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jeudi 30 mars 2017

Cogénération : possibilités et limites selon Carnot



Résumé

La production d’énergie électrique passe toujours (sauf les PPV) par la production d’énergie mécanique, elle-même majoritairement produite à partir d’une énergie primaire thermique d’origine nucléaire, fossile ou renouvelable. Cette transformation entraîne des pertes résultant du principe de Carnot selon lequel le rendement de transformation est inférieur à (1 - T2/T1)   dans laquelle T1 et T2 sont les températures absolues du fluide thermodynamique (vapeur d’eau ou gaz de combustion) respectivement au début et à la fin du cycle de transformation. Il faut donc que T1 soit aussi élevée que possible, et T2 aussi basse que possible. Des pertes technologiques importantes et diverses s’y ajoutent.

La cogénération consiste à récupérer la chaleur restituée à la température T2 ainsi que les autres pertes thermiques. Elle n’a donc d’intérêt que si T2 n’est pas trop basse, en sachant qu’il n'est jamais intéressant d’augmenter délibérément T2 pour récupérer de la chaleur à une température plus élevée, car cela pénaliserait de presque autant la production d’énergie mécanique. La cogénération est donc limitée aux filières dont la technologie aboutit à une température T2 assez élevée. Ainsi :
  •       Toutes les filières (très majoritaires) faisant appel à des turbines à vapeur dont T2 peut être abaissée par des condenseurs refroidis par l’eau de la mer, des fleuves ou des réfrigérants atmosphériques, sont exclues quel que soit la mode de production thermique : électronucléaire, charbon, fioul, gaz.
  •         Les centrales à turbines à gaz auraient pu convenir, mais leur évolution vers les centrales à gaz à cycle combiné (un étage amont à combustion interne avec une T2 élevé qui devient la T1 de l’étage aval à vapeur) a débouché sur une T2 aval très basse permettant une amélioration spectaculaire du rendement, mais excluant la cogénération.
  •         Les installations de production électrique locales de petite ou moyenne taille à moteur diesel ou à gaz (naturel ou bio) dont le rapport de détente est limité, donc T2 assez élevée, sont propices à la cogénération.
Conclusion :

La cogénération est une amélioration relative permettant sans surcoût excessif, d‘ajouter une production thermique à une production électrique de rendement basique, mais le but premier en matière énergétique reste l’amélioration des rendements aux différents niveaux, et non de faire un bon usage d’un médiocre rendement.

La cogénération s’est néanmoins développée, notamment en Europe du nord, car elle améliore le rendement des moyens de production électrique décentralisés, bien que cette décentralisation soit une erreur stratégique majeure : comme pour tous les produits industriels, la production électrique de masse assure une haute mutualisation de moyens performants, et donc, finalement, une moindre trace carbone.

Message

La cogénération est souvent considérée comme étant presque verte en ceci qu’elle permet de disposer d’énergie thermique s’ajoutant à l’énergie électrique sans augmenter la consommation d’énergie primaire. Et l’on voit ce procédé équiper des éco-quartiers, être paré de toutes les vertus, et être envisagé dans des applications impossibles. Faisons la part des choses…

Base théoriques : Carnot-Clausius (2ème principe de la thermodynamique)

Les travaux de l’ingénieur français Sadi Carnot (1796 – 1832) sur l’énergie mécanique que les « machines à feu » sont capables de fournir, l’amènent à poser en 1823, à 27 ans, les bases qui conduiront au deuxième principe de la thermodynamique, en affirmant que :
  •    l’énergie mécanique pouvant être tirée de la chaleur ne dépend que de la différence des températures (et non pas des pressions) entre le début et la fin de cycle,
  •         le gaz ou fluide utilisé est indifférent,
  •         le cycle idéal, c’est-à-dire sans transfert indésirable de chaleur, doit être parfaitement réversible,
  •         dès lors, le mouvement perpétuel est impossible.



