Travail disciplinaire de Harisson Vankets (Ingénieur Industriel

Université Libre de Bruxelles
IGEAT – Institut de Gestion de l’Environnement et d’Aménagement du Territoire
Année académique 2012-2013
ENVI-F-501 : Projet Interdisciplinaire II
Travail disciplinaire de Harisson Vankets (Ingénieur Industriel)
Politique bas-carbone pour le secteur électrique européen : Développement
d’un réseau « smart grid »
Groupe 2 :
Chouard Myrtille : Langues
Dembour Marie-Hélène : Sociologie
Leprêtre Marie : Etudes européennes
Leux Antoine : Langues
Malou Augustin : Ingénieur de Gestion
Rase Nadège: Agronomie et Architecture
Roty Juliane: Géographie
Vankets Harisson: Ingénieur Industriel – Nucléaire
Table des matières
1
Introduction..................................................................................................................................... 3
2
Production électrique ...................................................................................................................... 3
2.1
3
L’éolienne offshore.................................................................................................................. 3
2.1.1
Modèle de référence ....................................................................................................... 3
2.1.2
Matériaux ........................................................................................................................ 3
2.1.3
Production ....................................................................................................................... 4
2.2
Les parcs .................................................................................................................................. 4
2.3
La dimension européenne ....................................................................................................... 5
2.3.1
Besoins électriques et dimensionnement global ............................................................ 5
2.3.2
Potentiel énergétique...................................................................................................... 6
Le Smart Grid ................................................................................................................................... 6
3.1
L’aspect « Grid » ...................................................................................................................... 6
3.2
L’aspect « Smart » ................................................................................................................... 6
4
Utilisation Rationnelle de l’Energie (URE) ....................................................................................... 7
5
Conclusions...................................................................................................................................... 8
6
Bibliographie.................................................................................................................................... 9
Table des Figures
Figure 1 : Schéma de fonctionnement d’un parc éolien offshore [2] ..................................................... 4
Figure 2 : Programme de gestion des déchets pour la ferme offshore Horns Reef ................................ 5
1 Introduction
La structure de ce travail disciplinaire d’ingénieur s’inspire et suit directement la structure des
mesures proposées dans le cadre du travail interdisciplinaire. Nous retrouverons donc 3 parties
correspondant aux 3 mesures complémentaires déjà exposées dans la feuille de route du projet :
•
•
•
La section 2, relative à la production électrique issue exclusivement des fermes éoliennes
offshore, met l’accent sur les dimensions clés nécessaires en vue d’une étude d’impact.
Cette section n’a pas la prétention d’une étude de dimensionnement ou de faisabilité.
La section 3, relative au réseau « smart grid », distingue les mécanismes d’impacts
potentiels sur les aspects « hardware » et « software » des réseaux électrique en fonction
des options de productions mises en œuvre pour 2050.
La section 4, relative à l’Utilisation Rationnelle de l’Energie (URE), distingue, à l’instar de la
section 3, les mécanismes d’impact sur les réseaux locaux, en mettant l’accent sur les smart
meters et en s’appuyant sur le maigre retour d’expérience disponible (Issygrid).
Le fil rouge de ce travail n’est donc pas constant, mais s’adapte aux variétés technologiques
déployées, dans le but, in fine, de baliser les études d’impact à venir.
2 Production électrique
2.1 L’éolienne offshore
L’éolienne offshore est aujourd’hui une technologie « marine » aboutie. En effet, il ne s’agit que
d’une transposition de la technologie des éoliennes terrestres au milieu marin.
2.1.1
Modèle de référence
Pour ce travail, nous postulerons que l’éolienne de référence est l’Enercon E-126. C’est à ce jour
l’éolienne la plus puissante avec 7,58 MW [1] et même si Enercon n’a, à ce jour, pas adapté ce
modèle pour les conditions offshore, il est raisonnable de présumer que ce sera le cas d’ici peu [3] .
2.1.2
Matériaux
Cette éolienne de référence pèse environ 7000 tonnes [4] dont :
•
•
•
•
•
•
2500 t pour la base (béton + acier),
2800 t pour le mât (acier + résine époxy),
128 t pour la nacelle (acier + résine époxy),
220 t pour le générateur (métaux),
364 t pour le rotor (métaux),
650 t pour la nacelle complète (acier + résine époxy).
Les pales sont en GFK (résine époxy) et en acier. Une protection parafoudre est intégrée [1].
S’ajoutent à ces principaux composants des éléments en moindre quantité tels que l’aluminium, le
cuivre, le verre, des plastiques, des produits pétroliers, du cuivre, du plomb, … tous représentant au
plus quelques dizaines de tonnes.
