Electricité verte et CO2 : L’Allemagne vire de bord !

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Electricité et CO2 : le contre-exemple allemand

L'électricité verte a-t-elle un sens en France?
Electricité solaire compétitive en France ?

Une centrale solaire qui stocke l'énergie?

Halidade : une éolienne offsore de 6 MW

Problématique du stockage de l'énergie électrique

Résumé :

•  Après avoir consacré 350 G€ (« G » = giga = milliard) aux énergies dites vertes depuis le début du siècle, chiffre extraordinairement élevé, l’Allemagne décide de diviser par 4 le montant annuel de ses investissements dans ce domaine, en réduisant fortement ses subventions antérieures.
• Ce violent virage, qui provoquera des dégâts chez les fabricants concernés, était devenu inévitable en raison de la hausse du prix de l’énergie électrique pour les consommateurs allemands, et de l’augmentation massive des émissions de C0₂ par MWh produit.
• Espérons que l’opinion publique allemande en comprendra le bien-fondé, s’affranchira des mantras écolo-pacifistes, ira jusqu’à l’arrêt de ses investissements inutiles en énergies éoliennes et photovoltaïque, et acceptera des mesures moins spectaculaires et moins coûteuses, mais beaucoup plus efficaces :
• maintenir le parc nucléaire restant,
• convertir au gaz ses centrales au charbon,
• investir dans des centrales à gaz à cycle combiné,
• promouvoir le chauffage électrique par pompes à chaleur.

Message

Complément au message récent : Electricité et CO2 : le contre-exemple allemand

Plusieurs articles parus dans la presse généraliste ou financière, notamment :

« Les Echos » du 8 juin 2016, par Jean-Philippe Lacour

« La Croix » du 13 juin 2013, par Delphine Nerboiller «  L’Allemagne inverse ses priorités énergétique »

 nous apportent les informations suivantes :

L’Allemagne a atteint un objectif de 33% de renouvelable dans sa production électrique, mais ceci a coûté cher au pays (21 G€ en en 2013 et 28 G€ en 2015).

Elle avait fixé pour objectif 45% de renouvelables en 2025.  

Elle vient de décider de réduire le rythme du développement des renouvelables :

• En éolien, ramené à environ 1 000 nouvelles éoliennes par an, soit 2,8 GW nominaux, à rapporter  à un parc existant de 17 000 éoliennes. 
• En solaire : Le prix garanti du MWh uniformément garanti disparaît pour les nouvelles installations. Ces dernières ne pourront que résulter d’appel d’offres les attribuant aux moins-disants en termes de prix garanti, avec un plafond en puissance installée de 0,6 GW chaque année (ce qui correspond, dans un pays septentrional comme l’Allemagne, à une production moyenne annuelle de moins de 0,1 GW dont la majeure partie pendant les mois d’été)

Ces informations sont extrêmement intéressantes :

•  Le virage allemand sur l’éolien et le solaire est brutal : leur croissance sera divisée par 4, les appels d’offre se généralisent, les prix baisseront : le secteur industriel concerné va souffrir, notamment en solaire. Mais le gouvernement ne pouvait supprimer complètement les subventions, c’eût été politiquement trop risqué.

• On a l’impression que le gouvernement allemand a pris la mesure du non-sens de la politique énergétique antérieure qui aboutit, par rapport à la France, à un MWh dont le prix est proche du double et 10 fois plus émetteur de CO₂, ou plutôt, a enfin osé en tirer publiquement les conséquences. 

• Mais il continue à subventionner le charbon et le lignite. Pourquoi ? Sans doute parce que, le parc nucléaire ayant été fortement réduit, le lignite est devenu indispensable pour assurer la production en toutes circonstances et éviter le « black-out », car il y a très peu d’hydraulique en Allemagne.

• Nous prenons le pari que le virage suivant sera le maintien des centrales nucléaire qui n’ont pas encore été arrêtées : mais cette annonce est politiquement délicate dans un pays dont la coalition gouvernementale inclut les « Grunen » viscéralement opposés au nucléaire et une opinion publique sensible à ce sujet. Peut-être après la réélection de Mme Merkel qui était favorable à l'augmentation de la durée de vie des centrales avant son alliance avec les "Grunen"?

• Mais les émissions extrêmement élevées du charbon et du lignite en CO₂, et aussi en de nombreux polluants, finiront par être ressenties comme inacceptables, et feront, un jour, basculer l’opinion publique allemande.

