Comment accueillir sans risque les renouvelables sur le réseau électrique ?

En avril dernier, l’Espagne mais aussi certains territoires français ont perdu temporairement l’accès à l’électricité lors d’un ‘black-out’. En cause ? Un pic de tension sur le réseau. Pourtant, les regards se sont rapidement tournés vers les énergies renouvelables, que certains accusent d’être à l’origine de l’incident. L’énergie est un sujet récurrent de désinformation, et en particulier les renouvelables qui sont souvent présentés comme une solution inefficace ou dangereuse. Pourtant, la modernisation du réseau électrique intègre les besoins spécifiques des moyens de production renouvelables.

Un réseau électrique est un système complexe. Ajouter de nouvelles centrales électriques au réseau n’a rien à voir avec brancher une télévision ou une lampe. La réalité est bien plus complexe, et cela peut varier considérablement d’un pays à l’autre, voire au sein même d’un pays.

Les réseaux électriques évoluent : le monde tente de réduire sa dépendance aux combustibles fossiles en ajoutant davantage de renouvelables et en adoptant de nouvelles technologies comme les voitures électriques. Non seulement nos sources d’énergie changent pour inclure davantage de panneaux solaires et d’éoliennes, mais nos usages évoluent également.

Cependant, nombre de ces problèmes ont des solutions. Voyons d’abord comment fonctionne un réseau électrique traditionnel. Ensuite, nous détaillerons comment l’ajout d’énergies renouvelables transforme le réseau électrique.

COMMENT L’ÉLECTRICITÉ EST-ELLE ACHEMINÉE JUSQU’À NOS DOMICILES ?

À première vue, un réseau électrique semble assez simple (figure 1) :

• Premièrement, l’électricité doit être produite — par des centrales à combustibles fossiles, des réacteurs nucléaires, des barrages hydroélectriques, des panneaux solaires, des éoliennes ou d’autres sources.
• Deuxièmement, l’électricité produite est transmise depuis ses sources jusque là où nous vivons et travaillons. Les lignes à haute tension transportent l’électricité sur de longues distances.
• Troisièmement, l’électricité est distribuée aux utilisateurs. Des transformateurs réduisent la tension de milliers de volts à quelques centaines. Les lignes électriques locales amènent l’électricité jusqu’aux foyers et entreprises.

En y regardant de plus près, les réseaux électriques sont bien plus complexes. Il ne s’agit pas simplement de faire circuler l’électricité : une surveillance et une analyse poussées des réseaux sont nécessaires.

Par exemple, on parle généralement d’un flux unidirectionnel, allant de la centrale électrique jusqu’à votre maison. Cela a du sens à grande échelle, mais ce n’est pas ainsi que fonctionne la physique des réseaux électriques. Le réseau repose en fait sur ce qu’on appelle le courant alternatif (AC) — le sens du courant change constamment.

La vitesse à laquelle ce courant change s’appelle la fréquence. Elle se mesure en hertz (Hz). La plupart des pays – dont la France – transportent l’électricité à une fréquence de 50 hertz, c’est-à-dire que le courant change de direction 50 fois par seconde. Mais l’Amérique du Nord et certaines parties de l’Asie utilisent 60 Hz (figure 2).

Cette fréquence doit être maintenue aussi constante que possible. Imaginez que le réseau suive un métronome : l’ensemble du système et tous ses générateurs doivent rester au même rythme, sinon — comme un groupe de musique désynchronisé — le réseau peut s’effondrer. Une déviation d’un seul hertz peut suffire à provoquer une panne.

En plus de la fréquence, le réseau doit maintenir une tension stable. Le black-out en Espagne est le résultat d’un pic de tension sur le réseau. Cela ne concerne pas seulement la tension à la sortie de votre prise murale — mais aussi les très hautes tensions des lignes électriques de transport. Une particularité du courant alternatif est qu’à chaque connexion d’un appareil au réseau, la tension est modifiée. Le réseau doit constamment réagir à ces modifications et maintenir la tension sous contrôle.

Pour cela, le réseau utilise des équipements spécialisés, tout en s’assurant que suffisamment d’électricité circule pour répondre à la demande. On comprend déjà pourquoi les réseaux sont de véritables prouesses d’ingénierie.

