Concepts et chiffres de l'énergie : variabilité des sources renouvelables électriques

Le dossier « Concepts et chiffres de l'énergie » est co-rédigé et co-publié avec le site Culture Sciences de l'ingénieur. Les données sont tirées de nombreuses références (rapports de groupes de recherche, publications dans des revues spécialisées, rapports d'instituts nationaux...)

Dans cet article, nous proposons au lecteur des chiffres, graphes et cartes correspondants à la variabilité des énergies renouvelables et à leur prévision. Chaque document est sourcé afin de pouvoir retrouver les données ou les comparer à d'autres pays, périodes, unités...

Les définitions des termes employés peuvent être retrouvées dans le glossaire du dossier.

En 2019, la production d’électricité en France s’établissait à 537,7 TWh. Les énergies renouvelables fournissaient 21,5% de l’énergie électrique totale dont 11,2% de production hydraulique, source renouvelable historique encore majoritaire à l’heure actuelle. Les productions éolienne, photovoltaïque et à partir de bioénergie (voir glossaire) représentaient respectivement 6,3%, 2,2% et 1,8% du total de la production. La production thermique à combustible fossile prenait part à hauteur de 7,9% dont 7,2% par le gaz [1], figures 1 et 2.

Bioénergie : biogaz, biomasse et déchets ménagers - voir : glossaire). (Source : Bilan électrique 2019, RTE, février 2020[1]) Figure 1.  La production d’électricité en France en 2019 (en %)

(Source : Bilan électrique 2019, RTE, février 2020[1]) Figure 2.  Puissance et localisation des installations de production d'électricité en France en 2019

Certaines énergies renouvelables conduisent une production électrique variable, discontinue et non programmable, puisque dépendante des conditions météorologiques et du cycle jour/nuit. C’est le cas de l’éolien et du photovoltaïque, qui concentrent probablement toute l’attention par leur développement actuel, mais également par leur immense potentiel, et pour lesquels les capacités de prévisions météorologiques permettent cependant d’anticiper les variations de production.

Ainsi le terme d’intermittence, généralement employé, ne fait référence qu’à ces deux sources renouvelables d’électricité [2]. Quant aux productions hydrauliques et thermiques à partir de biomasse, elles sont également variables, mais beaucoup moins et elles sont surtout plus aisément pilotables (voir glossaire), les plus flexibles d’entre-elle étant les usines hydroélectriques de barrage. Ces dernières doivent cependant être gérées avec anticipation en fonction de la pluviométrie et d’autres contraintes associées à l’exploitation des cours d’eau, mais c’est généralement à une échelle de temps plus longue.

Si les productions par l'éolien et le photovoltaïque sont bien variables ou fluctuantes, ces variations peuvent être relativement lissées grâce au foisonnement des installations et elles peuvent être prédites avec une relativement bonne précision. C'est ce qui permet de les intégrer dans la planification au même titre que les variations de consommation qui peuvent tout autant subir des fluctuations rapides, parfois à grande échelle (cas des chauffe-eau électriques enclenchés simultanément aux instants de basculement entre tarifs heures pleines et heures creuses).

En réalité, la gestion de cette variabilité de la production ne se pose pas à l’échelle d’une éolienne ou d’une toiture photovoltaïque, mais doit être observée sur l’ensemble du réseau électrique. En effet, par la répartition des installations sur l’ensemble d’un territoire comme la France, les variations de production locales sont lissées. De plus, ces variations sont en grande partie prévisibles et peuvent être anticipées sur l’ensemble d’une cellule du système électrique (réseau de distribution ou de transport, selon les niveaux de puissance de raccordement des installations).

Dans le cas où le réseau de transport est assez surdimensionné, en raisonnant à l’échelle du territoire français, les variations de production locales sont lissées et prévisibles avec un niveau d’erreur beaucoup plus faible. D’ailleurs dans l’hypothèse d’un scénario 100% renouvelable, en France, c’est surtout le réseau de distribution qui devrait être renforcé. Cette prévisibilité à court (quelques heures) et moyen terme (1 à 3 jours) permet de satisfaire les besoins de planification pour un réseau électrique stable et sûr.

