Pas de vent, pas de soleil : on fait comment ?

Pour réduire (et un jour supprimer) notre dépendance aux énergies fossiles, l’une des voies les plus prometteuses est celle des énergies renouvelables et principalement deux d’entre elles : l’énergie solaire et l’énergie éolienne (qui exploite le vent).

La bonne nouvelle, c’est que le prix de ces énergies a chuté spectaculairement au cours des dernières années, au point que, dans certains pays du monde, des centrales solaires ou éoliennes sont désormais compétitives avec des centrales à charbon.

La moins bonne nouvelle, c’est qu’il n’y a pas toujours du soleil et du vent…et que cela pose un défi particulier aux systèmes électriques. Tout dépend de la part de ces énergies intermittentes dans le système électrique. Jusqu’à un certain seuil (qui est difficile à apprécier mais que nous ne devrions pas atteindre avant une dizaine d’années au moins), il n’y a pas de réelle difficulté et les systèmes peuvent s’adapter pour fournir de l’énergie en continu. Au-delà, la question commence à se poser de savoir comment on peut garder la lumière allumée dans les périodes sans soleil et sans vent. Cette question est cruciale pour aller vers un système énergétique décarboné et, d’une certaine manière, c’est la plus complexe que nous ayons à résoudre pour concevoir des systèmes robustes pour dans 20, 30 ou 50 ans.

Jusqu’à quel point est-ce déjà un sujet ? Certains pays comme le Royaume-Uni et l’Allemagne sont proches de la barre des 20%[1] : pour l’Allemagne des tensions apparaissent déjà dans le système électrique, qui se manifestent par des besoins en infrastructures (lignes haute tension) notamment. D’autres pays comme le Danemark sont beaucoup plus haut, à près de 50% : comme le Danemark est un petit pays il bénéficie de la flexibilité qu’apporte son intégration au système européen (lorsqu’il n’y a pas de vent pour ses éoliennes, il peut importer de l’électricité d’autres pays) mais ce qui fonctionne pour le Danemark ne serait sans doute pas viable pour l’ensemble de l’Union européenne, en tout cas pour l’instant. Une autre mesure des difficultés déjà constatées est l’effacement de la production d’énergie renouvelable : en Chine, 12% de l’énergie éolienne et 6% de l’énergie solaire potentiellement disponibles en 2017 ont été perdues car le système n’était pas en mesure de l’absorber.

Pour répondre à cette difficulté, il faut introduire de la flexibilité dans le système électrique et pour cela il y a quatre méthodes : avoir des sources d’énergie disponibles à la demande, prévoir du stockage, améliorer les interconnexions entre systèmes électriques et moduler la demande d’énergie.

Aujourd’hui la principale source de flexibilité est, de loin, les centrales thermiques, en particulier au gaz :il suffit d’alimenter la centrale lorsqu’il n’y a plus de vent ou de soleil. Ce système fonctionne très bien, son principal défaut c’est qu’il repose sur des énergies fossiles donc ce n’est pas une solution pour aller vers un système décarboné ! Économiquement, il n’est pas non plus sans susciter des interrogations en raison d’une contradiction : plus il y a d’énergies renouvelables, moins les centrales à gaz (par exemple) sont rentables puisqu’elles ne tournent qu’une partie de l’année ; mais plus elles sont nécessaires pour pallier la défaillance éventuelle des énergies intermittentes. Du coup, comment les financer ?

L’autre source importante de flexibilité dans l’offre d’énergie provient des centrales hydrauliques. Il est possible d’en ajuster le débit et certains centrales, appelées stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), peuvent même stocker de l’énergie en transférant de l’eau dans un bassin supérieur, puis la restituer en faisant redescendre l’eau. Il s’agit d’une certaine manière de la solution idéale mais le nombre de sites est contraint par la géographie.