COMMENT SAVOIR QUELLES CENTRALES ÉLECTRIQUES SONT ACTIVES ?

Les choses se compliquent encore lorsque l’on considère que la charge du réseau — l’électricité effectivement utilisée — n’est pas constante.

La demande en électricité varie au cours de la journée : elle augmente ou diminue en fonction du rythme de vie (figure 3). Elle est plus faible la nuit, quand la plupart des gens dorment. Elle augmente le matin, quand les gens se lèvent pour aller au travail ou à l’école et quand les entreprises ouvrent. La demande atteint un pic en fin d’après-midi lorsque les habitants rentrent chez eux, puis diminue à nouveau quand la nuit tombe.

De plus, la demande en électricité varie aussi selon les saisons ou la localisation géographique. Par exemple, dans les climats froids et même en France, elle augmente en hiver avec le chauffage (figure 4) ; dans les climats chauds, elle grimpe en été avec la climatisation comme aux États-Unis.

Les centrales électriques ne fonctionnent généralement pas 100% du temps — il ne sert à rien de produire de l’électricité qui va être perdue. Les opérateurs de réseau prévoient plutôt la quantité d’électricité nécessaire sur le réseau. Puis, ils planifient le fonctionnement des centrales pour répondre aux besoins. Ils utilisent généralement un principe appelé ordre de mérite : ils commencent par les sources les moins chères, puis mobilisent des sources de plus en plus coûteuses jusqu’à disposer de toute l’électricité dont ils pensent avoir besoin.

Le mélange de sources d’énergies ainsi produit s’appelle le mix électrique. En France, le mix électrique se compose à 95% de sources bas-carbone (nucléaire et renouvelables).

Le mix électrique varie au fil de l’année (figure 5). On constate par exemple qu’en hiver, la production d’origine nucléaire augmente : cela permet de répondre à l’augmentation de la consommation liée à l’utilisation plus importante de l’éclairage et du chauffage.

C’est pourquoi les données sur le mix électrique sont souvent moyennées à l’échelle annuelle : elles offrent un meilleur aperçu de la réalité du réseau électrique d’un pays.

Cela montre aussi pourquoi se focaliser sur le mix électrique à un moment précis peut être trompeur. Certains opposants aux renouvelables peuvent affirmer que, parce que les renouvelables ne constituent pas une part significative du mix électrique à un moment donné, ils sont peu fiables. Cela est trompeur : comme nous l’avons dit, le réseau est en constante évolution, et un moment précis ne reflète rien à lui seul.Bien que la demande varie, les schémas de consommation restent assez facilement prévisibles. Comme l’explique à Science Feedback Marko Aunedi, maître de conférences en ingénierie électrique et électronique à Brunel University London :

« Il n’est pas possible de décaler l’usage de la lumière. Vous en avez besoin quand il fait sombre : il n’est pas possible de décaler cette demande quand vous dormez ou qu’il fait jour. »

Mais les choses changent, et de nouvelles technologies entraînent de nouvelles demandes. Les populations passent des voitures thermiques aux voitures électriques. En France, le gestionnaire du réseau estime que la recharge des véhicules électriques devrait représenter environ 10% de la consommation totale d’électricité en 2035. Une étude de 2018 estimait que les véhicules électriques pourraient représenter 13 à 26 % des besoins en électricité des États-Unis d’ici 2050^[1].

Au total en France, le gestionnaire du réseau estime qu’en raison de l’électrification des usages, la consommation d’électricité devrait augmenter d’environ 35% d’ici 2050.

De nombreux pays plus froids veulent aussi remplacer le chauffage au gaz naturel par des pompes à chaleur électriques. Par exemple, une étude de 2023 a montré que si la majorité des foyers britanniques utilisaient des pompes à chaleur, les besoins en électricité doubleraient en hiver^[2]. Une autre étude en 2021 estime que l’adoption massive des pompes à chaleur dans le Texas (où il fait plus chaud) augmenterait de 36 % la demande en période de pic hivernal^[3].

