Bilan quantitatif des modes de production d’énergie électrique

Ainsi que vous avez pu le constater, parce que l’énergie est la base de multiples évolutions économiques et est de plus très controversée dans le cadre de la transition énergétique, nous avons été amenés à publier plusieurs articles ces derniers temps sur ce sujet.
Non seulement l’actualité fin 2021 (envolée générale des prix) nous a donné raison, mais la crise ukrainienne renforce encore les conséquences potentielles de ces problématiques.
Nous avons donc jugé utile de publier un tableau le plus général et le plus à jour possible de l’ensemble des données concernant ces sujets, tourné d’abord il est vrai autour de l’électricité qui apparaît aujourd’hui comme un passage nécessaire sinon obligé dans de nombreux cas.
Des tendances lourdes persistent mais on commence à voir se dessiner les nouveaux axes de la scène énergétique mondiale. Ces tableaux de données devraient nous aider à y voir plus clair.

Production électrique par source

La thermique fossile, principalement charbon et gaz naturel continue à tenir une place prépondérante sur le périmètre « monde ». Les renouvelables hors hydraulique (éolien et photovoltaïque surtout) commencent à tenir une position très significative.

Réserves estimées au rythme de d’utilisation actuel

La notion de réserve n’a de sens que pour les formes d’énergies qui sont prélevées sur un stock existant dans le nature, fini par nature. Elle donne une idée de leur « durabilité ». Mais par contre, cette notion de réserve n’a pas de sens pour les formes d’énergie prélevées sur des flux énergétiques qui sont suffisamment faibles par rapport à leur sous-jacent ou sont naturellement remplacés quasiment à l’identique par la nature.

– Bois : non mesurable : il y a une grande dispersion et flou sur ce que l’on pourrait appeler des « réserves », qui se renouvellent au gré des saisons. Le bois-énergie ne représente une énergie renouvelable que dans la mesure où les réserves sont reconstituées par replantation, pour que le puits de carbone reste à minima constant.

– Pétrole : les réserves « prouvées » continuent de représenter une cinquantaine d’années, de production, hors pétroles non conventionnels (huiles de schistes, pétroles très profonds, très lourds)

– Gaz naturel : les réserves prouvées représentent aussi environ 50 années de production, en hausse légère, ces chiffres ne tiennent pas compte des gaz de schistes et des hydrates de carbone, dont les réserves seraient considérables mais d’exploitation difficiles.

Pour ce qui concerne le gaz naturel et le pétrole, les contraintes environnementales (CO2) et géopolitiques sont devenues plus déterminantes pour apprécier leur mobilisation. La chute des investissements en exploration production depuis 2014 provoque une tension croissante sur les capacités de production alors que les disponibilités potentielles physiques dont le terme de « réserve » et un indicateur restent stables.

– Charbon : les réserves prouvées, estimées représentent environ 170 années de production. Elles sont mieux réparties sur le globe terrestre que les réserves de pétrole ou de gaz. Ce sont les politiques d’état et les décisions politiques, économiques et environnementales qui seront prépondérantes dans l’évolution des consommations futures.

– Nucléaire : les réserves connues et conventionnelles correspondent à plus de 100 années de consommation actuelle d’uranium, donc sans tenir compte des possibilités qu’offrirait le développement des surgénérateurs, (réacteurs de 4ème génération) ou le développement d’une filière thorium. A long terme, le problème des réserves n’existerait plus si la fusion nucléaire parvenait à être développée.

– Hydraulique : il s’agit typiquement d’une énergie de flux. Mais Il n’existe plus beaucoup de sites potentiels pour de nouveaux barrages importants dans les pays développés. Ce n’est pas encore le cas pour la Chine, l’Inde, l’Afrique et un peu l’Amérique latine. Les défis du développement de la filière concernent l’acceptabilité des sites, les impacts environnementaux, les conflits d’usage de l’eau et la saisonnalité. Le développement de barrages avec turbines réversibles (Stations de Transfert d’Energie par Pompage -STEP) constitue actuellement le seul moyen efficace de stocker en masse l’électricité.

