Rapport CAS Technologies competitives - D'Dline 2020

Rapport CAS Technologies competitives - D'Dline 2020 Rapport CAS Technologies competitives - D'Dline 2020

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Des technologies compétitives au service du développement durable 2 Les technologies permettant d’assurer la régulation et la sécurité du système électrique La variabilité croissante de la demande (augmentation des pics de consommation d’électricité, introduction à venir de flottes de véhicules électriques) et de l’offre (qui s’explique par la pénétration croissante d’énergies renouvelables intermittentes et variables comme l’éolien et le solaire) à l’échelle nationale mais également européenne pose des défis en termes de sécurité et d’équilibre du réseau : − − l’intermittence saisonnière et journalière de ces énergies (inadéquation structurelle et prévisible entre l’offre proposée et la demande) pose la question de la mise à disposition de moyens de production ou de stockage complémentaires ainsi que des moyens de pilotage de la demande afin de gérer leur indisponibilité programmée ; la variabilité aléatoire de ces énergies impose d’avoir à disposition des réserves de puissance rapidement mobilisables afin d’assurer l’équilibre du réseau. Les réserves de capacités nécessaires deviennent importantes dès lors que ces énergies renouvelables (éolien et solaire) représentent une part significative de la production d’électricité, mais une convergence temporelle entre augmentation de la pénétration et disponibilité des solutions de stockage, hydraulique notamment, pourrait neutraliser l’effet. Dans le cas particulier de l’éolien, on constate qu’à certains moments, la disponibilité globale équivaut à moins de 10 % de la puissance éolienne installée sur toute l’Europe. Le bénéfice du foisonnement des régimes de vents à l’échelle européenne est donc limité. Par ailleurs, le foisonnement entre l’Allemagne et l’Espagne se fait à travers la France et encombre des lignes qui pourraient être utilisées à d’autres fins. Ce problème ne devrait véritablement se poser en France métropolitaine qu’à partir de 2020, mais il est d’ores et déjà perceptible dans les DOM où la pénétration des énergies intermittentes (éolien et solaire confondus) est plus importante qu’en métropole. Les outils de régulation utilisés ne sont pas les mêmes selon l’échelle de temps considéré. Ainsi faut-il distinguer les moyens de modulation saisonnière des moyens de régulation journalière. Pour la modulation saisonnière, on peut avoir recours aux centrales nucléaires, aux centrales thermiques et aux aménagements hydroélectriques dits de « lacs ». Ces derniers se caractérisent par des capacités de réservoir très importantes pouvant assurer des durées de fonctionnement à pleine puissance supérieures à 400 heures par an : l’eau est stockée au printemps puis restituée en hiver. Mais le problème majeur reste la régulation journalière que l’on peut traiter en utilisant le stockage hydraulique (usines d’éclusées ou station de transfert d’énergie par pompage, STEP) ou en régulant certains usages du côté de la demande (en utilisant par exemple l’inertie des bâtiments). C’est là que les réseaux intelligents ou smart grids trouvent tout leur intérêt car ils permettent d’intervenir rapidement en particulier pour jouer sur l’interruptibilité de certaines consommations. Un autre moyen est de développer les interconnexions électriques, au niveau européen, voire au-delà, afin de pouvoir bénéficier de la diversité des ressources et des complémentarités éventuelles des structures de demande. En somme, les solutions technologiques pertinentes envisagées en réponse à ces défis concernent, au-delà des moyens classiques de production déjà évoqués : − les moyens de stockage stationnaire d’énergie : seules deux technologies semblent matures économiquement aujourd’hui pour des applications de Centre d’analyse stratégique - 22 - Août 2012 www.strategie.gouv.fr

Synthèse générale − − − − stockage massif : les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) et les stations d’air comprimé. Pour les autres technologies comme le stockage électrochimique, qui pourra être délocalisé, des progrès significatifs en termes de réduction des coûts et d’amélioration des performances techniques sont encore nécessaires pour qu’elles soient économiquement viables sur des marchés comme la France où l’électricité est relativement peu chère. En revanche, ces technologies se développent sur des marchés de niche, en particulier les zones isolées, les zones insulaires, et pourraient devenir compétitives avant 2030 ; le pilotage et la maîtrise de la demande en jouant sur l’interruptibilité des usages dans l’industrie, le bâtiment et le transport ; les smart grids ou réseaux électriques intelligents : leur intérêt majeur sera de permettre une conduite plus adaptée pour réagir à des variations de production en quasi temps réel grâce à l’échange bidirectionnel d’informations instantanées et prévisionnelles entre les différents acteurs du système électrique et à une action sur la demande. Ces nouveaux réseaux intelligents (ou plus intelligents) devront être adaptés à l’accroissement prévisible de la part des énergies renouvelables intermittentes, de la production décentralisée et du développement éventuel du stockage dans le mix électrique. Ils nécessitent la mise au point de nouveaux capteurs et actionneurs, la définition de nouveaux protocoles de communication et la conception de systèmes d’information capables de gérer et d’exploiter les très nombreuses informations échangées sur ces réseaux, protocoles si possible internationaux dans la définition desquels la France doit prendre une place importante si elle veut favoriser son industrie y compris à l’export ; les technologies de transport d’électricité sur de longues distances (super grid européen, par exemple), avec un intérêt marqué pour les lignes de transmission en courant continu à haute tension (HVDC pour High Voltage Direct Current). En effet, par rapport au transport en courant alternatif, le HVDC présente un certain nombre d’avantages notables parmi lesquels des pertes en ligne plus faibles sur de longues distances (3 % de pertes pour 1 000 km), la possibilité de relier des réseaux électriques non synchrones (c’est-à-dire présentant des fréquences différentes), un enfouissement plus facile (argument de poids face à la difficile acceptation sociale qui se traduit par des délais de réalisation longs et donc coûteux pour les lignes aériennes). Ces lignes, parfaitement adaptées pour le transport de longue distance, retrouvent un certain intérêt dans un contexte où les lieux de production tendent à être de plus en plus éloignés des lieux de consommation (soit pour tirer parti des ressources renouvelables abondantes d’un site éloigné comme les déserts ou pour bénéficier de structures complémentaires de la demande). Cette technologie connaît des améliorations progressives qui permettent de réduire les coûts, encore très élevés à l’heure actuelle ; l’hydrogène peut également être techniquement envisagé comme moyen de stockage de l’énergie provenant du surplus de production des énergies intermittentes. Toutefois, cette application de l’hydrogène, actuellement à l’étude chez certains énergéticiens, ne peut à court terme faire l’objet d’un déploiement massif compte tenu de son coût élevé : son utilisation nécessiterait de prouver la faisabilité technico-économique de la chaîne et de déterminer la manière dont celle-ci peut s’intégrer dans le système existant alors que des alternatives moins coûteuses existent. C’est le défaut général que l’on peut attribuer à l’hydrogène qui peut également être considéré à d’autres fins, par exemple pour alimenter une pile à combustible dans un véhicule. Là encore, l’utilisation de l’hydrogène se heurte à des contraintes techniques et économiques : au-delà du prix élevé des Centre d’analyse stratégique - 23 - Août 2012 www.strategie.gouv.fr

