DOSSIER : LA FRANCE SANS NUCLEAIRE C’EST POSSIBLE !


Nous relayons une nouvelle fois un article du magazine Science & Vie (n° 1176).

Éolien, solaire, hydraulique : à elles seules, ces énergies renouvelables pourraient subvenir à la totalité des besoins énergétiques de l’Hexagone d’ici à 2050 ! Tel est le constat, très dérangeant, d’une étude de la très officielle Ademe. Sur quelles bases ? A quel prix ? Partie du nucléaire, une France « 100 % verte » est-elle crédible ? Le dossier de Vincent Nouyrigat.

La France possède un véritable potentiel « vert »

Pour évaluer le potentiel français, les chercheurs ont analysé les cartes de puissance des vents et d’irradiation solaire issues de la Nasa. Ils ont aussi évalué la force des marées et de la houle, avant de convertir ces données en capacité de production d’électricité. Ce potentiel a ensuite été confronté aux contraintes du terrain : reliefs, réserves naturelles, présence d’habitations… Il ressort de toutes ces analyses un gisement exploitable abondant et bien réparti à l’échelle du pays.

Éolien

Carte Potentiel exploitable des gisements éoliens en Gigawatt (GW)

Potentiel exploitable des gisements éoliens en Gigawatt (GW)

Solaire

Carte Potentiel exploitable des gisements solaires en Gigawatts (GW)

Potentiel exploitable des gisements solaires en Gigawatts (GW)

Hydraulique

Carte Potentiel exploitable des gisements hydrauliques en Gigawatts (GW)

Potentiel exploitable des gisements hydrauliques en Gigawatts (GW)

La France sans énergie nucléaire… Ce titre ressemble à une provocation. Un crime de lèse-majesté. Une proposition presque aussi indécente que celle qui consisterait à priver l’Hexagone de vin rouge ou de camembert ! Aucune institution, aucun laboratoire n’avait jusqu’ici osé explorer ce cas de figure énergétique, du moins publiquement.

Avouons-le : cette hypothèse sulfureuse est difficile à formuler dans un pays dont l’électricité – et par là une grande partie de son confort et de sa puissance économique – repose à 75 % sur la fission nucléaire. Un pays jalonné de 58 réacteurs répartis sur 19 sites générateurs d’emplois. Un pays où tout scénario énergétique qui se respecte contient toujours à long terme une bonne tranche d’atome… malgré la catastrophe de Fukushima et les déboires du réacteur EPR.

C’est simple, en France, l’idée d’une sortie du nucléaire évoque inévitablement un « retour à la bougie ». Ici peut-être plus qu’ailleurs, les alternatives sobres en carbone sont réputées peu crédibles (lire notre « dossier noir des énergies vertes », S&V n° 1086, mars 2008). Et pour cause : plombés par leur dépendance à la météo du moment, éoliennes et panneaux photovoltaïques semblent incapables de répondre à la demande d’électricité – à moins de mobiliser des moyens de secours considérables et ruineux.

Un scénario 100 % vert a de quoi déranger dans un pays si attaché à l’atome

« A tout moment, la production d’électricité et sa consommation doivent être parfaitement égales, sinon le réseau risque de s’effondrer dans la minute », rappelle Nouredine Hadjsaid, à l’Institut national polytechnique de Grenoble. Cet exigeant équilibre ne paraît pouvoir être assuré que par des générateurs thermiques puissants, disponibles et délivrant leurs électrons sur commande.

Sauf que la situation a évolué. Contre toute attente, ce discours passe de plus en plus pour un tissu d’idées préconçues aux yeux des chercheurs. « Il est facile de se montrer a priori pessimiste sur l’exploitation à grande échelle des énergies renouvelables si l’on ne se donne pas la peine de mener les travaux de recherche nécessaires tance Robin Girard, du centre Procédés, énergie, renouvelables et systèmes énergétiques (Mines ParisTech). Avant de pouvoir conclure, il faut conduire des simulations fastidieuses, explorer de longues séries climatiques, résoudre des problèmes d’optimisation ardus… »

Un travail laborieux que mène depuis plus d’un an l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (Ademe). Le titre de l’étude en préparation est sans ambiguïté : « Vers un mix électrique 100 % renouvelable en 2050 ». En clair, exit la dizaine de centrales à gaz, au fioul et au charbon de l’Hexagone. Exit surtout les 58 réacteurs tricolores et, avec eux, le risque d’accident nucléaire sur notre territoire ou le problème de nouveaux déchets hautement radioactifs.