– Eolien, et solaire : la notion de « réserve » n’a pas de sens concernant ces ressources renouvelables de flux, mais, par contre des inquiétudes se font jour sur l’utilisation de métaux rares dans les équipements de ces filières (lithium, terres rares, cobalt) dont l’exploitation pose à la fois des problèmes techniques et, environnementaux difficiles car les teneurs des minerais les contenant sont faibles et leur concentration dans certains pays préoccupants. C’est peut-être sur ces composants qu’une approche « réserve » pourrait se justifier. C’est aussi le cas pour l’aluminium et le cuivre dont la disponibilité et le coût peuvent devenir contraignants, car l’utilisation de ces énergies intermittentes (hors autoconsommation) nécessite des investissements en réseau électriques conséquents.

Puissances unitaires installées

(pour un système pouvant contenir plusieurs installations de production électrique)

– Centrales thermiques (de 200 à 800 MW)[[On trouve des sites de production jusqu’à 9000MW en Corée du sud, EAU, Arabie Saoudite).]] :
En France il reste 3 centrales à charbon pour une puissance de 3 GW (en 2022 il ne subsistera plus que Cordemais), 14 cycles combinés à gaz sur 11 sites pour 6.3 GW, 19 turbines à gaz ou fioul sur 8 sites pour 2,1GW, 5,7 GW de cogénération à gaz ou fioul, et 1,5 GW de centrale au fioul.
Les centrales thermiques à gaz sont principalement utilisées en France pour la génération électrique pendant les périodes de pointe. Ailleurs dans le monde, elles sont utilisées en semi-base, notamment pour pallier l’intermittence de l’éolien et du solaire.

– Centrales hydroélectriques (de 200 à 3000 MW)[[Il existe des sites d’une puissance supérieure : Chine 3 gorges : 22500 MW, Brésil : Itaipu 14000MW]] :
La puissance totale installée en France est de 25,7 GW pour 2400 installations, soit au fil de l’eau, soit de barrage réservoir. Elles assurent la consommation, aussi bien en base qu’en pointe, ainsi qu’une fonction de stockage d’électricité (5 GW de STEP installées en France).

– Centrales nucléaires (1 réacteur : de 900 à 1700MW) :
La France, après la fermeture de Fessenheim compte 56 réacteurs repartis sur 18 centrales, avec une puissance totale de 61.25GW. Elles assurent la production de base et satisfont une partie de la modulation nécessaire pour gérer l’intermittence de l’éolien et du solaire dont la production est prioritairement injectée, ce qui dégrade leur facteur de charge.

– Eolien terrestre (une éolienne : de 1 à 3MW.) :
En France, les éoliennes terrestres sont regroupées sur des parcs unitaires d’une puissance maximum de 12 MW (capacité d’un câble de raccordement de 20 kV), comportant de 4 à 6 éoliennes distantes d’environ 900 mètres l’une de l’autre, des champs d’éoliennes regroupant plusieurs parcs contigus existent, notamment dans les plaines des Hauts de France et du Grand Est.
La France disposait en juin 2021 d’environ 9000 éoliennes pour une puissance installée de 18.3GW reparties sur 2050 parcs.

Eolien marin :
Les éoliennes marines sont soit fixées sur le fond de la mer quand la profondeur des eaux est inférieure à 30 mètres soit installées sur des plateformes flottantes quand la profondeur d’eau est supérieure. Elles sont réunies dans des champs pouvant atteindre une centaine d’installation de puissance unitaire plus élevée que pour l’éolien terrestre. La puissance unitaire des installations est couramment de 6 MW à 12 MW. Certains fournisseurs envisagent des équipements de plus de 20MW. Les développements actuels concernent principalement la mer du Nord, l’offshore Chinois. En France 4 champs sont en cours de construction comptant 277 éoliennes pour une puissance totale de 1.93 GW et 11 champs sont en projet, la surface d’un champ maritime de 500 MW est de 50 à 85 km2.

Solaire : (l’énergie solaire est principalement utilisée sous forme photovoltaïque.)
Les puissances installées vont de 3 KWc dans le cas d’une installation sur le toit d’une maison individuelle a quelques centaines de MWc dans le cas de champs photovoltaïques regroupant un grand nombre de panneaux. Une installation de 100KWc nécessitera l’installation de 200 panneaux environ couvrant environ 350 m2. La notion de KWc (ou KW crête) correspond à une utilisation dans les conditions optimales du point de vue exposition et ensoleillement.
La plus grande centrale photovoltaïque au monde est située aux Emirats Arabes Unis couvrant 2000 ha avec 5 millions de panneaux, d’une puissance de 2GWc En France la centrale de Cestas couvre 260 ha pour une puissance de 300 MWc avec un million de panneaux.