Sadi Carnot en uniforme de polytechnicien

Son ouvrage, dépourvu de bases mathématiques, mais étonnamment pertinent à une époque où la physique et la chimie étaient encore balbutiantes, resta toutefois méconnu jusqu’à ce qu’il soit redécouvert une génération plus tard, bien après sa mort, par les physiciens anglais William Thomson annobli en Lord Kelvin, 1824 – 1907), et allemand Rudolf Clausius (1822 - 1888) qui le complétèrent par l’échelle de température absolue, dite Kelvin, et par formule :  E = Q (1-T2 / T1) dans laquelle :
  •          Q est la quantité de chaleur (en joules) utilisée pour chauffer un fluide (la vapeur d’eau à cette époque)
  •          T1, dite source chaude, est la température absolue du fluide thermodynamique en début de cycle
  •          T2, dite source froide, est la température absolue du fluide thermodynamique en fin de cycle,
  •         E (en joules) est l’énergie mécanique maximum théorique qu’il est possible d’obtenir entre le début et la fin du cycle


William Thomson anobli en Lord Kelvin


Rudolf Clausius

Un bon rendement nécessite donc T1 aussi élevé que possible, et T2 aussi bas que possible, d’où l’usage dans les cycles utilisant la vapeur d’eau, de condenseurs refroidis par la mer, ou l’eau d’un fleuve, souvent après passage dans un réfrigérant atmosphérique. Ces derniers (photo ci-dessous) ne sont qu’une cascade dans laquelle une petite partie de l’eau du fleuve s’évapore en refroidissant le reste.  

Clausius généralisa ce principe par la notion d’entropie en 1865 définie comme :
S = ∫cycle dQ / T
 Dans laquelle :
·         S est l’entropie, en joules par degré
·         dQ est l’élément de transfert indésirable de  chaleur
·         T est la température absolue au moment du transfert
Selon cette définition, un cycle de transformation parfaitement réversible est à entropie nulle.

Insistons sur le fait que ces principes sont universels et s’appliquent quels que soient les fluides ou les mélanges de fluides considérés, et leurs changements d’états. L’énergie mécanique récupérable est un maximum théorique qui serait obtenu par une machine idéale sans frottements, sans échanges thermiques indésirables, avec des transformations réversibles, dites « isentropiques » sans laminage, ni turbulences. L’énergie mécanique effectivement récupérée est donc significativement inférieure à ce maximum théorique.

Rendement d’une conversion thermique / mécanique

Notations :
  •        Q1 est la chaleur fournie par la source chaude à la température T1
  •     Qp est la chaleur perdue par frottements, transferts de chaleur indésirables, turbulences et et irréversibilités dans le fluide,
  •          Q2 est la chaleur restituée à la source froide à la température T2

 Le rendement théorique d’un cycle de Carnot-Clausius dans la transformation de chaleur en énergie mécanique est :
η = E/Q1 = 1- T2/T1 = (Q1 - Q2)/Q1

Le rendement réel peut s’écrire :  
η = (Q1 – Qp - Q2)/Q1 = 1- Q2/Q1 – Qp/Q1

Cette expression montre bien qu’un cycle de Carnot-Clausius réel produit de la chaleur de deux manières :
  •       Chaleur restituée à la source froide, c’est à dire Q2 = Q1T2/T1, disponible à la température T2 relativement basse. C’est par exemple la chaleur des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne (à pistons ou à turbine)
  •     Chaleur Qp perdue comme indiqué ci-dessus, évacuée principalement l’eau de refroidissement dans les moteurs à combustion interne.


Rendement d’une cogénération

La cogénération est la réutilisation des pertes thermiques d’un cycle de Carnot-Clausius réel aux fins d’application en chauffage. Pour que ceci ait un intérêt, encore faut-il que Qp et Q2 soient disponibles à des températures notablement supérieures à la température ambiante.

