Les énergies renouvelables sont pensées aujourd’hui comme la pierre angulaire de la transition énergétique. Pourtant, le soleil ne brille pas la nuit et le vent n’est pas toujours au rendez-vous. Alors pourquoi et comment ces technologies jouent-elles un rôle important dans nos trajectoires énergétiques visant à la neutralité carbone en 2050 ?

L’électricité ne représente aujourd’hui qu’environ 20% de notre mix énergétique mondial. Le reste est constitué essentiellement des énergies fossiles que nous utilisons soit en combustion, par exemple pour les moteurs, soit sous forme de matière première pour la pétrochimie, notamment pour fabriquer des plastiques. Aujourd’hui, l’électricité est encore produite majoritairement en utilisant des énergies fossiles : charbon (38%) et gaz (23%). Viennent ensuite l’hydroélectricité (16%), les autres énergies renouvelables (10%), et le nucléaire (10%).

La combustion des fossiles produit l’essentiel de nos émissions (80%), l’agriculture et le changement d’usage des sols (notamment la déforestation), étant responsables du solde. Il est donc nécessaire d’arrêter rapidement de brûler des énergies fossiles, mais cela signifierait perdre plus de 75% de notre production énergétique actuelle, pour revenir au niveau de 1950, lorsqu’il y avait moins de 2,5 milliards d’humains, contre près de 8 milliards aujourd’hui. Et selon les dernières projections, un pic à 9,5 milliards est à prévoir en  2065.

L’objectif de la transition énergétique est donc double : d’une part développer des stratégies pour consommer moins d’énergie, d’autre part assurer la couverture des besoins énergétiques restant en remplaçant les fossiles par d’autres sources faiblement émettrices.

Electrification

De nombreuses technologies existent, par exemple : l’éolien, le solaire, le gaz vert, le nucléaire, l’hydraulique, la géothermie, la biomasse, ou encore les biocarburants.

La majorité d’entre elles servant à produire de l’électricité, celle-ci va donc devenir le principal vecteur énergétique de la transition, obligeant à remplacer en conséquence nos infrastructures et nos équipements. Or ceux-ci nécessitent aussi de l’énergie pour être produits, et ils génèrent également des impacts environnementaux, certes incomparablement moindres que les énergies fossiles. Des stratégies permettant de limiter ces pressions doivent ainsi être mises en place, comme la sobriété, les économies d’énergie, l’efficacité énergétique, le recyclage.

En parallèle de l’électrification des usages, nous devons décarboner nos réseaux électriques, en remplaçant les centrales fossiles par des technologies bas carbone.

Quels scénarios de mix énergétique pour une trajectoire à + 1,5°C ?

Pour aider au pilotage de nos politiques climatiques, des scénarios de mix énergétiques sont élaborés par différents acteurs, comme les institutions publiques nationales et internationales, des associations, des universités ou des laboratoires. Ces scénarios proposent des trajectoires de déploiements technologiques pour arriver, sur la base de différentes hypothèses à ne plus émettre de gaz à effet de serre en 2050.

Ces différents scénarios présentent naturellement tous des incertitudes et des hypothèses discutables. Néanmoins, ils convergent sur au moins 2 points :

  1. La part de l’électricité au sein du mix énergétique mondial doit atteindre au moins 50% d’ici 2050
  2. Les énergies renouvelables vont fournir la majorité de cette électricité

Plusieurs raisons expliquent cette prépondérance des renouvelables, et notamment :

  • faible LCOE[1]
  • simplicité technique
  • facilité de déploiement industriel en volume et dans tous les pays
  • faibles impacts environnementaux, comparativement à d’autres solutions
  • diversité des modes de financement
  • effet d’entrainement technologique

Des points d’attention ont été identifiés, dont les besoins et l’accès aux matières premières, et des stratégies de réponses sont développées, comme le recyclage, de nouveaux procédés d’extraction, ou diverses améliorations technologiques.

Comment fonctionne un système électrique à fort taux de pénétration des renouvelables ?

