Energies de Stock Energies de Flux
Energies de Stock Energies de Flux
Energies de Stock Energies de Flux
P armi les différentes caractéristiques des systèmes énergétiques, les notions de stock
et de flux sont sans doute parmi les plus éclairantes. Le développement de l’humanité
repose en grande majorité sur l’utilisation d’énergies de stock – les combustibles fossiles et
le nucléaire – et la contrainte climatique requiert de les remplacer à brève échelle de temps par
des énergies non carbonées – renouvelables et nucléaires. Les énergies de stock sont épuisables et
pilotables, les énergies de flux sont inépuisables, mais leur flux est imposé par la nature. Dans cet
article, on explore les échelles de temps de l’épuisement des ressources fossiles et l’on évalue l’am-
pleur des fluctuations des deux principales énergies renouvelables, l’éolien et le solaire. L’ampleur
de ces fluctuations, en l’état actuel des connaissances concernant le stockage de l’énergie, limite leur
taux de pénétration dans les réseaux électriques.
INTRODUCTION
L’Accord de Paris de 2015 a marqué une étape dans les négociations internatio-
nales concernant le climat : l’ensemble des États signataires a pris acte des effets des
émissions de gaz à effet de serre (GES) sur le climat de la planète, et chacun a défini des
engagements à réduire ses propres émissions, avec un horizon temporel fixé à 2030(1). Le
préambule de l’Accord, dans son point 17, insiste bien sur le fait que ces engagements
(les « Contributions déterminées à l’échelle nationale ») ne placent pas le monde sur une
trajectoire permettant de contenir le réchauffement climatique en dessous de 2 °C, a
fortiori de 1,5 °C. Il n’empêche que le centre de gravité des préoccupations s’est déplacé
vers les scénarios de transition énergétique pour des économies décarbonées. Aujourd’hui,
80 % de l’énergie primaire consommée par l’humanité est d’origine fossile (charbon,
pétrole, gaz), et la sortie du carbone représente un défi jamais rencontré dans le passé :
lorsqu’une nouvelle source d’énergie était découverte, elle venait se rajouter à celles
déjà utilisées auparavant, alors qu’il s’agit aujourd’hui de substituer certaines sources,
disponibles, mais néfastes, par d’autres sources peu ou pas émettrices de GES (Énergies
renouvelables et énergie nucléaire).
(1) Les déclarations de Donald Trump ont certes une importance pratique, mais elles ne remet
tent pas en cause le consensus global, d’autant que le retrait effectif des USA ne peut avoir
lieu avant la prochaine mandature américaine…
1. STOCKS ET FLUX
Charbon, pétrole, gaz et uranium existent en quantité finie sur la Terre. Les trois
premiers ont mis quelques centaines de millions d’années à s’accumuler au sein de la
croûte terrestre. L’uranium fait partie de la matière première dont est fait le système
solaire, il a été formé par nucléosynthèse au sein d’étoiles massives lors de leur phase
terminale sous forme de supernovae. Dans tous les cas, le stock de ces matières pre-
mières peut être considéré comme fixe. S’agissant de stocks finis qui ne se renouvellent
pas, ils vont nécessairement s’épuiser, et par conséquent tendanciellement, la production
de chacun passera, au-delà des fluctuations d’origines diverses, par un maximum – un
pic – avant de décroître. Question : est-il possible d’anticiper le moment où se produi-
ront ces pics de production ? Cela suppose d’avoir une bonne évaluation des réserves
exploitables, et un modèle de consommation de ces réserves. Nous y reviendrons plus
bas. Notons également que les énergies de stock sont très concentrées : la combustion
d’un litre d’essence produit 10 kWh de chaleur, l’énergie nucléaire est des millions de
fois plus concentrée(2).
Les autres sources d’énergie dont nous disposons sont des énergies de flux : éner-
gie solaire, énergie éolienne, énergie marine, énergie hydraulique, biomasse, géother-
mie, toutes ces formes d’énergie sont inépuisables (à l’échelle humaine en tout cas),
(2) L’unité d’énergie associée aux transformations chimiques est l’électron-volt (eV) ; pour une
transformation nucléaire, c’est le méga életron-volt (MeV).
mais leur flux, c’est-à-dire la quantité d’énergie disponible chaque année – et même
à chaque instant – est imposée par la nature. Personne ne commande au Soleil, aux
vents, aux courants marins, aux précipitations, à la photosynthèse ou au flux d’énergie
provenant du centre de la Terre(3). Dès lors, l’utilisation de ces sources d’énergie requiert
de connaître les caractéristiques de ces flux – intenses ou pas, réguliers ou pas – et les
possibilités pratiques de les transformer pour nos usages (chaleur, travail, électricité…).
