Pourquoi la gestion d’un réseau électrique ne peut pas dépasser un certain seuil de production d’ENR, à qualité de fourniture égale ?

Sur ces pages LinkedIn, nous avons récemment lu le post d’un conseiller en politique publique de transition énergétique faire la promotion d’un mix de production à 100% ENR pour bientôt. C’est en effet alléchant ! « C’est vrai quoi ! Exploiter des centrales nucléaires, ça sert uniquement le lobby ! » Raisonnement simple, conforme à la doxa*, donc efficace pour le DOGME. (doxa* : ensemble de préjugés populaires sur lesquels se fondent la communication et particulièrement la désinformation et la propagande. La doxa est l'instrument de l'idéologie.)

Cet article fait suite à l'analyse des causes du black-out du 9 Août 2019 en Grande Bretagne (sud de l’Angleterre et Pays de Galles). Sauf informations nouvelles, il montre qu'avec 44% d'ENR couplées au réseau, au moindre événement sur le réseau, la perte de seulement 1430MW, les seuls moyens conventionnels et modulables, restés en service, n’ont pu éviter le black-out. C'est à dire une coupure d'électricité, due à un défaut de qualité de service dont le maintien est la première mission du gestionnaire de réseau. Pour comprendre ce qu'il s’est passé, il faut connaître le fonctionnement et les modalités de gestion du système électrique. C'est l'objectif de cet article. Il se veut pédagogique, les experts y trouveront des manques et des approximations, c’est normal, l’article se veut accessible aux non-initiés. 

Un réseau électrique, c’est quoi ? Un réseau électrique ne fonctionne pas comme un réseau d'eau potable. Il ne suffit pas de mettre un bidon avec de l'eau dedans, des pompes et ça marche. Et puis si une pompe tombe en panne, peu importe si la pression d'eau baisse, j'ai toujours un peu d'eau pour prendre ma douche. Et bien non ! Pour une raison simple. Pour fonctionner, tout appareil ou machine électrique a besoin d’être alimenté dans le respect de 2 grandeurs fondamentales : la fréquence et la tension. La fréquence d’abord, parce depuis Nikola Tesla à la fin du XIXème siècle, c'est le courant alternatif, avec sa fréquence, qui a été choisi. La seconde grandeur est la tension, c’est l’équivalent de la pression pour un réseau d'eau. Ces 2 valeurs sont fortement perturbées par les variations de la consommation, un peu comme le réseau d'eau. Plus il y a de personnes qui se douchent en même temps plus la pression du réseau a tendance à baisser, ça se comprend.

Plus que l’eau encore, l’électricité est difficilement stockable à l’échelle d’un pays industrialisé comme la France, techniquement, économiquement et écologiquement. Or, en cas de déséquilibre production-consommation, les 2 grandeurs, fréquence et tension, sont immédiatement perturbées. Pour que vos appareils fonctionnent, il faut régler très précisément ces 2 valeurs fondamentales, fréquence et tension électrique, chaque seconde, 24h/24, 7 jours/semaine, 365 jours/an. C'est un métier. La qualité de service de ce métier, c’est d’équilibrer en temps réel la production à la consommation par le réglage de la fréquence et de la tension, parce qu'à l'échelle d'un pays et de l'Europe, la technologie actuelle ne permet pas un stockage massif. Il existe néanmoins un moyen de stockage limité de l’électricité, avec les barrages justement. L’eau du barrage sert de stockage d’une réserve potentielle d’électricité mobilisable. Elle a ses limites suivant si le pays a ou pas les moyens naturels de stocker de l'eau.

Nota : Dans cet article, je ne parlerai que du réglage de la fréquence parce que je vais faire appel à ce que tout le monde connait la puissance (active) d'un moyen de production, c'est à dire le débit d'électricité qu'il peut fournir. Je ne parlerai pas de réglage de tension, parce qu'il fait appel à des notions mathématiques et physiques mais aussi à la grandeur de réglage, la puissance réactive, notion plus abstraite pour ceux qui n'ont pas de notions techniques. Restons simple. Sachez que le principe est exactement le même, le réglage de ces deux grandeurs ne peut se faire qu'à partir de moyens de production modulables, pas par des moyens de production qui fournissent une électricité en fonction de ce qu'ont décidé le vent et le soleil.