L’expression usuelle du rendement d’une installation de cogénération qui additionne les énergies électrique et thermique produites avant de les rapporter à l’énergie thermique primaire est fallacieuse, car seule la part de cette chaleur disponible à une température suffisamment élevée doit être prise en compte : l’eau tiède est difficilement utilisable, sinon pour élever des crocodiles à Pierrelatte à partir de l’eau réchauffée par les condenseurs de la centrale nucléaire du Tricastin à proximité immédiate, intéressante dans son principe, mais assez peu commune.

On peut toujours augmenter la chaleur Q2 en relevant la température T2 de la source froide, mais dans ce cas, une forte proportion de la chaleur ainsi récupérée sera à déduire directement de la production d’énergie mécanique. En théorie, c’est même la totalité, mais en pratique pas tout à fait, car Qp baisse aussi.

Il s’en suit qu’en règle générale, la cogénération :
  •       N’est pas applicable aux turbines à vapeur pour lesquelles on maîtrise le rapport de détente, et donc T2 dont la température est fixée un peu au-dessus de celle du fluide utilisé pour le refroidissement du condenseur, ce qui exclut toutes les centrales électronucléaires, au charbon et au fioul, et les anciennes centrales au gaz, ainsi que les centrales au gaz « vert » (méthane agricole) ou à la biomasse (bois et déchets végétaux).
  •    Est applicable uniquement aux moteurs à combustion interne dans lesquels le rapport de détente :
    •        est fixe et égal au rapport de compression, comme les moteurs diesel
    •        ou est  trop coûteux à augmenter, comme les turbines à gaz
ce qui amène à des températures d’échappement élevées, et donc réutilisables.

Tour d’horizon de ces principes

Le tableau ci-dessous récapitule les principales installations de transformation de chaleur en énergie mécanique, en donnant pour chacune leurs principales caractéristiques.


Le haut du tableau regroupe les installations à combustion interne, et les bas, celles à combustion externe.

Toutes ces installations consomment de la chaleur d’origine fossile ou nucléaire, et produisent de l’énergie mécanique. Dans tous les cas ci-dessus, cette énergie mécanique est transformée en énergie électrique par un alternateur dont le rendement est excellent, sauf les véhicules qui utilisent directement l’énergie mécanique pour leur propulsion, mais ceci ne change rien aux principes.

Nous avons vu que pour avoir un bon rendement de conversion, il faut que le fluide thermodynamique parte d’une température aussi élevée que possible, et parvienne par détente à une température aussi basse que possible. Examinons les limites :

La limite de température élevée T1 peut résulter de contraintes :
  •          De la physique dans les moteurs à pistons à combustion interne : un mélange stoechiométrique (proportions optimum) d’air et de carburant donne une température élevée, mais qui est ce qu’elle est. On ne peut pas l’augmenter, mais on peut la diminuer en réduisant la proportion de carburant. On pourrait l’augmenter en remplaçant l’air par de l’oxygène pur, pour un prix évidemment dissuasif, et en tombant probablement dans le problème ci-dessous.
  •          De la technologie : la température limite d’utilisation des matériaux constitutifs d’une turbine à gaz ou du cœur d’une centrale nucléaire, et particulièrement de ceux qui sont mobiles (aubes des turbines) : contrairement à ceux d’un moteur à pistons, les éléments d’une turbine, constamment immergés dans le fluide thermodynamique, sont à la même température que lui et soumis à une très forte force d’inertie (appelée à tort « centrifuge »).
  •          Dans le cas des machines à combustion externe (générateur de vapeur des centrales à charbon, à fioul ou nucléaires à eau primaire pressurisée, dites « EPR »), de la présence d’un échangeur qui réduit un peu T1.