Les interconnexions sont fondamentales pour améliorer le fonctionnement du système électrique :en Europe par exemple les interconnexions entre pays jouent un grand rôle pour créer un marché unifié de l’électricité dans lequel une insuffisance de production dans un pays n’est pas problématique, du moment qu’un autre pays voisin dispose au même moment d’une source disponible. Globalement, plus on considère un marché large (l’Europe plutôt que la France seule), plus il y a de chance que la défaillance d’une zone soit compensée par une offre excédentaire dans une autre. Cela ne résoudra sans doute pas entièrement le problème car il peut y avoir des jours en hiver où il fait très froid (d’où une demande forte d’électricité pour la chaleur), où il n’y a pas de soleil (c’est fréquent en hiver !) et où le vent ne souffle pas dans une grande partie de l’Europe (cela peut arriver car les gisements de vent les plus importants, en Europe du nord, ne sont pas totalement indépendants).

La modulation de la demande, enfin, consiste à proposer à certains utilisateurs de réduire leur consommation au moment où il y a moins d’électricité disponible. Cela peut faire l’objet d’une rémunération spécifique (ce système existe pour certains industriels gros consommateurs qui acceptent de diminuer leur consommation, parfois avec un délai de quelques secondes, à des moments de tension) ou bien résulter d’une tarification (c’est le principe des heures pleines et creuses). La modulation de la demande ne représente que 1% de la flexibilité actuelle du système mais le potentiel est très supérieur.C’est vrai dans l’industrie mais aussi dans le commerce ou chez les particuliers. On pourrait imaginer, demain, que « l’internet des objets » se traduise par des bâtiments entièrement connectés dans lesquels la modulation de la consommation en fonction de la période de la journée se fasse de manière automatique (à titre d’exemple, un réfrigérateur peut cesser de fonctionner pendant une ou deux heures sans conséquence sur la conservation des aliments).

Quel que soit le potentiel de ces différentes pistes, il est certain que, au-delà d’un certain seuil et plus encore dans un système électrique entièrement décarboné, il sera nécessaire de disposer de capacités de stockage beaucoup plus importantes qu’aujourd’hui.

Ces capacités de stockage devront être de différentes natures car il existe en réalité deux formes différentes de variabilité à traiter. La première est la variabilité journalière : il y a du soleil le jour mais pas la nuit donc il faudrait pouvoir stocker l’électricité solaire le jour et l’utiliser la nuit, ou de l’électricité éolienne le matin pour l’après-midi par exemple. La seconde est la variabilité saisonnière : en Europe du Nord, il y a du soleil en été mais très peu en hiver donc il faudrait pouvoir stocker l’énergie correspondante pendant des mois. Si, comme certains le prévoient, l’énergie solaire devient dans quelques décennies l’énergie de choix pour le monde compte tenu de la chute de son coût[2]alors cette question deviendra essentielle.

Pour la variabilité journalière, la solution naturelle est la batterie. Et il est possible qu’un monde d’électricité décarbonée soit aussi un monde de batteries abondantes. Des grandes centrales à batteries pourraient ainsi remplacer des centrales à gaz pour couvrir la demande en période de pointe : la Californie a prévu d’installer 4 gigawatts de puissance (ce qui permettrait, par comparaison, de couvrir 10% de la consommation moyenne française en été).[3]On peut aussi imaginer un fonctionnement plus décentralisé : dans un monde plus électrique avec des voitures électriques, voire des batteries résidentielles, dans un grand nombre de ménages, il serait théoriquement possible de mobiliser l’ensemble de ces capacités de stockage en fonction des besoins du système électrique dans son ensemble.

Comme pour le coût des énergies renouvelables, notamment les panneaux photovoltaïques, la chute du coût des batteries rend crédible des scénarios qui paraissaient économiquement inconcevables il y a quelques années. De 1200 $ par kWh en 2009, il a chuté à 200 $ en 2016 et la baisse continue de se poursuivre. Mais ce qui est envisageable en théorie n’est pas forcément facile à réaliser à court terme : aujourd’hui la part des batteries dans le fonctionnement du système électrique reste négligeable et, malgré la chute de leurs cours, d’autres solutions sont probablement préférables, au moins pour les prochaines années.