• Il ne serait pas surprenant, et il serait aussi très pertinent, que l’Allemagne convertisse au gaz ses centrales au charbon existantes, et investisse dans des centrales à gaz à cycle combiné, très performante (58% de rendement) qui pourraient amener une baisse rapide des émissions de CO₂ pour un coût modique.

Les articles cités comportent cependant des imprécisions l’on ne saurait reprocher à des journalistes qui ne peuvent pas être experts en tout. Poussés par des dossiers de presse biaisés, ils n’évitent pas les erreurs usuelles en la matière :

• « Dans l’éolien en mer […] arriver à  15 GW installés d’ici à 2030, soit l’équivalent d’une douzaine de centrales nucléaires. » Hélas, cette comparaison n’est valide qu’en puissances nominales (en fait, la puissance maximum). Elle oublie simplement que l’éolien maritime ne produit en moyenne que 25% de sa puissance nominale, du fait de son intermittence subie, alors que le nucléaire produit en moyenne 80% de sa puissance nominale, du fait de son adaptation voulue à la demande du réseau. En production annuelle, l’équivalence est donc de seulement 3 centrales nucléaires, et non pas 12. En utilité, c’est encore bien pire, car il faudrait défalquer de la production éolienne toute la partie qui ne sert à rien, car produite à contretemps,  et finalement  exportée à vil prix faute d’emploi en Allemagne, évaluée à la moitié, ce qui ramène l’équivalence à 1,5 centrales! 

• « Cette part [des renouvelables] s’élève actuellement à 33%. ». Le lecteur comprend que l’électricité consommée en Allemagne est verte pour un tiers. Or il n’en n’est rien, car ce chiffre est relatif à la production, et non à la consommation. Or la priorité d’écoulement des énergies vertes contraint les opérateurs de réseau à absorber toute la production pour l'exporter à vil prix, parfois négatif, la perte de l’opérateur étant compensée par la « CSPE » allemande payés par l’utilisateur. La corrélation inverse, publiée, entre la puissance verte produite  et le prix de marché de gros est excellente et probante d'une causalité: quand la production verte croît, le prix de marché décroît, faute de demande Finalement, si l’Allemagne produit 33% d’énergies vertes, elle n’en consomme effectivement qu’environ la moitié et se débarrasse du reste faute de pouvoir l’utiliser !

De manière générales comparer des chiffres tels que volume annuel cumulé, volume moyen, ou prix moyen, n’a de sens que pour les filières qui produisent en continu : nucléaire, hydraulique au fil de l’eau ou marémotrice. Pour toutes les autres, seules comptent les comparaisons au moment de la production, et notamment pendant les pointes : le solaire est alors absent, et l’éolien très inégalement présent avec risque d’absence. Seule la biomasse peut se tirer d’affaire, dans la mesure où elle est au moins un peu stockable, et peut donc être utilisée au bon moment. A de rares exceptions près, l’énergie électrique ne peut pas être stockée !

Etape 2 : efficacité énergétique

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Réduire vite et beaucoup les émissions de CO2 en France

Etape 1 : substitution de combustibles fossiles

Etape 3 : la substitution électronucléaire

Etape 4 : aller plus loin avec les véhicules

Incitations économiques pour les 4 étapes

C’est en principe la voie à privilégier : obtenir le même résultat en utilisant moins d’énergie. Examinons les possibilités :