En outre, on dit souvent que les installations éoliennes et PV ne peuvent pas participer aux « services système ^[1] » (voir glossaire). Pour cela, il peut être demandé aux producteurs de modifier leur puissance injectée active et réactive. Toutes les installations modernes sont déjà équipées naturellement de convertisseurs électroniques de puissance qui peuvent aisément contrôler la puissance réactive. Reste le contrôle de la puissance active qui est évidemment plus délicat puisque la production se fait au fil du vent ou du soleil. L’action à la baisse est facile à mettre en œuvre en désoptimisant la puissance récupérée, celle à la hausse est la plus problématique. Plusieurs méthodes ont déjà été expérimentées, comme un fonctionnement sous-optimal permanent ou encore l’ajout de moyens de stockage. Dans les deux cas, cela représente un surcoût (manque à gagner de production dans le premier, amortissement de l’investissement et coûts des pertes, dans le second). Ce surcoût a déjà été évalué et ne vient pas grever la compétitivité globale d’un tel système.

La figure 3 présente l'évolution de la production mensuelle d'électricité des filières photovoltaïques et éoliennes en France en 2019.

(Source : Bilan électrique 2019, RTE, février 2020[1]) Figure 3.  Variabilité mensuelle des productions maximales et moyennes d’électricité éolienne et photovoltaïque sur l'année 2019

Sur la figure 2, les données de puissance moyenne sont lissées sur le mois. Il faut aussi tenir compte des phénomènes réguliers journaliers, dont la puissance maximale (moyénnée en général sur 30 minutes ou 1h) donne une idée de l’amplitude. Pour le photovoltaïque, la production d'énergie ne peut avoir lieu qu'en journée. En ce qui concerne le vent, les fluctuations journalières sont liées aux gradients de température, donc au rayonnement solaire, à l’albédo et autres phénomènes atmosphériques.

Les données au pas horaires de la production fançaise sont accessibles en ligne via le site ECO2mix de RTE.

La figure 4 met en évidence la production nationale journalière photovoltaïque moyennée sur les années 2018 et 2019, en fonction de l'heure de la journée, ainsi que l’amplitude de variation de ces moyennes entre le premier et le dernier décile de chaque année. Ces amplitudes sont représentatives des écarts de production entre l’hiver et l’été. Les moyennes sont cependant affectées par la dynamique d’évolution, au cours de chaque année, de la puissance PV raccordée au réseau. C’est d’ailleurs ce qui explique le fait que les courbes 2019 (puissance installée de 8,95 GW au 12 décembre 2019) se trouvent au-dessus des courbes 2018 (puissance installée de 8,08 GW au 12 décembre 2018), au-delà d’une éventuelle différence d’ensoleillement entre ces deux années [3].

La figure 5 représente les prévisions sur 7 jours de vent (en nœuds) en un point de la côte Atlantique avec un maillage de 50 km et un pas de 3 h.

(Source : Bilan électrique 2019, RTE, février 2020[1]) Figure 4.  Production journalière photovoltaïque nationale moyennée en 2018 et 2019

(Source : www.infosvent.fr) Figure 5.  Exemple de prévisions du vent sur 7 jours (en nœuds) en un point de la côte Atlantique (1 nd = 1,852 km/h)

D’autres sources renouvelables, comme l’hydraulique de barrage, sont plus facilement programmables et restreindre les sources d’électricité renouvelable à l’éolien et au photovoltaïque, c’est ne pas tenir compte du caractère complémentaire des différentes sources d’énergie. L’analyse des coûts de la variabilité ne peut être faite qu’à l’échelle du système et il est très complexe, pour ne pas dire délicat, d’attribuer à chaque installation un coût individuel en faisant abstraction de l’ensemble du système. Il faut rappeler que le développement du système électronucléaire historique a requis la construction d’un imposant réseau de transport et également d’installations de pompage-turbinage, donc de stockage d’énergie. Ces deux éléments permettent d’accompagner un système de production devenu plus diversifié.

L’hydraulique, moyen le plus ancien de production d’électricité par ressource renouvelable, est fondé sur l’exploitation de l’énergie gravitationnelle de l’eau. Les premières utilisations sont les moulins hydrauliques. Il s’agit de la ressource renouvelable la plus utilisée au monde et en France. La production hydroélectrique peut être classée, de façon simplifiée, en installations d’une part de barrages et d’autre part, au fil de l’eau. Cette technologie présente aussi l’avantage de pouvoir stocker aisément l’énergie grâce aux retenues, éventuellement en étant réversible grâce au pompage-turbinage [4] à condition de disposer d’un réservoir situé au niveau inférieur. Les installations au fil de l’eau ont une production sensible au débit du cours d’eau, mais elles peuvent, dans une moindre mesure, en ajustant le niveau de retenue et en acceptant un peu de marnage (fluctuations du niveau de l'eau des cours d’eau), permettre d’accumuler de l’énergie dans le cours d’eau, par exemple la nuit, pour la restituer plus tard, par exemple le jour.

