Les défis de l'intermittence des énergies renouvelables et les solutions envisagées

Définition de l'intermittence dans le contexte des énergies renouvelables

L'intermittence dans le contexte des énergies renouvelables se réfère aux fluctuations de production d'électricité provenant de sources comme le solaire et l'éolien. Contrairement aux énergies fossiles ou nucléaires, qui fournissent une production constante, les énergies renouvelables dépendent fortement de conditions externes.

Prenons l'exemple de l'énergie éolienne : si le vent ne souffle pas, les éoliennes ne tournent pas, donc pas d'électricité. De même, pour le solaire, la production est nulle la nuit et varie selon la météo. Ces variations peuvent se produire sur des échelles de temps très courtes, comme sur une journée, ou plus longues, sur des saisons entières.

L’intermittence est un défi majeur à relever pour intégrer efficacement ces ressources renouvelables dans le réseau électrique. Cela nécessite de repenser notre façon de gérer la production et la consommation d'énergie. En gros, il faut s'assurer qu'il y a toujours suffisamment de courant pour répondre à la demande, même quand le soleil ne brille pas ou que le vent ne souffle pas.

Les sources d'intermittence dans les énergies renouvelables

Variabilité des ressources naturelles

La variabilité des ressources naturelles, c'est un peu le quotidien des énergies renouvelables. On parle souvent du soleil et du vent, mais ces éléments ne jouent pas toujours en notre faveur. Par exemple, la production d'énergie solaire dépend de la luminosité et de l'état du ciel. Du jour au lendemain, un ciel dégagé peut devenir nuageux, affectant dramatiquement l'énergie captée. En été, on a beaucoup de production, mais en hiver, les journées sont plus courtes et moins ensoleillées. Il faut donc jongler avec ces variations, ce qui n'est pas facile.

Du côté du vent, c'est le même combat. Les éoliennes tournent à plein régime lorsque les tempêtes sont de la partie, mais lors des périodes anticycloniques, elles restent immobiles. Cette intermittence entraine des défis pour la gestion des réseaux électriques. En gros, on ne peut pas compter sur ces sources d'énergie de manière constante, surtout dans des régions où les conditions climatiques varient beaucoup.

Et puis, n’oublions pas la saisonnalité. L’énergie produite peut largement varier d’une saison à l’autre. Les éoliennes, par exemple, peuvent produire un maximum en hiver lorsque les vents sont forts, alors qu’en été, elles peuvent tourner au ralenti. Cela crée un écart significatif entre ce qu’on produit en été et en hiver.

Le coup d'œil sur la productivité montre que certaines régions du monde sont plus favorisées que d'autres. Les emplacements en bord de mer tendent à recevoir plus de vent, tandis que les zones désertiques ont un meilleur potentiel solaire. Comme quoi, la géographie joue aussi un rôle dans cette variabilité. Choses à garder en tête quand on parle du futur de nos énergies renouvelables.

Saisonnalité des productions

La saisonnalité des productions d'énergies renouvelables est un défi majeur. Prenons le solaire : sa production atteint son pic l'été, sous un ensoleillement optimal, mais chute sérieusement en hiver. Souvent, les systèmes photovoltaïques ne génèrent quasiment rien la nuit. Pour l'éolien, c'est assez similaire. On peut avoir des rafales puissantes en hiver, mais l'été, la brise peut se faire rare.

Cette variation saisonnière a un impact direct sur l'approvisionnement énergétique. Par exemple, en Europe, les pays nordiques, avec leur fort potentiel éolien en hiver, peuvent bénéficier d'une production plus stable que dans les régions au climat estival. Pourtant, cela ne résout pas tout, car la demande d'énergie varie aussi avec les saisons, souvent plus élevée pendant les mois froids en raison du chauffage.

La question devient alors : comment équilibrer tout ça ? La réponse ne se résume pas seulement à multiplier les installations. Il faut aussi diversifier les sources d'énergie renouvelable, pour compenser les périodes de faible production. En intégrant différentes solutions, on maximise la disponibilité des ressources. C'est un véritable casse-tête pour les gestionnaires de réseau, qui doivent anticiper ces fluctuations et garantir une fourniture continue.

13.3 GW

La capacité installée de production d'électricité solaire photovoltaïque en France en 2020.

