Un grand système sociotechnique, le système électrique

Faisons une rapi­de prom­e­nade à la décou­verte du sys­tème élec­trique. Nous par­tirons de la pro­duc­tion cen­tral­isée, puis, pas­sant par le réseau de trans­port et celui de la dis­tri­b­u­tion, nous en parvien­drons aux usages.

C’est là l’héritage du XX^e siè­cle. L’arrivée de la pro­duc­tion dis­tribuée, des NTIC et de la dérégu­la­tion en induit une trans­for­ma­tion plus ou moins bien maîtrisée.

Produire et transporter

Les cen­trales hydroélec­triques au fil de l’eau ou avec un réser­voir sont le roy­aume de la mécanique des flu­ides incom­press­ibles et du génie civ­il, même si les par­ties mécaniques et élec­triques sont évidem­ment indispensables.

Dans les cen­trales ther­miques clas­siques, la physique et la chimie de la com­bus­tion con­stituent le point de départ. La ther­mo­dy­namique appa­raît pour gér­er les ren­de­ments. Le génie mécanique joue ensuite le rôle principal.

Dans les cen­trales nucléaires, la physique nucléaire, les cou­plages irra­di­a­tion-ther­mique- mécanique (des écoule­ments et des struc­tures) s’ajoutent aux prob­lé­ma­tiques des cen­trales clas­siques. Leur con­cep­tion a néces­sité nom­bre d’expérimentations et de simulations.

L’opérateur de réseau sait assurer jusqu’en bout de ligne une alimentation de qualité

Pour toutes les cen­trales, comme pour tout ce que l’homme fab­rique, les développe­ments de la sci­ence des matéri­aux et des tech­niques de fab­ri­ca­tion et de con­struc­tion jouent un rôle clé.

Le réseau de trans­port à très haute ten­sion est le sup­port de la mutu­al­i­sa­tion de la pro­duc­tion et de la con­som­ma­tion, il garan­tit la sûreté de notre ali­men­ta­tion en élec­tric­ité et l’optimisation de nos fac­tures. Mail­lé, il trans­porte l’électricité vers les grandes zones de con­som­ma­tion ; une vente d’électricité de la France à l’Allemagne passe par­fois par la Bel­gique ou la Suisse.

Le réseau de dis­tri­b­u­tion, arbores­cent à par­tir de postes de trans­for­ma­tion du réseau de trans­port, con­duit le courant jusqu’aux comp­teurs de nos loge­ments et de nos bureaux. Grâce aux lois de l’électrotechnique et mal­gré les vari­a­tions de la con­som­ma­tion, l’opérateur de réseau sait, sauf excep­tion, assur­er jusqu’en bout de ligne une ali­men­ta­tion de qual­ité en ter­mes de ten­sion et d’intensité, et cela de manière sécurisée.

De l’éclairage à la climatisation

Le pre­mier usage de l’électricité fut l’éclairage, pub­lic et privé, avec l’invention et le déploiement de la lampe élec­trique, large­ment dus à Edi­son. C’est l’effet Joule qui le rend pos­si­ble, par le ray­on­nement qu’il provoque lors de l’incandescence du fil­a­ment chauf­fé par le courant.

Le chauffage élec­trique utilise lui aus­si cet effet, soit grâce à des con­vecteurs qui élèvent la tem­péra­ture de l’air, soit par l’intermédiaire de pan­neaux qui ray­on­nent en infrarouge.

Prévoir la veille pour le lendemain en prenant en compte la vie du pays

La fameuse « pointe élec­trique » des soirs d’hiver, dénon­cée par cer­tains, large­ment due en fait aux chauffages d’appoint des maisons non chauf­fées à l’électricité, va être dépassée par les pointes aléa­toires liées à l’usage des éner­gies renou­ve­lables (éoli­ennes, pho­to­voltaïque) pro­mues par les mêmes.

Enfin, les pom­pes à chaleur, de plus en plus util­isées dans le monde pour le chauffage et la cli­ma­ti­sa­tion, et pour la récupéra­tion de chaleur dans l’industrie, sont fondées sur des cycles ther­mo­dy­namiques de flu­ides qui changent de phase.

Les cen­trales hydroélec­triques sont le roy­aume de la mécanique des flu­ides. © Olivi­er White

Un défi permanent

L’une des spé­ci­ficités du sys­tème élec­trique est qu’il con­tient peu de moyens de stock­age. Il faut donc assur­er à chaque instant l’équilibre entre pro­duc­tion et con­som­ma­tion de manière sûre (avoir des marges sur les capac­ités des lignes, avoir des réserves de pro­duc­tion à la hausse et à la baisse) et sta­ble (éviter des sit­u­a­tions où l’indisponibilité imprévue d’une ligne ou d’une cen­trale provo­querait un écroule­ment en cascade).

Cela néces­site des prévi­sions pluri­an­nuelles pour met­tre en place les moyens néces­saires, mais aus­si des prévi­sions de la veille pour le lende­main prenant en compte la vie du pays, le dis­cours à venir du prési­dent de la République ou le match au Stade de France en pas­sant par la météo et les prix de pro­duc­tion. Il y a là, pour les afi­ciona­dos du genre, de beaux mod­èles de sim­u­la­tion et d’optimisation sous con­traintes, avec des échelles de temps et d’espace (Europe, France) diversifiées.

