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vendredi 8 janvier 2021

Les réseaux électriques choix technologiques, enjeux matières et opportunités industrielles

Rapport de l’Ademe_2020

Bon, comme d’habitude, avec les rapports de l’Ademe, j’ai un peu de mal ! Parce qu’on a comme l’impression d’avoir deux rapports ; l’un, où les ingénieurs de l’Ademe écrivent ce qu’on leur dit d’écrire pour être dans la ligne du Ministère de l’environnement, c’est-à-dire sur la PPE et même au-delà, pourquoi pas, vers le 100% ENR ; et l’autre (le diable est dans les détails), où ils semblent retrouver leur culture scientifique et leurs réflexes d’énergéticiens…et contredire ce qu’ils ont écrit auparavant.


https://www.ecologie.gouv.fr/sites/default/files/Plan%20ressources%20R%C3%A9seaux%20%C3%A9lectriques.pdf

Les réseaux au défi des ENR

Donc l‘Ademe commence très fort :  « D'ici à 2035, le foisonnement suffira pour gérer la variabilité offre demande »

Commentaire : « Ben c’est pas gagné….Prenons le 23 décembre en Allemagne ( c’est pas un exemple exceptionnel ,juste un cas assez typique. En moins de 24 heures, la production de l'éolien en Allemagne a diminué d'un facteur presque 10 (40 GW à 4,2 GW).Sacrée contrainte sur la gestion du réseau mais, ca passe grâce aux moyens pilotables et en jouant sur les imports/exports.

Mais quid quand il n’y aura plus de nucléaire ni de charbon, quand les pilotables, en particulier le nucléaire aura fortement diminué en Allemagne, en France, en Belgique ? Plus de pilotable, plus d’export, pas de foisonnement à cette échelle !


Bon, le rapport  offre tout de même un bon résumé des défis que les renouvelables posent au réseau :

« Les énergies renouvelables non pilotables posent deux défis au réseau : d’une part, la gestion de leur variabilité, d’ autre part  la gestion leur production vers les lieux de consommation.

La gestion de la variabilité est nécessaire pour qu’en permanence, la production instantanée  soit égale à la production instantanée. Or la production d’électricité par les moyens renouvelables non pilotables n’est pas naturellement ajustée à la consommation instantanée. De plus, la demande est, elle aussi, variable (notamment pics de consommation le soir en hiver)….

Le raccordement au réseau, par des câbles électriques, des nouvelles installations de production n’est quant à lui pas toujours simple à réaliser (éoliennes en mer par exemple)..Au-delà de ce raccordement, il faut pouvoir transporter l’électricité de ces nouveaux lieux de production souvent situés en zone rurale vers les lieux de consommation, souvent situés dans les grandes métropoles, ce qui nécessite en général un renforcement du réseau actuel, voire la création de nouvelles lignes. »

Comment l’Ademe voit la réponse à ces défis

Période 2030-2035 : le foisonnement,  la transition numérique, la construction massive de nouvelles lignes

« Face à ces enjeux, la réponse des gestionnaires de réseau se fera en deux temps autour de la période charnière 2030-2035. D’ici 2030-2035, l’effet dit de « foisonnement » suffira pour gérer la variabilité offre-demande.

Cet effet repose sur la large échelle géographique du réseau français (et même européen) qui permet par une mutualisation des variations météorologiques et le pilotage d’une partie de la production ou de la consommation d’assurer ‘équilibre nécessaire au réseau. Pour profiter de ces possibilités, il est cependant nécessaire d’accélérer la transition numérique du réseau et de renforcer ou construire de nouvelles lignes. »

Commentaire : comme vu ci-dessus, c’est se fiche du monde ! Aucune chance que cela marche, surtout en diminuant la part du nucléaire et des pilotables 

Dans cette période, «  la transition numérique du réseau (« smart-grids »), en permettant une gestion optimisée des infrastructures est la pierre angulaire de l‘adaptation des réseaux aux énergies renouvelables. Pourtant, les connaissances semblent lacunaires, à la fois sur la quantité d’équipements nécessaires et sur le contenu en matières premières des différents équipements.