Il est aussi important de souligner que l’énergie grise d’une éolienne est estimée à 6 mois à 1 an
d’équivalent de production [10], donc maximum 23,24 Gwh.
2.1.3
Production
Son facteur de charge est de 35% et sa durée de vie est de 20 ans [2].
Une unité produit donc :
7,58 x 365 x 24 x 0,35 = 23,24 GWh / an pendant 20 ans.
2.2 Les parcs
Aujourd’hui, plusieurs parcs d’éoliennes offshore existent. 25 fermes offshore ont vu le jour depuis
2000 pour un total de 2900 MW installés. La plus grosse de ces fermes (300 MW pour 100 éoliennes)
a été mise en service au Royaume-Uni en 2010 [5] .
Cependant, les projets en cours ont passé la vitesse supérieure. Si on prend l’exemple de la France,
elle a lancé un appel d’offre en 2011 pour une puissance installée de 3000 MW répartis sur 5 sites
[6]. Quant au Royaume-Uni, il annonce la mise en service imminente de 2000 MW répartis sur 5 sites
et projette de construire 22900 MW répartis sur 8 sites [5].
Pour comprendre la mise en œuvre de ces projets, voici un schéma expliquant les limites et principes
de fonctionnement des fermes d’éoliennes offshore :
Figure 1 : Schéma de fonctionnement d’un parc éolien offshore [2]
Il est important de signaler qu’aujourd’hui, il est difficile et économiquement déraisonnable
d’installer une éolienne par plus de 40 m de fond (les évolutions technologiques sont cependant en
bonne voie pour s’acquitter de ce problème par le biais de « technologies flottantes »).
Aussi, le chiffre de 45% est trop optimiste. Il est préférable d’utiliser 35% comme mentionné à la
section 2.1.3.
Outre les matériaux de l’éolienne (voir section 2.1.2), il est nécessaire de comptabiliser les câbles
reliant chaque éolienne au transformateur, le transformateur lui-même ainsi que la station
électrique terrestre.
À titre de baromètre, le parc offshore de la baie de saint Brieuc (500 MW pour 80 – 100 éoliennes)
s’étalera sur 65 km² et nécessitera 2 à 3 ans de travaux [7].
À l’issue de la durée de vie annoncée (20 ans) il est nécessaire de démanteler la ferme offshore. À ce
jour, aucun démantèlement n’a pas encore été mené. On peut cependant considérer, comme repère,
les points suivant :
•
•
L’utilisation du domaine public maritime doit être accompagnée de la «nature des opérations
nécessaires à la réversibilité des modifications apportées au milieu naturel et au site ainsi
qu’à la remise en état, la restauration ou la réhabilitation des lieux en fin de titre ou en fin
d’utilisation »1. Seuls les projets qui assurent une réversibilité totale des implantations seront
acceptés par l’Etat.
Voici, à titre d’exemple, le programme de gestion des déchets mis en place pour la ferme
offshore Horns Reef [10] :
Figure 2 : Programme de gestion des déchets pour la ferme offshore Horns Reef
2.3 La dimension européenne
2.3.1
Besoins électriques et dimensionnement global
La production électrique de l’UE-27 en 2009 était de 3046 TWh [8]. Si on compare cette valeur à la
production unitaire de l’éolienne de référence (23,24 GWh / an), ceci représente environ 130000
éoliennes. Cette estimation grossière permet d’établir un ordre de grandeur de l’étendue de l’effort
et ne tient évidemment pas compte de l’évolution technologique, des fluctuations de la demande
(pic de consommation annuel en hiver et journalier à 20h) de l’évolution des besoins (L'Union
Européenne s'est engagée à réduire de 20 % sa consommation d'énergie primaire d'ici à 2020) des
éventuelles pertes de transport ou accidentelles, …
1
Décret n°2004-308 du 29 mars 2004 relatif aux concessions d'utilisation du domaine public maritime en dehors des ports
En termes de nombres de fermes, cela correspond à environ 1000 fermes avec, en moyenne, 130
éoliennes de références.
2.3.2
Potentiel énergétique
« L’Europe est l’une des zones au monde les plus adaptée au développement de l’éolien offshore,
elle dispose d’un espace maritime peu profond, en particulier dans le nord de l’Europe et notamment
dans les mers du Nord et Baltique. Ces zones bénéficient par ailleurs d’un fort potentiel en vent, avec
des vitesses de vent supérieures à 8 m/s à 50m de hauteur, soit une densité de puissance supérieure
à 600 W/m². Le potentiel européen (Garrad Hassan, 1995) est estimé à 3000 TWh /an »2.