• Sidérurgie : l’efficacité énergétique d’un haut-fourneau est la « mise aux mille », masse de coke nécessaire à la production de 1000 kg de fonte. Elle s’est énormément améliorée au cours des siècles, mais atteint maintenant ses limites. Une éventuelle réduction de la mise aux mille ne pourrait intervenir qu’à l’occasion de la construction d’un nouveau haut-fourneau en France, qui n’est pas d’actualité. Donc pas d’amélioration plausible ici.
• Dans l’agriculture et l’industrie, la variété des situations rend les prévisions difficiles. Une taxe carbone serait ici nécessaire et efficace. Tablons sur 20%, tant pour le charbon, et le fioul  que pour le gaz.
• Dans le chauffage domestique et tertiaire, de nombreux gisements d’efficacité énergétique subsistent : isolation du parc ancien, suppression des chauffages collectifs répartis selon les millièmes de copropriété, généralisation des régulateurs intelligents. Une baisse de 30% de ce fait est envisageable, tant en fioul (de moins en moins utilisé) qu’en gaz.
• Dans la production électrique, les rendements des centrales sont à leur optimum depuis longtemps. Le seul progrès déterminant réside dans les centrales à gaz à cycle combiné qui permettent d’améliorer le rendement d’environ 40% à près de 58%, au prix d’un investissement plus élevé. Mais ceci ne concerne que les centrales à gaz conventionnelles. Tablons sur 15% du total.
• Dans les transports, il ne faut plus compter sur l’amélioration du rendement des moteurs qui ont déjà beaucoup donné, et sont handicapés par les normes antipollution Euro 6 : on ne peut pas optimiser tous les paramètres à la fois ! L’amélioration d’efficacité pourrait venir de :
• Le remplacement naturel des véhicules anciens par des véhicules récents plus économes, avec cylindrée réduite (« downsizing »), ce qui ne signifie pas puissance réduite, grâce aux turbocompresseurs.
• L’hybridation (non rechargeable) des véhicules urbains.
• Le développement des boîtes automatiques pilotées à deux embrayages, genre DSG7 de Volkswagen, qui optimisent le point de fonctionnement du moteur.
• Le covoiturage qui remplit les véhicules à défaut de réduire leur consommation.
• Le développement des lignes d’autocars (loi Macron) qui réduira les trajets en véhicules individuels, et aussi la circulation de rames ferroviaires vides dont la trace carbone globale est loin d’être aussi bonne qu’on l’annonce.
• Selon l’évolution du prix public des carburants, évolution vers des véhicules économes, plus bas, plus étroits, plus légers, munis de moteurs beaucoup moins puissants.
• Tablons sur 30%, évidemment concentrés sur le pétrole, dont tous les carburants sont issus.
• Par nature, les matières premières ne peuvent pas faire l’objet d’une amélioration de l’efficacité énergétique.

L’efficacité énergétique permet d’envisager un gain de 23% sur l’énergie fossile consommée sans révolution majeure, donc assez vite. S’ajoutant aux substitutions du § 1. , la réduction cumulée des émissions de CO₂ est de 27%, déjà très appréciable, mais encore loin de l’engagement français de -40% en 030.

Remplacement du charbon par le gaz

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Sous la plume d’Anne Feitz, le quotidien « Les Echos » nous annonce une bonne nouvelle, que cependant il sous-estime : le remplacement en cours du charbon par le gaz.

Notons d’abord qu’il n’y a rien d’étonnant à ce que nos trois grands énergéticiens, EDF, GDF-Suez devenu ENGIE, et TOTAL cherchent à remplacer le pétrole par le gaz : aucun des trois n’est actif dans la production de charbon, tous ont le charbon comme concurrent « low cost », EDF exploite des centrales électrothermiques au charbon mais ne voit aucun inconvénient à lui substituer du gaz, ENGIE a le gaz pour métier principal, et donc tout intérêt à demander le relèvement du prix du carbone émis, afin de réduire la compétitivité du charbon.

Pour ne pas être désintéressée, leur position est néanmoins réellement écologique, même si ce n’est peut-être pas leur motivation première. La convergence entre l’économie et l’écologie est très importante, car elle permet de faire plus, plus vite et pour moins cher : c’est la première bonne nouvelle, même si elle n’est pas vraiment nouvelle.

Quand la journaliste écrit que « une tonne de charbon consommée émet 3,5 tonnes de CO₂, contre 2,3 pour le gaz et 2,7 pour le pétrole », son appréciation, quoique exacte et favorable, laisse croire que le gain en émissions de CO₂ n’est que de :

• 1 – 2,7 / 3,5 = 23% pour le pétrole.
• 1 – 2,3 / 3,5 = 34% pour le gaz

Ses comparaisons sont effectuées à masse primaire constante, alors qu’elles devraient être effectuées à énergie calorifique constante, à savoir, typiquement :

• Charbon :            25 MJ/Kg
• Pétrole :              42 MJ/Kg
• Gaz naturel :      50 MJ/Kg

Nous  introduisons dans le tableau comparatif ci-dessous :

