Quel est l'impact de la transition énergétique sur notre réseau électrique ?
L'approvisionnement énergétique durable au moyen d'énergies renouvelables et le commerce d'électricité à l'échelle européenne placent notre réseau électrique face à de multiples défis, tant au niveau de l'exploitation du réseau que de la planification. En revanche, il existe de nombreuses solutions et concepts d'exploitation pour le réseau électrique de demain. Un état des lieux d'un point de vue technique.
Comment devons-nous transformer notre système énergétique pour garantir une sécurité d'approvisionnement élevée en électricité à long terme ? C'est autour de cette question centrale que s'articule la manifestation "Le réseau électrique du futur", organisée cette semaine par l'Energy Science Center de l'ETH Zurich (ESC). Le sujet est aussi passionnant que complexe - il n'y aura guère de réponses simples. Une chose est s?re : La transition énergétique et l'augmentation du commerce d'électricité à l'échelle européenne ont un impact important sur l'exploitation de nos réseaux électriques. Je souhaite expliquer plus en détail dans cet article les défis techniques qui en découlent et les solutions possibles.
L'électricité issue des énergies renouvelables est moins planifiable
L'Europe développe à un rythme effréné de nouvelles énergies renouvelables. C'est surtout le nombre croissant d'éoliennes et d'installations photovolta?ques (PV) qui entra?ne des impondérables dans l'exploitation du réseau, car ces installations ne produisent de l'électricité que de manière fluctuante - c'est-à-dire changeante selon que le vent souffle ou que le soleil brille. Avec une puissance installée de près de 130 GW d'éolien (8 % du volume annuel d'électricité) et de 87 GW de photovolta?que (3 %) en Europe fin 2014 [1], la production d'électricité devient encore plus dépendante des conditions météorologiques et donc moins planifiable pour les producteurs et les exploitants de réseau.
Le commerce de l'électricité intègre les énergies renouvelables
Le commerce de l'électricité est également un facteur d'influence plus important. Au cours des 40 dernières années, le volume des échanges d'électricité en Europe a été multiplié par huit, tandis que la consommation d'électricité a elle-même augmenté. seulement a un peu plus que doublé [2]. Aujourd'hui, plus de douze pour cent de la consommation annuelle d'électricité européenne est échangée au-delà des frontières nationales [3]. Auparavant, ce sont surtout les pays voisins qui négociaient entre eux, et les flux d'électricité étaient plut?t statiques et donc faciles à planifier en raison des contrats de livraison à long terme. Aujourd'hui, les échanges sur les marchés spot se font toutes les heures, voire tous les quarts d'heure, et ce de plus en plus dans toute l'Europe, de la Norvège au Portugal.
Le négoce d'électricité remplit donc une fonction importante : il intègre l'électricité intermittente issue de sources d'énergie renouvelables. Lorsqu'un front de vent ou une situation de beau temps entra?ne au niveau régional de très grandes quantités d'électricité éolienne ou solaire, les plateformes de négoce d'électricité organisent l'équilibrage énergétique à l'échelle européenne de manière étonnamment efficace et généralement parfaitement adaptée.
Flux de courant modifiés dans le réseau haute tension
L'instabilité de la production d'électricité éolienne et photovolta?que et le commerce croissant d'électricité modifient les schémas de flux d'électricité au niveau supérieur du réseau, le réseau haute tension ou de transport (220/380 kV), dont les charges sont donc moins prévisibles. Ces changements de flux de charge, parfois à l'échelle européenne, ont souvent lieu de manière incontr?lée, parfois avec des effets secondaires indésirables : Si la production d'énergie éolienne est particulièrement élevée dans un pays, la modification des flux de charge peut entra?ner des congestions imprévues du réseau. Cela peut aller jusqu'à obliger les pays voisins à arrêter des centrales entières. C'est pourquoi les exploitants de réseaux nationaux utilisent déjà des "déphaseurs" pour mieux gérer les flux de charge à certaines frontières nationales et réduire les effets indésirables dans les zones de réseau voisines.
La modification des modèles de flux d'électricité dans le réseau de transport européen a également un impact sur la planification à long terme du réseau. Pour s'assurer que nous développons ou renfor?ons le réseau là où c'est nécessaire, nous devons prévoir le plus précisément possible les modèles de flux d'électricité futurs. Par rapport au passé, cela nécessite aujourd'hui un effort de planification et de simulation beaucoup plus important.