Un tel système, utilise en priorité les flux d’énergie des renouvelables (vent, soleil, …), qui sinon seraient perdus ou devraient être stockés. On regarde alors les meilleures stratégies pour couvrir la demande résiduelle, c’est-à-dire la demande diminuée de la production renouvelable.

Plus le taux de pénétration des renouvelables est fort, plus la demande résiduelle est faible. Mais plus aussi nous avons besoin de flexibilité. On entend par là, la capacité du système à pouvoir s’adapter aux aléas de la production des renouvelables. Les outils varient selon la durée de ces aléas : de la seconde, jusqu’à la semaine, voire l’année.

Ce système repose essentiellement sur :

  • un taux de pénétration des renouvelables élevé, pouvant être surdimensionné pour faire du couplage sectoriel et diminuer la demande résiduelle
  • une demande partiellement flexible (par exemple : la production d’hydrogène peut être aléatoire et stockée pour une utilisation ultérieure)
  • des centrales et des équipements pilotables et flexibles en « miroir » des capacités renouvelables pour couvrir la demande inflexible restante, en fonction des aléas de la production renouvelable. Parmi ces équipements, on trouve les batteries, les STEP ou les centrales au gaz vert, dont les facteurs de charge seront faibles, ce qui nécessite la mise en place de conditions de marché adaptées pour assurer leur financement.

Les interconnexions électriques permettent également d’effectuer ces optimisations offre/demande à l’échelle d’une plateforme géographique plus large, ce qui permet de réduire les coûts des systèmes.

Nous allons illustrer 3 principes de fonctionnement en nous servant d’une simulation avec 100% de renouvelables, pour la France et en hiver.

1 : le solaire est surdimensionné, ce qui permet de bénéficier du maximum possible sur l’année. Lorsque la production dépasse la demande, on va l’utiliser pour charger des batteries, remplir les STEP, ou produire de l’hydrogène.

2 : en l’absence de vent et de solaire, pour de grandes puissances et durées, les centrales au gaz vert prennent le relais

3 : même cas mais pour de petites puissances, on peut alors utiliser un mix batteries/STEP/centrales gaz vert

Comment faire face à un Dunkelflaute ?

Dunkelflaute est un terme allemand qui désigne ces quelques semaines pendant l’hiver en Europe avec peu de soleil et de vent.

Un tel évènement est donc couvert par les centrales au gaz vert. Selon les simulations, si les puissances installées peuvent être importantes, l’énergie nécessaire resterait autour de 5% de la demande. Pour des questions de résilience, on peut également faire des stocks stratégiques de gaz vert équivalant à plusieurs semaines.

Prenons le cas de l’Allemagne. Puisqu’elle vise un système avec 100% de renouvelables, elle doit disposer de centrales au gaz avec des puissances suffisantes pour couvrir, en miroir, une partie de la demande inflexible (couverte également par la biomasse, l’hydraulique, et le stockage, en plus des renouvelables). Mais les simulations[2] donnent, sur la base de scénarios climatiques et pour une demande en 2045 de 1000 TWh, un besoin total de gaz vert de 60TWh, soit 6%.

L’impact du nucléaire dans nos futurs systèmes

Le nucléaire peut jouer un rôle dans le cadre de la transition :

  • Il fait baisser les besoins de flexibilité, dont les facteurs de charge des centrales au gaz vert
  • Il participe à l’allègement des pressions exercées sur les filières renouvelables

Pour évaluer sa pertinence économique, il faut comparer le coût total d’un système avec ou sans nucléaire, en fonction des hypothèses de coût des centrales. Ces simulations, permettent par exemple d’identifier des stratégies « sans regret », comme les 3 paires d’EPR (le scénario nucléaire N1 de RTE propose quant-à-lui 8 EPR pour 2050). Néanmoins la filière doit relever de nombreux défis, dont son organisation actuelle qui ne lui a pas permis de surmonter les difficultés de ces deux dernières décennies.

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[1] LCOE est le sigle anglais de Levelized Cost of Energy, signifiant « coût actualisé de l’énergie ». Il correspond au prix complet d’une énergie (l’électricité dans la plupart des cas) sur la durée de vie de l’équipement qui la produit.

[2] Agora, mai 2021