Hasard ou pas, ceci correspond aux besoins de l’UE-27 (voir section 2.3.1)
3 Le Smart Grid
3.1 L’aspect « Grid »
De la production à la consommation, l’électricité passe successivement par le « hardware » suivant :
•
•
•
Un réseau de transport constitué de lignes à haute tension (max. 400 kV) interconnectées
afin de stabiliser le réseau et permettre les échanges. Les grosses productions centralisées y
injectent l’électricité produite (ex : fermes d’éoliennes offshore, centrales nucléaires) ;
Un réseau de répartition constitué de lignes à haute tension (max. 150 kV) qui transportent
aussi l’électricité mais à l’échelon régional. De petites productions délocalisées peuvent
également s’y greffer (ex : barrage hydroélectrique de 50 MW) ;
Un réseau de distribution constitué de lignes à moyenne (max. 50 kV) et basse (max. 600 V)
tension. De très petites productions délocalisées peuvent également s’y greffer (ex :
éoliennes et panneaux solaires domestiques).
Si on favorise au maximum le développement de fermes éoliennes offshore, seul le réseau de
transport sera significativement affecté. En effet, il faudra construire des lignes haute tension depuis
la station électrique terrestre des fermes (voir Figure 1) vers le réseau de transport existant. À titre
de baromètre, le retour d’expérience nous indique que la construction de lignes haute tension prend
10 ans et ce inclus les études, la fabrication, la construction et la mise en service effective. Dans le
cadre de ce travail, c’est donc cet impact-ci que nous postulerons comme prédominant même si la
réalité de 2050 demandera probablement des adaptations réparties sur les 3 types de réseaux
précités.
3.2 L’aspect « Smart »
La gestion du réseau actuel inclut certains éléments de monitoring, d’action de télé-conduite et
d’alarmes afin d’en permettre la sûreté et facilité d’utilisation. Une gestion intelligente de ce réseau
via « software » aurait pour ambition de :
•
2
Optimiser le rendement des centrales ;
Cfr référence [9]
•
•
•
Minimiser les pertes en ligne ;
Favoriser l'insertion de la production décentralisée ;
Distribuer l’électricité au meilleur prix possible.
Aujourd’hui, si l’algorithme d’une telle gestion permettant d’atteindre ces objectifs est en cours de
développement, l’aboutissement semble bien réel et tangible. Quant à son déploiement, il s’appuiera
sur la récolte massive de données mesurées (ex : sondes) et sur le transfert centralisé (à l’échelle
régionale ou nationale) de ces données par les moyens de communication existant ou à mettre en
place. Ces données seront finalement traitées par de gros calculateurs interconnectés. Le travail
d’intégration de ces modifications dans le réseau actuel constitue un défi majeur d’ingénierie et ne
sera que survolé dans le cadre de ce travail. L’ensemble de ces éléments constituera donc l’épine
dorsale de la gestion intelligente des réseaux de transport, de répartition et de distribution.
L’approche « Smart » pour le réseau de distribution s’appuie sur une dimension supplémentaire et
complémentaire qu’est l’Utilisation Rationnelle de l’Energie (URE) (voir section 4) que l’on pourrait
rebaptiser « smart consommation ».
4 Utilisation Rationnelle de l’Energie (URE)
L’URE, décrite en profondeur dans le cours de Miche Huart (Energie et environnement) s’articule
autour de 4 axes : le comportement (changements d’habitudes), les technologies, l’infrastructure et
les matériaux et services.
Dans ce cadre, nous nous intéresserons plus spécifiquement à l’intégration et à l’utilisation des
« smart meters » qui constituent le relai initial (première information) de la gestion intelligente et
dont l’objectif est, bien évidemment, la diminution de la consommation d’énergie. Si des études
visant à quantifier son efficacité (sur la baisse de consommation) sont en cours, mon sentiment
premier est que ces appareils seront bien en dessous des espérances.
Cependant, l’avantage majeur est la capacité à déplacer (notion de priorisation des demandes) les
consommations afin d’ « aplanir » notre consommation quotidienne et d’éviter ainsi tout pic de
consommation (ou non-consommation) et donc, indirectement de diminuer la capacité de
production installée. Ceci ne peut se faire qu’en conjugaison d’un changement de comportement.
Par exemple, le consommateur attendra le feu vert du réseau intelligent afin de démarrer sa machine
à laver ; il s’agira de respecter le réseau. Ce point est fondamental dans la mesure où l’énergie
électrique est postulée non-stockable.
Le retour d’expérience est maigre et cependant, un cas concret d’intégration existe en Europe.
