Avec de grandes quantités d'énergie éolienne et solaire dans le système électrique, la variation de la production d'électricité des générateurs éoliens et solaires peut causer des problèmes pour le fonctionnement du réseau électrique. Cette conférence d'expert explique comment la part des énergies renouvelables dans le réseau électrique belge peut être encore élargie, sans affecter le fonctionnement du réseau électrique.
Avec de grandes quantités d'énergie éolienne et solaire dans le système électrique, la variation de la production d'électricité des générateurs éoliens et solaires peut causer des problèmes pour le fonctionnement du réseau électrique. Lorsqu'il fait beau en été, les panneaux photovoltaïques fournissent de très grandes quantités d'électricité l'après-midi. Si nous installons des quantités massives de panneaux solaires, cela peut entraîner une surproduction l'après-midi, notamment sur le réseau basse tension. Dans ce cas, la tension du réseau monte localement trop haut et dans le pire des cas l'injection sur le réseau des panneaux doit être coupée pour ne pas laisser la tension monter au-dessus de la limite autorisée. Mais à partir de quelles quantités exactement ce problème devient-il aigu ? Et existe-t-il des solutions simples et bon marché pour maintenir ce problème dans des limites acceptables ?
Une étude d'EnergyVille vient d'être publiée [1] dans laquelle ce problème a été calculé pour le réseau électrique belge. Celui-ci propose d'utiliser de grandes quantités d'énergie éolienne et solaire dans le réseau électrique belge et de limiter les problèmes susmentionnés pour ce réseau. Les problèmes de surcharge locale sur le réseau basse tension n'ont pas été étudiés dans cette étude, mais sont abordés dans un nouveau projet de recherche Bregilab.
Figure :Barres vertes :Pourcentage d'énergie renouvelable dans la consommation électrique belge en fonction de la capacité éolienne et solaire. Barres orange : Pourcentage qui ne peut pas être utilisé immédiatement. Au cours de l'année de référence 2016, la capacité installée était de :3 GWc PV, 0,7 GW d'éolien offshore et 1,5 GW d'éolien onshore (première colonne du tableau) [1]
Pour l'énergie éolienne, l'étude suppose une capacité éolienne moyenne qui peut être placée de manière réaliste [2,3,4,5]. Pour l'éolien offshore, une capacité allant jusqu'à 4 GW (environ 800 à 1000 éoliennes) a été calculée. Les premiers 2,3 GW d'éoliennes ont été autorisés depuis un certain temps, le montant restant est le résultat d'une récente décision politique. Pour la première partie, la capacité de raccordement au réseau à haute tension a été élaborée, pour la seconde partie l'impact sur le réseau électrique est encore à l'étude. Pour les éoliennes terrestres, l'étude suppose une capacité de 5 GW, soit un peu plus de la moitié du potentiel en Belgique. L'éolien offshore est connecté au réseau haute tension, tandis que les éoliennes terrestres sont souvent connectées à un niveau de tension inférieur.
L'étude examine également la quantité de capacité PV qui peut être ajoutée pour aider à répondre à la demande totale d'électricité, en tenant compte de la possible production de pointe élevée de PV. Pour le placement des panneaux PV, une distinction est faite entre les systèmes résidentiels, qui sont placés sur des maisons individuelles et connectés au réseau basse tension, et les sites de production PV des grands investisseurs qui sont connectés au réseau à un niveau de tension plus élevé. Pour les panneaux résidentiels, l'injection des panneaux solaires sur le réseau a été limitée, de sorte que pas plus de 6 GW au total sont injectés via le réseau basse tension dans le réseau belge. Cette limite de 6 GW revient à 1,5 kW par point de connexion en Belgique. C'est moins que la simultanéité de 30 % de la capacité totale de raccordement sur le réseau basse tension. Ce dernier critère est souvent utilisé dans la conception du réseau basse tension, où l'on suppose qu'en même temps jamais plus de 30 % de la capacité totale connectée des points de raccordement ne sont utilisés comme consommation. La même limite d'injection a été utilisée pour les panneaux commerciaux dans cette étude que pour le résidentiel.