Période 2030-2035 : vulnérabilités matières premières

Les smart grid : L‘analyse approfondie des vulnérabilités liées aux matières contenues dans les « smarts grids n’est pas possible alors qu’elles sont potentiellement fortes. L‘analyse partielle effectuée dans cette étude a cependant permis de détecter une importante vulnérabilité du continent européen concernant les composants électroniques de base.  Ces derniers étant produits pour la grande majorité en Asie et en particulier en Chine, la chaîne de valeur de la filière électronique peut subir, lors d’évènements exceptionnels des ruptures d’approvisionnement.  La résilience du réseau électrique face à de tels évènements n‘est pas certaine en l’état actuel  des connaissances. »

Commentaire : connaissance lacunaire des équipements et matériaux nécessaires, forte vulnérabilité de l’Europe face à l’Asie, résilience non garantie. On a connu rapport plus enthousiaste. Bref, d’ici 2035, ça va pas le faire ! 

Agrandissement massif du réseau : Problèmes sur le cuivre et l’aluminium Le renforcement et la construction de nouvelles lignes vont mobiliser des matières moins rares mais en plus grandes quantités : cuivre et aluminium pour les câbles, béton et acier pour les pylônes et les postes sources. Or le cuivre et l ‘aluminium sont fortement mobilisés par la transition bas carbone dans son ensemble. Et s’il n’y a pas de risque d’épuisement géologique, un risque de pénurie momentané lié à l‘adaptation de l‘offre à la demande décalé dans le temps existe bel et bien. Des hausses de prix conjoncturelles pourraient ralentir la mise en œuvre de la transition bas-carbone.  D’un point de vue géopolitique, les capacités liées à la première  transformations des matières premières extraites de mines se concentrent en Chine, créant de nouvelles dépendances auxquelles s’ajoutent pour l’aluminium une vulnérabilité forte de la France à une entreprise russe, révélée lors de la « crise des oligarques russes » en 2018. …

« Les impacts environnementaux du cuivre sont très importants et sont principalement liés à la consommation d’eau dans des zones arides, comme au Chili. Pour l’aluminium,  l’impact majeur se situe au niveau des émissions de gaz à effet de serre engendrées par sa production. Ces impacts, s’ils ne sont pas atténués,  risquent de compromettre l‘offre (grève,  opposition des populations locales, moindres préférences tarifaires dans les échanges commerciaux). A l’autre bout de la chaîne, dans les pays consommateurs de matières, la demande sociétale pour un approvisionnement plus éthique, à la fois sur le plan environnemental et social se développe. Si ce mouvement s’amplifie, le risque existe que l’offre correspondant à ces standards environnementaux et sociaux élevés ne soit pas suffisante…

Commentaire : donc ça va être très chaud sur le cuivre et l’aluminium…Rien que cela !

En effet, voici l’évolution de la consommation de cuivre. Qui peut croire que c’est durable !

(NB : les réserves mondiales de cuivre primaire sont évaluées à 830 Millions de tonnes, soit 40 années de production courante)

Pour l’aluminium, le rapport constate que les vulnérabilités en terme d’approvisionnement sont très fortes. La crise des oligarques russes en 2018 a été un véritable révélateur de ces fragilités  (en 2018, les USA ont menacé d’imposer des sanctions contre Rusal, le plus grand producteur mondial d’aluminium et d’alumine, dirigée par l’oligarque Oleg Deripaska …Cela a entrainé dans la tourmente toute la filière européenne de l’aluminium et a révélé la dépendance très forte de l’Europe vis-à-vis de Rusal- ainsi la raffinerie d’Aughinish en Irlande, alimentée par la bauxite des mines de Rusal et  appartenant  à Rusal et livre 85% des producteurs européens.