Externalités

Aucune forme d’énergie servant à la production d’électricité n’est exempte d’inconvénient :

Du point de vue des impacts environnementaux, les centrales fonctionnant aux énergies fossiles (charbon pétrole gaz naturel) émettent le plus de dioxyde de Carbone (CO²) gaz réputé être la cause principale du réchauffement climatique. Elles font appel à des matières premières en quantités finies dont l’extraction et le transport créent elles-mêmes des problèmes environnementaux (pollution des eaux et des terres, gestion de déchets, biodiversité).
La génération d’électricité nucléaire fait face au problème du traitement des déchets qui n’est résolu, pour ceux qui ont une durée de vie très longue, que par le stockage en piscine ou plus tard en sous-sol (projet CIGEO en France). Elle a aussi à faire face un problème de température des eaux de refroidissement qui impacte les eaux au bord desquelles les installations se situent, et peuvent en cas d’accident être à l’origine d’émissions de matières radioactives dont les impacts sur la santé peuvent être très graves. Mais elle n’émet par contre quasiment pas de gaz à effet de serre.
L’électricité hydraulique, n’émet pas non plus de CO², mais pose des problèmes de conflits d’usage : L’’emprise des lacs artificiels en amont des barrages peut atteindre plusieurs milliers de km², soustrayant ces surfaces aux autres activités humaines, parfois dans des zones de grande concentration d’habitants. La modification des régimes de circulation des eaux peut aussi avoir un impact direct sur les activités agricoles (irrigation) ou industrielles voisines voire sur le climat local. Le partage des eaux entre les différents états traversés par un même fleuve, peut aussi faire l’objet de différents pouvant conduire à des conflits armés. La rupture d’un barrage est un risque potentiel très peu probable, mais pouvant être dévastateur.
Les énergies renouvelables éolienne et solaires ( panneaux solaires, éoliennes, batteries) , pour être produites font appel à des équipements qui eux même font appel à des matières premières rares et difficiles à extraire, source de pollutions, de dérèglements sociaux et de possibles tensions entre états ( lithium ,platine, nickel, cadmium, chrome, terres rares) .Les installations elles même font face à des conflits d’usage, car elles mobilisent une surface très importante : pour les éoliennes terrestres : utilisation d’espaces agricoles, impact visuels, gêne acoustique, démantèlement, recyclage, biodiversité (oiseaux) et pour les éoliennes marines : impacts sur la navigation ,la pèche, activités touristiques, biodiversité (oiseaux et faune aquatique). Pour l’énergie solaire : conflit d’usage avec les autres activités humaines (agriculture).
Il faut ajouter, concernant ces énergies renouvelables, l’inconvénient que présente leur caractère « non pilotable », et aléatoire discontinu, imposant en pratique un suréquipement en outils de production « pilotables » (fossile, nucléaires ou hydroélectriques) ainsi que ’en lignes de transport et de distribution d’électricité supplémentaires pour assurer la continuité de la fourniture.

Disponibilité des systèmes

C’est une donnée très importante pour une installation électrique : elle caractérise sa fiabilité de fonctionnement, tout comme sa régularité de fourniture, et peut s’exprimer en heure de fonctionnement annuel, une année comptant pour 8766 heures.

– Centrale thermique à flamme (charbon, gaz, pétrole) : potentiellement 8000h soit 91%.
– Barrage hydroélectrique : aux environ de 2000 h pour les barrages soit 23%, fonction du climat et de la pluviosité, pouvant être accrue en cas de station de pompage utilisant de l’électricité éolienne ou solaire excédentaire. La disponibilité globale en France est de 27 %, en tenant compte des installations au fil de l’eau.
– Nucléaire : 7000h soit 80%. La période 2022-2023 fera apparaitre une disponibilité plus faible en France à la suite de la découverte de problèmes de corrosion sur des circuits secondaires de refroidissement de certains réacteurs.
– Eolien : terrestre : 2100h soit 24 %, marin :3300h soit 38 %. Il convient d’ajouter le caractère intermittent et aléatoire d’une production fortement dépendante de la météorologie.
– Solaire : 1200h soit 14 %, sans production nocturne donc intermittente et très variable suivant la localisation (1.050 h en Bretagne et 1350 h en Corse), et la conjoncture météorologique locale.

