Éolien et photovoltaïque : des énergies sous contrainte

Est-il pertinent de comparer la puissance du parc éolien avec la puissance du parc nucléaire ? La quantité d'énergie produite par une éolienne équivaut-elle à la même quantité d'énergie produite par une bonne vieille centrale à charbon ? La réponse à ces questions n'est peut-être pas aussi évidente qu'elle en a l'air.

Si vous vous remémorez quelques instants vos cours de sciences du collège ou du lycée, vous vous souviendrez peut-être de votre professeur de mathématiques, madame C., qui ressassait au cancre assis à côté du radiateur : « Barnabé, je t’ai déjà dit qu’on ne peut pas additionner 3x et 4y. Les x c’est des pommes, les y c’est des tomates, et on ne peut pas additionner, soustraire ou comparer des pommes et des tomates ! ». Soit, me direz-vous, mais quel rapport avec les énergies renouvelables ?

Comme madame C. qui est prudente et rigoureuse, il faut rester prudent et rigoureux dès lors que l’on veut manipuler ces étranges quantités que sont les énergies ou les puissances, qu’elles soient renouvelables ou pas. Il faut prendre soin de vérifier qu’on n’additionne pas, comme Barnabé, des pommes et des tomates.

Les énergies éoliennes et photovoltaïques ont connu une croissance rapide et récente, fruit d’une politique incitative importante [1] [2], au contraire de la plupart des énergies fossiles bien implantées dans le paysage énergétique français et européen. Ces nouvelles technologies doivent leur timide essor non pas à la main invisible du marché, mais plutôt à la volonté de la puissance publique, qui a pris le relais d’un marché incapable de prendre en compte l’urgence climatique.

Le monde contemporain étant cartésien et régi par les lois du marché, de bonnes raisons justifient l’absence d’investissement « naturel » dans ces 2 énergies renouvelables, la première étant bien évidemment le coût. Si cela pouvait se justifier à l’époque, c’est de moins en moins le cas depuis la mise en place des incitations fiscales. Il y en a donc d’autres.

Métaphore boulangère

Si un pain au chocolat coute 50 centimes mais qu’il n’est disponible que dans une boulangerie qui ouvre entre 6h à 7h le matin, je vais continuer de privilégier celui qui coute 1,20 euro mais que je peux acheter à 9h. Cet exemple illustre le concept d’externalités. Celles-ci peuvent être positives ou négatives : ne pas émettre de gaz à effet de serre est par exemple une externalité positive de l’éolien. Mais il est une externalité négative souvent méconnue pour les énergies renouvelables que sont l’éolien, le photovoltaïque et l’hydraulique fil de l’eau (l’énergie hydraulique qu’on ne peut pas stocker dans un grand barrage) : leur fatalité et leur variabilité, qui, associées au fait que l’électricité ne se stocke pas, en font une contrainte majeure pour les gestionnaires de réseaux électriques.

Contrairement aux centrales fonctionnant grâce aux énergies fossiles que l’on peut mettre en route lorsque la demande d’électricité est importante, et arrêter lorsqu’elle diminue, il y a ici un renversement des rôles : ces énergies vertes produisent quand leur « combustible » est disponible (vent, soleil ou eau) ; aux consommateurs (ou aux gestionnaires de réseau) d’adapter leurs besoins. On oppose donc les énergies fatales (éolien, solaire et hydraulique fil de l’eau ; on parle aussi d’énergies intermittentes) aux énergies pilotables (nucléaire, thermique, hydraulique de lac).

Madame C. n’avait donc pas tout à fait tort : la quantité d’énergie produite par les moyens de production pilotables n’est pas tout à fait comparable à celle produite par les énergies fatales. Si la première est toujours utile – sinon, on ne la produirait pas –, la seconde peut être embarrassante, lorsqu’elle existe alors qu’on n’en a pas vraiment besoin par exemple. Il faut donc prendre maintes précautions avant de comparer des données issues des productions fatales (les tomates), à celles issues des énergies pilotables (les pommes). Barnabé est prévenu.

La fatalité : une fatalité ?