La température basse T2 résulte de la température initiale et du rapport de détente adiabatique :
·   Pour les moteurs à pistons à combustion interne, qu’ils soient diesel ou à gaz naturel ou biogaz, T2 ne dépend que du rapport de détente, et reste toujours inférieur à l’optimum. On peut augmenter ce rapport au prix d’une perte de puissance par le cycle d’Atkinson, rarement utilisé. Le gaz en fin de cycle est encore très chaud, faute de détente suffisante, et cette chaleur est réutilisable :
o  pour le chauffage dans la totalité des véhicule. En fait, les pertes par l’eau de refroidissement Qp (frottements dans le cylindre et pertes de chaleur indésirables ne résultant pas de Carnot-Clausius,) sont suffisantes et plus faciles à utiliser. Le chauffage d’habitacle (à l’exclusion de la climatisation) est donc gratuit : il n’augmente pas la consommation.
o     pour de la cogénération par récupération de la chaleur des gaz d’échappement (Q2) par un échangeur. Cette chaleur s’ajoute à celle (Qp) résultant de l’eau de refroidissement et peut être utilisées pour du chauffage urbain.


·      Pour les turbines à gaz simples, le rapport de détente n’est limité que par le coût d’un nombre plus élevé d’étages de turbine. T2 n’est pas très élevée, et la chaleur disponible seulement à l’état gazeux. La récupération est possible, mais peu usitée.
·      Pour les turbines à gaz à cycle combiné, T2 est très bas, ce qui leur permet d’afficher plus de 55% de rendement, un chiffre jamais égalé auparavant, toutes technologies confondues, avec pour contrepartie l’impossibilité de récupérer la chaleur d’une eau à peine tiède : pas de cogénération possible.


Conclusion :

La cogénération est une amélioration relative permettant sans surcoût excessif, d‘ajouter une production thermique marginalement gratuite à une production électrique de médiocre rendement.  Le but premier en matière énergétique reste l’amélioration des rendements aux différents niveaux, et non de faire un bon usage d’un médiocre rendement, surtout si l’on cherche prioritairement à réduire les émissions de CO2.

Exemple : si on chauffe un bâtiment avec de l’électricité produite par une centrale à gaz à cycle combiné (rendement 55%) alimentant des pompes à chaleur aérothermiques (rendement 200%) on arrive à un rendement global de 110%, plus de deux fois supérieur au rendement global d’une centrale de cogénération, et à émettre moitié moins de CO2.

La cogénération s’est néanmoins développée, notamment en Europe du nord, car elle améliore le rendement des moyens de production électrique décentralisés, bien que cette décentralisation soit une erreur stratégique majeure : comme pour tous les produits industriels, la production électrique de masse assure une haute mutualisation des moyens, et donc :
  •      une moindre puissance installée nécessaire (tous les abonnés ne consomment pas en même temps)
  •       un moindre investissement à puissance égale par effet d’échelle ( un alternateur de 1 GW ne coûte pas 100 000 fois plus cher qu’un alternateur de 10 KW)
  •          un meilleur rendement (≈ 99,9% à 1 GW, contre ≈ 90% à 10 KW)
  •          et une moindre trace carbone, surtout si l’on se décide à fixer un prix universel du CO2. 


samedi 11 juin 2016

LAMPIRIS : une électricité verte ?





Ce distributeur fait actuellement beaucoup de publicité pour son énergie verte. Sur son site, il se présente :
« Lampiris est un fournisseur indépendant d’électricité renouvelable et de gaz naturel. Il est actif sur le marché belge depuis 2005 et y est aujourd’hui le troisième acteur derrière GDF-SUEZ et EDF.
Fort de 200 000 compteurs en France, Lampiris y commercialise depuis novembre 2011, du gaz naturel et de l’électricité 100% renouvelable aux particuliers et aux professionnels à des prix très compétitifs.
Avec Lampiris, les énergies renouvelables sont la solution d'avenir, sur le plan écologique, mais aussi économique! »

Ses publicités comportent en petites lettres, illisibles sur leur site, mais lisibles sur les affiches, des précisions juridiques importantes :
« *Electricité 100% verte = Electricité 100% renouvelable d’origine française produite à partir d’installation hydraulique : la totalité de l’électricité vendue aux clients Lampiris est couverte par des garanties d’origine achetées en fin d’année civile. A l’aide de ce mécanisme, Lampiris garantit que de l’électricité d’origine renouvelable a été produite et injectée sur le réseau en quantité équivalente à la consommation des clients de Lampiris. Détails sur lampiris.fr . »

Que faut-il en penser ?

