3. Les énergies variables

L’hydraulique au fil de l’eau
Il s’agit des installations hydroélectriques situées le long des cours d’eau.
La hauteur de chute est faible, mais le volume d’eau utilisé est important.
A la différence de l’hydraulique de barrage qui est pilotable, la production de l’hydraulique au fil de l’eau dépend du débit des cours d’eau.
Elle est toutefois peu variable.
Elle peut être divisée entre
– une partie constante correspondant au minimum de production assuré
– une partie de variabilité saisonnière: la production est forte au printemps, par le fait de la fonte des neiges et d’une pluviométrie importante.
Elle est relativement faible durant les mois d’août et septembre étant donné la faible pluviométrie à cette période et une fonte des neiges terminée.
– une partie de variabilité météorologique: la production au fil de l’eau sera forte après des épisodes de pluie importants au niveau national.
Les centrales à éclusée stockent de l’eau durant quelques heures dans des petites retenues, pour la libérer ensuite aux heures de pointe.

1. Le photovoltaïque

Il s’agit de la source d’énergie qui possède actuellement le plus fort taux de croissance et le plus fort potentiel, au niveau mondial.
Unité de mesure
Il s’agit de la source d’énergie qui possède actuellement le plus fort taux de croissance et le plus fort potentiel, au niveau mondial.
L’unité de puissance d’une installation photovoltaïque est le Wc ou watt crète.
Cela signifie la puissance maximale délivrée par un panneau posé à plat, le 21 juin avec le soleil au zénith.
En pratique, les panneaux étant orientés vers le Sud, une installation de 10 Wc délivre une puissance maximale d’environ 7 W.
Les types d’installation
Le photovoltaïque sur les toitures des maisons individuelles a coûté cher par rapport aux installations de moyenne et de grande taille. En effet, ces dernières permettent de réaliser des économies d’échelle importantes au niveau du matériel électrique (onduleur etc) ainsi que lors du montage de ces installations.
Elles nécessitent néanmoins des coûts de structure pour supporter les panneaux et des coûts de raccordement au réseau qui peuvent être conséquents.
L’Etat devrait faire toute la lumière sur les coûts réels pour la société de chaque type d’installation photovoltaïque.
Il est préférable, à ce jour, d’équiper d’installations photovoltaïques les grands parkings, les toitures des grands locaux professionnels tels que les hangars agricoles. Les centrales photovoltaïques au sol peuvent également être développées dans les zones de friche.
L’agrivoltaïsme
● PRINCIPE
Les fermes photovoltaïques visent un double objectif: la production d’électricité et la préservation de l’humidité des sols en période estivale, par l’ombre générée. Cela semble particulièrement nécessaire dans les décennies à venir étant donné le réchauffement climatique.

Il existe différents types de solutions agrivoltaïques.
Les centrales fixes au sol permettent peu de possibilités d’utilisation des sols en-dehors du pacage des brebis.
Les centrales dynamiques avec des panneaux ajustables situés à environ 5 mètres de hauteur permettent une meilleure gestion de l’ombre générée et davantage de possibilités de culture. Celles-ci sont en phase d’études avancées.
● CHOIX PAR RAPPORT A L’AGROFORESTERIE
Toutefois, l’agroforesterie, qui consiste à planter des haies autour des prés et des arbres au milieu des prés, est une autre solution pour préserver l’humidité des sols. Cette solution est davantage favorable à la biodiversité que l’agrivoltaïsme, notamment en ce qui concerne les oiseaux et les animaux sauvages.
Les fermes photovoltaïques affectent la biodiversité, même si cela reste limité. Des insectes grillent sur les panneaux brûlants, des oiseaux sont éblouis par les reflets du soleil sur les panneaux, et les parcs photovoltaïques étant grillagés, ils ne permettent pas le passage des animaux (sauf des plus petits).
L’agroforesterie permet une agriculture de proximité plus variée, alors que les possibilités d’utilisation des sols sous les panneaux photovoltaïques fixes sont plus limitées.
Sur les terrains en pente, les haies limitent également l’érosion des sols, qui sera de plus en plus forte étant donné le réchauffement climatique. Les canicules enlèvent de l’humidité au sol et le transforme en partie en poussière emportée par le vent. De plus, les fortes pluies qui tombent sur des sols très secs génèrent un fort ravinement.
En outre, l’agrivoltaïsme peut constituer une certaine « industrialisation des paysages » par rapport aux paysages champêtres, causant une pollution visuelle dommageable, notamment dans les zones touristiques.
● LES CHOIX
L’agroforesterie semble donc à privilégier par rapport à l’agrivoltaïsme, dont le développement effréné actuel pose question.
Par ailleurs, la couverture de tous les parkings de grandes surfaces par des ombrières photovoltaïques est évidemment à privilégier par rapport à la construction de centrales au sol.
Ne pas avoir défini cela au niveau national est particulièrement aberrant.
Derrière cela se trouve également la question de la part de nucléaire dans le mix électrique. Plus celle-ci sera élevée, moins il sera nécessaire de réaliser des centrales photovoltaïques sur des sols agricoles.