Dates clés

• 1974

  1974

  Création de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) pour promouvoir des politiques énergétiques durables.

• 2005

  2005

  Adoption du protocole de Kyoto visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre.

• 2015

  2015

  Signature de l'Accord de Paris engageant les pays à limiter le réchauffement climatique en dessous de 2°C.

• 2019

  2019

  Mise en service de la plus grande centrale solaire photovoltaïque d'Amérique latine au Mexique, Villa Ahumada (450 MW).

• 2021

  2021

  Lancement du projet de parc éolien offshore de Dogger Bank au Royaume-Uni, le plus grand projet éolien en mer du monde.

Impact de l'intermittence sur les réseaux électriques

Contraintes techniques et opérationnelles

L'intermittence des énergies renouvelables pose des contraintes techniques et opérationnelles majeures pour les gestionnaires de réseaux. On ne parle pas seulement de quand le soleil brille ou du vent souffle. C’est aussi une question d’adaptation de l’infrastructure en temps réel pour s'assurer que l'énergie produite corresponde à la demande.

Un des principaux défis réside dans la flexibilité des centrales électriques. Beaucoup de ces installations traditionnelles, comme les centrales à charbon ou à gaz, ne peuvent pas ajuster leur production rapidement. Cela crée des goulets d'étranglement lorsque la production d'énergie renouvelable fluctue. Des périodes de surproduction peuvent entraîner des surplus d'énergie, tandis que pendant les moments d'accalmie, le réseau peut être sous-alimenté.

Un autre point critique, c'est la synchronisation. Les énergies renouvelables décentralisées, comme le solaire photovoltaïque ou l’éolien, sont souvent connectées par un réseau électrique qui doit fonctionner à une fréquence précise. Si cette fréquence est perturbée, cela peut entraîner des pannes. Cela signifie que les gestionnaires doivent déployer des technologies de régulation pour maintenir cet équilibre, souvent par le biais de solutions plus coûteuses et moins écologiques.

La maintenance des infrastructures est aussi un enjeu dans ce cadre. Un rendement optimal des installations d’énergie renouvelable nécessite des interventions fréquentes. Par exemple, une éolienne doit être entretenue régulièrement pour éviter une perte de performance à cause de l'usure ou de l'accumulation de salissures.

Souvent, ces contraintes se traduisent par un besoin accru de formation pour les opérateurs afin qu'ils puissent réagir rapidement aux changements de conditions. Ils doivent être capables de gérer une situation où un nombre croissant de sources d'énergie renouvelable vient alimenter le réseau.

En somme, l'intermittence des énergies renouvelables ne se contente pas d'ajouter des défis technologiques; elle redéfinit complètement la manière dont nous devons envisager la production et la distribution d'énergie.

Gestion de l'équilibre offre-demande

L'équilibre entre l'offre et la demande d'énergie est un véritable casse-tête, surtout avec la montée en puissance des énergies renouvelables. La variabilité de la production, par exemple avec le soleil et le vent, entraîne des fluctuations qui rendent la gestion complexe. Pendant des périodes de forte production renouvelable, comme lors d'un ensoleillement intense, le risque de surplus d'énergie augmente. Inversement, pendant les périodes de faible production, comme en hiver ou lors de journées sans vents, il y a un risque de pénurie.

L'un des principaux défis réside dans le fait que les consommateurs n'adaptent pas toujours leurs besoins aux aléas de ces énergies. Il est donc important de développer des systèmes de gestion réactifs. Les opérateurs de réseaux doivent anticiper les variations de la demande et de l'offre pour éviter les déséquilibres. Cela nécessite une communication en temps réel entre producteurs et consommateurs.

Les technologies de demand response sont de plus en plus adoptées. Cela consiste à inciter les consommateurs à modifier leur consommation selon la disponibilité de l'énergie. Par exemple, lors d'un pic de production d'énergie solaire, les clients peuvent être encouragés à utiliser davantage leurs appareils électroménagers. Ce type de mécanisme permet de lisser la consommation tout en valorisant l'énergie renouvelable.