La figure montre les résultats de l'étude. 20 GWc de panneaux solaires (15 GWc sur le réseau basse tension et 5 GWc sur le réseau moyenne tension) combinés à la capacité éolienne de 9 GW fournissent de l'électricité renouvelable qui couvre près de 50 % de la consommation totale d'électricité en Belgique. Pour ce déploiement de PV et d'éolien, aucune batterie n'est nécessaire pour atteindre ces 50 %. La limite d'injection de 0,4 kW par kWc de panneaux photovoltaïques installés protège le réseau basse tension contre les surtensions. Nous fournissons uniquement des renforcements de réseau sporadiques avec des coûts d'investissement minimes. Le seul inconvénient de cette solution de limite d'injection PV est qu'avec cette capacité PV de 20 GWc, environ 10% de la production d'énergie potentielle PV doit être coupée. On étudie si ces 10% peuvent être utilisés, par exemple, pour la production d'eau chaude sanitaire dans les maisons où des panneaux photovoltaïques sont installés. Quoi qu'il en soit, le surcoût maximum d'une limite d'injection s'élève à 10% du coût du PV. Puisqu'aucun autre coût supplémentaire majeur n'est requis, ce serait un moyen peu coûteux de générer déjà 50 % de la consommation d'électricité belge avec l'éolien et le PV.
Dans une seconde phase, le nombre de panneaux PV peut encore être augmenté. L'étude a simulé jusqu'à 60 GWc d'énergie solaire. Afin de protéger le réseau basse tension, des limites d'injection inférieures sont alors bien entendu nécessaires. Plus il y a de panneaux PV résidentiels installés, plus la limite d'injection doit être basse afin de maintenir la somme totale de l'injection sur le réseau basse tension à 6 GW. En raison de ces limites d'injection inférieures, de plus en plus d'énergie générée par les panneaux photovoltaïques n'atteint pas le réseau. La perte de production PV augmente rapidement à plus de 30 %. Pour compenser cette lacune, des batteries peuvent être placées au niveau des installations PV. Même avec un contenu de batterie relativement faible dans une installation PV, la perte de production PV peut être limitée à 10 à 20 %. Ceci est visible sur la figure lors du déploiement resp. 30, 40, 50 et 60 GWc de production PV totale. L'étude a opté pour un équilibre optimal entre la limite d'injection pour protéger le réseau basse tension et le placement de la capacité de la batterie. Pour chaque 10 GWc supplémentaires de panneaux solaires, 0,5 kWh/kWc de capacité de batterie est fourni. La valeur a émergé de l'étude [1] comme une combinaison optimale. Dans cette étude, la batterie a été chargée pendant la journée lorsque la production PV dépassait la limite d'injection et complètement déchargée sur le réseau chaque nuit, afin qu'elle puisse démarrer un nouveau cycle le lendemain.
À partir de 20 GWc, lors de l'installation de 10 GWc supplémentaires de panneaux photovoltaïques, combinés à 0,5 kWh/kWc de batteries, on peut utiliser environ 7 % d'électricité renouvelable en plus. Avec une combinaison totale de 9 GW d'éolien, 50 GWc de PV et 1,5 kWh/kWc de batteries, 70 % de la consommation d'électricité en Belgique peut être fournie via des énergies renouvelables, sans investissements substantiels dans le renforcement du réseau. Au-dessus de 50 GWc, cela devient plus difficile et avec une nouvelle augmentation à 60 GWc PV, les 10 derniers GWc n'entraînent qu'une utilisation supplémentaire d'énergie renouvelable de 3 % (au lieu de 7 %). Placer une capacité de batterie supplémentaire à 60 GWp n'aide plus. La quantité d'énergie renouvelable pouvant être consommée n'augmente plus. En effet, toutes les batteries de l'étude se déchargent en même temps pendant la nuit et à ces grandes quantités, l'électricité qui est déchargée sur le réseau via la batterie entre régulièrement en concurrence avec la production éolienne, conduisant finalement à une surproduction d'énergie renouvelable par rapport à la consommation.
