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Partie II: Intégration au réseau


La puissance éolienne varie au fil du temps, principalement sous l’influence des fluctuations météorologiques, selon des échelles de temps qui vont des secondes aux années. Il importe au plus haut point de comprendre ces variations et leur prévisibilité si l'on veut intégrer l'énergie éolienne au système énergétique, et en optimiser l'utilisation. Ces questions sont abordées aux Chapitres II.1 et II.2. La variabilité est inhérente aux systèmes électriques, que ce soit en termes de demande ou d'offre. Or, ils sont conçus de manière à maîtriser efficacement ces variations grâce à leur configuration, leurs systèmes de contrôle et leur interconnexion.

Afin de réduire la variabilité, la production des installations d'éoliennes devra être groupée autant que possible. Tout en permettant de réduire les fluctuations, le groupage géographique de la production des parcs d'éoliennes entraîne un accroissement de la capacité d'énergie éolienne permanente dans le système. La prévisibilité est la clé de la gestion de la variabilité de l’énergie. Plus la zone est vaste, mieux on peut prévoir dans l'ensemble la puissance éolienne groupée, ce qui a des effets bénéfiques sur la quantité des réserves de compensation qui sont requises, en particulier lorsque les heures de «gate closure» des marchés électriques prennent en compte les éventuels niveaux de précision de la prévision de puissance éolienne.

Outre qu'il a pour avantage de réduire les fluctuations, le regroupement géographique de la production des parcs d’éoliennes a pour effet d'accroître en volume la capacité de puissance électrique permanente disponible dans le système.


Figure S.5 Exemple d’effet de lissage produit par la dispersion géographique

Nota: La figure compare le débit horaire de la capacité éolienne dans quatre situations, calculé à partir d'une puissance éolienne simulée. Les simulations reposent sur les vitesses des vents en décembre 2000 et sur la capacité en puissance éolienne estimée pour 2020.

Source : www.trade-wind.eu


L’intégration à grande échelle de l’énergie éolienne est envisagée dans le contexte où une part significative de la demande en énergie européenne sera fournie par l'énergie éolienne. Tandis que l’énergie éolienne a couvert environ 4 de la demande en électricité en 2008, l'EWEA vise pour 2020 et 2030 des niveaux de pénétration respectifs de 12-14 et 21-28, en fonction de la demande future en électricité. 


Conception et exploitation des systèmes de génération d'énergie électrique


Les méthodes de contrôle établies et les réserves des systèmes disponibles pour faire face à une demande et à une offre variables sont suffisants pour traiter le surcroît de variabilité qui intervient à des niveaux de pénétration de l'énergie éolienne allant jusqu’à 20, bien que le niveau précis dépende du système spécifique en question. L’estimation des exigences en réserves supplémentaires est d'environ 2-4 de la capacité de puissance éolienne installée pour 10 de pénétration de l'énergie éolienne, en fonction de la flexibilité des systèmes de électriques, de la qualité des prévisions à court terme, et des heures de « gate closure » des marchés énergétiques. A des niveaux de pénétration plus élevés, il peut être nécessaire d’apporter des modifications aux systèmes et à leurs méthodes d'exploitation afin d'autoriser une plus grande contribution de l'énergie éolienne; cette question est abordée au chapitre II.3. Afin de réduire les efforts et les coûts d’intégration, la conception des systèmes de génération d’électricité doit être plus souple. On peut y parvenir par une combinaison d'unités de production flexibles, de systèmes de stockage, de flexibilité de la demande, de disponibilité de capacités d'interconnexion et par l'adoption de règles plus souples sur le marché de l'énergie.

Le tableau S1 fournit un aperçu détaillé et une répartition par catégories des effets de l'énergie éolienne sur le système d’électrique.

Table S.1 Incidences sur le système de génération électrique de l'énergie éolienne, ce qui fait encourir des coûts d'intégration

  Effet ou élément affecté Zone Echelle de temps Contribution de l'énergie éolienne
Effets à court terme Gestion de la tension Locale/régionale Secondes/minutes Les parcs d’éoliennes peuvent apporter un soutien (dynamique) au maintien de la tension (en fonction de leur conception).
Efficacité des équipements thermiques et hydrauliques Système 1-24 heures Les impacts dépendent du mode d’exploitation du système et de l’utilisation de prévisions à court terme
Efficacité du transport et de la distribution Système ou locale 1-24 heures En fonction du niveau de pénétration, les parcs éoliens peuvent faire encourir des coûts d'investissements supplémentaires ou être avantageuses. L’énergie éolienne spatialement répartie peut réduire les pertes sur le réseau.
Réserves de régulation Système Plusieurs minutes à quelques heures L'énergie éolienne peut contribuer en partie au contrôle primaire et secondaire.
Capacité éolienne déconnectée Système Heures A des taux de pénétration très élevés, l'énergie générée peut dépasser le volume que le système peut absorber
Effets à long terme