• Colonne 2 : les émissions de CO₂ par masse de combustible (Source « Enerdata » citée par Les Echos)
• Colonne 3 : l’énergie calorifique (enthalpie) des différents combustibles
• D’où en colonne 4 l’énergie calorifique obtenue par Kg de CO₂ émis, et en colonne 5 leur comparaison, charbon base 100%. Le gaz émet presque 3 fois moins que le charbon pour les applications thermiques !
• En colonne 6, le rendement (selon Carnot Clausius) de la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique, la ligne gaz étant relative à une centrale à gaz à cycle combiné, ce qui est le cas de toutes les centrales récentes, mais pas de toutes les centrales existantes en France.
• D’où, en colonne 7, l’énergie électrique obtenue par Kg de CO₂ émis.
• Et en colonne 8, la comparaison, toujours charbon base 100%. Le gaz émet presque 4 fois moins que le charbon pour les applications électrothermiques !

			Energie thermique		Energie électrothermique
Combustible	CO2 Kg/Kg	EnergieMJ/Kg	MJ/ Kg de CO2	Comparais. émiss. CO2	Rendemt. conversion	MJ/Kg de CO2	Comparais. émiss. CO2
Charbon	3,5	25	7,1	100%	45%	3,2	100%
Pétrole	2,7	44	16,3	44%	45%	7,3	44%
Gaz naturel	2,3	50	21,7	34%	58%	12,6	26%

En termes d’émissions de CO₂, le passage au gaz est une amélioration énorme  par rapport au charbon, et très significative par rapport au pétrole, dans toutes les applications thermiques, et plus encore dans les centrales électrothermiques au gaz.

     Centrale à gaz à cycle combiné –Photo Engie

 

Ces dernières ont des avantages propres :

• Beaucoup moins chères que des centrales nucléaires, beaucoup plus vite construites, beaucoup moins contestées, ayant une trace carbone d’investissement limitée, elles ont aussi très peu d’inertie, avec une capacité à passer de 0 à 100% en quelques minutes, et une disponibilité totale, 24 heures par jour, 365 jours par an. Ce sont les centrales de pointes idéales, et sont tout à la fois capable de produire en continu.
• Plus souples, capables de travailler à puissance réduite, elles les complètent très bien les centrales nucléaires qui doivent éviter les puissances réduites (usure hétérogène des barres de combustible) et dont les variations de puissance sont lentes.
• En outre, elles complètent bien les énergies « fatales » qui produisent de façon aléatoire (éolienne, marémotrice, hydraulique au fil de l’eau), voire contra-cyclique (photovoltaïque). Elles sont préférables aux solutions de stockage envisagées à tort pour stocker les énergies vertes, solutions toutes très coûteuses et souvent de médiocre rendement (avec l’exception notables des STEPS, stations hydrauliques de haute chute, malheureusement limitées par la géographie).

Comme toutes solutions industrielles, elles ont aussi leurs contraintes et leurs limites :

• Raccordement indispensable à un réseau gaz de gros débit, mais il est plus simple de transporter de l’énergie sous forme du gaz (par gazoduc) que sous forme électrique (par lignes THT).
• Proximité d’un fleuve ou de la mer pour le refroidissement des condenseurs, comme toute autre centrale électrothermique ou électronucléaire.
• Les hauts-fourneaux ne peuvent se passer de coke sidérurgique, obtenu par distillation du charbon, pour produire la fonte, base de l’acier, selon un procédé très émetteur de CO₂, mais pour l’instant irremplaçable.

Pour réduire vite et fortement les émissions de CO₂, elles constituent la solution la plus efficace, la plus rapide à mettre en œuvre, et la moins chère.

Pour faciliter cette transition énergétique, nul besoin de lourdes subventions ciblées qui faussent la libre concurrence, jettent un doute sur la validité économique des solutions subventionnées, et sont à la charge du contribuable. Non, ici il suffit de réduire les droits d’émissions de CO₂ négociables pour faire remonter leur cours d’échange à au moins 30 à 35 €/tonne pour commencer, à augmenter très progressivement, au profit du budget de l’Etat, lequel devrait réduire d’autant la TVA, impôt neutre par excellence, s’il n’était pas aussi impécunieux.

La sagesse populaire l’exprime dans le proverbe :

Le MIEUX (zéro émission des énergies vertes à prix élevé dans un avenir lointain) est parfois l’ennemi du BIEN (gaz = 3 à 4 fois moins d’émissions facilement et à court terme).