Au 31 décembre 2019, 25 557 MW de puissance hydraulique étaient installés, répartie inégalement sur le territoire français, pour une production de 55,5 TWh. La région Auvergne-Rhône-Alpes concentrait près de 46% de parc national soit 11 641 MW, vient ensuite la région Occitanie représentant 21% du parc national soit 5 392 MW, figure 6. Certaines régions ont des caractéristiques peu propices à l’exploitation de l’énergie hydraulique (absence de massifs montagneux ou de cours d’eau, forte densité urbaine) comme les régions Hauts-de-France, Île-de-France ou Pays de la Loire qui représentaient, à cette date 0,1% du parc national [5]. En Bretagne, si la puissance semble plus élevée que dans les régions limitrophes, c’est grâce à l’usine marémotrice de la Rance (240 MW) qui est comptabilisée dans le parc hydroélectrique. Notons que cette installation est équipée de groupes de turbines réversibles qui peuvent à la fois turbiner dans les deux sens mais également fonctionner en pompage afin d’effectuer des opérations de stockage-déstockage d’énergie.

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(Source : Panorama de l’électricité renouvelable au 31 décembre 2019, RTE[5]) Figure 6.  Puissance hydraulique raccordée par région en France au 31 décembre 2019 et Production hydraulique par région en 2019

L’hydraulique a couvert plus de 11% de l’électricité consommée sur l’année 2019, il s’agit de la deuxième source d’électricité française et la première parmi les sources renouvelables.

La Figure 7 montre le taux de couverture de la consommation nationale par cette source renouvelable sur 3 années. Ce graphique permet de prendre conscience de la forte variabilité annuelle, largement liée aux fluctuations de pluviométries, fluctuations qui devraient d’ailleurs être de plus en plus fortement accentuées par le dérèglement climatique.

(Source : Panorama de l’électricité renouvelable au 31 décembre 2019, RTE[5]) Figure 7.  Couverture mensuelle de la consommation par la production hydraulique (en % de la consommation globale) de janvier 2017 à décembre 2019

En 2019, le parc des bioénergies (voir glossaire) a progressé de 3,7%, il représentait 2 122 MW de puissance installée en France réparti inégalement sur le territoire, pour une production de 7,7 TWh, figure 17.

(Source : Panorama de l’électricité renouvelable au 31 décembre 2019, RTE[5]) Figure 17.  Évolution de la puissance raccordée du parc bioénergie en France de 2012 à 2019

Deux régions disposent de plus de 300 MW, la Nouvelle-Aquitaine (326 MW) et l’Île-de-France (317 MW) (figure 18).

La répartition du parc des bioénergies est en premier lieu, à 42%, la combustion des déchets ménagers (production électrique des unités d’incinération d’ordures ménagères), puis le bois à hauteur de 32%, le biogaz (voir glossaire) à 24% et pour une petite partie (2%) les déchets de papeteries (figure 18). S’agissant de combustion et en particulier les déchets ménagers, cette source est émettrice de CO₂.

Ces installations fonctionnent souvent en cogénération, c’est-à-dire qu’en plus de la production électrique, une partie importante de la chaleur habituellement rejetée dans l’environnement est récupérée pour un usage énergétique (injection dans des réseaux de chaleur ou usage local). Les chiffres donnés ici ne correspondent qu’à la génération d’électricité.

(Source : Panorama de l’électricité renouvelable au 31 décembre 2019, RTE[5]) Figure 18.  Gauche) Puissance des bioénergies installée par région en France au 31 décembre 2019 ; Droite) Répartition du parc des bioénergies par combustion en 2019

La bioénergie couvre moins de 2% de l’électricité consommée sur l’année 2019, il s’agit de la quatrième source d’électricité renouvelable française derrière l’hydraulique, l’éolien et le photovoltaïque.