De la même manière qu’il faut connaitre son ennemi pour gagner une guerre [3], il faut connaitre ses contraintes pour mieux les dépasser. Les énergies dites fatales ont la (mauvaise) caractéristique d’avoir une variabilité importante. C’est un problème, car en cas de brusque variation de production d’énergie sur un temps court, il faut soit la compenser en mettant en route des moyens de production pilotable si c’est une variation baissière, ou en en arrêtant, si c’est une variation haussière. Et ces moyens de production de substitution doivent avoir la particularité d’être disponible à tout moment, mais surtout de pouvoir produire rapidement.

Il est possible de mesurer et d’analyser précisément la variabilité de la production de ces énergies vertes. Sur le graphique ci-dessous a été représentée la production mensuelle d'énergies renouvelables fatales depuis 2015, permettant ainsi d’appréhender leur variabilité saisonnière [4].

Évolution de la production mensuelles d'énergies fatales (éolien, solaire, fil de l'eau) depuis 2015 © Valentin Bouvignies Évolution de la production mensuelles d'énergies fatales (éolien, solaire, fil de l'eau) depuis 2015 © Valentin Bouvignies

Comme on pouvait s’y attendre, les 3 productions étudiées sont bien cycliques, avec :

  • pour le solaire : une saison de production maximale centrée sur le mois de juillet et minimale centrée sur décembre, et des profils annuels similaires d’une année sur l’autre (aucun pic, aucune « anomalie » mensuelle) ;
  • pour l’hydraulique fil de l’eau : une saison de production maximale de décembre à juin, et des profils annuels qui dépendent de l’hydraulicité, donc qui peuvent varier d’une année sur l’autre (avec quelques petits pics mensuels) ;
  • pour l’éolien : une saison de production maximale de mi-octobre à mars, et des profils annuels sensiblement différents d’une année sur l’autre (avec une variabilité mensuelle qui peut être importante).

Ces trois énergies fatales sont plutôt complémentaires, avec des maximums globaux qui s’étalent de janvier-février (éolien) à juin-juillet (solaire) en passant par le printemps (hydraulique). Seule la période d’août à octobre reste systématiquement creuse, ce qui est une heureuse coïncidence : c’est, avec un léger retard, la période du minimum de consommation annuelle.

Lorsqu’on ajoute cette donnée au graphique ci-dessus (en rouge), on constate que la consommation a systématiquement une légère avance sur la production d’énergies fatales, mais que consommation et production sont globalement assez en phase (avec un déphasage qui tend à diminuer, cela demande néanmoins une confirmation avec un historique plus important).

Les deux parcs de production amenés à se développer dans un futur proche sont les parcs éolien et photovoltaïque – au contraire de l’hydraulique fil de l’eau qui n’a presque plus de levier de développement en France – ainsi que le parc d’éoliennes offshores qui devrait sortir de mer dans les années à venir. C’est finalement une bonne nouvelle, puisque leurs saisons de production sont disjointes.

Dents de scie et sueurs froides

Affinons l’analyse. Pour chacune de ces énergies, il a été calculé une variabilité journalière (en pourcentage) : par exemple, si l’éolien a produit 10 MWh le 1er janvier et 15 le lendemain, cela se matérialise par une variabilité (positive) de 50 %. On peut alors calculer la moyenne de cette variabilité journalière, reflet de la volatilité du moyen de production en question. Les résultats sont les suivants [5] :

  • pour le solaire : la variabilité journalière est en moyenne de 25 %, et s’étend de 0 à 300 %,
  • pour l’hydraulique fil de l’eau : la variabilité journalière est en moyenne de 6 %, et s’étend de 0 à 80 %,
  • pour l’éolien : la variabilité journalière est en moyenne de 50 %, et s’étend de 0 à 750 % (!).

Ces chiffres illustrent bien la principale externalité négative des énergies renouvelables, et particulièrement de l’éolien : une variabilité très (très) importante [6].

La production éolienne d’aujourd’hui peut très bien tripler demain, comme elle peut être divisée par trois. On imagine aisément que, sans moyen de stockage, cela puisse donner des sueurs froides aux gestionnaires de réseaux en charge de la planification de la production.

Ajoutons un dernier niveau de détail : la variabilité infra-journalière, c’est-à-dire les variations globales d’énergies fatales au sein d’une même journée. Cette donnée a été tracée chaque jour depuis 2015 sur le graphique ci-dessous [4].