On voit que l’usage des énergies de stock et celui des énergies de flux posent
des questions de différente nature. Pour les premières, nous disposons d’une certaine
latitude pour piloter leur flux – il suffit d’extraire plus de matière première –, mais il
est important d’anticiper leur épuisement. Les secondes sont inépuisables, mais comme
nous ne contrôlons pas leur flux, la ressource peut exister lorsqu’on n’en a pas besoin,
alors qu’elle peut manquer quand le besoin est là (typiquement : le Soleil ne brille pas
la nuit). Leur utilisation optimale dépend alors des possibilités de lisser les fluctuations
de la production pour l’adapter aux usages, voire d’adapter les usages aux fluctuations
de la production, soit en mobilisant des sources pilotables capables de s’adapter à ces
fluctuations, soit en modifiant les usages, soit en stockant l’énergie.
Pour mémoire, il est bon d’avoir à l’esprit la structure de la consommation d’éner-
gie primaire mondiale. La figure 1 résume l’évolution de la situation entre 1973 et
2014. La consommation s’élève aujourd’hui à environ 13 Gtep(4), pour une population
La valeur de Q max est fournie par les géologues, et a est déterminé par ajustement sur
une année de référence prise comme année 0 :
P (0)
a=
1 – Q (0) .
<Q (0) Q F
max
Ensuite, on itère les relations qui permettent de passer de l’année n - 1 à l’année n :
1 – Q (n - 1)
P (n) = aQ (n - 1) Q max .
Q (n) = Q (n - 1) + P (n) .
La figure 2 montre les résultats obtenus pour le charbon, le pétrole et le gaz.
L’année de référence est 1965, et les valeurs prises pour Q max sont respectivement
400 Gtep pour le pétrole et 300 Gtep pour le gaz. Pour évaluer l’effet des incertitudes
concernant les réserves de charbon sur la position du pic mondial de la production de
combustibles fossiles, deux valeurs ont été prises : 600 Gtep (cf. figure 2a) et 800 Gtep
(cf. figure 2b).
(5) La méthode a déjà été présentée dans un article consacré aux émissions de gaz à effet de serre
[1].
A B
Figure 2 - Projection de la production mondiale des énergies fossiles selon le modèle d’Hubbert. Les
réserves pour le pétrole et le gaz sont respectivement 400 et 300 Gtep. Pour le charbon, 600 Gtep
à gauche, et 800 Gtep à droite. La consommation chinoise a été traitée séparément du reste du
monde (100 Gtep à gauche, 150 Gtep à droite). Ceci est justifié par le fait que l’analyse des données
montre que le changement de pente initié en 2000 est entièrement dû à la consommation chinoise.
On voit que pour les valeurs choisies des réserves exploitables, le pic du pétrole
conventionnel est déjà passé, celui du gaz et du charbon se situe vers 2030, ce qui
donne un pic de l’ensemble des fossiles vers 2030, après quoi la production annuelle se
raccorde au bout de quelques décennies à celle du charbon, qui demeure la seule res-
source fossile disponible au-delà du xxie siècle. Passer de 600 à 800 Gtep pour le char-
bon modifie très peu cette structure. Ces courbes supposent évidemment qu’aucune
politique climatique visant à réduire la consommation des fossiles n’est mise en place(6).
Les réserves exploitables sont parfois, voire souvent, exprimées en termes de
« nombre d’années à production constante ». La modélisation montre en quoi cette
façon de présenter les choses est trompeuse. D’une part, le taux d’exploitation n’est pas
constant, et d’autre part, ce qui compte du point de vue économique c’est la position
du pic, et non le moment où la dernière goutte de pétrole ou le dernier morceau de
charbon sera extrait du sol. En effet, le passage du pic signale l’entrée dans une zone
d’instabilité économique, puisque la demande n’a pas de raison de diminuer alors que
l’offre stagne puis diminue.