Pour ceux qui se sentent étourdis par cette capacité élevée de capacités éoliennes et photovoltaïques, quelques faits supplémentaires qui montrent que cela ne doit pas être de la fiction. Le placement des éoliennes en mer et sur terre a déjà été examiné dans un certain nombre de plans et jugé réaliste [2,3,4,5]. Pour le PV, il existe déjà un potentiel total disponible de 70 GWc sur les toits rien qu'en Flandre [6]. Pour l'ensemble de la Belgique, on peut extrapoler cela à un potentiel minimum de 100 GWc sur les seules toitures. Si nous équipons donc la moitié des toits en Belgique de panneaux solaires, nous aurons déjà 50 GWc, que nous proposerons dans une deuxième phase, hors parcs industriels plus importants.
En termes de coût, un projet solaire est prévu aux Émirats Arabes Unis en 2017 qui fournira de l'électricité à 2,99 c$/kWh [7] et un projet éolien terrestre a été approuvé au Maroc qui produira de l'électricité à 3 cS/kWh [ 7]. Au taux de change actuel, cela revient à 2,6 cE€/kWh. Le rendement des installations photovoltaïques peut être estimé 2x plus faible en Belgique en raison d'une moindre disponibilité du soleil. Des enchères similaires peuvent donc rapporter des prix de l'ordre de 5 à 6 c€/kWh, comparables au prix actuel de l'électricité en Belgique.
Source :Bloomberg New Energy Finance, 2017
Le PV est en passe de devenir la source d'énergie la moins chère .
Dans le fonds de transition du SPF économie, le projet Bregilab [8] a été approuvé en 2018, qui développera ces résultats de manière beaucoup plus quantitative et détaillée. Des algorithmes de contrôle améliorés pour les limites d'injection et le contrôle de la batterie sont étudiés. L'influence de l'installation d'éoliennes et de panneaux solaires sur le territoire belge sera examinée en fonction de la charge du réseau afin de minimiser les coûts de renforcement du réseau. L'influence des futurs profils de consommation, tels que les voitures électriques et les pompes à chaleur, est également incluse dans les calculs.
L'éolien et le PV seront une composante importante du mix électrique. Dans une première phase, l'expansion du vent et du soleil peut garantir que 50 % de la consommation d'électricité est déjà produite de manière rentable.
[1] M. Meuris et al., Prog Photovolt Res Appl. 2018 ; 1–13., DOI :10.1002/pip.3084
[2] Office fédéral du plan (http://www.plan.be). Reportage sur :Le système énergétique belge en 2050 :où aller ? - Description d'un scénario de référence pour la Belgique (Oct 2014). (version néerlandaise et française)
http://www.plan.be/publications/publication-1388-en-het+belgische+energ… (2014) [consulté le 20 décembre 2017].
[3] Esch, L.V., Meynaerts, E., Vermeiren, K., Uljee, I., Janssen, L., Guisson, R., Engelen, G., Robeyn, H.H.e.N. « Atlas des énergies renouvelables des communes flamandes », VITO, TerraEnergy, Belgique (2016).
[4] Infrax, Eandis, Elie. « Capacité d'accueil production décentralisée en Flandre 2011-2020 », Studie, Belgique, p. 133 (2012).
[5] Scénarios électriques pour la belgique vers 2050 - étude quantifiée d'Elia sur la transition énergétique en 2030 et 2040 (http://www.elia.be), http://www.elia.be/~/media/files/Elia /About-Elia/Studies/20171114_ELIA_…;(novembre 2017) [consulté le 20 déc. 2017].
[6] Référence du potentiel de toiture via carte solaire :https://www.energiesparen.be/zonnekaart
[7] Rapport :« Tendances mondiales des investissements dans les énergies renouvelables 2017 », PNUE, Bloomberg (2017), https://europa.eu/capacity4dev/unep/documents/global-trends-renewable-e…;
[8] https://www.energyville.be/nieuws-events/groen-licht-voor-bregilab-proj…