Mix énergétique

L’énergie électrique de réseau ne pouvant pratiquement pas être stockée (à l’exception des STEPs limitées par les sites possibles), la production injectée dans le réseau est simultanément consommée de façon indifférenciée par l’ensemble des utilisateurs. L’excellent site « eco2mixrte » de l’opérateur de réseau RTE donne en temps réel, par pas de ¼ d’heure, tous les détails du mix énergétique français et des transferts entre régions,  avec leur historique sur plusieurs années.

A chaque instant, la production est assurée par de nombreuses filières auxquelles l’opérateur de réseau fait appel selon la consommation constatée, dans un ordre bien déterminé :
  • D’abord l’éolien et le photovoltaïque, fatales puisqu’on ne maîtrise pas leur production, qui bénéficient d’une priorité d’écoulement en dépit d’un prix garanti très élevé,
  • Puis les énergies dont le coût est le plus bas : hydraulique au fil de l’eau et nucléaire,
  • Puis, si nécessaire, les énergies utilisant des énergies fossiles : charbon, fioul, gaz et aussi les centrales hydrauliques de pointe (haute chute) ou éclusées (basse chute).
  • Sans oublier des disparités régionales dues aux coûts et aux limites de capacité de transport du réseau.

 Contractuellement vert ou pas ?

Le caractère vert de ces filières est très différentié :
  • Les énergies fossiles émettent beaucoup de CO2, particulièrement le charbon, le gaz étant de loin meilleur, mais pas exempt.
  • Le nucléaire n’en n’émet pas, il est « décarboné », mais pas tout à fait renouvelable car les réserves mondiales d’uranium ne sont pas infinies, quoique de très longue durée à travers des variantes techniques (surgénérateurs, thorium).

Si l’on veut être strictement vert, il ne reste plus que quatre filières :
  • L’hydraulique, en partie aléatoire
  • L’éolien, aléatoire et peu prévisible
  • Le photovoltaïque, contra-cyclique et dont la prévisibilité n'est limitée que par  la nébulosité.
  • La géothermie profonde, encore balbutiante, et limitée à certaines régions favorables.
Malheureusement, mêmes prises toutes ensemble, elles ne peuvent assurer ni le volume, ni même la continuité de la production. Dans ce contexte, prétendre ne vendre que de l’énergie électrique verte est une gageure ! Comment fait Lampiris ?

La réponse est simple : il ne le fait pas, car il ne s’est pas engagé à la faire !

Relisons attentivement son engagement :
« *Electricité 100% verte = Electricité 100% renouvelable d’origine française produite à partir d’installation hydraulique : la totalité de l’électricité vendue aux clients Lampiris est couverte par des garanties d’origine achetées en fin d’année civile. A l’aide de ce mécanisme, Lampiris garantit que de l’électricité d’origine renouvelable a été produite et injectée sur le réseau en quantité équivalente à la consommation des clients de Lampiris.

Cet engagement est clair, mais limité : une production verte équivalente a été injectée sur le réseau, mais il n’est dit nulle part que cette injection ait été simultanée avec la consommation. Il ne dit pas non plus que l’électricité vendue au client est verte, mais seulement qu’elle est couverte par de l’électricité d’origine hydraulique, supposée verte, injectée antérieurement dans le réseau.