Les actions en temps réel sont de la respon­s­abil­ité de l’opérateur du sys­tème (en France, le Cen­tre nation­al d’exploitation du sys­tème du réseau de trans­port d’électricité) qui dis­pose de téléin­for­ma­tions et de télé­com­man­des, mais aus­si d’outils per­for­mants de simulation.

En France, la puis­sance totale des STEP est env­i­ron 5 GW, soit un peu moins de 5 % de la puis­sance totale du système.

Un progrès permanent

En ce début du XXI^e siè­cle, tous les sous-sys­tèmes du sys­tème élec­trique clas­sique voient leurs per­for­mances pro­gress­er. Les tur­bines hydrauliques dépassent des ren­de­ments de 90 %, les cen­trales à gaz des ren­de­ments de 60 %, les pom­pes à chaleur atteignent des per­for­mances à faire rétro­spec­tive­ment frémir Carnot.

Par ailleurs, les éner­gies renou­ve­lables, solaires, éoli­ennes et marines, vont faire pass­er le nom­bre de points de pro­duc­tion en Europe de quelques mil­liers à des cen­taines de mil­lions, et, bien maîtrisées, elles pour­raient con­tribuer à traiter les prob­lé­ma­tiques du développe­ment durable. Les nou­veaux usages, notam­ment celui des véhicules hybrides, recharge­ables ou élec­triques, peu­vent per­me­t­tre de réduire les émis­sions de gaz à effet de serre, la pol­lu­tion aux par­tic­ules fines ain­si que les impor­ta­tions de pro­duits pétroliers.

Investir dans les réseaux

Pour aller plus loin, il s’agit d’abord d’investir dans les réseaux, en par­ti­c­uli­er dans le réseau de dis­tri­b­u­tion qui devient un réseau de cir­cu­la­tion de l’électricité, la pro­duc­tion pho­to­voltaïque sur les toits pou­vant à cer­taines heures de la journée invers­er le sens du courant. Il faut donc mod­i­fi­er les pro­tec­tions de ces réseaux, intro­duire de nou­veaux cap­teurs (pour que l’opérateur du réseau de dis­tri­b­u­tion puisse jouer son rôle au ser­vice des con­som­ma­teurs), bref met­tre en place ce qu’on appelle aujourd’hui dans le jar­gon inter­na­tion­al des smartgrids.

Renforcer le stockage

Il faut ensuite ren­forcer la robustesse de fonc­tion­nement d’ensemble du sys­tème pour qu’il puisse assur­er un rôle tou­jours plus effi­cace, que ce soit en ter­mes d’équilibre entre pro­duc­tion et con­som­ma­tion ou de prise en compte des mod­i­fi­ca­tions rapi­des de la pro­duc­tion renou­ve­lable intermittente.

On peut assur­er tout ou par­tie de ces régu­la­tions grâce aux cen­trales hydrauliques, fos­siles ou nucléaires.

Chauffe-eau à accu­mu­la­tion, une capac­ité de stock­age à domicile.

On peut aus­si choisir d’effacer la pro­duc­tion renou­ve­lable si elle trop forte et si elle met le sys­tème en dan­ger, ou de ren­forcer la flex­i­bil­ité ou la capac­ité d’effacement d’une par­tie de la con­som­ma­tion pour dif­férentes durées, ou de ren­forcer la capac­ité de stock­age cen­tral­isée ou décentralisée.

Ces divers­es solu­tions tech­niques ont des coûts spé­ci­fiques et elles con­cer­nent des acteurs différents.

Des choix politiques

Le choix, ou plutôt l’équilibre entre ces solu­tions, est la con­séquence de choix poli­tiques et néces­site une vision sys­témique non seule­ment nationale mais aus­si européenne.

En Europe, on observe depuis plus de dix ans une crois­sance des prix de l’électricité pour le citoyen, l’affichage d’un marché de l’électricité et la créa­tion de tar­ifs de rachat, la mise sur le même plan d’une final­ité (– 20 % d’émissions de CO2) et de deux moyens (20% d’énergies renou­ve­lables et 20 % d’amélioration de l’efficacité énergé­tique) et enfin l’instabilité des régu­la­tions du domaine de l’électricité (qui empêche les pro­jets et la créa­tion d’emplois). N’y a‑t-il pas des leçons à tir­er des suc­cès et des erreurs des vingt ans de dérégulation ?

Une vision systémique nationale et européenne

Depuis bien­tôt un siè­cle, le pour­cent­age de l’électricité dans l’énergie finale util­isée par les hommes aug­mente : nous en sommes à 25 % en France, à 16 % en moyenne dans le monde même si plus d’un mil­liard de per­son­nes n’y ont pas encore accès.

Le développe­ment d’un sys­tème élec­trique « décar­boné » est un moyen (le seul peut-être en l’état actuel des sci­ences et des tech­niques) de répon­dre aux enjeux du développe­ment durable dans le domaine de l’énergie.

La pri­or­ité pour la « tran­si­tion énergé­tique » en France n’est-elle pas d’agir à tous les niveaux, dans la mai­son et dans l’industrie comme dans les trans­ports, pour accélér­er l’électrification de notre pays en ren­forçant un mix élec­trique « décar­boné », et cela au moin­dre coût pour nous tous ?

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