2. L’éolien

L’épineuse question de l’éolien ne se pose pas dans le département des Hautes-Pyrénées, qui est peu venté.
La pollution visuelle et sonore engendrée est indéniable.
Néanmoins, malgré ces inconvénients (cf ci-dessous) une certaine part d’éolien dans le mix électrique français semble souhaitable, étant donné le retard pris dans le programme de nouveaux réacteurs nucléaires et le fait que l’uranium 235 actuellement consommé dans les réacteurs est en quantité limité sur Terre.
L’éolien en mer produit de l’électricité de manière plus régulière que l’éolien terrestre et génère moins de pollution visuelle et sonore. Il est toutefois plus coûteux étant donné les moyens nécessaires à la construction des fondations en milieu maritime.
Le parc éolien national pourrait servir en grande partie à la fabrication d’hydrogène pour l’agriculture et l’industrie.
Remarque: ce n’est pas parce que des éoliennes tournent qu’elles produisent une importante quantité d’électricité.
Energie du vent
Une éolienne récolte l’énergie cinétique du vent par ses pales qu’elle transforme en énergie mécanique au niveau du rotor, puis en énergie électrique par un alternateur.
Or cette énergie est proportionnelle au cube de la vitesse du vent.
En effet, la formule de l’énergie cinétique d’un objet en mouvement est 1/2 * masse * vitesse au carré
(= 1/2 m V²)
Dans le cas de l’énergie du vent, le facteur « masse » correspond à la masse d’air qui arrive chaque seconde dans la surface balayée par les pales. Or, cette masse est égale à la masse volumique de l’air (masse d’un mètre cube d’air) multipliée par la vitesse du vent.
La formule de l’énergie du vent est donc 1/2 * masse volumique de l’air * vitesse au cube du vent.
Ainsi lorsque la vitesse du vent est multipliée par 2, l’énergie cinétique est multipliée par 8 (= 2 x 2 x 2).
Lorsque la vitesse du vent est multipliée par 3, la puissance délivrée par une éolienne est multipliée par 27 (= 3 x 3 x 3). Entre un vent de 20 km/h et un vent de 60 km/h, la puissance délivrée est donc multipliée par 27, ou divisée par 27 entre un vent de 60 km/h et un vent de 20 km/h.
Puissance nominale
Une éolienne est construite de telle manière à commencer à tourner à environ 20 km/h, et est bridée à une puissance nominale d’environ 50 km/h.
Entre 50 km/h et 90 km/h, elle délivre la même puissance qu’à 50 km/h.
Au-delà de 90 km/h, elle est arrêtée pour des raisons de sécurité et ne produit donc aucune énergie.
Le facteur de charge d’une éolienne est égale l’énergie produite sur une année par rapport à l’énergie qu’elle aurait fournit si elle avait tourné à plein régime en permanence.
En France, ce facteur de charge est en moyenne de 21% à 26% selon les années.
Rapport de conversion
Une éolienne capte environ 40% de la puissance du vent, puis le rendement de la conversion électrique de l’énergie est de l’ordre de 90%, comme dans une turbine hydraulique. Le rendement complet d’une éolienne est donc d’environ 35% de l’énergie du vent.