Rendement des filières de production électrique

Le rendement est, pour chaque filière, le rapport entre l’énergie électrique produite et l’énergie primaire utilisée. Sa comparaison entre technologies n’a que peu de sens, car leurs énergies primaires sont de natures et de coût très différents. (Attention à des utilisations fantaisistes du mot « rendement », notamment au sens de taux de taux de disponibilité de la puissance installée, qui n’a rien à voir avec un rendement).

Lorsque l’énergie primaire est gratuite ou peu chère, le rendement devient moins important, mais conserve quand même un impact sur :

·        l’investissement qui devra, pour une même puissance produite, être majoré si le  rendement est moins bon (éoliennes, photovoltaïque),

·        la quantité d’énergie primaire qui peut être gratuite, mais pas illimitée (hydraulique).

A l’exception du photovoltaïque, toutes les filières passent par l’énergie mécanique, qu’un alternateur convertit en énergie  électrique. Le rendement des alternateurs est de très bon (petites puissances) à excellent (pertes très inférieures à 0,1%) sur les grosse puissances. Ce rendement est un peu pénalisé dans les éoliennes dont la vitesse variable  et lente nécessite un multiplicateur mécanique de vitesse à plusieurs étages, et un convertisseur de fréquence.

Les filières dont l’énergie primaire est mécanique on un rendement qui est :

·        moyen pour les éoliennes, de l’ordre 40% de l’énergie cinétique du vent dans le cercle balayé par l’hélice,

·        bon pour les centrales hydrauliques (autour de 90% selon les configurations),

Les filières électrothermiques partent d’une source de chaleur (à la température T₁ la plus élevée possible), d’origine soit chimique (combustion de charbon ou d’hydrocarbures), soit nucléaire, et transforment cette chaleur en énergie mécanique grâce à :

·        un moteur à combustion interne (gaz ou hydrocarbure) en petites puissances

·        une turbine à combustion interne (turbine à gaz ou à fuel)

·        une turbine à combustion externe, le plus souvent à vapeur d’eau surchauffée :

o   soit dans une chaudière, par la combustion (thermique)

o   soit dans un échangeur lui-même alimenté par l’eau primaire (nucléaire)

Toutes les filières à combustion externe nécessitent aussi une « source froide », à une température T₂ aussi basse que possible : cours d’eau, mer ou tour de réfrigération atmosphérique qui refroidit la vapeur, éventuellement saturée en fin de cycle afin d’améliorer le rendement.

Dans les moteurs à combustion interne, la source froide est à la température T2 des gaz d’échappement, que l’on ne maîtrise pas.

Dans tous ces cas, le rendement est déterminé par le 2^ème principe de la thermodynamique, dit de « Carnot-Clausius », selon lequel le rendement ne peut excéder un maximum égal à 1  - T₂/T₁ (en degrés Kelvin, soit Celsius + 273). Toutes ces filières ont donc des rendements limités dont l’ordre de grandeur est :

·        40% pour les centrales thermiques à combustion interne (turbine à gaz ou moteurs) : T₂ à l’échappement trop haut. Dans les centrales de cogénération, cette chaleur ramenée à la source « froide » est réutilisée, notamment pour du chauffage urbain.

·        40% pour les centrales thermiques à combustion externe (turbines à vapeur) : T₁ en sortie de chaudière trop bas.

·        35% dans les centrales nucléaires, en raison de la présence, entre l’eau primaire et l’eau secondaire, d’un échangeur qui réduit encore  T₁.

·        Plus de 55% pour les nouvelles centrales thermiques de pointe à cycles combinés, constituées d’une turbine à gaz suivie d’une turbine à vapeur, qui autorisent simultanément T₁ haut et T₂ bas.

La comparaison des rendements ci-dessus a peu de sens : le coût du combustible et l’émission de CO2 des centrales thermiques n’ont pas ou peu  d’équivalent dans les centrales nucléaires dont le rendement n’est donc pas un paramètre primordial.

Le rendement du photovoltaïque est le rapport entre l’énergie lumineuse reçue du soleil et l’énergie électrique produite. Dans les meilleures conditions, un panneau reçoit 1342 w/m², et fournit 15 à 40 w/m² électriques, soit un rendement bas, de 5% (silicium amorphe) à 15% (silicium cristallin), mais qui n’a qu’une importance relative : les panneaux sont coûteux, mais le soleil est gratuit et illimité