Issygrid [11] est le premier réseau intelligent de quartier en France. Afin de jauger la portée et
l’ampleur de la tâche d’une telle intégration efficace et efficiente dans nos foyers, nos bâtiments et
nos réseaux (Voir section 3.1), il est important d’identifier les éléments à adapter. Ont été
adaptés/modifiés :
•
le réseau de distribution local qui permet de maitriser et de privilégier les petites productions
décentralisées (ex : panneaux photovoltaïques) d’énergie (cet élément constitue le lien avec
•
•
la section 3). Il s’agira de rendre intelligent le poste de transformation du réseau de
distribution pour lui donner les clés d’une meilleure gestion ;
les maisons individuelles sont équipées de smart meters (ou équivalent). L’idée est de
transmettre les informations de consommations au poste de transformation principal du
réseau de distribution et, le cas échéant, d’inciter à une diminution ou un déplacement de la
consommation,
les bâtiments (très énergivores) sont connectés entre eux afin d’optimiser leur flexibilité de
consommation et de production.
Il est à remarquer que ce genre de projet met principalement en évidence 2 aspects.
Le premier est que le rôle de la technologie est central alors que le rôle de l’homme est
exclusivement passif, il subit et continue à consommer pour garder son niveau d’utilité. Rien
n’encourage le consommateur à réduire sa consommation par d’éventuels changements d’attitude.
Le second est que la production décentralisée d’énergie tient un rôle dangereusement important.
L’entropie et la fragmentation galopante de la production électrique n’est possible qu’à un haut
niveau technologique de la gestion du transport, du stockage (éventuellement) et de la distribution.
Il est dès lors fondamental d’évaluer les multiples risques (stabilité du réseau, maintenance, sécurité
physique, sécurité d’approvisionnement, …) liés à ce type de changement.
5 Conclusions
Ce travail tente de mettre en évidence des chiffres clés utiles en vue d’ultérieures études d’impact du
secteur électrique sur l’environnement. Aussi, il tente de comprendre les mécanismes de
changement du secteur de distribution, indépendamment des options de productions choisies pour
2050. Le cas échéant, ces mécanismes de changement sont critiqués.
6 Bibliographie
[1]. ENERCON – Energy For The World – Wind Turbine Manufacturer – E- 126/ 7.580 kW,
http://www.enercon.de/fr-fr/66.htm (17 Décembre 2012)
[2]. ENERGY Thic – Evolution de la taille des éoliennes horizontales,
http://energythic.com/view.php?node=200 (17décembre 2012)
[3]. Wikipedia – Enercon, http://en.wikipedia.org/wiki/Enercon (17 Décembre 2012)
[4]. « Repowering bietet immenses Potenzial »,
http://www.juwi.de/fileadmin/user_upload/de/PK_2011/juwi/Hintergrund%20Repowering%
20Schneebergerhof%20E%20126.pdf (17 décembre 2012)
[5]. Wikipedia – Listes des fermes éoliennes en mer,
http://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_des_fermes_%C3%A9oliennes_en_mer (17 décembre
2012)
[6]. HEUILLARD Yves (2011), « 3000 MW d’éoliennes offshore : la France bout au vent » dans DD
Magazine – Le développement durable en Pratique, http://www.ddmagazine.com/21073000-MW-deolien-offshore-la-France-bout-au-vent.html (17 Décembre 2012)
[7]. MAHÉ Cécile et BONAMY Léo (2011), « Projet de parc éolien offshore de la baie de SaintBrieuc » - Rapport final du Groupe de Travail « Eolien Offshore » - Exceltys : Pôle
Développement durable, Ploufragan (France),
[8]. EUROSTAT – Statistics from European Commission – Net electricity generation from 1999 to
2009,
http://epp.eurostat.ec.europa.eu/statistics_explained/index.php?title=File:Net_electricity_g
eneration,_1999-2009_%281_000_GWh%29-fr.png&filetimestamp=20120913121211 (19
décembre 2012)
[9]. ROBELIN Benoit et FONTES Jérôme, « Inventaire des technologies des énergies marines et
potentiel de développement » - MS Gestion du Développement Durable et des
Changements Climatiques.
[10].
ELSAM ENGINEERING A/S (2004), « Life Cycle Assessment of offshore and onshore
sited wind farms » - Report (Danemark), consulté sur
http://www.vestas.com/files%2ffiler%2fen%2fsustainability%2flca%2flca_v80_2004_uk.pdf
(21 Décembre 2012)
[11].
VILLE D’ISSY LES MOULNEAUX – « Issygrid : premier Réseau Intelligent de quartier en
France » - Dossier Issygrid,
http://www.issy.com/index.php/fr/cadre_de_vie/issygrid/issygrid_1er_reseau_intelligent_d
e_quartier_en_france/un_concentre_d_innovations_technologiques_et_d_expertises (21
décembre 2012)