La figure 19 montre l’évolution du taux de couverture mensuelle de la consommation électrique nationale par les bioénergies de janvier 2017 à décembre 2019.

(Source : Panorama de l’électricité renouvelable au 31 décembre 2019, RTE[5]) Figure 19.  Couverture mensuelle de la consommation par la production bioénergie (en % de la consommation globale) de janvier 2017 à décembre 2019

La part de la production issue des sources d’énergies renouvelables croît régulièrement mais reste encore faible, en France, par rapport à l’énergie nucléaire, figure 20. Cette croissance est largement soutenue par l’éolien et le solaire photovoltaïque dont le potentiel est extrêmement élevé, alors que celui de l’hydraulique est proche de la saturation et que sa productivité risque même de décliner à cause du dérèglement climatique. Quant aux bioénergies, le potentiel est relativement important mais les relations avec le vivant soulèvent encore des questions : impacts sur la biodiversité, compétition avec les cultures vivrières, qui pourraient limiter le potentiel dans certaines régions du monde. Pour la France, où la densité de population est faible, la contribution de la biomasse (notamment à partir de déchets) à la production d’énergie représente un potentiel non négligeable [11][12].

(Source : Bilan électrique 2019, RTE, février 2020[1]) Figure 20.  Part annuelle de la production issue d’énergies renouvelables par rapport à la consommation d’électricité de 2007 à 2019

Comme les émissions spécifiques (sur cycle de vie) des filières renouvelables se situent aux meilleurs niveaux (sauf exception, notamment l’hydroélectricité en forêt tropicale), leur exploitation pour la production d’électricité permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre, notamment en réduisant les besoins d’énergies fossiles. Les émissions de CO₂ dues à la production d’électricité en France ont baissé de 6% en 2019 en raison d’une forte baisse de la production à partir de charbon [1], figure 21.

D’une façon générale, dans le monde, la teneur en CO₂ de l’électricité (exprimée en grammes de CO₂/kWh) est en baisse constante, grâce à la croissance rapide de la production électrique renouvelable (5,9% par an en moyenne sur la décennie 2008-2018, contre 1,9% par an pour les non renouvelables). Cette croissance est surtout dûe à l'augmentation des installations éoliennes et photovoltaïques. Dans le cas de l’Europe (UE28), très dynamique en la matière, on observe une diminution de 444 à 331 gCO₂/kWh entre 2000 et 2016 [13]. Au niveau mondial, sur la même période, on est passés de 540 à 475 gCO₂/kWh. Ceci est d’autant plus important que la production d’électricité reste le premier poste d’émission de GES au niveau mondial, à hauteur d’environ 40%.

(Source : Bilan électrique 2019, RTE, février 2020[1]) Figure 21.  Évolution des émissions de CO2 dues à la production d’électricité de 2008 à 2019

Les énergies renouvelables électriques ne sont pas toutes non pilotables ou variables indépendamment de la demande, c’est notamment le cas de l’hydraulique ou des bioénergies qui pourraient aisément être flexibles. Quant à celles qui sont variables au fil du vent (éolien) ou du soleil (photovoltaïque), elles ne peuvent pas être qualifiées d’énergies intermittentes. En effet, leurs variations de production sont relativement lentes et lissées grâce au foisonnement des installations à travers le territoire national et surtout, elles sont prévisibles à court terme (heure) et moyen terme (plusieurs jours). Les prévisions sont d’ailleurs utilisées quotidiennement par les gestionnaires de réseau, au même titre que celles de consommation, elles-mêmes dépendantes des conditions météorologiques.

Les deux sources au potentiel le plus élevé que constituent l’éolien et le photovoltaïque possèdent une forte complémentarité qui facilite grandement leur gestion. Associées à des moyens de production programmables et un peu plus de moyens de stockage qu’aujourd’hui, elles peuvent connaître un développement soutenu sans mettre en péril le réseau d’électricité pour atteindre un très haut de niveau de pénétration qui permettra d’arriver à une production plus respectueuse de l’environnement. Mais, pour que ce modèle soit transposable au niveau mondial, il doit impérativement être associé à une amélioration considérable de l’efficacité des usages et de la sobriété générale de nos sociétés, tout particulièrement dans les pays riches où le gaspillage est immense. Plusieurs scénarios de transition énergétique existent prenant en compte les contraintes environnemntales, sociétales et climatiques (Négawatt [12], Afterres [11],…).