3. Avantages des énergies variables

Le coût de ces énergies variables a fortement diminué à mesure qu’un gigantesque marché mondial s’est développé.
Ces énergies sont donc aujourd’hui financièrement compétitives, à condition que les compensations de variabilité soient effectuées principalement par des centrales thermiques à combustibles fossiles. Celles-ci doivent également utiliser du combustible à un coût soutenable.
L’explosion du prix du gaz en 2022-2023 suite à l’invasion de l’Ukraine par la Russie, et à la destruction des gazoducs Nordstream 1 et 2 a montré la relative fragilité de ce modèle.

4. Inconvénients des énergies variables

La variabilité
Le photovoltaïque produit de manière intermittente et variable. A l’échelle de la France, la production varie de 1 à 2 d’un jour à l’autre, en période estivale, selon la couverture nuageuse. Cela implique des moyens de régulation conséquents.
Sa production est également limitée en automne et hiver. A l’échelle de l’année, la production photovoltaïque est beaucoup plus régulière dans le Sud que dans le Nord de l’Europe. Le rapport de production entre les mois de juin et de décembre 2023 est de 1 à 2,2 en Espagne contre de 1 à 10,6 en Allemagne.
En France, la production éolienne est extrêmement variable d’une journée, à l’autre malgré le foisonnement national, qui fait que les variations de production au niveau national sont moindres qu’au niveau local.
La production est globalement forte lors des périodes dépressionnaires et globalement faible lors des périodes anticycloniques.
L’énergie éolienne et l’énergie photovoltaïques fonctionnent en couple car elles sont en partie complémentaires.
En effet, l’éolien produit davantage en hiver tandis que le photovoltaïque produit davantage en été.
De plus, le passage d’une perturbation sur la France s’accompagne de vent et d’un ciel couvert, donc avec une moindre production photovoltaïque.
Néanmoins, la production printanière des énergies variables (solaire + éolien) est excédentaire, alors que la production en août-septembre-octobre est plus faible.
De plus, il arrive que la production des variables soit très faible alors que la demande est maximale du fait du chauffage électrique par temps froid.
Il s’agit des épisodes anticycloniques hivernaux. Un épisode de ce type se nomme « Dunkelflaute » ou « Dark doldrums » en anglais.
Cependant, la production de la somme de ces énergies est déconnectée de la demande.
En France, elle peut varier d’un jour à l’autre d’un facteur 5 alors que la demande reste constante.
Seule une partie de l’énergie photovoltaïque s’inscrit dans l’actuel surplus de consommation diurne, par rapport à la consommation nocturne.
Des compensations polluantes
Les énergies variables photovoltaïques et éoliennes sont nécessairement couplées à des moyens de production pilotables. L’hydraulique de barrage est un moyen de compensation très limité.
Les compensation sont donc principalement réalisées par des centrales thermiques à gaz et à charbon, fortement émettrices de CO2.
Celles-ci doivent être prêtes à augmenter leur production lorsque la production des variables devient faible, et que les régulations par les moyens de stockage journalier et les interconnexions sont insuffisantes.
La plupart de ces centrales fonctionnent en permanence a minima car cela est moins coûteux que de les arrêter et de les faire redémarrer un grand nombre de fois.
Cet aspect fondamental de la question des énergies variables est toujours éludé par leurs lobbyistes.
Le nucléaire diminue également sa production en période de forte production éolienne mais cela affecte sa compétitivité car cela génère davantage de travaux de maintenance (comme toute machine qui fonctionne de manière variable).

5. Défis pour ces énergies variables

Le photovoltaïque et l’éolien doivent utiliser moins de cuivre et de métaux rares et être conçus de telle manière à ce que ces dispositifs soient presque entièrement recyclables.
D’important progrès sont également attendus au niveau des batteries. Celles-ci doivent également devenir presque entièrement recyclables.