UNE CONCLUSION TROUBLANTE

Assurément, cette audace surprend de la part d’un établissement public placé sous la tutelle du ministère de l’Écologie… « Le but de cette étude n’est pas d’imaginer l’avenir énergétique de la France en 2050, ni d’orienter la politique nationale vers une sortie du nucléaire, s’empresse de préciser David Marchal, de la direction des programmes de l’Ademe. Il s’agit simplement de combler un déficit de connaissances sur l’intégration massive d’énergies renouvelables dans l’Hexagone, études qui ont déjà été menées aux États-Unis ou en Allemagne. »

Des précautions qui ne pèsent pas lourd face au trouble provoqué par la démarche. D’abord annoncée par le service de presse de l’Ademe comme le point d’orgue d’un colloque devant se tenir les 14 et 15 avril derniers à Paris en présence de la ministre de l’Écologie Ségolène Royal, la présentation de ce scénario 100 % vert a disparu comme par enchantement du programme. De quoi donner du grain à moudre aux médias. Début avril, le site Mediapart révélait une version provisoire de ce « rapport caché ». Au final, l’étude complète et détaillée doit être rendue publique ce mois-ci.

Sa conclusion, déjà connue, est bouleversante : d’un point de vue technique autant qu’économique, la France pourrait tout à fait fonctionner, d’ici quelques décennies, uniquement à partir de sources renouvelables. Autrement dit, la sixième puissance mondiale et ses 66 millions d’habitants pourraient être alimentés en électricité – et sans coupure – par le souffle du vent, les rayons du soleil et l’eau qui dégringole des montagnes.

« Nous avons simulé sept années météorologiques heure par heure, puis combiné ces simulations à des scénarios de demande d’électricité : le mix 100 % renouvelable ainsi modélisé assure en tout point l’équilibre entre l’offre et la demande », expose Alice Chiche, qui participe à l’étude.

Ce résultat a d’autant plus de valeur scientifique que les auteurs de ce travail n’ont rien de hippies ou de militants éclairés. L’Ademe a notamment fait appel à des chercheurs de l’École des mines et à des ingénieurs d’Artelys, un bureau d’études de référence exerçant auprès de grands énergéticiens européens – y compris EDF, l’opérateur national si attaché au nucléaire.

« Cette étude tient la route », soutient Jean-Philippe Roudil, responsable de la prospective chez Réseau de transport d’électricité (RTE).

« Je m’attendais à quelque chose d’exotique, mais leurs hypothèses ont été suffisamment réfléchies »,

retient Sylvain Cail, analyste au sein du cabinet Enerdata. « Les auteurs ont pris beaucoup de précautions, c’est très bien fait, admire Pierre Pinson, professeur d’énergétique à l’université technique du Danemark. La démarche est d’autant plus louable que, à la différence du Danemark, la France n’a pas pour objectif officiel d’atteindre les 100 % d’électricité verte. »

AUCUNE LIMITE SCIENTIFIQUE

L’exploit des 100 %, jugé farfelu il y a encore quelques années, prend consistance un peu partout en Europe (lire l’encadré Partout en Europe…).  » Il n’y a pas de limite scientifiquement établie, reconnaît Jean-Philippe Roudil. Pour l’heure, nous nous préparons à accueillir sur Je réseau français 40 % d’énergies renouvelables en 2030. » En attendant mieux… Beaucoup mieux ?

Les performances des éoliennes et le coût des panneaux solaires ont cessé d’être un problème : le temps de production des premières a été allongé de 30 % pour les dernières générations ; les prix des seconds divisés par 10. Par ailleurs, l’Hexagone ne manque pas de potentiel naturel exploitable (voir les cartes ci-dessus).

Encore faut-il que ce gisement mirifique puisse répondre à la demande d’électricité nationale à tout moment de l’année. Car tel est bien le tour de force à accomplir pour alimenter un pays à partir de sources 100 % renouvelables, en grande partie intermittentes. Un tour de force qui nécessite des calculs d’optimisation pointus, pratiqués de manière inédite en France pour l’étude de l’Ademe. Les scientifiques devaient trouver le meilleur assemblage possible entre des sources non pilotables, produisant de l’électricité au gré du vent et de l’ensoleillement, quelques sources constantes, comme la géothermie, et des dispositifs pilotables, à l’image des barrages réservoirs ou de la combustion de biomasse (matière organique), déclenchés à volonté.