Synthèse générale<br />

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stockage massif : les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) et les<br />

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électrochimique, qui pourra être délocalisé, des progrès significatifs en termes de<br />

réduction des coûts et d’amélioration des performances techniques sont encore<br />

nécessaires pour qu’elles soient économiquement viables sur des marchés<br />

comme la France où l’électricité est relativement peu chère. En revanche, ces<br />

technologies se développent sur des marchés de niche, en particulier les zones<br />

isolées, les zones insulaires, et pourraient devenir compétitives avant 2030 ;<br />

le pilotage et la maîtrise de la demande en jouant sur l’interruptibilité des usages<br />

dans l’industrie, le bâtiment et le transport ;<br />

les smart grids ou réseaux électriques intelligents : leur intérêt majeur sera de<br />

permettre une conduite plus adaptée pour réagir à des variations de production en<br />

quasi temps réel grâce à l’échange bidirectionnel d’informations instantanées et<br />

prévisionnelles entre les différents acteurs du système électrique et à une action<br />

sur la demande. Ces nouveaux réseaux intelligents (ou plus intelligents) devront<br />

être adaptés à l’accroissement prévisible de la part des énergies renouvelables<br />

intermittentes, de la production décentralisée et du développement éventuel du<br />

stockage dans le mix électrique. Ils nécessitent la mise au point de nouveaux<br />

capteurs et actionneurs, la définition de nouveaux protocoles de communication et<br />

la conception de systèmes d’information capables de gérer et d’exploiter les très<br />

nombreuses informations échangées sur ces réseaux, protocoles si possible<br />

internationaux dans la définition desquels la France doit prendre une place<br />

importante si elle veut favoriser son industrie y compris à l’export ;<br />

les technologies de transport d’électricité sur de longues distances (super grid<br />

européen, par exemple), avec un intérêt marqué pour les lignes de transmission en<br />

courant continu à haute tension (HVDC pour High Voltage Direct Current). En effet,<br />

par rapport au transport en courant alternatif, le HVDC présente un certain nombre<br />

d’avantages notables parmi lesquels des pertes en ligne plus faibles sur de<br />

longues distances (3 % de pertes pour 1 000 km), la possibilité de relier des<br />

réseaux électriques non synchrones (c’est-à-dire présentant des fréquences<br />

différentes), un enfouissement plus facile (argument de poids face à la difficile<br />

acceptation sociale qui se traduit par des délais de réalisation longs et donc<br />

coûteux pour les lignes aériennes). Ces lignes, parfaitement adaptées pour le<br />

transport de longue distance, retrouvent un certain intérêt dans un contexte où les<br />

lieux de production tendent à être de plus en plus éloignés des lieux de<br />

consommation (soit pour tirer parti des ressources renouvelables abondantes d’un<br />

site éloigné comme les déserts ou pour bénéficier de structures complémentaires<br />

de la demande). Cette technologie connaît des améliorations progressives qui<br />

permettent de réduire les coûts, encore très élevés à l’heure actuelle ;<br />

l’hydrogène peut également être techniquement envisagé comme moyen de<br />

stockage de l’énergie provenant du surplus de production des énergies<br />

intermittentes. Toutefois, cette application de l’hydrogène, actuellement à l’étude<br />

chez certains énergéticiens, ne peut à court terme faire l’objet d’un déploiement<br />

massif compte tenu de son coût élevé : son utilisation nécessiterait de prouver la<br />

faisabilité technico-économique de la chaîne et de déterminer la manière dont<br />

celle-ci peut s’intégrer dans le système existant alors que des alternatives moins<br />

coûteuses existent. C’est le défaut général que l’on peut attribuer à l’hydrogène<br />

qui peut également être considéré à d’autres fins, par exemple pour alimenter une<br />

pile à combustible dans un véhicule. Là encore, l’utilisation de l’hydrogène se<br />

heurte à des contraintes techniques et économiques : au-delà du prix élevé des<br />

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