Pour les gestionnaires de réseaux, le challenge est aussi technique. Des systèmes de contrôle avancés et des algorithmes d'optimisation aident à équilibrer l’énergie en temps réel. Un des outils en vogue est l'intelligence artificielle, qui devient un allié précieux pour prédire les demandes et ajuster la production instantanément. Cela peut améliorer la fiabilité du réseau et réduire les coûts liés aux indisponibilités.

Enfin, la coopération entre différents réseaux est incontournable. Lorsque l'un est en surplus, il peut y avoir des échanges d'énergie avec d'autres régions. Les interconnexions permettent de partager la ressource de manière plus efficace, tout en réduisant la nécessité de recourir aux énergies fossiles en cas de coup dur.

Savoir gérer l'équilibre entre l'offre et la demande est donc primordial pour maximiser le potentiel des énergies renouvelables. Cela exige créativité, technologie et collaboration entre tous les acteurs du secteur énergétique.

Les solutions actuelles face à l'intermittence des énergies renouvelables

Le stockage de l'énergie

Les technologies de stockage existantes

Les technologies de stockage d'énergie jouent un rôle central pour surmonter l'intermittence des énergies renouvelables. Parmi les plus connues, il y a les batteries lithium-ion, qui sont utilisées dans tout, depuis les smartphones jusqu'aux voitures électriques. Elles sont appréciées pour leur haute densité énergétique et leur longue durée de vie. En fait, selon des études récentes, le coût des batteries lithium-ion a chuté de près de 90 % au cours de la dernière décennie, ce qui en fait une option de choix pour le stockage à grande échelle.

Mais ce n'est pas tout. Les batteries au sodium commencent à faire parler d'elles. Elles sont moins coûteuses et plus durables que leurs cousines au lithium. De plus, elles utilisent une ressource plus abondante, le sodium. Cela pourrait réduire la dépendance à une ressource limitée, ce qui est un gros plus pour la durabilité.

Autre technologie intéressante, les pompes de stockage par gravité. Ici, on utilise l'énergie excédentaire pour soulever des poids lourds en hauteur. Lorsque l'énergie est nécessaire, ces poids redescendent et génèrent de l'électricité. Un projet notable, celui de Gravitricity, met cette technologie à l'honneur et pourrait offrir un moyen efficace et durable de stocker l'énergie.

Les volants d'inertie sont aussi en train de faire leur chemin. Ces dispositifs stockent l'énergie sous forme de mouvement. En fait, quand il y a surplus d'électricité, un moteur fait tourner un rotor. Puis, quand on a besoin d'énergie, le rotor relâche ce mouvement pour générer de l'électricité. C’est rapide et ça peut être assez efficace.

N’oublions pas les supercondensateurs, qui peuvent charger et décharger rapidement, parfaits pour des applications qui nécessitent une réponse immédiate, comme la régulation de la tension du réseau électrique. Ils ne remplacent pas les batteries, mais ils sont très complémentaires.

Enfin, il y a la méthanisation, où l’excès d'énergie est utilisé pour produire du biogaz à partir de matières organiques. Bien que ce ne soit pas du stockage au sens strict, cela permet de transformer de l'énergie excédentaire en une ressource renouvelable utilisable.

Chacune de ces technologies présente ses propres avantages et inconvénients, mais elles posent les bases d'un avenir où le stockage d'énergie pourrait permettre aux énergies renouvelables de briller à leur plein potentiel.

Les avancées en matière de stockage

Le stockage d'énergie a fait de grands pas ces dernières années. Les batteries lithium-ion, par exemple, sont désormais partout, des téléphones portables aux voitures électriques. Leur capacité s'est améliorée, permettant une durée de vie plus longue et une recharge plus rapide. Mais attention, ça ne s'arrête pas là. D'autres technologies émergent, comme les batteries sodium-ion, qui sont plus économiques et moins dépendantes des ressources rares comme le lithium.

On voit aussi des projets intéressants autour du stockage par gravité. Des systèmes, comme ceux développés par Gravity Power, utilisent des poids qui descendent pour générer de l’électricité. C’est assez brillant pour agréger de l’énergie excédentaire et la restituer lors des pics de consommation.

Il y a aussi le stockage par air comprimé. Ce système utilise un surplus d'électricité pour comprimer de l'air dans des cavernes souterraines. Quand le besoin se fait sentir, l'air est relâché, faisant tourner des turbines. Des usines comme celle d'ANGI Energy, en Allemagne, montrent que ça peut travailler à grande échelle.