Par ailleurs, les batteries ne sont pas une solution viable pour le stockage saisonnier, qui ne peut guère s’envisager qu’à travers des fluides : gaz ou liquide. Là aussi les solutions existent : l’hydrogène (que l’on peut fabriquer par électrolyse, à partir de l’eau) peut être stockée, puis consommée (pour la chaleur ou le transport). On peut aussi utiliser l’hydrogène pour fabriquer des carburants synthétiques, du méthane ou de l’essence, à condition de le combiner avec du dioxyde de carbone capturé directement dans l’atmosphère (dans ce cas, le carburant produit est neutre en termes d’émission : lorsqu’il est consommé on se contente de rejeter dans l’atmosphère le dioxyde de carbone qu’on y a puisé).[4]Potentiellement, une telle filière pourrait produire des carburants utilisables dans les infrastructures existantes (stations-service et conduites de gaz) ce qui serait beaucoup plus simple que de développer de nouveaux équipements.Malheureusement tous ces processus sont très gourmands en énergie, et donc coûteux : mais leur prix baissera s’ils sont envisagés à grande échelle et ils pourraient devenir intéressants dans un monde d’énergie solaire presque gratuite… à condition que ce monde arrive un jour.

Ce qui est sûr c’est que nous atteindrons d’ici 10 ou 20 ans (et plus tôt dans certains pays) la limite d’une approche exclusivement fondée sur des objectifs de relèvement progressif de la part des renouvelables dans notre mix électrique. Aujourd’hui, nous achetons l’énergie ainsi produite pour un montant fixe, souvent sur appel d’offres, alors que de plus en plus, sa valeur réelle sera très différente selon les cas : à terme un kilowatt-heure produit un jour de grand soleil pourrait ne rien valoir du tout (puisque nous aurons trop d’énergie) alors que nous aurions grand besoin de trouver des acteurs capables d’augmenter leur production, ou de réduire leur demande, les jours d’hiver sans soleil et sans vent (et donc la priorité sera de rémunérer ces acteurs-là).

Il est souhaitable de continuer à développer les énergies renouvelables, mais il serait également nécessaire dorénavant de consacrer une part significative, et croissante, de nos moyens dans ce domaine pour des expérimentations puis des déploiements de solutions de centrales à batteries, de stockage liquide, de modulation de la demande, bref d’un ensemble de dispositifs qui joueront un rôle aussi important, dans les systèmes électriques de demain, que les unités de production elles-mêmes. De cet équilibre dépendra notre capacité à faire des énergies renouvelables une composante croissante, et à terme dominante de notre mix énergétique… sauf si cela s’avère trop difficile ou trop coûteux, sachant que nous avons une autre option avec le nucléaire qui n’a sans doute pas dit son dernier mot (mais ce sera le sujet d’autres articles).

En définitive, la transition énergétique ne consistera pas seulement à remplacer des centrales à charbon ou à gaz par des centrales solaires ou éoliennes. Cette substitution est nécessaire mais elle conduit par voie de conséquence à repenser entièrement nos systèmes électriques, pour accommoder un fonctionnement totalement différent, reposant sur des énergies intermittentes qui remplacent des énergies à la demande. Et cette révolution-là n’en est qu’à ses débuts.


[1]World Energy Outlook 2018,Agence internationale de l’énergie, pour le taux de pénétration des renouvelables et pour les sources de flexibilité.

[2]Voir par exemple The Switch: How solar, storage and new tech means cheap power for all, Chris Goodall, 2016 pour une étude très complète de cette hypothèse.

[3]Drawdown: The Most Comprehensive Plan Ever Proposed to Reverse Global Warming,Paul Hawken, 2017 pour l’exemple de la Californie et le coût des batteries.

[4]Voir “The Future Cost of Electricity-Based Synthetic Fuels”, Agora Energiewende, 2018.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *