Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
A mesure qu'éolien et solaire photovoltaïque augmentent dans le mix électrique, on doit s'interroger sur l'intermittence et sur un système d'appoint pour la gérer. Un appoint efficace stockerait la puissance des renouvelables quand elle est trop élevée et produirait quand elle est trop basse. L'article analyse la production électrique en France et en Allemagne et étudie des scénarios avec différentes parts de renouvelables. Il donne le comportement du mix électrique et de l'appoint ainsi que les émissions de CO2, les emprises au sol et investissements. Il montre l'insuffisance des moyens de stockage par rapport au besoin et le repli sur les centrales fossiles pour gérer les transitoires.
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As the share of wind and solar photovoltaic in the energy mix increases, the question of intermittency and the resulting need for backup capacity must be addressed. An efficient backup system would provide storage when renewable output was high and additional generating power when it was low. This article analyzes electricity production in France and Germany, and develops scenarios using various shares of renewables. Properties of the resulting mixes are given, particularly requirements for the backup system, CO2 emissions, footprints and investment costs. We underline the lack of adequate storage systems and the revival of fossil-fuel plants to deal with strong transients.
Auteur(s)
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Dominique GRAND : Docteur en physique - Créateur du site realisticenergy.info, retraité
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Christian LE BRUN : Docteur en physique - Directeur de recherche CNRS en retraite
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Roland VIDIL : Consultant - Président de Hydro 21
INTRODUCTION
Les énergies renouvelables éoliennes et solaires présentent des possibilités étendues de développement si bien que leur croissance mondiale n'a aujourd'hui pas d'équivalent hormis celle des centrales à charbon. Or, les énergies renouvelables semblent bien plus inoffensives pour la santé et l'environnement, tant pour l'utilisation de ressources naturelles que pour l'impact climatique ou la qualité de l'air. Aussi leur développement est fortement encouragé dans de nombreux pays et bénéficie d'une image généralement positive auprès du public. Comme l'électricité qu'elles produisent est un vecteur énergétique aux usages nombreux et en extension, le développement de l'éolien et du solaire semble devoir se poursuivre à rythme soutenu dans les prochaines décennies.
Quelle part l'éolien et le solaire peuvent-ils prendre dans le futur mix électrique ? Leur croissance ne tient-elle qu'aux capacités d'investissement et à la durée de réalisation des projets ou bien y a-t-il d'autres raisons ou causes physiques qui la limiteraient ? Une telle cause physique est à chercher dans la sécurité de l'approvisionnement électrique. Cette sécurité est un impératif de toute société développée dont les activités et les infrastructures ne peuvent être soumises sans dommage à des aléas d'approvisionnement électrique. Or, la sécurité du réseau électrique repose sur un équilibre où l'ensemble des productions doit égaler la charge c'est-à-dire la puissance appelée pour la consommation. Cet équilibre est rendu nécessaire du fait que l'électricité se stocke difficilement et en petite quantité par rapport aux quantités qui transitent dans le réseau.
Les productions éoliennes et solaires sont soumises instantanément aux variations de flux naturels imposés par la rotation de la Terre et la dynamique de l'atmosphère. Par suite ces énergies renouvelables fournissent l'électricité d'une façon intermittente. Le réseau électrique doit être équilibré en tenant compte de ces flux intermittents quand ils ont un accès prioritaire, comme aujourd'hui. L'équilibrage du réseau doit alors être réalisé en ajustant la production d'autres centrales pilotables (centrales thermiques ou hydroélectriques) qui apportent l'appoint ou complément nécessaire pour égaler la charge. Cet équilibrage aujourd'hui réalisé pourra-t-il toujours l'être quand la part d'énergies renouvelables intermittentes sera plus importante ? C'est le questionnement central de l'article traité à partir de connaissances existantes pour la France et l'Allemagne.
L'Allemagne est aux avant-postes du développement de l'éolien et du solaire et pour cette raison peut être le premier pays à voir apparaître les effets de leur développement. F. Wagner a été un précurseur en réalisant une étude circonstanciée des conséquences d'une part croissante de ces énergies dans le mix électrique, en travaillant à partir de valeurs enregistrées sur le réseau allemand . Le présent article s'appuie sur la méthode qu'il a développée et que l'on utilise pour l'appliquer à la France et traiter en parallèle des situations futures des deux pays. Il propose une analyse des sollicitations d'un réseau électrique et des autres centrales en présence d'une forte part d'énergies renouvelables intermittentes. Cette analyse s'appuie sur les lois physiques et ordres de grandeur qui gouvernent les énergies renouvelables intermittentes. Grâce au parallèle entre les deux pays, des similarités apparaissent et permettent de dégager des résultats communs propres aux mix où les énergies renouvelables intermittentes ont une contribution majoritaire.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
backup | storage | photovoltaic | wind | solar
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Mesure de la configuration apportant 100 % de la charge
En anglais
4. Étude du mix optimal pour différents niveaux des EnRi
4.1 Définition de la proportion optimale entre éolien et solaire PV
Étant connue la nature de l'appoint, il est possible de revenir à la définition du mix optimal donné sans preuve au paragraphe 3.1. La monotone de l'appoint se compose d'un rejet et d'une production fournie par des centrales fossiles. Le mix optimal présente la répartition entre éolien et solaire qui minimise cette production fossile, cause des émissions de CO2 . L'énergie rejetée est aussi minimisée.
La figure 6 permet de trouver les mix optimaux qui minimisent la production fossile. La production annuelle par les centrales fossiles est portée en ordonnée et calculée en fonction des deux paramètres qui définissent le mix partiel :
-
le pourcentage de solaire PV dans la production des EnRi porté en abscisse du graphique ;
-
la production des EnRi mesurée en pourcentage de la charge annuelle qui constitue le paramètre d'un réseau de courbes, allant de 20 à 100 % par incrément de 20 %.
La production des centrales fossiles est mise sous forme adimensionnelle en la divisant par la charge, ce qui permet une comparaison directe entre les deux pays. Les points noirs sont les productions des centrales fossiles calculées pour différentes valeurs des deux paramètres. Les courbes relient les points ayant même pourcentage des EnRi dans la charge.
Tant que la part des EnRi est faible (20 % de la charge annuelle), la courbe est horizontale. Quelle que soit la part d'éolien et de solaire PV, la production annuelle des fossiles fournit le complément de la production des EnRi, soit 80 % de la charge. Quand la part d'EnRi monte à 40, 60, 80 %, les centrales fossiles doivent fournir plus que le complément (lignes horizontales à 60, 40 et 20 %). Leurs courbes de production s'éloignent de l'horizontale et sont de plus en plus concaves...
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Étude du mix optimal pour différents niveaux des EnRi
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WAGNER (F.) - Feature of an electricity supply system based on variable input. - IPP Report, 18(1) (2012).
-
(2) - WAGNER (F.) - Electricity by intermittent sources : an analysis based on the German situation 2012. - Eur. Phys. J. Plus, 129, p. 20 (2014).
-
(3) - RTE, Réseau de transport d'électricité - Bilan électrique 2013 - (2014) http://www.rte-france.com
-
(4) - WAGNER (F.) - Bilan électrique et puissances horaires pour l'Allemagne en 2013. - Communication personnelle (2014).
-
(5) - RTE, Eco2mix - Annuel définitif 2013 - (2014) http://www.rte-france.com/fr/eco2mix/eco2mix-telechargement
-
(6) - WAGNER (F.) - Considerations for an EU-Wide use of renewable energies for electricity generation. - Eur. Phys. J. Plus,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
GRAND Dominique, LE BRUN Christian et VIDIL Roland, Realistic Energy Notre futur énergétique à l'épreuve du réel http://realisticenergy.info (page consultée le 20 février 2015)
MACKAY David, Sustainable energy, without the hot air http://www.withouthotair.com (page consultée le 20 février 2015)
VIDIL Roland, Association Hydro 21 http://www.hydro21.org (page consultée le 20 février 2015)
MARTIN-AMOUROUX Jean-Marie, Encyclopédie de l'énergie http://encyclopedie-energie.org (page consultée le 20 février 2015)
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