Fiabilité du système (adéquation de la production et du transport)

Système

Années

L'énergie hydraulique peut contribuer (crédit de capacité) à l'équilibre du système électrique

Source : EWEA

Une présentation graphique générale des divers impacts de l’énergie éolienne sur les réseaux électriques est fournie par la Figure S.6, qui met clairement en évidence à la fois les effets locaux systémiques, et les effets à court et long terme sur les éléments concernés du système électrique, y compris l’infrastructure des réseaux, les réserves des systèmes et leur équilibre.

Figure S.6 Incidences sur le système de l’énergie éolienne

Nota : Les aspects entrant dans le cadre de la Tâche 25 sont entourées d'un cercle rouge.

Sources : Tâche éolienne n°25 de l'AIE, Holtinnen (2007)

Mise à niveau des infrastructures des réseaux

L’énergie éolienne, en tant que source de génération distribuée et à production variable, nécessite des investissements en infrastructures, ainsi que la mise en œuvre de concepts nouveaux en matière de technologie et de gestion des réseaux; ces concepts sont présentés dans la Chapitre II.4. L’intégration à grande échelle de l’énergie éolienne nécessite une augmentation sensible de la capacité de transport de l'énergie, ainsi que d'autres mesures de mise à niveau, tant au sein de chaque Etat membre de l'UE qu'entre les divers Etats. Des améliorations significatives peuvent être obtenues en optimisant les réseaux et en recourant à d'autres mesures «douces», mais il sera également nécessaire de construire de nouvelles lignes.  Au même moment, il convient de développer des procédures adéquates et équitables pour rendre les réseaux accessibles à l’énergie éolienne, même lorsque la capacité des réseaux est limitée. Un réseau offshore transnational permettrait non seulement d'accéder aux immenses ressources offshores, mais aussi d'améliorer les échanges transfrontaliers entre les pays et de soulager la saturation des lignes d'interconnexion existantes. L’amélioration des réseaux européens exige une coordination renforcée pour la planification des réseaux électriques européens, ainsi qu'une coopération plus étroite entre toutes les parties concernées, en particulier les opérateurs des systèmes de transport d'énergie (TSO). Au niveau de la distribution, il faut gérer les réseaux de manière plus active. L’amélioration de l’aptitude des réseaux à transporter davantage d'électricité d'un pays à une autre et d'une région à l'autre sert à la fois les intérêts de l'industrie éolienne et ceux du marché intérieur de l'électricité.

Les Figures S.7-S.9 font apparaître trois exemples de configurations de réseaux «offshore» en mer du Nord.


Figure S.7 Vision d'un «super-réseau» à haute tension destiné à transporter l’énergie éolienne à travers l’Europe

Source : Dowling & Hurley (2004)


Figure S.8 Proposition de réseau offshore par Statnett

Source : Statnett (2008)


Figure S.9 Réseau offshore examiné dans l'étude de Greenpeace

Source : Statnett (2008)

 

Exigences applicables en matière de connexion au réseau électrique


On assiste à une évolution des exigences techniques spécifiques énoncées par les codes régissant l'accès aux réseaux électriques (Code des Réseaux)  en termes de tolérance, de contrôle de la puissance active et réactive, et de dispositifs de protection et de qualité de l'énergie, du fait d'une plus grande pénétration éolienne, d'une capacité accrue au contrôle actif et du nécessaire support aux réseaux électriques (Chapitre II.5). Il est aussi possible de créer un marché pour les services de contrôle, plutôt que de s'en tenir à des règles rigides. En principe, cela se justifierait économiquement, étant donné qu'un contrat serait signé avec le producteur le plus apte à fournir ces prestations.

Au fur et à mesure que la pénétration éolienne augmente, il y a un besoin accru d'harmonisation du Code des Réseaux, qui nécessiterait un effort concerté de la part de l'industrie éolienne et des opérateurs de systèmes.

Contribution de l’énergie éolienne à l'équilibre des systèmes


A de faibles niveaux de pénétration de l’énergie éolienne, le crédit de capacité relatif de l’énergie éolienne (c'est-à-dire la fraction statistiquement garantie de la capacité installée totale) est proche de la production moyenne (facteur de charge) pendant la période considérée, qui est habituellement le moment où la demande est maximale. Pour les pays d’Europe du Nord, cette proportion est habituellement de 25 à 30 sur terre et peut atteindre 50 en offshore. L'accroissement des niveaux de pénétration de l'énergie éolienne dans le système provoque une réduction de son crédit de capacité relatif. Néanmoins, comme le montre le chapitre II.6, cela ne veut pas dire qu’une proportion moindre de capacité de production classique peut être remplacée, mais plutôt que l'adjonction d'une nouvelle installation éolienne à un système où les taux de pénétration de l'énergie éolienne sont élevés aura un effet de substitution moindre que la première installation dans le système.