Problèmes de tension dans les réseaux de distribution
Les nouveaux consommateurs d'électricité tels que les pompes à chaleur et, à long terme, la mobilité électrique influencent également les réseaux. Alors que plus de 250 000 (fin 2014) pompes à chaleur sont déjà installées en Suisse [4], le nombre de véhicules électriques immatriculés dans le pays reste certes très faible, avec quelques milliers. Mais leur potentiel pour les années et les décennies à venir est élevé.
La très grande majorité des installations photovolta?ques et des pompes à chaleur ainsi que toutes les voitures électriques fonctionnent sur les niveaux de réseau les plus bas, à savoir le réseau basse tension ou de distribution (220 à 400 V). Si une grande quantité d'électricité PV est produite, une surtension se produit localement, tandis qu'une consommation de charge plus élevée par les pompes à chaleur et les voitures électriques entra?ne une sous-tension. Dans les deux cas, des surcharges locales du réseau peuvent se produire. De tels effets influenceront fortement les plans d'extension du réseau à long terme.
Le smart grid permet de remédier à la situation
Dans la plupart des cas, les exploitants de réseau résolvent encore aujourd'hui les problèmes qui surviennent en développant le réseau de manière conventionnelle, c'est-à-dire en investissant dans des lignes et des transformateurs nouveaux ou plus puissants. Mais des alternatives telles que le stockage d'énergie et les éléments de smart grid deviennent de plus en plus importantes. Par smart grid, on entend un réseau électrique "intelligent" qui met en réseau les producteurs d'électricité, les accumulateurs d'énergie et les consommateurs les plus divers et les commande de manière décentralisée. Lors de l'utilisation de nouveaux éléments de réseau et de concepts de smart grid, il existe des différences entre le réseau haute tension et le réseau basse tension :
Dans le réseau haute tensioncertaines technologies de réseau déjà établies en soi jouent un r?le de plus en plus important : l'accent est mis sur la transmission de courant continu à haute tension (HVDC), qui permet de transporter l'énergie sur de longues distances avec peu de pertes. La CCHT permet par exemple de relier l'Europe continentale à la Grande-Bretagne et à la Scandinavie via de puissants c?bles sous-marins. C'est la première fois qu'un commerce et un transport d'électricité à l'échelle européenne sont possibles.
De manière générale, on peut dire que des capacités de transport et de stockage plus importantes facilitent l'exploitation du réseau, le commerce d'électricité et l'intégration des énergies renouvelables. Dans le domaine des centrales de pompage-turbinage, de nouvelles installations de pompage et de turbinage plus puissantes permettent d'utiliser les capacités de stockage existantes de manière plus efficace et plus flexible. Dans ce domaine, nous devons toutefois trouver un compromis viable à long terme entre les co?ts d'investissement élevés et les avantages opérationnels qu'ils permettent d'obtenir. Les installations de pompage-turbinage sont justement un élément important de la transition énergétique. Mais comme les modèles d'entreprise dans le secteur de l'électricité sont en pleine mutation, les investissements sur de très longues périodes (jusqu'à 40 ans et plus) sont très incertains. Ce sont là quelques-uns des principaux résultats d'une étude trilatérale sur les centrales de pompage-turbinage pour les ministères de l'énergie de Suisse, d'Autriche et d'Allemagne, à laquelle a collaboré l'Energy Science Center de l'ETH Zurich [5].
Dans le réseau de distribution il s'agit avant tout de mieux intégrer les installations photovolta?ques et les nouveaux types de consommateurs comme les pompes à chaleur et les voitures électriques. Les éléments et concepts de smart grid peuvent ici aider efficacement à améliorer l'intégration du PV et, de manière générale, à réduire les charges sur le réseau. Les techniques de réseau modernes devraient également être rentables à long terme, car une extension conventionnelle des réseaux de distribution serait sans doute plus importante et donc plus co?teuse.
Participez à la discussion !
Vous vous intéressez aux questions relatives à notre système énergétique de demain ? Alors participez au "Réseau électrique du futur" : des exposés passionnants d'experts et une table ronde vous attendent.
Informations complémentaires
[1] EurObserv'ER 2015 : page externeLien
[2] IEA Electricity Information 2013 (tableau 2.13) : page externeici
[3]ENTSO-E Yearly Statistics & Adequacy Retrospect 2013 : page externeLien
[4] Statistique de l'électricité 2013 de l'OFEN.
[5] ?tude trilatérale sur l'avenir des centrales de pompage-turbinage en Suisse, en Autriche et en Allemagne, 2014 : page externe?tude