Commentaire : Sur la géopolitique de l’aluminium, Lionel Taccoen avait déjà alerté cf. https://vivrelarecherche.blogspot.com/2019/05/politique-et-strategie-de-laluminium.html :

« Dans l’Union, sur les 26 fonderies en activité en 2008, 16 sont encore opérationnelles et un certain nombre d’entre elles sont menacées de fermeture …Il semble que les Etats membres de l'UE ont jeté l'éponge. Désormais près des trois quarts de leurs besoins en aluminium primaire, pourtant de plus en plus nécessaire à une économie moderne,  sont importés »

A signaler pour la France, l’usine française de Dunkerque, alimentée par la centrale nucléaire de Gravelines et reprise au début de 2019 par un nouveau propriétaire (Liberty Aluminium) est devenue la plus importante fonderie d’aluminium de l’Union européenne, en produisant à elle seule en 2018, 13,5% de l’aluminium de l’Union (284 000 tonnes). Elle ne fonctionnerait pas sans l’électricité très bon marché et très décarbonée des six réacteurs de 900 MWe de Gravelines, qui ont servi de modèle à une grande partie du programme nucléaire chinois.

Après 2035 : flexibilité, stockage et nouveaux vecteurs

« A partir de 2030-2035, l‘augmentation de la part des énergies renouvelables non pilotables dans le mix, rendra nécessaire, pour garantir l‘équilibre offre demande le recours à de nouveaux moyens de flexibilités portant sur l‘offre et la demande d’électricité…

Stockage courte durée :  La batterie lithium-ion semble la technologie la plus aboutie. D’autres technologies intéressantes sont étudiées dans le cadre de ce rapport : la batterie plomb avancée et la batterie zinc-air….Si le stockage stationnaire fait partie des nouveaux moyens de flexibilité de l’offre, les  opportunités industrielles offertes par les batteries qui lui seraient dédiées sont cependant faibles sur notre territoire. En effet l‘usage stockage restitution des batteries des véhicules électriques paraît plus pertinent sur le plan économique et environnemental…

Stockage saisonnier : Pour le stockage saisonnier, les caractéristiques techniques à atteindre sont particulièrement exigeantes : faible coût, durée de stockage longue. L’utilisation de l‘hydrogène fabriqué par électrolyse de l‘eau et stocké dans des canalisations de gaz existantes ou dans des réservoirs géologiques dédiés géologiques dédiés, fait partie des solutions envisagées. »

« Avec la montée en puissance des énergies renouvelables non pilotables sur le réseau électrique, la question du stockage saisonnier deviendra cruciale. Si l’horizon après 2030-2040 semble lointain, i semble nécessaire de lancer des études pour apporter des éléments de comparaison sur les différentes technologies envisagées : hydrogène, stockage de chaleur couplés aux réseaux de chaleur, stockage thermique par changement de phase.

Commentaire : un peu flippant ! stockage courte durée flexibilité ( = coupures ciblées) plus batterie des voitures. Ça fait léger, léger…. Stockage longue durée : aucune solution connue acceptable. L’Ademe se raccroche à l’hydrogène, malgré un rendement power to gaz to power physiquement et forcément très bas (~30%)

Vulnérabilité matières premières : le rapport examine essentiellement la vulnérabilité matière première nécessitée par l’utilisation de l’hydrogène. Ce sont essentiellement  les platinoïdes (platine, palladium, iridium, ruthénium)  mobilisés par les électrolyseurs.

La consommation mondiale de Platine est de 190 tonnes en 2018 et celle de Palladium de 223 tonnes. Les réserves minières sont estimées à 6000 tonnes pour le  palladium et 13000 tonnes ppour le platine, soit respectivement 30 et 68 fois la production minière de ces dernières années. Pour l’iridium et le rhuténium, les réserves ne sont pas connue de façon précises, mais les volumes de consommation sont faibles.

En termes de rareté géologique, les risques semblent faibles, sauf sur l’iridium dont la production est très faible et pour lequel les connaissances sont peu importantes. En revanche, les vulnérabilités géopolitiques sont fortes, notamment sur la partie extraction…Cependant, la technologie étant récente, il est possible que les quantités de platinoïdes nécessaires diminuent.

En France, les objectifs de la PPE pour 2028 (décarboner 20à 40% de la production industrielle d’hydrogène, ce qui représente  entre 1.5 et 3 GW d’électrolyseurs, soit 1.5 à 3 Tonnes de Platine) et mettre en circulation 20.000à 50.000 utilitaires légers à hydrogène et 800 véhicules lourds (2.5 Tonnes de platine) ne semblent pas susciter d’inquiétude.