4. Gestion de la variabilité

1. Moyens d’adaptation

La flexibilité des usages
Certains usages sont flexibles. Il est notamment possible de profiter des périodes de production élevée des énergies variables pour faire fonctionner les appareils électroménagers, chauffer le cumulus d’eau chaude, recharger la batterie d’une voiture électrique. Etant donné le fort développement de ces énergies variables, en particulier l’énergie photovoltaïque, des tarifs variables de l’énergie seront inévitablement mis en place.
Les effacements
Une partie du parc éolien et du parc photovoltaïque est simplement mise à l’arrêt en période de surproduction par rapport à la demande.
On peut imaginer que mettre à l’arrêt une éolienne permet de prolonger sa durée d’exploitation car certains matériaux ne s’usent que lorsque l’éolienne est en fonctionnement. Toutefois, des études précises devraient être menées sur ce sujet.

2. Stockage à court terme

Les batteries au lithium

Il s’agit ici des batteries de grande capacité affectées à l’équilibre du réseau, généralement associées à des parcs photovoltaïques de grande capacité.
Elles constituent un nouveau moyen de stockage.
Leur rendement est de l’ordre de 92%, la durée de stockage actuellement utilisée est de 1 à 4 heures.
Elles servent principalement à atténuer, chaque jour, la montée et la descente de puissance des fermes photovoltaïques sur le réseau.
Les batteries domestiques associées aux panneaux photovoltaïques domestiques et les batteries pour voitures constituent également un moyen de stockage de l’énergie. Elles peuvent également injecter de l’électricité sur le réseau.