Réglage du déséquilibre production / consommation : réglage de la fréquence. Je prendrai donc l’analogie d’un réseau d’eau, dans lequel on cherche à régler un niveau d’eau. Le niveau, c’est la fréquence du réseau électrique. Dans les deux cas, il s’agit de maintenir l’équilibre en fourniture et consommation d’un « fluide », en ajustant un paramètre (niveau et fréquence) qui traduit les écarts entre débit entrant et débit sortant d’un système. En Europe, la fréquence est égale à 50 Hz (Hertz ou périodes par seconde) une donnée très importante à de nombreux égards, elle règle encore une grande quantité de nos horloges qui affectent nos modes de vie. Pour faire simple, vous changez quelques dixièmes de Hertz et vous n’avez plus la bonne heure ! Mais ce n’est pas le seul inconvénient, beaucoup de matériels dysfonctionneraient si la fréquence s’écartait de plus de 1 Hz. La quantité d’électricité consommée, celle d’une ampoule, de la recharge de son téléphone portable, des machines industrielles ou d'un bloc opératoire, correspond au débit d'électricité sortant consommé sur le réseau (le débit d'eau qui sort du réseau d'eau). Pour que la fréquence (le niveau d’eau) reste rigoureusement constant, quel que soit le débit sortant, il est vital que le débit entrant dans le réseau soit tout le temps rigoureusement égal au débit sortant. Jusque là ça va ? OK, on continue.

Pour un système électrique, les robinets de réglage du débit d’eau entrant, ce sont les centrales électriques dites conventionnelles (nucléaires, à charbon ou à gaz, barrages hydrauliques). Nous venons de faire le bilan des moyens de production dits modulables, ceux qui peuvent plus ou moins (je vais y venir) régler leur fourniture d’électricité comme le robinet qui règle le débit d’eau qui entre dans le réseau d’eau. Les ENR aussi apportent de l’électricité au réseau électrique. En quoi sont-elles différentes des centrales conventionnelles ? C’est que leur fonctionnement est asservi à un flux (vent ou ensoleillement) peu prévisible sinon aléatoire et totalement indifférent aux variations de la consommation d’électricité, de « l’eau qui sort du réseau d’eau ». Les ENR ne peuvent en aucun cas participer à l’équilibre production / consommation.

Modalités de gestion d’un système électrique. Regardons maintenant comme se gère un réseau. Vous avez compris qu’il faut maintenir un niveau d’eau constant, une fréquence constante, pour garantir la continuité de la fourniture d’électricité. Il appartient au gestionnaire de réseau, RTE en France, de veiller en permanence à la qualité du service attendu. A défaut, on ferme, automatiquement ou volontairement le robinet de tout ou partie des consommateurs. Cet incident, potentiellement grave par ses conséquences économiques et sociétales, s’appelle le black-out, quand ça concerne une région entière voire un pays. C’est ce qu’a vécu l’Angleterre le 9 Août 2019. En première approximation et sous réserve d’analyse plus poussée, le dysfonctionnement de la gestion de la compensation de fréquence dû au défaut initial n'était pas dû à un aléa climatique mais à un défaut de qualité de gestion du réseau. La quantité de moyens modulables disponibles pour faire face n'étaient pas suffisante pour maintenir l’équilibre consommation / production.

Pour conserver cette qualité de service, le gestionnaire de réseau détermine la prévision de consommation sur 24h en fonction de plusieurs facteurs : la date (jour de semaine ou week end), les historiques de consommation, la météo prévue (ensoleillement, chaleur ou au contraire froid), le coût de production des différents moyens disponibles etc. Il fixe les plans de charge des moyens de production modulables. Et pour pallier les incertitudes sur les prévisions de production et de consommation, il se dote de réserves de production d’énergie, de l’eau en réserve, qu’on peut solliciter en cas de besoin. Ces réserves sont de 3 natures : réserve primaire, réserve secondaire et réserve tertiaire. Elles ne concernent que les moyens de production modulables. Les ENRi ne peuvent se soumettre à des ordres de pilotage, sinon être contraintes à l’arrêt. On mesure combien l’objectif de 100% d’ENRi est utopique, mensonger ou révélateur d’une méconnaissance des conditions de fonctionnement d’un système électrique

La réserve primaire : C’est une réserve d’électricité des moyens de production modulables qui va compenser automatiquement l’accroissement ou la diminution de la consommation. Le gestionnaire du réseau programme tous les jours la puissance électrique dont il a besoin pour cette compensation, cet ajustement automatique. Chaque moyen de production règle cette plage de puissance qu’il peut fournir automatiquement sans intervention humaine. On pourrait dire que c’est suffisant. Mais non ! Parce qu’avec ce type d’apport automatique sur un nombre important de moyens de production, on pourrait avoir des phénomènes de pompage entre ces moyens de production. Pourquoi ? Chaque moyen de production voudrait régler SA fréquence, SON niveau d’eau, et entrerait en conflit avec les autres moyens de production. Pour éviter ces phénomènes de pompage, l’apport d’électricité, ou d’eau entrant dans le réseau d’eau, ne sert qu’à égaler la consommation (l’eau qui sort) à la production (l’eau qui entre). Ce moyen de réglage est défini par construction des moyens modulables. Pour les initiés, on l’appelle le statisme. Chaque machine réagit en proportion inverse de la perturbation qu’elle observe, mais elle ne corrige pas précisément l’écart de fréquence qui l’initie. En fin de réglage (30 secondes environ), il subsiste un écart sur la valeur de fréquence à régler. C’est pour cela qu’on a créé un autre échelon de réglage, c’est le réglage fréquence-puissance qui nécessite une marge de réglage, c’est la réserve secondaire. Il permet de rétablir la fréquence, le niveau d’eau, à la valeur de consigne, 50Hz.