Les appareils comme l’éclairage ou l’électroménager sont généralement utilisés à des horaires fixes. Mais à l’inverse, l’usage des voitures électriques ou des pompes à chaleur est bien moins prévisible – ils peuvent être branchés ou utilisés à n’importe quelle heure du jour ou de la nuit. Il faudra donc adapter les futurs réseaux électriques à ces changements et s’assurer de toujours répondre à la demande.

Déjà, certains services proposent des tarifs plus bas en heures creuses, pour inciter les gens à charger leurs véhicules ou utiliser leurs appareils électroménagers au moment où la demande est plus faible. Mais des solutions techniques existent également, et les ingénieurs y travaillent depuis longtemps.

COMMENT LES PANNEAUX SOLAIRES ET ÉOLIENNES SONT-ILS CONNECTÉS AU RÉSEAU ?

Le solaire et l’éolien présentent des avantages importants par rapport aux centrales à combustibles fossiles. Le plus évident est que l’éolien et le solaire émettent beaucoup moins de gaz à effet de serre sur leur durée de vie. Ils sont aussi moins chers à produire, et leur coût a chuté ces dernières années. C’est ce qui explique l’ajout massif de renouvelables dans le monde, et encore plus à l’avenir.

Leur principal inconvénient, cependant, est leur intermittence — ils ne produisent que lorsque les conditions météo le permettent.

En France, trois actions sont prévues pour moderniser le réseau électrique en prenant en compte la transition électrique : redimensionner les lignes existantes, construire de nouvelles lignes et numériser les postes de contrôle-commande, le système nerveux du réseau électrique.

De nombreuses affirmations prétendent que cette intermittence rend le solaire et l’éolien peu fiables. Même si l’intermittence est un défi, les ingénieurs en sont conscients depuis des décennies et de nombreuses solutions existent désormais — on parle alors de « fiabiliser » les renouvelables.

La solution la plus évidente est d’inclure le solaire et l’éolien comme composantes majeures d’un mix électrique diversifié. Plus le réseau électrique est diversifié, plus il est flexible.

Une autre solution est d’ajouter des batteries au réseau électrique. Les batteries rendent le réseau plus flexible, comme l’explique Aunedi à Science Feedback :

« On peut utiliser les batteries pour absorber l’excédent d’électricité à midi, et ensuite la restituer à d’autres moments de la journée lorsque les panneaux photovoltaïques ne produisent pas. Elles peuvent aussi servir à couvrir les pics de demande, et éviter d’investir dans de nouvelles capacités de production. »

Le stockage sur batterie sur le réseau électrique n’est plus un futur lointain. Environ 150 gigawatts de capacité de stockage étaient déjà installés fin 2024 à travers le monde, selon l’organisation pro-renouvelables REN21 — plus que la capacité totale du réseau électrique de nombreux petits pays. Près de la moitié de cette capacité a été ajoutée en 2024 seulement. De nombreux experts s’attendent à une croissance rapide du nombre de batteries.

Il existe d’autres formes de stockage d’électricité. La plus courante est la station de transfert d’énergie par pompage. Elle est utilisée depuis des décennies, bien avant le regain d’intérêt pour les énergies renouvelables. Elle est constituée d’un barrage entre deux réservoirs à différentes hauteurs. Quand le réseau est en production d’électricité, l’eau du réservoir inférieur est pompée vers le réservoir supérieur. À l’inverse, en cas de besoin en électricité, l’eau circule à travers le barrage pour actionner les générateurs et produire de l’électricité.

D’AUTRES MÉTHODES PERMETTENT DE CONTRÔLER LA FRÉQUENCE DU RÉSEAU

L’intermittence est l’une des différences entre le solaire et l’éolien et les centrales électriques traditionnelles, mais ce n’est pas la seule. Alors que l’électricité d’un réseau dépendant des combustibles fossiles ou du nucléaire provient plutôt d’un petit nombre de grandes centrales, l’électricité d’un réseau dépendant du solaire ou de l’éolien provient d’un nombre beaucoup plus important de petites sources de production.