Lampiris tient certainement ses engagements contractuels ainsi rédigés, qui sont trop subtils pour être compris par le particulier. Ce système de couverture pourrait être vert  uniquement si :
  • L’énergie électrique était stockable, ce qui n’est pas nullement le cas,
  • Ou si le mix énergétique était constant, ce qui n’est pas le cas non plus, et de loin.
Les consommations et les mix énergétiques sont constamment variables selon les circonstances (température, activité, hydrologie, vent, soleil, marées…) et selon les régions. Les différents producteurs injectent leur puissance dans un réseau unique. Le pompage, en France ou en Suisse, utilise l’énergie nucléaire française pour produire un supplément d’énergie hydraulique (verte ?). Seuls les chiffres globaux ont un sens, et aucun distributeur ne peut alléguer que son électricité, qui vient du réseau unique, est plus verte que celle de ses concurrents : tout dépend du moment et du lieu de consommation par l’utilisateur, ce dont le distributeur ne peut pas préjuger !

La publicité de Lampiris est critiquable en ceci que la définition « sur mesure » citée plus haut de « L’électricité 100% verte » ne correspond pas au sens commun : dans le texte ci-dessous, aucun utilisateur ne comprendra que l’énergie qui lui sera vendue n’a rien à voir avec elle qui a été acheté par Lampiris : elle sera au contraire évidemment fournie par un réseau dont le mix est ce qu’il est au moment de la consommation, y compris pendant les pointes au cours desquelles les filières fossiles tournent à plein, et l’électricité importée est issue de filières généralement pas vertes. Par surcroît, l’origine 100% française sera alors inexacte. Aucun lecteur ne remarquera que la garantie porte sur "chaque MWh produit" (avant et ailleurs), et non pas "vendu"!


Que faire ?

Ceci étant, l’électricité revendue par Lampiris n’est pas non plus moins verte que celle de ses concurrents, et l’utilisateur préoccupé par la planète pourra donc s’abonner chez eux après avoir vérifié l’avantage compétitif mis  en avant par Lampiris, ce que nous n’avons pas cherché à faire. Il se consolera en se rappelant que le MWh français  est le moins émetteur de CO2 de la planète, et notamment 10 (DIX) fois moins émetteur qu’un MWh allemand, malgré les énormes parcs éolien et photovoltaïque de ce pays. Il peut donc être consommé sans se poser trop de questions !

Pour accroître la part d’électricité verte de sa consommation, l’écologiste intégriste devra :
  • Habiter en France,
  • Mais ni en Bretagne, ni en PACA dépourvues de centrales nucléaires et donc plus émettrices de CO2,
  • Avoir en permanence le graphe du mix énergétique RTE sur l’écran de son ordinateur
  • Couper tous ses consommateurs dès que la part fossile dans le mix dépasse un seuil qu’il aura lui-même fixé (évidemment à moins de 8% qui est la moyenne annuelle nationale)
  • Accepter de consommer de l’électricité nucléaire toujours majoritaire en France, ou  résilier son abonnement !
Bon courage !

dimanche 2 février 2014

Problématique du stockage de l'énergie électrique


Consommation et production électriques

La consommation électrique varie constamment selon :
  • la température (chauffage ou climatisation),
  • la luminosité naturelle (éclairage),
  • l’activité professionnelle humaine (consommation agricole, industrielle ou tertiaire),
  • l’activité domestique (électroménager, numérique).
Les variations sont de période annuelle (climat, vacances), hebdomadaires, quotidiennes, ou aléatoires, et pas totalement prévisibles. Les crêtes résultent d’une conjonction de facteurs de consommation élevée, survenant avant le lever ou après le coucher du soleil, un jour ouvrable très froid. Elles sont relativement brèves, de l’ordre de 1 à 4 heures, mais conditionnent (à l’importation près) la puissance nécessaire des moyens de production installés, fussent-ils le plus souvent inutilisés. La puissance consommée en France  varie ainsi de 30 Gw à plus de 100 Gw. Les variations peuvent être relativement rapides au cours d’une même journée.