Les batteries à flux sont une autre innovation qui mérite d'être mentionnée. Elles permettent de stocker l'énergie sous forme chimique dans des réservoirs séparés, rendant le système scalable et facile à entretenir. Par exemple, la société VionX a créé un système qui peut durer des décennies sans perte de performance majeure.

N’oublions pas l'énergie thermique, qui utilise la chaleur pour accumuler de l’énergie. C’est un concept génial, surtout dans des installations solaires, où la chaleur est transformée en électricité en phase de demande. Des projets en Espagne, comme ceux de Gemasolar, ont prouvé que cette technologie peut fonctionner efficacement même quand le soleil se cache.

Finalement, l’intégration de l’intelligence artificielle dans la gestion des stockages prévoit une optimisation des ressources. On peut anticiper quand et comment utiliser l’énergie stockée, rendant le système plus efficace. C’est plus que technique, c’est le futur qui s’adapte à nos besoins en temps réel.

L'interconnexion des réseaux

L’interconnexion des réseaux électriques est un enjeu clé pour gérer l’intermittence des énergies renouvelables. En reliant différents réseaux, on peut mieux équilibrer l’offre et la demande, surtout quand une région manque de soleil ou de vent. Par exemple, lorsque le vent souffle à plein régime en Bretagne mais pas dans le sud de la France, l'interconnexion permet de transférer l’électricité là où elle est nécessaire.

Une étude de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) montre qu'une augmentation de 10 % en interconnexion peut réduire le coût de l’énergie jusqu'à 20 %. Moins de dépendance à une seule source d’électricité, ça veut dire moins de risques de coupures et une tarification plus stable. Pour aller encore plus loin, l’Europe a un projet ambitieux de créer un super-réseau d’interconnexion sur tout le continent. Cela pourrait faciliter non seulement l’intégration des énergies renouvelables mais aussi stimuler l’innovation.

En plus de diminuer les coûts, l’interconnexion favorise aussi la collaboration énergétique entre les pays. Des plateformes comme l’Entité de Coordination d'Interconnexion de l'Électricité (ENTSO-E) travaillent à harmoniser les normes et faciliter les échanges. Cela permet de partager des surplus d'énergie en périodes de haute production, ce qui aide à prévenir le gaspillage.

Cette approche collaborative peut également atténuer les impacts environnementaux. En évitant l'utilisation de centrales thermiques polluantes lors des pics énergétiques, l’interconnexion devient un élément important dans la transition énergétique. Les défis restent nombreux, notamment en termes d’investissements et de réglementations, mais le potentiel est là.

2.5 %

La part d'électricité produite par l'énergie solaire en 2020 en France.

25.3 GW Gigawatts

La puissance du parc hydroélectrique en France en 2020.

15%

La part d'électricité produite par l'hydroélectricité en 2020 en France.

1,7 GW Gigawatts

Capacité totale de production d'électricité à partir de biomasse en France en 2020.

Défi	Description	Solution(s) Envisagée(s)	Exemple de mise en œuvre
Variabilité	Production énergétique non constante due aux conditions météorologiques.	Développement de prévisions météo plus précises pour planifier la production.	Utilisation de superordinateurs pour des prévisions météo plus précises.
Stockage	Difficultés à stocker les surplus d'énergie pour les moments de faible production.	Investissement dans des technologies de stockage d'énergie, comme les batteries.	Batteries Tesla Powerwall utilisées pour le stockage domestique d'énergie solaire.
Flexibilité du réseau	Adaptation du réseau de distribution nécessaire pour intégrer les sources renouvelables.	Modernisation du réseau électrique et introduction de smart grids.	Projets de smart grids tels que ceux mis en œuvre en France par Enedis.
Équilibrage offre-demande	L'alignement nécessaire de la production fluctuante avec la consommation en temps réel.	Utilisation de la demande flexible et incitation à la consommation pendant les heures de production élevée.	Programmes d'effacement de la demande en électricité chez les consommateurs industriels.