L’électricité solaire et éolienne peut également être produite beaucoup plus près des utilisateurs. Vous ne pouvez probablement pas faire fonctionner une centrale à charbon ou un réacteur nucléaire dans votre maison, mais vous pouvez installer des panneaux solaires sur votre toit, et si ceux-ci produisent plus que ce dont vous avez besoin, il est possible de réinjecter l’électricité dans le réseau.

Cela change complètement le schéma selon lequel l’électricité circule de la centrale électrique vers le consommateur. Ahmed F. Zobaa, maître de conférences en génie électrique et énergétique à l’université Brunel de Londres a déclaré à Science Feedback :

« Dans un réseau électrique classique, la production ou l’énergie a un flux unidirectionnel – de l’amont vers l’aval, de la production vers la consommation. Désormais, en ajoutant des renouvelables, on commence à voir un flux bidirectionnel d’électricité, de l’amont vers l’aval et vice-versa. »

On entend parfois dire que les éoliennes et les panneaux solaires ne fournissent pas une tension et une fréquence stables, mais ce n’est pas vraiment un problème, comme l’a expliqué Aunedi à Science Feedback :

« Nous disposons de moyens techniques qui peuvent être ajoutés pour convertir la tension et la fréquence variables des renouvelables en une tension et une fréquence fixes, qui s’adaptent à la fréquence et la tension du réseau national. »

Cela est déjà le cas lorsque de nouveaux moyens de production renouvelables sont ajoutés au réseau. Les réseaux modernes sont généralement dotés de « codes de réseau » qui définissent les règles de connexion des nouvelles sources d’énergie. Ces règles comprennent souvent des dispositifs de contrôle de la fréquence et de la tension. Zobaa a donné un exemple à Science Feedback : « Si le propriétaire d’un parc éolien vient me voir et me demande : « Je dois me connecter à votre réseau ». En tant que gestionnaire réseau électrique national, je lui répond : “d’accord, répondez aux exigences du réseau.” »

À plus grande échelle, comme nous l’avons vu précédemment, le réseau doit conserver la fréquence. Les grandes centrales électriques peuvent le faire parce qu’elles s’appuient sur des générateurs de grande taille : comme ils tournent en continu, ils maintiennent le rythme du réseau. Avec plusieurs grands générateurs sur le réseau, l’inertie est assurée – c’est-à-dire que même si l’un d’entre eux tombe en panne, les autres sur le réseau peuvent maintenir le rythme. Toutefois, les petites éoliennes et les panneaux solaires n’ont pas cette capacité.Heureusement, il existe des solutions. Vous pouvez par exemple faire fonctionner des générateurs conventionnels en tandem avec l’énergie solaire et éolienne. Ces générateurs ne doivent pas nécessairement utiliser des combustibles fossiles, ils peuvent également utiliser le nucléaire, l’hydroélectricité ou les biocarburants. Même en l’absence d’autres générateurs, des équipements tels que des volants d’inertie peuvent fournir de l’inertie. Ils imitent la rotation d’un générateur conventionnel pour maintenir la fréquence. Les systèmes de batteries peuvent également fournir de l’inertie^[4].

COMMENT L’ÉLECTRICITÉ CIRCULE ENTRE LES PAYS ?

Il existe un autre moyen bien connu de renforcer le réseau électrique : faire venir de l’électricité d’ailleurs.

Dans de nombreux endroits du monde, les réseaux sont reliés entre eux (figure 6). Les opérateurs de réseaux contrôlent toujours leur propre production d’électricité, mais ils ont aussi la possibilité d’activer les connexions avec les pays voisins en cas de besoin. Ainsi, lorsqu’un pays produit plus d’électricité que la demande, il peut l’exporter ; lorsqu’un pays a besoin de plus d’électricité, il peut l’importer.

Par exemple, la majeure partie de l’Europe continentale est reliée à un seul réseau synchrone à 50 Hz, qui compte plus de 400 interconnexions et 305 000 kilomètres de lignes fonctionnant à la même fréquence. Il arrive quotidiennement que des pays européens partagent leur électricité avec leurs voisins ou utilisent l’électricité de ces derniers pour combler l’écart. La France est interconnectée à six pays européens : Grande-Bretagne, Belgique, Allemagne, Italie, Espagne et Suisse. 

