Panne d'électricité en Espagne : « Notre système énergétique a été conçu pour répondre aux exigences de 1880 »

La panne de courant qui a paralysé l'Espagne et le Portugal il y a deux semaines a rapidement déclenché un débat sur la mesure dans laquelle la transition énergétique, et en particulier l'énergie éolienne et solaire, était à blâmer.

Les ingénieurs peuvent apporter des réponses à ces questions. Jusqu'à présent, les générateurs des centrales électriques conventionnelles – qu'elles soient hydrauliques, à charbon ou nucléaires – assuraient la stabilité du réseau, explique Florian Dörfler, professeur au Département des technologies de l'information et de l'électrotechnique de l'ETH Zurich.

Mais cela changera lorsque davantage d’énergie éolienne et solaire sera injectée dans le réseau. Ces centrales électriques vertes produisent du courant continu, qui doit d’abord être converti en courant alternatif via un onduleur.

Après la panne de courant, plusieurs observateurs ont rapidement conclu que les sources d’énergie renouvelables étaient en cause. Qu’est-ce qui est bien et mal dans cet argument ?

Ce qui est vrai : Le principal obstacle à l’intégration de nombreuses énergies renouvelables n’est pas la variabilité de ces énergies, comme le croit le grand public. Mais : comment maintenir la stabilité du réseau ? Mais cela n’est pas nécessairement lié aux sources d’énergie renouvelables, mais plutôt à l’électronique de puissance qui alimente les énergies renouvelables.

Pouvez-vous donner un exemple de la manière dont l’énergie renouvelable est injectée dans le réseau ?

Par exemple, les centrales hydroélectriques modernes sont désormais construites de telle manière que les générateurs ne tournent plus à 50 hertz, mais à la vitesse à laquelle l’eau s’écoule. L'électronique de puissance, à l'aide de ce que l'on appelle des onduleurs, régule ensuite cette fréquence vers le haut ou vers le bas jusqu'à 50 Hertz. [Note de l'éditeur : Il s'agit de la fréquence à laquelle le réseau européen est stable.]

Les centrales au charbon, au gaz et nucléaires, quant à elles, alimentent directement le réseau en courant alternatif. Comment ça marche ?

La manière dont le courant alternatif est généré remonte à une technologie vieille de 120 ans et à M. Nikola Tesla : un gros noyau de fer tourne dans un champ magnétique, induisant ainsi des courants et des tensions.

Quel est le rapport avec la stabilité du réseau ?

Ce gros noyau de fer est une masse inerte. Même s’il y a des fluctuations ou des perturbations dans le réseau, celui-ci continuera à tourner de manière robuste, à la même vitesse. C'est un peu comme un vélo de spinning dans une salle de sport, où les pédales continuent de tourner. Cette inertie n’existe pas avec les onduleurs.

Mais quel rôle jouent ces onduleurs dans la transition énergétique ?

Tôt ou tard, le réseau sera de plus en plus dominé par ces onduleurs. Toutes les énergies renouvelables, les nouvelles centrales hydroélectriques, mais aussi les lignes à haute tension et à tension continue sont interconnectées avec des onduleurs. Et c’est là le goulot d’étranglement actuel : comment rendre ces onduleurs robustes ? Comment maintenir la stabilité du réseau, notamment en cas d'erreur ?

Nous sommes dans une phase de transition, qu’est-ce que cela signifie pour la façon dont nous gérons le réseau électrique ?

Cela conduit à des développements absurdes : il y a plus de dix ans, la centrale nucléaire de Biblis a été fermée en Allemagne. Mais le générateur, cette masse inerte, a pu continuer à fonctionner pendant plusieurs années en utilisant l'électricité du réseau afin de stabiliser les tensions et les fréquences sur le réseau. Au lieu de fournir de l’électricité, le générateur ne faisait que consommer de l’électricité.

Est-ce un modèle qui pourrait être transposé dans le futur ?

Tu pourrais. Mais bien sûr, il s’agit d’une technologie très archaïque qui entraîne des pertes mécaniques et électriques. Je ne pense pas que ce soit la solution à long terme.

Quelle solution préférez-vous ?

La solution la meilleure et la moins chère est toujours une solution logicielle, et c'est à cela que tout se jouera tôt ou tard. D'un point de vue technologique, nous avons toutes les solutions dans le tiroir. Il suffit de les mettre en œuvre. Il existe également des onduleurs « grid-forming » – des onduleurs qui se synchronisent automatiquement et peuvent ainsi stabiliser le réseau. Il s’agit d’une technologie qui a été développée il y a dix ou onze ans et qui devient de plus en plus robuste. Il faudrait simplement les introduire de manière généralisée.

Pourquoi n’est-ce pas le cas ?

Actuellement, seule une petite partie des énergies renouvelables sont équipées de ces onduleurs et du logiciel nécessaire. Partout en Europe, mais aussi aux États-Unis, des gens rédigent les réglementations. La technologie existe, mais ce qui manque encore, ce sont les normes.

En Espagne aussi, après la panne de courant, des critiques se sont élevées contre le manque de régulation. Pourquoi est-ce compliqué ?

Il existe des centaines de fabricants d’onduleurs, d’éoliennes, de panneaux solaires et de batteries. Chacun prépare sa propre soupe. Il faut maintenant s’assurer que ces systèmes sont compatibles. Ces normes n’existent pas encore ; ils sont juste en train d'être écrits. Bien sûr, cela aurait dû être écrit cinq ou six ans plus tôt.

Ils disent qu’il existe des solutions techniques. Mais jusqu’à présent, les onduleurs formant le réseau s’éteignaient en cas de panne. Y a-t-il des solutions ?

Pendant longtemps, il y avait un goulot d'étranglement avec l'onduleur : comment garantir qu'ils puissent continuer à se synchroniser même en cas de panne, c'est-à-dire en cas de chutes de tension importantes ? Je crois maintenant que nous avons trouvé une bonne solution à ce problème.

Ils ont développé un nouvel algorithme pour l'onduleur qui pourrait permettre aux éoliennes ou aux systèmes photovoltaïques de continuer à fournir de l'électricité et de contribuer à la stabilité. Pourquoi était-il si difficile de trouver une solution ?

C’est l’un de ces problèmes qui ne peuvent être résolus ni par l’argent ni par le travail. Il suffit d’une idée brillante. Dans notre cas, il s'agissait d'un étudiant en master qui avait six mois pour vraiment maîtriser le sujet.

Cependant, à la suite de la panne de courant en Espagne, des doutes fondamentaux ont surgi quant à la stabilité d’un réseau électrique vert. Qu'est-ce que tu dis à ça ?

C’est la question brûlante : un réseau conventionnel, avec de nombreux générateurs synchrones, aurait-il survécu ou non ? Jusqu'à présent, nous ne connaissons pas la réponse. Il se peut que les onduleurs aient contribué au fait que nous avions tout simplement trop peu d'inertie ou que nous n'étions pas en mesure de nous synchroniser de manière suffisamment robuste en cas de panne. Mais ce ne sont que des spéculations pour le moment.

Néanmoins, une chose est sûre : la transition énergétique nous pose des défis techniques. Notre système énergétique n’a pas été conçu pour répondre aux exigences des énergies renouvelables.

En principe, il a été construit selon les exigences de 1880.

Mais nous ne pouvons pas simplement démolir le système et le reconstruire. Où sont les points de friction ?

Les gens ont été très agressifs dans l’intégration des énergies renouvelables et très agressifs dans la promotion de cette énergie et de la libéralisation du marché avant que la technologie ne soit prête. Par exemple, chaque centrale électrique au-dessus d’une certaine capacité devrait être capable de former un réseau et de fournir une sorte d’inertie virtuelle, c’est-à-dire d’imiter l’inertie mécanique des centrales électriques conventionnelles. Il existe de nombreuses solutions à ce problème. Ce qui manque, ce sont les normes, la coercition et l’analyse de rentabilité.

Comment transformer cela en entreprise ?

Il existe des marchés de l’énergie pour l’inertie virtuelle. Par exemple, je pourrais placer une batterie à côté de mon parc solaire qui, en cas de panne, jouerait le rôle d’une masse inertielle virtuelle pendant les premières secondes et absorberait rapidement l’énergie ou la restituerait au réseau. Cela pourrait agir à la fois comme un système de formation de réseau et comme une masse inerte. Mais pour l’instant, il n’y a ni pression ni marché pour cela.

Pourquoi les producteurs d’électricité ne sont-ils pas incités à assumer ce rôle de maintien de la stabilité du réseau ?

Je gagne plus d’argent si je fournis simplement de l’énergie et que je la vends.

De nombreux critiques des énergies renouvelables affirment qu’une panne de courant comme celle qui a frappé la péninsule ibérique n’aurait pas eu lieu avec des centrales à charbon conventionnelles ou des centrales nucléaires. Est-ce correct ?

La chronologie de l’échec montre qu’il y a eu des oscillations majeures dans le système européen pour des raisons inconnues. Cependant, il y a suffisamment de générateurs synchrones dans le réseau européen, donc cela n’a rien à voir avec les énergies renouvelables. En Espagne, deux centrales électriques sont tombées en panne en quelques secondes. On ne sait pas exactement pourquoi. Mais aucun réseau électrique au monde n’aurait pu faire face à la panne de deux centrales électriques, même pas une centrale conventionnelle.

Pourquoi la mise hors service de deux centrales électriques constitue-t-elle un tel choc pour le réseau électrique ?

Chaque réseau est conçu pour résister à une panne dans le pire des cas. Et cette erreur du pire des cas se traduit généralement par la perte d’une grande centrale électrique.

Mais en Espagne, la perte de ces deux centrales ne s’est pas limitée à cela.

Quelques secondes plus tard, environ 15 gigawatts – une grande partie de la production espagnole – ont été retirés du réseau très rapidement. Et cela pourrait être lié aux énergies renouvelables. Les fréquences ont chuté très rapidement après la panne des deux centrales. Et les énergies renouvelables ont été conçues de telle sorte que lorsqu’elles voient ce genre de signaux, elles se déconnectent tout simplement du réseau.

S'agit-il d'un mécanisme de protection pour éviter qu'ils ne soient endommagés en cas de dysfonctionnement ?

Exactement, pour te protéger. Mais une centrale électrique conventionnelle, avec ces grands volants d'inertie, avec cette masse inerte, aurait pu tourner de manière robuste encore plus longtemps et peut-être durer quelques secondes de plus. Cela aurait peut-être été suffisant pour mettre rapidement en ligne la génération de secours. Qui sait.

Ce temps tampon est donc nécessaire pour pouvoir réagir et éviter une panne de courant.

La masse inerte vous donne quatre à cinq secondes de plus pour réagir. S'il y avait eu suffisamment de batteries en Espagne qui auraient pu démarrer rapidement en quatre à cinq secondes et envoyer quelques gigawatts d'énergie dans le système, il aurait peut-être été possible de le stabiliser. En gros, nous avons besoin de stockage rapide, de batteries par exemple. Mais aussi des volants d'inertie. Plusieurs startups construisent des volants d’inertie qui servent à la fois de stockage et fournissent une masse inertielle. Ce seraient toutes des solutions possibles.

Les partisans de l’énergie nucléaire en particulier affirment que cela aurait certainement été possible avec des centrales nucléaires. Est-ce correct ?

Je continue à lire : « Les générateurs nucléaires auraient sauvé la situation. » Ce n'est pas vrai. Les générateurs nucléaires ont une masse inertielle importante, mais ils ne peuvent être ajustés de haut en bas que très lentement. Ils n’auraient donc jamais pu réaliser cette performance en trois secondes, mais plutôt en une demi-heure. Dans ce cas, vous avez besoin de sources d’énergie qui peuvent être régulées à la hausse ou à la baisse très rapidement, par exemple des batteries et d’autres dispositifs de stockage. Des centrales électriques au gaz seraient également possibles.

Les événements en Espagne sont un signal d’alarme, c’est clair. Mais s’agit-il également de la première panne de courant majeure de l’ère des énergies renouvelables ?

Non. Nous avons déjà eu une panne similaire en Australie en 2016. Là aussi, la part d'électricité produite par les énergies renouvelables était très élevée, puis il y a eu une perturbation majeure, en l'occurrence une grosse tempête qui a fait tomber quelques lignes électriques, et une panne d'électricité a suivi. C’était donc le premier grand événement où l’on pouvait se demander : un réseau conventionnel aurait-il survécu à ces perturbations ? La conclusion en Australie est la suivante : oui, un réseau conventionnel aurait survécu.

Il existe de nombreuses raisons en faveur d’une transition énergétique. Mais évidemment, l’ordre était erroné. Cela porte également atteinte à la confiance du public dans les alternatives énergétiques vertes. Qu'est-ce qui a été mal fait ?

Les énergies renouvelables ont été intégrées très rapidement et de manière très agressive, sans créer le cadre technologique nécessaire. Pour moi, la conclusion est : créer d’abord les normes avant d’intégrer la technologie.

La transition énergétique aurait-elle donc dû être retardée jusqu’à ce que des normes soient formulées ? Aurait-il fallu ou aurait-il fallu accepter que la transition énergétique puisse se faire plus lentement ?

Non, bien sûr que non. Sinon rien n’aurait jamais avancé. De nombreux problèmes majeurs, tels que l’inertie et les onduleurs formant un réseau, ne sont apparus aux experts qu’il y a une douzaine d’années. Mais aujourd’hui, la technologie doit être placée avant les marchés. Actuellement, c'est l'inverse : un problème dans le réseau est identifié, puis un produit de marché de l'énergie correspondant est créé, la technologie suit et les normes arrivent à la toute fin.