Et ça marche ! Sans que le coût de l’électricité, dans le mix énergétique ainsi composé, ne devienne exorbitant : de l’ordre de 119 euros par KWh, contre 117 euros dans un scénario avec 50 % de nucléaire, et environ 90 euros aujourd’hui.

Dès lors, tout l’art consiste à gérer les surplus et les déficits d’électricité (lire les encadrés ci-dessous). Lorsqu’il y a profusion d’énergie solaire (vers 13 heures) ou éolienne, et que la demande est faible, la bonne idée consiste à stocker les surplus. Puis à réinjecter ces réserves dans le réseau aux moments les plus tendus, lors des pics de consommation par exemple.

Là où les chercheurs de l’Ademe se montrent convaincants, c’est qu’ils ont simulé les situations les plus périlleuses pour le système électrique : vent trop discret en pleine période de grand froid et de forte consommation (comme en février 2012), faible ensoleillement, etc. Verdict des algorithmes ? Ça passe toujours !

UN RÉSEAU ASSEZ FLEXIBLE

Notre pays dispose en effet de plusieurs atouts pour gérer au mieux une production d’électricité en dents de scie. Le réseau repose en particulier sur de nombreuses installations hydroélectriques, dont quelque 150 grands barrages-réservoirs mobilisables en moins de dix minutes. Sans oublier six stations de pompage-turbinage, formées de deux retenues artificielles aménagées à des altitudes différentes : l’eau s’ébroue vers l’aval en actionnant des turbines quand il faut produire de l’électricité (parfois en urgence), puis est remontée par des pompes électriques quand les électrons sont en excès sur le réseau, constituant alors une précieuse forme de stockage.

Ironie de l’histoire, « ces près de 5 GW de flexibilité ont été bâtis pour pallier le manque de souplesse des réacteurs nucléaires, et ils pourraient désormais favoriser l’intégration des énergies renouvelables », fait remarquer Olivier Lacroix, du cabinet d’études Enea.

« En analysant les besoins de stockage à l’horizon 2030 lors d’une précédente étude, nous avions été surpris de constater que le réseau français actuel peut faire face à de fortes capacités d’énergies intermittentes, signa le David Marchal. C’est seulement à partir de 20 GW de photovoltaïque [contre environ 5,5 GW aujourd’hui] que le besoin d’infrastructures supplémentaires se fait sentir. »

Oui, mais personne n’imagine construire de nouveaux réservoirs hydroélectriques en inondant une vallée des Alpes ou des Pyrénées comme clans les années 1950. Atteindre un mix 100 % renouvelable exigerait donc de faire appel à d’autres formes de stockage.

Outre les batteries électrochimiques, un mode de conversion, baptisé power to gas, est considéré comme la solution la plus prometteuse. Il pourrait être opérationnel en France dès 2030. Son principe : convertir les surplus d’électricité en gaz (par réaction d’hydrogène avec du dioxyde de carbone issu de la biomasse), qui pourrait ensuite être brûlé pour générer de l’électricité en hiver ou en cas d’erreur grossière de prévision de production éolienne.

Les consommateurs français ne perdraient donc rien de leur confort… À ceci près que la consommation d’électricité devra s’adapter aux fluctuations des ressources renouvelables. « Ainsi, les ballons d’eau chaude devraient s’enclencher en milieu de journée, et non plus la nuit, pour bénéficier du pic de production des panneaux photovoltaïques », illustre David Marchal. La recharge de millions de véhicules électriques devrait être savamment optimisée, elles chauffages électriques capables de s’éteindre et de reporter leur utilisation. « Pour les particuliers, le modèle économique reste à inventer », admet Michel Béna, directeur smart grids (« réseaux d’électricité intelligents ») chez RTE.

