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L’éolien n’est pas une solution miracle

Pour la production d’électricité, l’éolien et le photovoltaïque ne peuvent pas se substituer aux centrales nucléaires ou thermiques. Compte tenu de l’état actuel des technologies, ils ne peuvent que les compléter. La question est de savoir à partir de quel seuil ils sont économiquement rentables et écologiquement efficaces.


© Ben Birchall/PA Wire/ABC/Andia.fr

Décarbonnée et rentable, l’électricité nucléaire peut à elle seule satisfaire la demande des consommateurs. Ici, le site de Hinkley Point C (Angleterre) lors de sa construction, en 2019.

On n’y pense pas toujours : quand on veut utiliser de l’électricité, on ne demande pas de l’énergie –  des kilowattsheures (kWh) –, mais de la puissance – des kilowatts (kW). Cette distinction est fondamentale pour comprendre l’équilibre d’un système électrique : quand on presse un interrupteur, quand on monte dans un train, dans un métro ou même dans un ascenseur, quand on branche un grille-pain ou une machine à laver, quand on a besoin de son radiateur ou de son climatiseur, quand on veut que les usines produisent ou quand on va se faire soigner à l’hôpital, on s’attend tous, sans en être réellement conscients, à ce que, quelque part dans le système électrique, un petit bout de centrale entende notre appel et réponde instantanément : « Présent, voici la puissance demandée ! »

 

En pratique, tout système de production électrique comprend désormais des installations pilotables 1, dont on peut augmenter ou diminuer sur commande la puissance électrique, et des installations intermittentes non pilotables, dont la puissance fournie est tributaire du vent ou du soleil. La production des installations intermittentes ne coïncide pas nécessairement à tout instant avec la puissance demandée par les consommateurs. Aussi, tant que l’on ne saura pas maîtriser le stockage de l’électricité à grande échelle – ce qui est encore le cas aujourd’hui –, les installations pilotables devront assurer l’équilibre offre-­demande, en adaptant en permanence leur propre production à la demande d’électricité des consommateurs diminuée de la production des sources intermittentes ; sauf, bien sûr, si l’on accepte des coupures d’électricité en attendant le retour de la production des sources intermittentes, comme au temps de la marine à voile, où l’on devait attendre que le vent se lève pour appareiller. Je crains toutefois que les Français ne soient pas tous prêts à cela.

 

En termes économiques, le principal avantage des énergies renouvelables (EnR) intermittentes est qu’elles affichent un coût marginal de production nul puisque l’eau, le vent et le soleil sont gratuits, à l’inverse du charbon, du pétrole, du gaz ou de l’uranium, qui sont nécessaires à l’alimentation des centrales thermiques pilotables2. Il est donc logique de donner la priorité aux EnR sur les autres sources d’énergie, et c’est bien ce qui se fait en pratique !

 

Cependant, contrairement à une idée souvent répandue, les sources non pilotables, comme l’éolien ou le photo­voltaïque, peuvent aussi connaître des variations de production très importantes et très rapides en fonction des conditions météorologiques : situation anti­cyclonique qui limite parfois la production d’énergie éolienne à quelques pourcents du nominal, nuages qui restreignent la production d’énergie photo­voltaïque (sans parler des variations de la longueur du jour suivant les saisons). Plus le réseau interconnecté sera géographiquement étendu, moins les fluctuations seront grandes, mais certaines limites ­physiques demeureront ­infranchissables 3.

 

Comme le montre le schéma de la page ci-contre, dès que la production d’EnR ne correspond plus à la fluctuation de la demande d’élec­tricité, les installations pilotables doivent être davantage sollicitées pour assurer le bouclage de l’équilibre offre-demande.

 

Le schéma suivant (p. 14, en haut) donne la variation de la production électrique fournie par l’ensemble des éoliennes en France en janvier et en septembre 2017.

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On constate sur ces deux mois, qui n’ont rien de particulier, l’extrême variabilité de la production éolienne ainsi que la grande rapidité des variations. Et cela bien que la France ait la chance de bénéficier de plusieurs régimes de vent dont on pourrait penser qu’ils se compensent : en septembre 2017, sur quelques jours, la puissance électrique effectivement fournie par l’ensemble des éoliennes en France a varié entre 1,7 % de la puissance nominale, autrement dit presque zéro (196 MW), et 81 % de la puissance nominale (9 455 MW), soit un rapport de 1 à 48 ! On observe les mêmes phénomènes avec d’autres relevés, ce qui démontre qu’en réalité on ne peut pas compter sur un foisonnement des vents qui garantirait en permanence une puissance minimale.

 

 

Une autre manière d’illustrer cette variabilité de la production d’énergie éolienne ou photovoltaïque, par opposition à des sources pilotables comme l’électricité nucléaire, est de tracer la « monotone » de puissance sur une année, ce qui permet de visualiser le nombre d’heures pendant lesquelles la puissance de production a été supérieure ou inférieure à une puissance donnée. On constate ainsi que le photovoltaïque ne produit pas pendant plus de la moitié de l’année (notamment la nuit) et que la puissance éolienne a été, en 2017, inférieure à 20 % de la puissance nominale installée pendant 60 % de l’année, inférieure à 10 % de la puissance nominale installée pendant 27 % de l’année et inférieure à 5 % pendant 9 % de l’année.

 

 

Par conséquent, et ce quelle que soit la puissance installée, même en disposant de machines réparties sur tout le territoire, les systèmes éoliens ou photo­voltaïques ne pourront jamais garantir un minimum de puissance au-dessous duquel on ne descendrait jamais. Et comme leurs productions, directement liées au vent et au soleil, ne coïncident pas forcément avec les demandes de puissance des consommateurs, par nature, les installations éoliennes et photo­voltaïques ne peuvent pas se substituer à des moyens de production pilotables.