Cependant, le rapport met en garde contre certaines prévisions sur l’hydrogéne qui  paraissent irréalistes. Ainsi, une étude de l’Hydrogen Council prévoit que 20% de la consommation finale d’énergie en 2050 vienne de l’hydrogène. Cela représenterait une multiplication par 5 ou 6 de la production actuelle, soit 400 millions de Tonnes, ce qui nécessiterait 7300 GW d’électrolyseurs, soit 7300 tonnes de Platine, c’est-à-dire 28 fois la consommation annuelle de Platine.  Il faudrait pour ces électrolyseurs 20.000TWh par an, soit la totalité de la consommation actuelle d’électricité.

De plus, il existe une forte vulnérabilité géopolitique  liés aux platinoïdes, car la production minière est très concentrée : l’Afrique du Sud produit 72% du platine et 38% du palladium, et posséde respectivement 82%et 52% des réserves et la Russie produit 12% du platine et 41 du palladium ( et possède respectivement 6 et 29% des réserves). Or la Russie a une stratégie de puissance et l’Afrique du Sud de fort conflits sociaux et un appareil industriel pas toujours fiable.

Electronique de puissance- vulnérabilité inconnue !

Dans la configuration actuelle, les ENR n’assurent pas les services systèmes essentiels au réseau, en particulier les contrôles de fréquence et de tension assurées par les générateurs synchrones et l’inertie des rotors. Une augmentation significative du taux de pénétration des ENR nécessitera de passer à un système complètement différent où ces services seraient assurés par de l’électronique de puissance.(voir ci-après)  L’Ademe considère que l’on manque actuellement de données sur cette électronique de puissance et bien plus encore sur les vulnérabilités matière que cela entrainerait  et susceptibles de concerner le tantale, le gallium, le germanium…sur lesquels on a trop peu de données.

Autres considérations du rapport sur la pénétration des ENR

« En France où l’électricité est déjà décarbonnée par le recours à l‘énergie nucléaire, la problématique est différente. Si l’électrification de la mobilité ou de a chaleur fait bien partie des leviers majeurs pour l’atteinte de la neutralité carbone, il a été également décider de diversifier le mix électrique par une baisse de la part du nucléaire et une augmentation de celle des énergies renouvelables »

Commentaire : Les ENR pour l’électricité en France, ça sert à rien, ça décarbone rien mais on a quand même décidé de diversifier le mix et de baisser la part du nucléaire. Pourquoi ?

« Enfin, d’un point de vue opérationnel, les énergies renouvelables non pilotables ne participent actuellement pas aux services systèmes. Par exemple, le réglage de a fréquence peut s’avérer plus difficile  avec les énergies renouvelables. Contrairement aux grosses centrales traditionnelles, les énergies variables ne reposent pas sur des machines tournantes et sont raccordées au réseau par une interface électronique. L’inertie de ces machines qui permet de synchroniser le réseau européen autour de la fréquence de 50 Hz est donc absente. Avec l‘augmentation du taux de pénétration des ENR, la quantité de machines tournantes disponibles sur le réseau pourrait ne plus être suffisante pour assurer le réglage de la fréquence. De nouvelles solutions devront donc être trouvées, notamment par les technologies de l‘électronique de puissance

La capacité de l’électronique de puissance à remplacer intégralement les machines tournantes ne fait pas consensus ; certains experts estiment en effet qu’il existe un seuil minimal de machines tournantes en dessous duquel la stabilité de la fréquence sur le réseau électrique ne pourra plus être assurée »

Pour l’instant, la seule utilisation de l’électronique de puissance est de refouler les excès erratiques de production de l’éolien allemand : Ainsi la Pologne et la République tchèque ont mis à leur frontière avec l'Allemagne des transformateurs déphaseurs pour éviter que les flux allant du nord de l'Allemagne, où est installé un large parc éolien, vers l'Autriche, n'utilise leur réseau qui n'avait pas été dimensionné pour de tels flux. Les flux sont alors renvoyés vers l'axe nord-sud allemand et vers l'Ouest de l'Europe, dont la France… »

Commentaire : bon, l’électronique de puissance on sait pas trop comment faire, on sait pas trop si ça sera efficace, on sait pas trop de qu’il faut comme matériel, et on sait pas trop quelles seraient les vulnérabilités associées.