Les STEP

(Station de Transfert d’Energie par Pompage), dites aussi stations de pompage-turbinage.
Exemple de la STEP de La Muela 2 en Espagne (province de Valence) [aperçu en 1 minute]
Exemple de la STEP de Montézic en France (Aveyron) [présentation très approfondie en 26 minutes]
● Principe
L’eau est pompée du réservoir inférieur jusqu’au réservoir supérieur lors des heures creuses (durant la nuit et durant le week-end). Elle est ensuite lâchée au niveau du réservoir supérieur pour être turbinée au niveau du réservoir inférieur lors des heures de pointe.
Il existe environ 10% de pertes énergétiques lors du pompage et autant lors du turbinage.
Le rendement est donc d’environ 80%.
La durée de stockage aujourd’hui utilisée est comprise entre 8 et 30 heures, selon les installations.
● Evolution du rôle des STEP
Un parc de 6 STEP a été construit en France dans les années 70-80.
La puissance totale installée est de 4 GW en pompage et de 5 GW en turbinage.
Ce parc était un complément nécessaire au parc nucléaire de première génération qui ne pouvait pas effectuer de suivi de charge. Cela permettait ainsi de mieux répondre à la demande.
Aujourd’hui, ce moyen de stockage est largement mis à contribution pour compenser les fluctuations des énergies variables éoliennes et photovoltaïques.
Les STEP sont le complément idéal du photovoltaïque afin de lisser cette production électrique sur l’ensemble de la journée.
Néanmoins, les moyens français (4 GW en pompage) sont aujourd’hui largement dépassés par rapport aux capacités éoliennes (26 GW) et photovoltaïques (28 GWc) installées fin 2025.
On peut considérer, dans les scénarios de RTE, une incohérence entre les immenses capacités photovoltaïques prévues et les faibles moyens de stockage journaliers prévus.
● Le choix actuel entre giga batteries et STEP
Le coût de stockage de l’électricité par batteries a fortement diminué lors de ces dernières années à mesure qu’un gigantesque marché s’est développé.
Il se rapproche désormais de celui du stockage par pompage-turbinage, qui reste néanmoins une solution efficace et écologique de stockage de l’énergie. Cependant, le pompage-turbinage subit une moindre acceptation sociale lorsqu’il s’agit de créer de nouveaux réservoirs.
Les batteries de grande capacité sont aujourd’hui utilisées comme des accessoires des parcs photovoltaïques.
Elles permettent de lisser la croissance rapide de la production photovoltaïque lors des premières heures de production, et de lisser la décroissance rapide de cela lors des dernières heures de production.
Sans cet accessoire, les parcs photovoltaïques seraient plus difficilement intégrables au réseau d’électricité.
● Un blocage inacceptable au niveau européen
Or le stockage de l’énergie par STEP n’est plus développé en France, alors que certains pays comme la Suisse, l’Australie et surtout la Chine continuent à investir massivement dans ce domaine. EDF explique que la Commission Européenne souhaite mettre en concurrence les concessions de gestion des barrages, et que dans cette perspective, si EDF faisait des investissements dans ce domaine, cela pourrait bénéficier à d’autres entreprises. Après une vingtaine d’année de blocage, les projets semblent enfin se débloquer en 2025.
Il peut être raisonnablement reproché aux derniers gouvernements français d’avoir laisser la Commission Européenne bloquer indirectement le développement de nouvelles STEP, pourtant indispensables à l’intégration des énergies variables et à la gestion des pointes de demande.
● Opportunités dans les Hautes-Pyrénées
Le département des Hautes-Pyrénées possède la géographie nécessaire à la construction de STEP.
De grands équipements hydroélectriques à accumulation annuelle sont déjà en place.
Une STEP utilisant les lacs de Cap de Long et les lacs reliés d’Orédon et de l’Oule serait techniquement envisageable. La hauteur de chute utilisée serait d’environ 350 m.
Cela génèrerait un certain impact esthétique car les lacs d’Orédon et de l’Oule se trouveraient en partie vidés suite à une opération de pompage. Cela serait moins visible au niveau du lac de Cap de Long après une opération de turbinage, celui-ci étant de plus grande capacité.
Il serait également possible techniquement de réaliser un réservoir près de la centrale de Pragnères.
Cela permettrait de disposer d’une STEP de 1200 m de hauteur de chute.
L’énergie délivrée étant proportionnelle à la hauteur de chute (et au débit), cela permettrait d’utiliser un moindre volume d’eau à puissance et capacité électrique égale.
Cependant, l’impact environnemental de la construction du réservoir serait conséquent.
Le coût de l’installation serait également majoré par rapport à la première possibilité.

Les ballons d’eau chaude

L’énergie peut être stockée sous forme de chaleur dans des ballons d’eau chaude de capacité importante, utilisable durant plusieurs jours.

3. Moyens de compensation sur plusieurs jours

Les centrales thermiques à combustibles fossiles (gaz fossile, charbon et fioul), l’hydraulique de barrage à accumulation annuelle, de compensation sur plusieurs jours les plus utilisés.
Il s’agit, ci-après, de centrales thermiques à combustible durable (biomasse ou composé d’hydrogène), ou de pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène.

A. Les centrales thermiques électriques à biomasse

Celles-ci sont un autre moyen de compensation.
Néanmoins, l’impact carbone est conséquent étant donné les émissions émises lors de le la coupe du bois, et lors du transport. Cet impact est de l’ordre de la moitié de celui des centrales à gaz, soit environ 200 g de CO2 par kWh électrique produit.
Or la biomasse est une ressource limitée et précieuse étant donnée toutes les utilisations qui en sont faites: chauffage, matériaux de construction, alimentation, espaces préservés pour la biodiversité.
La puissance de centrales de biomasse installées doit donc être limitée et ces centrales à biomasse ne devraient fonctionner qu’en suivi de charge. Leur production doit être forte lors des périodes durant lesquelles les productions variables photovoltaïques et éoliennes sont faibles. Les centrales à biomasse fonctionnent ainsi au Royaume-Uni et au Danemark. Ce n’est pas le cas en France et en Allemagne, où elles fonctionnent en continu.
Le Royaume-Uni importe pour cela de grandes quantités de bois en provenance d’Amérique du Nord et le Danemark importe du bois du Nord Est de l’Europe. Cela a donc un impact sur la biodiversité en dehors de ces pays, là où le bois est prélevé.