La disponibilité de la production varie du tout au tout selon les filières de production. Par ordre de disponibilité décroissante :
  • Les centrales thermiques, même utilisées un faible pourcentage du temps, sont néanmoins capables de produire leur puissance nominale en continu, et présentent peu d’inertie, notamment les centrales à gaz capables de monter en puissance en quelques minutes.
  • Les réacteurs nucléaires PWR sont capables de produire à leur puissance nominale de façon continue, sauf arrêts de maintenance, et de moduler leur puissance au cours de la journée au prix d'une baisse de rendement du combustible, mais leur forte inertie ne leur permet pas de suivre les  variations les plus rapides de la  puissance consommée.
  • Les centrales hydrauliques sont de disponibilité très variable, entre l’optimum de la centrale de haute chute avec lac disponible à tout moment pour une durée limitée, à la centrale au fil de l’eau ou marémotrice, dont l’énergie est « fatale » (= on ne maîtrise pas sa production).
  • Les nouvelles énergies vertes (éolien et photovoltaïque) sont totalement fatales et ne produisent en moyenne que 15% (photovoltaïque) à 25% (éolien offshore) de leur puissance nominale. En outre elles ne sont pas totalement prévisibles (vent, nébulosité).
Equilibrage du réseau

L’opérateur de réseau doit utiliser les sources disponibles pour satisfaire exactement la consommation à chaque instant. Par surcroît, il doit le faire en respectant la réglementation qui prévoit l’écoulement prioritaire des productions éoliennes et photovoltaïques, et en recherchant l’optimum économique et écologique, c’est à dire le moins possible de thermique, coûteux et émetteur de CO2 et de polluants atmosphériques.

Rappelons que le réseau français est interconnecté, et qu’en conséquence il n’y a pas de lien direct entre le lieu de production et le consommateur. Pour autant, contrairement à une idée courante, le transport de l’énergie électrique est coûteux (pertes en ligne) et limité (capacité de lignes).

Pratiquement, l’opérateur :
  • utilise constamment la production verte à tarif administré, ainsi que l’énergie hydraulique au fil de l’eau (non modulable), quand elles existent, car ces énergies fatales sont en France loin de satisfaire même la demande la plus basse qui se situe vers 30 GW,
  • répond au plus gros de la demande par la production électronucléaire, en mettant en service le nombre de réacteurs voulu,
  • complète ensuite la puissance (pour pallier aux variations erratiques de la demande et des productions fatales) par la production hydraulique, qui a très peu d’inertie et est facilement modulable, dans les régions pas trop éloignées des reliefs où sont les centrales,
  • ne recourt au thermique que dans les régions où il n’y a pas d’autre choix (Bretagne, PACA) ou pendant les pointes de consommation, où tous les moyens disponibles sont mobilisés
  • exporte et recourt au pompage quand la consommation est faible, et importe pendant les crêtes (75 Gw).

Le diagramme ci-dessus résulte de ce qui précède. Il donne l’origine de la production selon la puissance totale consommée, et l’occurrence de cette dernière. Ainsi, pendant 4 600 heures par an (en abscisses), la puissance consommée (en ordonnées) est supérieure ou égale à 60 Gw. Cette dernière est équilibrée par l'adition 45 Gw de nucléaire, 54 – 45 = 9 Gw d’hydraulique, et 60 – 45 - 9 = 6 Gw de thermique. EDF ne publiant pas ce niveau de détails, il s’agit d’ordres de grandeur interpolés par l’auteur et cohérents avec les chiffres 2010 publiés (occurrence vs. puissance, production moyenne et maximum par filière, importations, exportations…). La courbe (ocre) de consommation du chauffage électrique y figure, avec un maximum de 30 Gw qui contribue largement à l’amplitude de variation, propre à la France. A titre indicatif, le chauffage thermique (courbe bleu ciel) culmine à 50 Gw.