Les pistes de recherche pour améliorer l'intégration des énergies renouvelables

Prédictibilité des ressources renouvelables

La prédictibilité des ressources renouvelables est un élément clé pour assurer une intégration efficace dans notre consommation d'énergie. Par nature, l'énergie solaire dépend de la lumière du soleil, tout comme l'énergie éolienne repose sur la force du vent. Ces facteurs naturels peuvent varier considérablement d'un jour à l'autre, rendant la prévision de leur production assez compliquée.

Les avancées technologiques jouent un grand rôle dans l'amélioration de cette prédictibilité. Par exemple, des modèles météorologiques sophistiqués, couplés à des algorithmes d'apprentissage automatique, permettent aujourd'hui de mieux anticiper les schémas climatiques. Ces outils de prévision peuvent donner des projections sur plusieurs jours, ce qui aide les opérateurs de réseau à planifier efficacement.

Un autre aspect intéressant est l'utilisation de données historiques. En analysant des décennies d'informations sur le climat et la production d'énergie, il devient possible d'identifier des tendances spécifiques pour une région donnée. Par exemple, certaines régions peuvent présenter des périodes régulières de haute production solaire au printemps, ce qui peut influencer la stratégie de gestion de l'énergie.

Au-delà des simples prévisions météo, la prise en compte de la localisation des installations est importante. Parfois, des solutions locales comme des petites stations météorologiques peuvent affiner encore plus la précision des données en temps réel. Cela améliore la capacité à ajuster la production ou la consommation instantanément.

Les initiatives collaboratives entre chercheurs, start-ups et entreprises établies ont aussi le potentiel d'accélérer la compréhension de ces phénomènes. Des projets partagés qui rassemblent diverses sources de données sur les ressources renouvelables ouvrent des portes à des informations plus complètes et plus utiles.

Cette capacité à prévoir avec précision est essentielle, surtout au moment de la transition énergétique, où la sécurité des réseaux dépend davantage des énergies renouvelables. Plus on pourra prédire, mieux on pourra s'ajuster. C'est un enjeu majeur pour garantir un équilibre optimal entre production et consommation, tout en minimisant le gaspillage d'énergie.

Flexibilité des moyens de production

La flexibilité des moyens de production joue un rôle clé dans l'intégration des énergies renouvelables intermittentes. Cette flexibilité permet d'adapter rapidement la production d'électricité aux variations de la demande et aux fluctuations de la production d'énergie renouvelable. Des systèmes plus flexibles sont nécessaires pour gérer l'intermittence de sources telles que le solaire et l'éolien.

Parmi les solutions, on trouve les centrales à gaz qui peuvent rapidement ajuster leur sortie. Elles sont idéales pour compenser les baisses de production des renouvelables. En quelques minutes, une centrale à gaz peut atteindre sa pleine capacité. Cela contraste avec les centrales nucléaires qui prennent beaucoup plus de temps à démarrer ou à diminuer leur production.

Les centrales hydroélectriques, en particulier celles dotées de réservoirs, sont également très flexibles. Elles peuvent stocker de l'eau pour produire de l'électricité selon les besoins. Cette capacité de "réserve d’énergie" est précieuse durant les périodes de forte demande ou lorsque le vent et le soleil se montrent capricieux.

Ensuite, il y a l'émergence de solutions de gestion de demande. Grâce aux technologies, les consommateurs peuvent ajuster leur consommation en fonction de la disponibilité de l'électricité. Des dispositifs intelligents permettent aux utilisateurs de décaler leurs usages énergétiques, comme la charge des voitures électriques, lorsque l'offre renouvelable est abondante.

N'oublions pas les batteries à grande échelle. Bien que les batteries soient souvent associées à la consommation domestique, elles commencent à jouer un rôle vital au niveau du réseau. Stocker l'énergie pendant les pics de production et la libérer lors des creux est une façon efficace d'augmenter la flexibilité.

Nous avons aussi l'importance croissante du matériel de stockage thermique. Des systèmes comme les accumulateurs de chaleur stockent l'énergie sous forme de chaleur, qui peut ensuite être utilisée pour produire de l’électricité lorsque cela est nécessaire.

La combinaison de ces différents moyens de production flexible sera essentielle pour faire face à la montée en puissance des énergies renouvelables. En maximisant la flexibilité, on peut mieux gérer l'intermittence, tout en avançant vers un système énergétique plus durable et résilient.