La réserve secondaire : Comme pour la réserve primaire, le gestionnaire de réseau prévoit tous les jours la contribution des moyens de production modulables à la constitution d’une réserve secondaire de production d’électricité (les ENRi en sont incapables). Cette marge de production peut être mise en œuvre rapidement (quelques minutes) pour rétablir la fréquence. Ce mode de réglage, « semi-automatique » et contrôlé par le gestionnaire du réseau, envoie aux moyens de production modulables, un signal allant de +1 à -1 ; +1 correspondant au maximum de la marge de variation rapide que peut fournir à la hausse le moyen modulable et -1 au minimum de ce qu’il peut fournir à la baisse. Par exemple, après une augmentation rapide de consommation, la réserve primaire participe à compenser rapidement cet écart par une augmentation de la production des moyens pilotés. Si 30 secondes environ après le début du déséquilibre, la fréquence s’est stabilisée à 49,9 Hz, il subsiste un écart de fréquence de 0,1 Hz. Il faut donc rétablir la fréquence à 50Hz (le niveau d’eau qu’on cherche à régler), par un accroissement de la production, un apport d’eau supplémentaire au débit d’eau sortant. Le système de réglage fréquence-puissance envoie automatiquement un signal positif aux moyens de production modulables pour qu’ils augmentent leur production d’électricité, jusqu’à compenser l’écart initiateur.

La réserve tertiaire : Il s’agit d’électricité mobilisable rapidement, hors programme prétabli et au-delà des capacités du réglage automatique. Elle est sollicitée par le gestionnaire du système électrique, auprès des producteurs susceptibles d’en disposer, pour rétablir la fréquence, le niveau d’eau, en cas d’aléas. C’est un réglage à actions manuelles. Les barrages hydro-électriques dont les durées de mises en service sont très rapides, font partie de cette réserve tertiaire. C’est aussi le cas, par exemple d’une centrale nucléaire qui conserve une marge de production supplémentaire plus ou moins importante. Ainsi, une unité de production nucléaire maintenue à sa puissance minimale possible, « au minimum technique », peut, sous 30mn et à la demande express du gestionnaire du réseau revenir à sa pleine puissance. C’est le cas aussi, d’une centrale nucléaire volontairement arrêtée un week-end, en période de faible consommation, et qui reste mobilisable sous un préavis de X heures suivant les besoins du gestionnaire du réseau. Cette réserve tertiaire sert également à se reconstituer à moyens termes les réserves primaires et secondaires, lorsqu'elles ont ponctuellement pallier la perte d'un moyen de production qui y participait.

Je rappelle que pour la tension, le second paramètre à régler d’un réseau, c’est rigoureusement la même chose, pour autant que l’on dispose de suffisamment de moyens de production modulables, couplés au réseau qui constituent eux aussi des réserves sur leur puissance dite réactive.

Conclusion : Revenons au titre de ce post « Pourquoi la gestion d’un réseau électrique ne peut pas dépasser un certain seuil de production d’ENR, à qualité de fourniture égale ? » Si 100% d’ENR est techniquement impossible, toute qualité de fourniture égale par ailleurs comme on vient de le voir, quel est le taux maximum d’ENR, dans le mix de production en service, pour conserver cette qualité de service à laquelle les français sont, me semble-t-il, inconsciemment attachés ? Inconsciemment, parce que beaucoup de français nés après le 19 décembre 1978, date du dernier black out français dû à la gestion du réseau, ne connaissent pas les conséquences d’un black-out sur la vie courante, la vie des entreprises et l'économie d'un pays. Pour rappel, 1978 est l’année de démarrage du Parc nucléaire français soit la mise en service de 58 moyens modulables décarbonés en 20 ans, d'une puissance égale à 63 130MW. C’est sans doute un hasard. Le seuil d’ENR maximum couplés est à déterminer de manière pragmatique en conservant un % de moyens modulables couplés eux aussi, si l'on veut conserver la qualité de service. L'utopie n'a pas sa place chez un industriel au service du public. Le black out anglais du 9 Août 2019 nous en a rappelé les conséquences.