B. Stockage à long terme par hydrogène

Plus précisément, il s’agit ici de dihydrogène: une molécule composée de deux atomes d’hydrogène, communément appelée hydrogène, par abus de langage.
● Le faible rendement de ce vecteur énergétique
Le stockage de l’énergie par hydrogène permet de stocker de grandes quantités d’énergie, mais ce moyen est extrêmement coûteux. En effet, le rendement complet de ce moyen de stockage est au mieux de l’ordre de 30%. Le rendement de l’électrolyse est de l’ordre de 70%, celui de la compression du gaz de 85% et celui de la pile à combustible de 50%, ce qui donne un rendement complet de 0,7 x 0,85 x 0,5 = 30%.
Il est également probable que des fuites se produisent lors des différentes étapes de ce procédé de stockage car ce gaz est extrêmement fin.
De plus, les installations relatives à la chaîne énergétique de l’hydrogène sont très coûteuses: électrolyseurs, réservoirs de stockage, réseaux de distribution et les piles à combustibles ou centrales thermiques devant réinjecter de l’électricité sur le réseau.
● Des choix politiques très douteux
Les subventions très importantes, pour le développement massif de l’hydrogène, ont été décidées au niveau européen sous l’influence de certains lobbies. Elles sont décriées par la totalité des experts indépendants du secteur de l’énergie.
Le faible rendement de la chaîne complète du vecteur hydrogène rend cette solution extrêmement coûteuse.
Même si le coût des électrolyseurs baissait significativement par le développement d’un marché important, le vecteur hydrogène resterait beaucoup trop coûteux.
L’argent public serait donc beaucoup mieux employé dans les autres moyens de remplacer les énergies fossiles (énergies renouvelables, batteries, STEP, nucléaire, équipements d’économies d’énergie).
● Moyen de transport à batterie vs à hydrogène
Remarque préalable: une voiture à hydrogène possède un moteur électrique et non pas un moteur à combustion.
Une voiture électrique à batterie possède un rendement de la source jusqu’au moteur électrique, de 80% minimum, en considérant au maximum 10% de pertes énergétiques lors de la charge et de la décharge de la batterie.
La voiture électrique à hydrogène possède un rendement à la source, jusqu’au moteur électrique d’environ 30% cf ci-dessus. Cela représente donc environ le tiers du rendement de la voiture à batterie.
Il convient de préciser que la voiture à hydrogène pèse autant que la voiture électrique à batterie. En effet, la bombonne à hydrogène + la pile à combustible + la batterie tampon pèsent autant que la batterie d’un véhicule électrique classique.
Il en va de même pour les trains sur des courtes distances.
Pourtant, la région Occitanie a décidé d’utiliser des trains à hydrogène sur la la ligne ferroviaire rénovée Montréjeau-Luchon, sur cette courte distance de 36 km. Cela est particulièrement aberrant.
Sur de longues distances, la masse de batteries à embarquer rendrait le train à batteries beaucoup trop lourd. Dans ce cas, le train à hydrogène semble la seule option possible, hors biocarburants à base de colza.
● L’hydrogène pour l’aviation

L’avion à hydrogène (H2)

Celui-ci n’en est qu’au stade expérimental.
Pourtant, le secteur de l’aviation sait depuis très longtemps qu’il doit trouver des alternatives au kérosène à base de pétrole. Mais ce secteur très polluant n’a pas été véritablement incité à devenir moins polluant, contrairement au secteur automobile.
Le kérosène est très peu taxé, contrairement au carburant pour voitures. cf le secteur aérien.

Le kérosène de synthèse

Description sur l’exemple du projet E-ECHO à Lacq.
● Autres usages plus pertinents de l’hydrogène
L’hydrogène peut être utilisée pour fabriquer de l’acier pour l’industrie, en remplacement du méthane.
Il peut également servir à fabriquer de l’engrais à base d’ammoniac pour l’agriculture.