Évolution de la variation infra-journalière maximum de puissances fatales (éolien, solaire et hydraulique fil de l'eau) © Valentin Bouvignies Évolution de la variation infra-journalière maximum de puissances fatales (éolien, solaire et hydraulique fil de l'eau) © Valentin Bouvignies

On le constate encore clairement : la variabilité infra-journalière moyenne augmente (sa dispersion également), et ça n’est pas près de s’arrêter. Une variation infra-journalière subie de 6 GW en moyenne en 2019 signifie qu’il faut actuellement mettre en route (ou arrêter) l’équivalent de 6 réacteurs nucléaires pour compenser les aléas de la production renouvelable.

So watt ?

Face à ces constats qui risquent de s’amplifier dans les années à venir, quatre solutions se dessinent :

  • soit on compense cette variabilité importante par des énergies pilotables : nucléaire, thermique fossile et hydraulique de lac (ce qu’on fait actuellement, beaucoup),
  • soit on stocke le surplus d’énergie renouvelable pour le réutiliser lors des creux de production (ce qu’on fait actuellement, un peu),
  • soit on adapte notre consommation à la production d’énergies fatales (ce qu’on ne fait pas du tout),
  • soit on arrête les énergies renouvelables (et on les remplace par des centrales à charbon [7] [8] [9]).

Actuellement, en France, on pallie la grande variabilité des énergies renouvelables par les deux premières solutions proposées, avec l’inconvénient majeur de devoir utiliser de plus en plus d’énergies pilotables, donc fossiles... Un futur idéal nous pousserait naturellement vers les deux solutions centrales (stockage et adaptation de la consommation à la production).

Aucune contradiction entre le deuxième choix de la liste ci-dessus (le stockage) et ce qui a pu être écrit plus haut dans cet article. Si l’électricité ne se stocke pas, l’énergie qu’elle transporte peut l’être : sous forme chimique (dans une batterie ou dans une cuve d’hydrogène), sous forme d’énergie potentielle (en remontant de l’eau dans un réservoir amont), sous forme d’énergie cinétique (dans un volant d’inertie), etc. Mais tout cela est une autre histoire.

 

Pour aller plus loin :

[1] Ministère de la Transition Écologique et Solidaire, Dispositifs de soutien aux énergies renouvelables, publié le 16 janvier 2020. Disponible en ligne.

[2] Ministère de l’Écologie, de l’Énergie, du Développement durable et de la Mer, Plan d'action national en faveur des énergies renouvelables – période 2009-2020, 120 pages. Disponible en ligne.

[3] Sun Zi dans L’art de la guerre : « Connais ton ennemi et connais-toi toi-même ; eussiez-vous cent guerres à soutenir, cent fois vous serez victorieux. ».

[4] Données issues du site RTE https://rte-france.com/fr/eco2mix/ pour les données de production et de consommation.

[5] Ces chiffres ont été calculés sur un historique de 5 ans (depuis le 1er janvier 2015). Les données utilisées sont issues du site RTE https://rte-france.com/fr/eco2mix/. Les résultats des calculs de la variabilité journalière sont les suivants :

  • pour le parc solaire : minimum 0 %, maximum 332 %, moyenne 24 %, médiane 17 % ;
  • pour le parc hydraulique fil de l’eau : minimum 0 %, maximum 83 %, moyenne 6 %, médiane 4 % ;
  • pour le parc éolien : minimum 0 %, maximum 749 %, moyenne 53 %, médiane 37 %.

[6] Pour appréhender visuellement la variabilité journalière des énergies renouvelables, voici en complément l’évolution de la production journalière d’énergies fatales depuis 2015.

Évolution de la production journalière d'énergies fatales (éolien, solaire et hydraulique fil de l'eau) depuis 2015 © Valentin Bouvignies Évolution de la production journalière d'énergies fatales (éolien, solaire et hydraulique fil de l'eau) depuis 2015 © Valentin Bouvignies

[7] Article en ligne Est-ce dangereux d’utiliser du charbon ? par Jean-Marc Jancovici, publié le 1er novembre 2011.

[8] Libération, Les centrales à charbon européennes, enjeu de santé publique, par Savinien de Rivet, publié le 6 décembre 2018.

[9] Libération, Le charbon des Balkans fait suffoquer l’Europe, par Jules Vincent, publié le 22 février 2019.

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