Les défis du 100 % renouvelable sont loin d’être anecdotiques. Porté essentiellement par des énergies variables, le système électrique n’aurait plus les mêmes caractéristiques et développerait des réactions radicalement différentes. « Je ne vois pas du tout comment cela pourrait être piloté, s’inquiète Xavier Guillaud, professeur à l’École centrale de Lille. Toutes les théories actuelles, tous les livres d’électrotechnique seraient à jeter à la poubelle ! » « On ne dit pas que c’est facile, répond David Marchal. Cela demande évidemment des analyses plus poussées. »

« L’objectif d’une telle étude est justement d’identifier les défis techniques et d’orienter les programmes de recherche et développement »,

estime Georges Kariniotakis, à l’École des mines de Paris.

DIFFICILE A METTRE EN ŒUVRE

Reste que « cette étude conceptuelle est très peu cohérente avec la notion de transition énergétique, oppose Jean-Guy Devezeaux de Lavergne, directeur de l’Institut de technico-économie des systèmes énergétiques (CEA). Pour un parc électrique constitué et une demande atone, nos simulations montrent que l’opportunité économique de remplacer des centrales est très faible. L’arrêt prématuré d’un réacteur nucléaire coûte plusieurs milliards d’euros… » Des réacteurs, au passage, très sobres en C02.
Faire disparaître aussi radicalement le nucléaire français semble donc difficile à imaginer (lire l’encadré au bas de l’article).

Alors, le 100 % vert, concept éthéré ou projet de société crédible ? Cette étude a au moins l’avantage de livrer un résultat scientifique dans un débat jusqu’ici dominé par l’idéologie et les intérêts industriels. Ce résultat mérite d’être entendu : techniquement, ce mix électrique révolutionnaire ne doit plus être considéré comme impossible. « Quand on voit la sophistication du programme nucléaire français, les problèmes que nous avons à résoudre ne semblent pas si insurmontables », lance Robin Girard.

Un discours qui, il y a encore quelques années, serait passé pour de la pure provocation…

Partout en Europe, l’irrésistible ascension des énergies vertes

Le chiffre fait déjà forte impression : près de 20 % de l’électricité produite en France en 2014 était d’origine renouvelable – barrages compris. Désormais, les productions éolienne et photovoltaïque surpassent dans notre pays celle des centrales à combustible fossile ! Ailleurs en Europe, les proportions sont encore plus frappantes. On passera sur les cas particuliers de l’Autriche, de la Suisse ou de la Norvège, gorgées d’hydroélectricité. Mais songez que le vent est devenu la première source d’électricité en Espagne ; au Danemark, l’offre électrique est déjà assurée à environ 40 % par l’éolien, et ce pays pionnier projette d’atteindre les 100 % d’énergie renouvelable dès 2035 ; enfin, l’Allemagne, résolue à sortir du nucléaire d’ici sept ans, vise les 80 % d’énergie verte en 2050 – le très sérieux Institut Fraunhofer estimant même l’objectif des 100 % réalisable…

Ce qu’il faudrait pour remplacer le nucléaire

Une France 100 % verte exigerait une transformation massive de l’appareil de production. Il faudrait décupler le nombre d’éoliennes et de panneaux photovoltaïques au sol ou sur les toitures. Seule la réserve hydraulique, déjà largement exploitée dans les massifs, ne demanderait que de modiques adaptations.

10 fois plus d’éoliennes : Elles seraient 50000, pour une puissance instantanée de 100 GW.

11 fois plus de panneaux solaires : Ils formeraient de vastes centrales au sol (500 km2 au total).

1,1 fois la taille du parc hydraulique actuel : Seuls de modestes ajustements seraient nécessaires sur les barrages.

Un paysage français bouleversé

C’est indéniable : les énergies vertes nécessitent des dispositifs nombreux et volumineux… voire envahissants. Une France 100 % renouvelable se rait parcourue de 50000 éoliennes (contre 4000 aujourd’hui), sur 17000 km2 au total (l’équivalent du Limousin), quand les 19 sites nucléaires actuels ne mobilisent qu’une vingtaine de km2. S’il sera toujours possible de pratiquer agriculture et élevage sous ces turbines hautes de 150 m, leur omniprésence relève pour certains du cauchemar. A cela s’ajouteraient 500 km2 de panneaux solaires au sol ou encore les aménagements liés aux nouvelles lignes électriques de raccordement. Un problème que l’Aderne n’a pas pris à la légère dans ses calculs, et sur lequel travaillent des paysagistes.