Combiner des réseaux électriques voisins n’est pas une tâche simple. Les réseaux et leurs fréquences doivent être synchronisés. Pour revenir à l’analogie du métronome, imaginez que vous essayez de combiner deux groupes jouant la même chanson. Vous avez peut-être vu récemment que la Lituanie, la Lettonie et l’Estonie ont relié leurs réseaux électriques nationaux au réseau européen. Il s’agit d’un effort d’ingénierie considérable.

Les réseaux synchrones permettent aux pays de supporter des pourcentages élevés d’énergie solaire et éolienne. En 2024, plus des deux tiers de l’électricité du Danemark provenaient d’énergies renouvelables intermittentes, principalement le vent. Le succès du Danemark à cet égard est en partie dû à ses connexions avec d’autres pays, qui lui permettent d’importer de l’électricité en cas de coup dur ou d’en exporter lorsque ses éoliennes produisent plus qu’il n’en faut.Les réseaux synchrones permettent de fournir de l’électricité en cas d’urgence. C’est pourquoi, lorsque le réseau espagnol a subi une panne au début de l’année, l’une des premières mesures prises par les gestionnaires de réseau a été de réactiver les connexions avec la France, ce qui leur a permis d’acheminer de l’électricité à partir d’un réseau qui fonctionnait encore.

Des réseaux non synchrones peuvent être connectés grâce à des câbles spéciaux appelés interconnecteurs, qui transportent du courant continu (DC) à haute tension. Les deux extrémités du câble contiennent des équipements qui convertissent le courant continu en courant alternatif, et vice versa.

Par exemple, bien que les îles de Grande-Bretagne et d’Irlande aient chacune leur propre réseau, distinct de celui de l’Europe continentale, elles sont reliées entre elles et à d’autres réseaux par des interconnecteurs. Certains des plus longs interconnecteurs du monde relient la Grande-Bretagne à la Norvège et au Danemark en traversant la mer du Nord.Ce type d’interconnexions confère aux réseaux une plus grande flexibilité. Prenons l’exemple du Texas qui, pour des raisons politiques historiques, possède son propre réseau, distinct du reste de l’Amérique du Nord. Le Texas n’a même pas d’interconnexions avec ses voisins. Lorsque le Texas a connu une tempête hivernale en 2021, le réseau a été victime d’un black-out. Certains experts estiment que si le Texas avait pu s’approvisionner auprès de ses voisins, la panne aurait pu être évitée ou du moins atténuée.

Conclusion

Les réseaux électriques sont souvent des cibles de désinformation. Il est facile de comprendre pourquoi : les réseaux électriques sont des systèmes complexes, dotés d’innombrables infrastructures qui doivent toutes fonctionner de manière synchronisée pour que l’électricité parvienne à votre domicile.

Toutefois, bon nombre des questions souvent soulevées – comme l’intermittence des énergies renouvelables – sont des problèmes sur lesquelles les ingénieurs ont passé des décennies à travailler et à trouver des solutions.

De nombreuses raisons poussent les gens à vouloir ajouter davantage d’énergies renouvelables à leurs réseaux électriques. Outre les raisons économiques, l’une d’entre elles est que les énergies renouvelables réduisent notre dépendance aux combustibles fossiles à l’origine du changement climatique^[5]. Il est nécessaire d’adapter le fonctionnement du réseau. Cela ne signifie pas que les énergies renouvelables ne fonctionnent pas, mais simplement que des défis techniques doivent être relevés.

RÉFÉRENCES :

• 1 – Fox-Penner et al. (2018) Long-term U.S transportation electricity use considering the effect of autonomous-vehicles: Estimates & policy observations. Energy Policy.
• 2 – Watson et al. (2023) Predicting future GB heat pump electricity demand. Energy and Buildings.
• 3 – White et al. (2021) Quantifying the impact of residential space heating electrification on the Texas electric grid. Applied Energy.
• 4 – Curto et al. (2022) Grid Stability Improvement Using Synthetic Inertia by Battery Energy Storage Systems in Small Islands. Energy.
• 5 – IPCC (2022) Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability.