Exercices Électricité

Intégration des Énergies Renouvelables

Étude de cas - Intégration des Énergies Renouvelables

Étude de cas : intégration des énergies renouvelables dans le réseau

Contexte : Le Nouveau Défi du Réseau Électrique

L'intégration massive d'énergies renouvelables, comme le solaire et l'éolien, est essentielle pour la transition énergétique. Cependant, leur nature intermittenteSe dit d'une source d'énergie qui ne produit pas en continu, mais selon des conditions externes non contrôlables (ensoleillement, vent). (elles ne produisent que lorsque le soleil brille ou que le vent souffle) crée de nouveaux défis pour les opérateurs de réseau. La production peut varier fortement et rapidement, et elle n'est pas toujours en phase avec la consommation. Cet exercice explore l'un des principaux défis : gérer la variabilité d'un grand parc solaire et assurer la continuité de l'alimentation.

Remarque Pédagogique : Alors que l'exercice précédent se concentrait sur l'équilibre à un instant T, celui-ci introduit la notion de dynamique. On ne regarde plus une photo, mais un film, où la production renouvelable et la consommation évoluent, forçant les autres centrales à s'adapter en permanence.

Objectifs Pédagogiques

  • Définir et calculer la charge résiduellePart de la consommation d'électricité qui n'est pas couverte par les énergies renouvelables intermittentes et qui doit donc être assurée par des moyens de production pilotables (thermique, nucléaire, hydro). (ou "net load").
  • Analyser l'impact d'une production solaire variable sur le reste du parc de production.
  • Calculer la puissance maximale que les centrales pilotables doivent fournir.
  • Comprendre le concept de rampeVariation rapide (hausse ou baisse) de la production ou de la consommation. Une rampe très forte en fin de journée, lorsque la production solaire chute, est un défi majeur. de production et son importance pour la flexibilité du réseau.
  • Visualiser la "courbe en canard" (Duck Curve), une illustration célèbre des défis de l'intégration solaire.

Données de l'étude

Nous analysons une journée de printemps pour un réseau régional. Un grand parc solaire d'une puissance maximale de \(300 \, \text{MW}\) vient d'être mis en service. Le réseau dispose également d'une centrale thermique pilotable.

Profils de Puissance de la Journée
P (MW) Heure 1000 500 0 07:00 13:00 19:00 Consommation Production Solaire

Données détaillées :

Heure Consommation Totale (MW) Production Solaire (MW)
07:00 650 0
13:00 800 300
19:00 950 0

On suppose que la centrale thermique est la seule source de production pilotable capable de s'ajuster pour équilibrer le réseau à tout moment.

Questions à traiter

  1. Calculez la charge résiduelle (\(P_{\text{résiduelle}}\)) que la centrale thermique doit fournir à 07:00, 13:00 et 19:00 pour maintenir l'équilibre.
  2. Quelle est la plage de puissance (minimale et maximale) sur laquelle la centrale thermique doit pouvoir fonctionner durant cette journée pour couvrir les besoins ?
  3. Calculez la rampe de puissance (en MW/heure) que la centrale thermique doit être capable de fournir entre 13:00 et 19:00.

Correction : Étude de cas : intégration des énergies renouvelables dans le réseau

Question 1 : Calcul de la Charge Résiduelle

Principe :
Conso Totale ☀️ Solaire 🏭 Résiduel = ? =

La charge résiduelle est la part de la consommation qui doit être couverte par les centrales pilotables. On la calcule en soustrayant la production des énergies renouvelables (ici, le solaire) de la consommation totale.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : La charge résiduelle est la "vraie" demande que l'opérateur du réseau doit gérer avec ses outils flexibles. C'est un indicateur beaucoup plus pertinent que la consommation brute pour comprendre les contraintes d'un réseau avec beaucoup d'énergies renouvelables.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ P_{\text{résiduelle}} = P_{\text{conso}} - P_{\text{solaire}} \]
Donnée(s) :

Les valeurs de consommation et de production solaire pour chaque heure, tirées du tableau de l'énoncé.

Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} \text{À 07:00 : } P_{\text{résiduelle}} &= 650 - 0 = 650 \, \text{MW} \\ \text{À 13:00 : } P_{\text{résiduelle}} &= 800 - 300 = 500 \, \text{MW} \\ \text{À 19:00 : } P_{\text{résiduelle}} &= 950 - 0 = 950 \, \text{MW} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Le creux de la mi-journée : Le résultat le plus contre-intuitif est que la centrale thermique doit produire le moins lorsque la consommation totale est élevée (à 13h), car la production solaire est à son maximum. C'est le cœur du problème de la "courbe en canard".

Le saviez-vous ?

Dans certaines régions très ensoleillées (comme la Californie ou l'Australie), la charge résiduelle peut devenir négative en milieu de journée. Le réseau doit alors exporter le surplus d'électricité ou le stocker (par exemple en pompant de l'eau dans les barrages) pour éviter une surproduction massive.

FAQ en rapport avec la question :
Que se passerait-il si un nuage passait à 13h00 ?

Si un nuage faisait chuter la production solaire, la charge résiduelle augmenterait instantanément et massivement. La centrale thermique devrait compenser cette perte très rapidement pour éviter un déficit et une chute de fréquence sur le réseau.

Résultat : La centrale thermique doit fournir \(650 \, \text{MW}\) à 07:00, \(500 \, \text{MW}\) à 13:00, et \(950 \, \text{MW}\) à 19:00.

Question 2 : Plage de Fonctionnement de la Centrale Thermique

Principe :
Min: 500 Max: 950 Plage de fonctionnement

La plage de fonctionnement nécessaire est déterminée par les valeurs minimale et maximale de la charge résiduelle calculées à la question précédente. La centrale doit être capable de baisser sa production jusqu'au minimum requis et de l'augmenter jusqu'au maximum.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Cette plage de puissance, aussi appelée "plage de modulation", est une caractéristique essentielle d'une centrale flexible. Plus la plage est grande, plus la centrale est utile pour intégrer des énergies renouvelables variables. Une centrale nucléaire, par exemple, a une plage de modulation beaucoup plus faible et est donc moins adaptée pour ce rôle.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ P_{\text{min}} = \min(P_{\text{résiduelle}}) \] \[ P_{\text{max}} = \max(P_{\text{résiduelle}}) \]
Donnée(s) :
  • \(P_{\text{résiduelle}}(07:00) = 650 \, \text{MW}\)
  • \(P_{\text{résiduelle}}(13:00) = 500 \, \text{MW}\)
  • \(P_{\text{résiduelle}}(19:00) = 950 \, \text{MW}\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} P_{\text{min}} &= \min(650, 500, 950) = 500 \, \text{MW} \\ P_{\text{max}} &= \max(650, 500, 950) = 950 \, \text{MW} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Capacité de la centrale : Il faut vérifier que la centrale existante peut techniquement atteindre ces niveaux. Si la puissance maximale requise (950 MW) dépassait la capacité de la centrale (par exemple si elle était limitée à 800 MW), le réseau serait en déficit le soir, nécessitant des solutions d'urgence comme l'importation d'électricité ou le délestage.

Le saviez-vous ?

Pour augmenter la flexibilité, les opérateurs de réseau utilisent des batteries à grande échelle, des interconnexions avec les pays voisins, et encouragent les consommateurs à décaler leur consommation (effacement) via des signaux tarifaires, comme les "heures creuses".

FAQ en rapport avec la question :
Pourquoi ne pas simplement éteindre la centrale thermique à 13h ?

Même si la production solaire est forte, il reste un besoin de 500 MW à couvrir. De plus, arrêter et redémarrer une grosse centrale thermique est un processus lent et coûteux. Il est souvent plus efficace de la maintenir en service à un niveau de production réduit (son "minimum technique").

Résultat : La centrale thermique doit pouvoir opérer sur une plage de \(500 \, \text{MW}\) à \(950 \, \text{MW}\).

Question 3 : Calcul de la Rampe de Puissance

Principe :
P (MW) Temps 13h (500) 19h (950)

La rampe représente la vitesse à laquelle la centrale doit augmenter sa production. On la calcule en divisant la variation de puissance requise par la durée sur laquelle cette variation doit s'opérer.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : La rampe du soir est l'un des plus grands défis de l'intégration solaire. Le réseau doit compenser simultanément la chute rapide de la production solaire et la hausse de la consommation du soir. Cela nécessite des moyens de production extrêmement réactifs.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Rampe} = \frac{P_{\text{résiduelle, fin}} - P_{\text{résiduelle, début}}}{\text{Temps}_{\text{fin}} - \text{Temps}_{\text{début}}} \]
Donnée(s) :
  • \(P_{\text{résiduelle}}(13:00) = 500 \, \text{MW}\)
  • \(P_{\text{résiduelle}}(19:00) = 950 \, \text{MW}\)
  • Durée = \(19 - 13 = 6\) heures
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} \text{Rampe} &= \frac{950 - 500}{19 - 13} \\ &= \frac{450 \, \text{MW}}{6 \, \text{h}} \\ &= 75 \, \text{MW/h} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Rampe moyenne vs. Rampe maximale : Le calcul donne une rampe moyenne. En réalité, la variation n'est pas linéaire. La chute du soleil peut être très brutale, créant une rampe maximale sur une courte période (ex: 30 minutes) bien plus élevée que la moyenne horaire. Le réseau doit être dimensionné pour cette rampe maximale.

Le saviez-vous ?

La fameuse "Duck Curve" (courbe en canard) a été identifiée pour la première fois par l'opérateur du réseau californien (CAISO). Elle tire son nom de la forme de la courbe de charge résiduelle qui, avec un "ventre" en milieu de journée et un "cou" qui remonte très vite le soir, ressemble au profil d'un canard.

FAQ en rapport avec la question :
Comment le réseau gère-t-il une rampe aussi forte ?

Les opérateurs anticipent cette rampe grâce aux prévisions météo et de consommation. Ils pré-positionnent des centrales flexibles (gaz, hydro) pour qu'elles soient prêtes à augmenter rapidement leur production. Le stockage par batteries est aussi une solution de plus en plus utilisée pour absorber une partie de cette rampe.

Résultat : La centrale thermique doit assurer une rampe moyenne de \(75 \, \text{MW}\) par heure entre 13:00 et 19:00.

Simulation Interactive de la Charge Résiduelle

Faites varier la puissance maximale du parc solaire et la consommation du soir pour visualiser l'impact sur la charge résiduelle et la rampe nécessaire.

Paramètres de la Journée
Charge Résiduelle Min (13h)
Charge Résiduelle Max (19h)
Rampe du Soir (13h-19h)
Visualisation de la "Courbe en Canard"

Pour Aller Plus Loin : Stabilité et Inertie du Réseau

L'amortisseur invisible : Au-delà de l'équilibre de puissance, l'intégration des renouvelables pose la question de l'inertieCapacité du réseau à résister aux variations rapides de fréquence. Elle est traditionnellement fournie par la masse en rotation des alternateurs des grandes centrales (thermiques, nucléaires).. Les centrales traditionnelles possèdent de lourdes turbines en rotation qui agissent comme des volants d'inertie, stabilisant la fréquence. Les onduleurs des parcs solaires et éoliens n'ont pas cette inertie physique. Une trop faible inertie sur le réseau le rend plus vulnérable aux incidents. Des solutions comme les "condensateurs synchrones" ou des fonctions avancées sur les onduleurs ("fast frequency response") sont développées pour compenser ce manque.

Le Saviez-Vous ?

Le terme "Courbe en Canard" (Duck Curve) a été popularisé dans un rapport de 2013 de l'opérateur du réseau électrique californien (CAISO). Ce graphique est depuis devenu un symbole mondialement reconnu pour illustrer les défis posés par l'intégration à grande échelle de l'énergie solaire photovoltaïque.

Foire Aux Questions (FAQ)

Les voitures électriques vont-elles aggraver ou aider à résoudre ce problème ?

Les deux ! Si tout le monde recharge sa voiture en rentrant du travail à 19h, cela aggrave massivement la pointe de consommation et la rampe du soir. En revanche, avec une "recharge intelligente" (pilotée), les voitures peuvent se recharger en milieu de journée quand l'électricité solaire est abondante et peu chère, ou même réinjecter de l'énergie dans le réseau pendant la pointe du soir (technologie V2G - Vehicle-to-Grid), aidant ainsi à lisser la courbe de charge résiduelle.

Pourquoi ne pas utiliser des prévisions météo pour mieux anticiper ?

C'est exactement ce que font les opérateurs de réseau ! Des modèles météorologiques très sophistiqués sont utilisés pour prévoir la production solaire et éolienne heure par heure, voire minute par minute. Cela permet d'anticiper les besoins et de planifier l'utilisation des centrales flexibles. Cependant, les prévisions ne sont jamais parfaites, et le réseau doit toujours être capable de gérer les écarts imprévus.

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. La "Courbe en Canard" décrit l'évolution de :

2. Quel est le principal défi technique posé par une rampe de production très rapide le soir ?

Glossaire

Charge Résiduelle (Net Load)
La part de la consommation qui n'est pas couverte par les énergies renouvelables intermittentes. C'est la demande que les centrales pilotables doivent satisfaire. \(P_{\text{résiduelle}} = P_{\text{conso}} - P_{\text{EnR}}\).
Intermittence
Caractère d'une source d'énergie dont la production n'est pas constante et dépend de facteurs externes non contrôlables (météo pour le solaire/éolien).
Rampe
Vitesse de variation de la puissance (en MW/heure). Une rampe élevée requiert une grande flexibilité des moyens de production.
Inertie du réseau
Capacité naturelle du réseau à s'opposer aux variations rapides de fréquence, principalement due à l'énergie cinétique stockée dans les masses tournantes des alternateurs des centrales conventionnelles.
Étude de cas : intégration des énergies renouvelables dans le réseau

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