 

En revanche, elles peuvent relayer ces moyens de production pilotables, qui « s’effaceront » dès que les conditions météorologiques locales du moment leur permettront de produire de ­l’électricité et de faire bénéficier l’ensemble du système électrique de leurs atouts : un coût marginal de production nul et une production électrique décarbonée.

 

La situation de référence est donc bien celle où les installations pilotables peuvent, à elles seules, satisfaire la demande de puissance électrique des consommateurs. À l’inverse, les installations non pilotables (intermittentes) ne peuvent prendre le relais que quand le vent ou le soleil sont favorables. L’investissement dans des installations intermittentes ne peut donc que venir en complément et non en substitution des investissements dans des centrales pilotables. Cet investissement complémentaire ne trouvera sa justification économique que s’il permet des économies sur les coûts marginaux de production des centrales pilotables, et sa justification environnementale que s’il participe à la réduction des émissions de CO2. C’est le cas en l’Allemagne, où la production pilotable est essentiellement carbonée (centrales au lignite et au charbon). C’est évidemment moins vrai en France, où le socle de la production pilotable est décarboné (nucléaire et hydraulique à réservoirs).

 

Plus précisément, on peut démontrer que l’on a économiquement intérêt à construire des installations éoliennes et photovoltaïques si leur coût moyen de production est inférieur au coût marginal de production des installations pilotables (centrales thermiques à gaz, au fioul, au charbon ou au nucléaire) qu’elles vont effacer. Dans le cas contraire, cela entraîne un surcoût pour le consommateur, surcoût d’autant plus important que la puissance installée des centrales intermittentes est grande.

 

Selon différentes hypothèses de rendement électrique des centrales, de prix des combustibles et de taux de la taxe carbone, on peut estimer les coûts marginaux de production des systèmes pilotables ou, ce qui revient au même, les coûts de production pivots des EnR intermittentes au-delà desquels leur adjonction pour effacer des sources pilotables ne sont pas économiquement rentables. On voit alors, notamment, que l’effacement du nucléaire par de l’éolien ou du photovoltaïque ne pourra jamais être rentable en raison du coût marginal de production très bas de l’électricité nucléaire : environ 3 €/MWhe (euros par mégawattheure électrique) actuellement ; cet effacement n’aurait pas non plus d’intérêt en termes de réduction des émissions de gaz à effet de serre, l’électricité nucléaire étant décarbonée. S’agissant des centrales à gaz à cycle combiné, on constate que le coût marginal de production atteint environ 100 €/MWh pour une taxe carbone à 100 €/tCO2 (euros par tonne de gaz carbonique) et un prix du gaz de 40 €/MWhth (euros par mégawatt­heure thermique) – environ le double du prix actuel – ou une taxe carbone de 50 €/tCO2 et un prix du gaz de 50 €/MWhth – prix historique maximal. Par rapport à des centrales à charbon classiques (comme en Allemagne), l’effacement au profit de l’énergie éolienne ou photovoltaïque est bien plus rentable grâce à un rendement électrique plus bas et à un contenu en CO2 du MWh deux fois plus élevé.

 

Pour conclure, en raison de leur caractère intermittent, qui conduit régulièrement à des puissances de production quasi nulles, les centrales éoliennes et photovoltaïques ne peuvent, tout du moins tant que l’on ne maîtrisera pas techniquement, économiquement et écologiquement le stockage d’électricité à grande échelle, se substituer à des centrales électriques pilotables (centrales thermiques à gaz, au fioul, au charbon ou à l’uranium, ou centrales hydrauliques à réservoirs). Les centrales éoliennes et photovoltaïques peuvent en revanche compléter les installations pilotables pour permettre d’effacer leur production dès qu’il y a suffisamment de vent ou du soleil, et faire ainsi profiter le système électrique de leurs coûts marginaux de production nuls. L’équilibre économique de l’effacement est atteint quand le coût moyen de production des centrales éoliennes ou photovoltaïques devient inférieur au coût marginal de production des centrales pilotables qu’elles effacent.

 

Cet équilibre économique sera en pratique très difficile à trouver s’il s’agit ­d’effacer des productions nucléaires (coût marginal de production de quelques euros par mégawattheure) mais plus facile à atteindre s’il s’agit d’effacer des sources d’électricité d’origine fossile (charbon, fioul, gaz). Bien entendu, l’équilibre économique de l’effacement sera d’autant plus aisé à obtenir que les coûts de production de l’électricité éolienne et photovoltaïque baisseront et que le prix des combustibles fossiles, comme celui de la taxe carbone, augmentera.

 

 

— Cet article est une version réduite et adaptée d’un texte paru en janvier 2019 dans la revue Annales des Mines – Responsabilité et environnement (no 93).

Notes

1. Centrales hydrauliques à réservoirs (y compris stations de transfert d’énergie par pompage) ; turbines à combustion ; centrales à gaz à cycle combiné ; centrales nucléaires ; centrales à charbon ou au fioul, etc.

2. Le coût marginal de production est le coût induit par la production d’une unité supplémentaire, toutes choses égales par ailleurs.

3. Par exemple, lorsqu’il fait nuit sur l’ensemble de l’Europe, il n’y a pas de production photovoltaïque sur le continent.

Pour aller plus loin

LE LIVRE
LE LIVRE

Annales des Mines – Responsabilité et environnement no 93, janvier 2019

ARTICLE ISSU DU N°0105

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