Conception du marché


Dans l’intérêt de l'intégration économique de l'énergie éolienne, il est nécessaire de modifier les règles du marché européen, afin de permettre aux marchés de fonctionner plus rapidement et selon des horaires de « gate closure » plus brefs (typiquement trois heures, ou moins). Cela permettra de minimiser l'incertitude des prévisions et les besoins de compensation de dernière minute. Des avantages économiques supplémentaires sont attendus de l'expansion géographique du marché et des zones de coordination, ainsi que l'établissement d'une réglementation appropriée du marché dans le cadre des échanges énergétiques transfrontaliers.

 

Economie de l'intégration de l'énergie éolienne


L’intégration de volumes significatifs d'énergie éolienne dans le système électrique a une série d'impacts économiques à la fois positifs et négatifs. Deux facteurs principaux déterminent les coûts d'intégration de l'énergie éolienne: les besoins en équilibrage et l'infrastructure des réseaux (Chapitre II.7). Le coût d’équilibrage additionnel d’un système électrique est lié à la nature intrinsèquement variable de l’énergie éolienne, qui implique des modifications permettant aux autres producteurs de gérer les écarts imprévus entre l'offre et la demande. Comme l'indiquent certaines études nationales, ces coûts ne représentent qu'une faible fraction des coûts de production de l'énergie éolienne et des coûts totaux d'équilibrage du système de génération d'électricité.

La figure S.10 illustre les coûts fournis par plusieurs études, en fonction du taux de pénétration d'énergie éolienne. Les coûts d’équilibrage augmentent de manière linéaire avec la pénétration de l'énergie éolienne, mais les valeurs absolues sont modérées, et toujours inférieures à 4 €/MWh pour un taux de pénétration de 20 (et elles sont le plus souvent inférieures à 2 €/MWh).

Figure S.10 Résultats des estimations de la hausse des coûts d’équilibrage et d’exploitation due à l'énergie éolienne.

Source: Holttinen (2007)


Les coûts de mise à niveau des réseaux électriques naissent du besoin de raccorder les installations éoliennes et de la capacité supplémentaire requise pour transporter les flux énergétiques accrus dans les réseaux de transport et de distribution. Les réseaux ont également besoin d'être adaptés pour améliorer la gestion de la tension, et il faut des capacités de connexion supplémentaires entre les pays pour exploiter au mieux les avantages liés à la répartition continentale de la ressource. Toute amélioration des infrastructures répondant à ces besoins apporterait de multiples avantages au système, si bien que ses coûts ne seraient pas seulement imputés à la production éolienne.

Le coût de modification des systèmes électriques incluant des volumes significatifs d'énergie éolienne augmentent de manière quasi-linéaire avec son taux de pénétration. L'identification d'un « optimum économique » n’est pas chose aisée, étant donné que les coûts sont liés à des avantages. Concernant les avantages, on peut citer des réductions significatives de la consommation de combustibles fossiles, ou la réduction des coûts liée à la moindre dépendance énergétique. Ces avantages se constatent déjà sous la forme de prix plus bas sur les marchés des échanges d'énergie où des volumes significatifs d'électricité éolienne sont proposés. Des études menées jusqu’à présent, il ressort que lorsqu'on extrapole les résultats sur la base de niveaux de pénétration élevés, il est clair que l'intégration de plus de 20 d'énergie éolienne dans le système de génération d'électricité de l'UE serait économiquement bénéfique.

L’expérience et les études prouvent manifestement la faisabilité de l'intégration de la capacité d'énergie éolienne attendue en Europe pour 2020, 2030 et au-delà, et l'existence de solutions pour y parvenir. Aujourd’hui, les questions immédiates portent principalement sur la manière la plus économique de régler les problèmes liés à la conception et à l'exploitation du système d’électrique, à leur mise à niveau, aux règles de connexion et à la conception des marchés de l'électricité.

L’un des défis est la création de règles de marché adaptées, y compris des incitations destinées à permettre le développement de la génération et du transport de l'énergie afin de leur permettre de s'adapter à une production variable et décentralisée, principalement en devenant plus souples, et en fournissant une plus grande capacité d'interconnexion. Il faut entreprendre des études au niveau européen afin de doter la mise à niveau des réseaux et l'organisation du marché d'une base scientifique.  

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