« L’impact de l’autoconsommation sur les réseaux est controversé. Pour certains, elle permet de réduire les pertes électriques et les besoins d’infrastructures de réseau. Pour d’autres à ‘opposé, elle ne modifie en rien le dimensionnement des réseaux, car les consommateurs tout en produisant une partie de leur électricité, sont raccordés au réseau et peuvent en soutirer à tout moment une puissance définie. A titre d’exemple, hors dispositif de stockage, l’autoconsommation ne rège en rien, la problématique de la pointe journalière hivernale,  puisque les panneaux photovoltaïques ont une production nulle à ce moment-là. Par ailleurs, l’autoconsommation conduit à une consommation moindre d’électricité du réseau, ce qui a in fine pour conséquence une baisse des redevances. Le déficit de recettes pour le réseau est à financer par les autres utilisateurs du réseau.

Commentaire : délicieux, quand l’Ademe tâcle sévèrement l’idéal bobo d’autoconsommation des écolos….

Quelques recommandations de l’Ademe:

Demander aux opérateurs des réseaux de transport de distribution une analyse de l’impact de la rupture des chaines d’alimentation et de l’impact des orages magnétiques

Le risque des cyberattaques dort faire l’objet d’une attention renforcée

Face à la dépendance de l’Europe à l’Asie, pour les composants électroniques de base, il faut initier la reconstruction d’une filière électronique au niveau européen.. Une telle reconstruction ne sera pas possible sans un soutien public important, ni sans une protection du marché européen

Réseau électrique et ENR. Et si on parlait du coût et de l’acceptabilité ?

- RTE et Enedis vont investir plus de 100 milliards sur quinze ans pour adapter et renforcer le réseau face à l'essor des énergies renouvelables, soit 7 Md €/an !

Commentaire : Ca fait quand même un paquet d’EPR, plus d’une dizaine ! Ben oui Collecter et réguler l’électricité de milliers de producteurs aléatoires c’est plus compliqué que de 58 réacteurs pilotables équipés de grosses turbines faisant aussi volants inertiels...

Or les Allemands nous ont déjà précédés sur ce chemin et se sont plantés, et en beauté/. En 2018, ils prévoyaient 52 milliards d’euros, maitenant, ils annoncent 110 millairs d’euros pour 2050.

Commentaire : ben ça alors, c’est une dérive type Flamanville, où je ne m’y connais pas !

Mais il y a pire : L’Allemagne s’est certes hérissée d’éoliennes et elle accueille des milliers de km2 de panneaux solaires. Mais beaucoup ne sont pas reliés au système de distribution, ou pas convenablement, faute que le réseau ait suivi. Sur 3600 km de réseau supplémentaire prévus pour  2015, seuls 17% étaient réalisés en 2019!

Or l’ Energiewende complète exigerait 11.000 km…L’installation de nouvelles lignes se heurte aux refus des riverains et des associations de protection de la nature. Réponse du gouvernement  Une nouvelle loi (BMWi 2018c), approuvée en avril 2019 par le Parlement, prévoit d’accélérer la procédure d’autorisation des lignes électriques.  Et probablement, il faudra enterrer beaucoup de lignes, ce qui renchérira considérablement le coût.

En attendant, la très lente modernisation du réseau électrique ne suit pas le rythme du développement des énergies renouvelables et le système européen est mis à contribution. Des flux appelés « loop flows » traversent les pays limitrophes pour acheminer du courant du nord au sud de l´Allemagne, perturbant les réseaux des pays voisins parfois fragiles…qui ont du s’en protéger par des super transfos.

Sur le sujet, on peut voir un très bon thread de Buchebuche

https://twitter.com/buchebuche561/status/1346491851260493826?s=19

Visualisation des principaux enjeux matières :









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