en terme de territoire marin et contrairement à l’éolien ou au solaire, on peut prédire l’énergie produite. Du coup, ça ne me semble pas aberrant de prendre ce genre de projet en compte, non ?

    • Théo

      Effectivement cet article s’est concentré sur l’éolien et le solaire car il s’agit des deux technologies qui reçoivent le plus d’attention et, surtout, le plus d’investissement pour leur développement actuellement. À titre personnel, je ne me suis pas documenté en profondeur sur le potentiel de l’énergie marémotrice et ses potentiels effets négatifs (notamment sur la biodiversité locale).

  5. Bertrand Cassoret

    Bravo pour cet excellent article très pédagogique. Il me semble que ça aurait pu être pire : sur la semaine choisie, le vent a toujours soufflé correctement.
    Concernant les bioénergies, j’imagine qu’il s’agit essentiellement de bois qui ne serait effectivement plus disponible pour le chauffage s’il était plus utilisé pour la production d’électricité. D’ailleurs les émissions de CO2 dues à la production d’électricité par le bois sont élevées (>200g CO2/kWh).
    La logique de transition énergétique devrait d’ailleurs nous amener à augmenter la consommation d’électricité : les ennemis sont les énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz), qui peuvent en partie être remplacés par de l’électricité décarbonée.
    Les conclusions rejoignent celles de RTE qui a réalisé 4 scénarios 50% de nucléaire (Ampère, Herz, Volt, Watt) , on peut y lire : « sur les 1000 cas simulés, 44 % présentent au moins une heure de défaillance et 5 % contiennent plus de 10h de défaillance ». https://theconversation.com/50-de-nucleaire-sans-coupures-delectricite-cest-possible-98212

    • Jean-Yves Brana

      La production de CO2 par la combustion du bois n’est elle pas compensée en replantant des arbres ?

      • Bertrand Cassoret

        si mais à condition de laisser le temps aux arbres de repousser; et puis il faut considérer l’énergie dépensée pour couper le bois, le transporter, fabriquer les infrastructures.. Le bois c’est quand même 200g de co2 par kWh (800 pour le charbon, 400 pour le gaz, 45 pour le PV, moins de 20 pour éolien-nucléaire) et des particules fines.

  6. Justine

    Bonjour. Et pour le fonctionnement des centrales nucléaires, n’y a t’il pas besoin d’eau pour leur refroidissement? Que fait on si l’eau vient à manquer ?

    • Bertrand Cassoret

      c’est vrai. Simple : quand le débit des cours d’eau est trop faible, on diminue la puissance des réacteurs concernés. Le problème ne se pose pas pour ceux qui sont en bord de mer. Tous les réacteurs ne sont donc pas arrêtés en mème temps.

    • Jiembé

      C’est vrai, mais c’est toujours en hiver que la consommation d’électricité est la plus importante 30% de plus que l’été. Et en hiver on ne manque pas d’eau, et ce qui limite le fonctionnement n’est pas tant la quantité d’eau mais la température admissible de rejet. Ce problème ne se pose que l’été et donc n’influe pas vraiment sur la capacité de production.

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