Intérêt du stockage

Il ressort de ce qui précède que :
  • La capacité de production nucléaire, dont le coût marginal est extrêmement bas, n’est pas utilisée à son maximum. Une capacité de stockage permettrait de produire plus d’énergie avec les mêmes investissements, au moindre coût (sous réserve du prix et du rendement du stockage) et sans émissions atmosphériques.
  • Si l’on continue à développer les nouvelles énergies renouvelables fatales, il arrivera que leur production excède la consommation à son étiage. Sauf à la revendre à un prix négatif (c’est arrivé un dimanche matin de l’été 2013 en Allemagne), il sera nécessaire de la stocker.
  • La présence d’énergie électrique en stock permettrait de réduire, et à la limite de supprimer, le recours aux filières thermiques dont les combustibles fossiles verront leur prix augmenter fortement avec leur raréfaction.
  • Si, selon la thèse politique écologiste, on renonce à la fois au nucléaire et au thermique, le stockage des énergies fatales devient le problème critique, et ce, à une échelle gigantesque.
Rendement et coût du stockage

Nous nous plaçons ici dans le cas d’un vrai stockage partant de l’énergie électrique et y retournant. Une installation de stockage est dimensionnée par :
  • Une capacité de stockage en mégajoules ou kilowattheures (1 Mj = 3,6 Kwh)
  • Une puissance d’entrée, dont dépend le temps d’entrée = capacité / puissance d’entrée
  • Une puissance de restitution, en kilowatts, pas nécessairement identiqueà la précédente, dont dépend le temps de restitution = capacité résiduelle après dissipation / puissance de restitution.

 Le stockage nécessite :
  • Une entrée en stock correspondant à une transformation dont le rendement est  ηe
  • Un stockage dans le temps qui peut s’accompagner ou non, selon le procédé, d’une dissipation de l’énergie en stock (électrique, mécanique, chimique ou thermique) plus ou moins rapide, aboutissant à un rendement ηs qui dépend du temps de stockage.
  • Une restitution qui nécessite une nouvelle transformation dont le rendement est ηr
Ces opérations ont aussi des coûts,
  • d’amortissement des installations, d’autant plus élevés que le taux d’utilisation sera faible, et que la durée de vie sera courte,
  • et d’exploitation, comme pour toute installation, notamment de maintenance,
  • que l’on peut considérer globalement.
Il s’en suit un calcul simple du prix du Mwh restitué, somme de deux termes :
  • Prix « énergie » du Mwh restitué  = Prix du Mwh entré / ( ηe ηs ηr)
  • Prix du stockage par Mwh restitué = Coût du traitement + Amortissement
Ce résultat est loin d’être neutre, car il vient toujours augmenter fortement le prix de l’énergie restituée. Par exemple, ordres de grandeur pour 1 Mwh :
  • Pour un stockage simple (genre STEP) de l’énergie nucléaire existante : 
    • 30 € / [(pompage = 90%) x (pas de dissipation = 100%) x (turbinage = 90%)] + 50 € = 87 €, qui peut être actuellement compétitif par rapport à du thermique, et est vendable en pointe.
  • Pour un stockage complexe (genre hydrogène) de l’énergie éolienne :
    • 200 € / [(électrolyse = 60%) x (pas de dissipation = 100%) x (Pile à combustible = 50%)] + 300 € = 967 €, qui n’a aucune chance d’être compétitif à un horizon prévisible.
Il va de soi que le stockage n’a d’intérêt que si le coût de l’énergie restituée (qui dépend du coût de l’énergie d’entrée) reste inférieur à celui d’autres moyens de production directe également pénalisés par leur taux d’utilisation bas.

Filières de stockage


Chacune de ces filières fait  ou fera l’objet d’un message dédié, accessible par l'un des liens ci-dessous:

Conclusion

Seules les STEPS actuellement envisageables dans le cas général, parfois les volants d’inertie dans certains cas très particuliers.

La réduction des crêtes est plus efficace et plus écologique que le stockage, avec 3 solutions principales :
  • L’efficacité énergétique (rendement des appareils, pompes à chaleur, isolation thermique)
  • Le chauffage biénergie recourant au thermique pendant la seule durée des pointes
  • Une tarification en « yield management » basée sur les coûts réels de production et pénalisant ainsi la consommation pendant les crêtes.
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