3 défis attendent encore le réseau pour passer au « vert »

Électronique

Stabiliser le réseau électrique même en cas d’incident

Si elles veulent supplanter les centrales conventionnelles, les énergies vertes doivent assurer les mêmes services : participer au réglage de la tension et de la fréquence, et maintenir la stabilité du réseau électrique en cas d’incident. Les anciennes générations d’éoliennes et de panneaux solaires se déconnectaient au moindre creux de tension, semant le chaos sur le réseau. Ce n’est heureusement plus le cas : les équipements renouvelables sont désormais assistés de convertisseurs électroniques de puissance, « des transistors et un interrupteur qui assurent la qualité de l’onde électrique », résume Jean-Luc Thomas, chercheur en électrotechnique. Un contrôle effectué à condition… que le vent souffle ou que le soleil brille. Autre limite : « A la différence des centrales conventionnelles, qui sont d’immenses machines tournantes, les renouvelables n’offrent pas suffisamment d’inertie au réseau – essentielle en cas d’incident », avertit Bertrand Raison, à l’université de Grenoble. Parvenir à reconstituer ces propriétés est un champ d’investigation très ouvert. Tout comme le pilotage d’inédits réseaux à courant continu qui irrigueront les champs d’éoliennes offshore.

Informatique

Adapter l’offre à la demande en permanence

Face à tant d’énergies fluctuantes, assurer l’équilibre entre l’offre et la demande exige de faire appel à de puissants algorithmes. Eux seuls permettent de calculer la composition du parc électrique optimal. Les prévisions météo pointues sont un autre axe de recherche : « Nous travaillons sur les prévisions probabilistes de conditions instables, notamment les variations brusques et importantes de vent », indique Georges Kariniotakis, directeur de recherche à l’École des mines de Paris. Des modèles à base d’intelligence artificielle commencent à être utilisés. Du côté de la demande d’électricité adaptable, les informaticiens recherchent l’architecture capable de traiter des informations mêlant l’état du réseau électrique, la consommation des particuliers et la juste prévision des besoins.

Chimie

Stocker les surplus pour constituer des réserves

La transition énergétique est aussi une affaire de chimistes. Parmi les dizaines de modes de stockage d’électricité disponibles, les batteries sont parmi les plus réactives pour absorber et restituer les surplus d’énergie solaire ou éolienne. Le milliardaire américain Elon Musk compte généraliser dans les maisons l’usage de batteries à lithium-ion, célèbres pour leurs applications mobiles (téléphones, etc.). Les batteries de nos véhicules électriques pourraient aussi participer à ce stockage. D’autres sérieux candidats sont sur les rangs pour un stockage de masse. L’espoir repose sur les dispositifs redox flow, où un électrolyte (substance conductrice) à base de vanadium circule dans le système. Ces batteries permettent d’accomplir de nombreux cycles et de grandes profondeurs de décharge (quantités d’énergie qui peuvent être prélevées sur la batterie avant de devoir la recharger), mais demeurent volumineuses (50 m3 par MW). « Nous recherchons des solutions échangeant deux ou trois électrons, au lieu d’un seul pour le vanadium », indique Didier Floner, de l’Institut des sciences chimiques de Rennes. Autre piste, convoitée entre autres par les ingénieurs d’EDF : la batterie zinc-air, à très haute densité d’énergie mais encore difficile à recharger.

Le nucléaire ne désarme pas

En France, le nucléaire est une forteresse difficilement prenable. EDF n’a pas hésité à débourser 10 milliards d’euros pour adapter ses sacro-saints réacteurs aux nouvelles exigences de sûreté après Fukushima. « On parle beaucoup des recherches en énergies renouvelables, mais le nucléaire connaît aussi des progrès techniques », souligne Jean-Guy Devezeaux de Lavergne (CEA). L’opérateur tricolore travaille à une nouvelle version du réacteur EPR, moins chère et plus facile à mettre en œuvre – cet EPR qui a été conçu pour une durée de vie d’au moins soixante ans à Flamanville… s’il démarre un jour. Ensuite se pose la question coûteuse et embarrassante du démantèlement des centrales. Et puis, un autre candidat pourrait émerger vers 2050 : la fusion nucléaire, dont un prototype (Iter) est en construction.

EN SAVOIR PLUS

A lire : le rapport de l’Ademe (version provisoire).

Lien www : la production d’électricité en temps réel.

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