Ces chiffres montrent que l’éolien et le solaire ne peuvent pas constituer des énergies indépendantes, mais ne peuvent que venir en complément d’énergies « pilotables », c’est-à-dire utiles en autoconsommation (solaire en toiture des bâtiments), dans le futur pour la production d’hydrogène bas-carbone par électrolyse, ou permettre, en synergie avec un équipement hydraulique, d’économiser de l’eau dans les barrages, ou de reconstituer une réserve par pompage.

Rendement des installations

Il s’agit du rapport entre l’énergie reçue par le système (thermique, potentielle, mécanique, chimique, électrique) et celle restituée sous forme électrique.

Valeurs courantes :
– Centrales thermiques au charbon ou au pétrole : 35 à 40%
– Centrale à gaz à cogénération : 50%, cycles combinés 60%
– Centrales nucléaires : 30% et 35% pour les EPR
– Centrales hydrauliques : 80%
– Eolien terrestre : 20 à 25%, éolien marin : 30 à 35% ; pour des vents de 10 à 25m/s
– Solaire Photovoltaïque : 10% pour les panneaux en silicium amorphe et 15 à 20% pour les panneaux en silicium cristallin

Quelques autres rendements d’installations couramment utilisées :
– Moteurs thermiques : 35 à 40%
– Moteurs électriques : 80 à85%
– Pile à combustible (H²) : 55 %
– Electrolyseurs (production d’H²) : 62 % pour les électrolyseurs à membrane, et jusqu’à 90 % pour les électrolyseurs à haute température utilisant de la chaleur fatale (procédé Genvia CEA)

Délais de démarrage et d’arrêts

Le concept n’a pas de sens pour les énergies renouvelables non pilotables, et qui sont prioritaires sur le réseau, mais il est important que les systèmes électriques nationaux puissent réagir rapidement à une variation de demande.
– Centrales à gaz : quelques minutes
– Centrale nucléaire : 2 à 3 jours
– Centrale hydrauliques (barrage) : instantané

Longévités de fonctionnement

– Centrales thermiques classiques : 30 à 40 ans
– Centrales nucléaires : extension de 40 à 60 ans avec modifications
– Barrages et installations hydrauliques : plus de 100 ans
– Eoliennes et panneaux solaires : 20 à 25 ans, possibilité à l’issue de remplacer les parties actives en conservant l’infrastructure (mâts, châssis, massifs de fondation, raccordement au réseau électrique)

Cout de revient complet hors toute subvention (en France)

Pour le solaire et l’éolien terrestre, jusqu’à 25 % du mix énergétique, le coût actualisé de renforcement des réseaux d’électricité est estimé à 8 €/MWh produit sur la durée de vie de l’ouvrage raccordé.

Quelques conclusions

La première conclusion est qu’il n’est pas possible de tirer de ces tableaux des conclusions définitives et universelles, n’en déplaise aux écologistes dogmatiques.
Chaque forme d’énergie présente des avantages et des inconvénients variables suivant les usages de l’électricité auxquelles on s’intéresse, ainsi que les environnements géographique et démographiques auxquels on a à faire face.
Les effets d’échelle et les progrès techniques offrent encore des perspectives importantes de progrès pour les énergies dites renouvelables. Mais leur caractère souvent diffus, ainsi que la difficulté de mobilisation et de stockage qu’elles présentent est un inconvénient sérieux. Leur impact environnemental n’est pas non plus neutre.
A l’échelle historique elles ont pour la plupart été utilisées avant l’ère des énergies fossiles dont nous sentons bien qu’elle arrive à son apogée. Alors: « Back to the future » ou « Tomorrow is another story »?
De même que l’Age de pierre ne s’est pas terminé faute de caillou, ce n’est pas par manque de pétrole, de gaz et de charbon que l’âge des énergies fossiles se terminera, mais l’histoire de cette fin est encore à écrire…
Quant au nucléaire, cet enfant dernier né dans la douleur n’en est qu’à son adolescence, mais gageons que son avenir sera brillant :
Et les fruits passeront la promesse des fleurs ! (Francois de Malherbe)