(6) À ce sujet, on note que la production du charbon présente un pic en 2013, dû à une
réduction de la production chinoise dans les années qui ont suivi. Il peut s’agir de l’effet d’un
ralentissement passager de l’activité économique du pays combiné au choix de remplacer
en partie le charbon par le gaz, moins polluant. L’objectif est de faire passer la part du gaz
dans la consommation d’énergie primaire de 4 % en 2011, à 8 % en 2015 et 20 % en 2020.
Les importations de gaz, inexistantes avant 2010, ont fortement augmenté depuis 2010
(quatrième importateur mondial aujourd’hui).
Un mot sur les perspectives de l’énergie nucléaire. Les réacteurs actuels utilisent
comme mécanisme de base la fission de l’uranium-235. Or celui-ci ne constitue que
0,7 % du minerai naturel, le reste étant constitué d’uranium-238. Les réserves actuelles
permettent de faire fonctionner ces réacteurs pendant quelques dizaines d’années, un
siècle au maximum. Dans les réacteurs dits de quatrième génération, la totalité du
minerai est utilisée, ce qui multiplie les réserves par le rapport 100/0,7, soit environ
140. Le problème de l’épuisement de la ressource ne se pose alors plus. Mais il s’agit
d’une technologie différente, dite « à neutrons rapides », qui est aujourd’hui très peu
développée. La problématique de la transition entre les réacteurs actuels et les réacteurs
à neutrons rapides nécessiterait un article dédié, je ne l’aborderai pas ici.
Retenons de cette analyse que dès la seconde moitié du siècle, l’humanité devra avoir trouvé
des sources énergétiques alternatives aux fossiles pour poursuivre son développement. A fortiori si
des politiques climatiques conduisent à ne pas exploiter toutes les ressources fossiles disponibles, à
commencer par la plus émettrice de GES de toutes, à savoir le charbon.
En France, le facteur de charge éolien annuel est, selon RTE (Réseau de trans-
port d’électricité,), de 22 %, et celui du solaire photovoltaïque de 13 % en moyenne
nationale (moins de 11 % au nord, 16 % au sud). Mais qu’en est-il des puissances
instantanées ? La question est importante, dans la mesure où un réseau électrique ne
peut fonctionner qu’en assurant à chaque instant et en tout lieu l’égalité entre offre et
demande d’électricité. Il convient donc de caractériser les fluctuations des productions
éoliennes et solaires.
En ce qui concerne l’électricité d’origine solaire, la réponse est simple : la produc-
tion a lieu pendant quelques heures de la journée. Comme le facteur de charge du PV
est de 0,13, le nombre d’heures-équivalent à pleine puissance est, en moyenne, d’envi-
ron 3,12 (3,12/24 = 0,13), que nous approximerons à trois heures. La puissance-crête
est donc de l’ordre de huit fois supérieure à la puissance moyenne. Cette caractéristique
vaut pour toute l’Europe, puisqu’il fait jour (et nuit) partout en même temps. De plus,
viennent se rajouter des variations saisonnières, la production étant, sous nos latitudes,
quatre fois plus faible en hiver qu’en été (un facteur 2 pour la puissance solaire reçue
et un autre facteur 2 pour la durée du jour)(7).
Pour l’éolien, en revanche, on pourrait penser que s’opère un lissage des fluctua-
tions, selon l’idée de bon sens : « il y a toujours du vent quelque part ». En réalité, cet
effet de foisonnement existe, mais il est faible. C’est ce que montre la figure 3, où sont
Source : Techniques de l’ingénieur [2]
Figure 3 - Puissance instantanée délivrée pour les 8760 (366 × 24) heures de l’année par l’ensemble
d’un parc éolien européen tel qu’envisagé par les intentions de politiques publiques pour l’année
2030, obtenue par extrapolation des puissances installées pendant l’hiver 2010/2011.
(7) Les pays du sud bénéficient de conditions bien plus favorables, avec un écart été/hiver qui se
réduit avec la latitude jusqu’à pratiquement s’annuler dans la zone intertropicale.
reportées les productions instantanées de tous les parcs européens pendant un hiver
typique (2010-2011). Pour maximiser l’effet de foisonnement, les données de chaque
pays ont été réajustées par un facteur multiplicatif global correspondant aux projets
annoncés pour 2030. De la sorte, la prépondérance de l’Espagne et de l’Allemagne, qui
avaient en 2010 beaucoup plus de puissance installée que les autres pays, est réduite et
l’effet de foisonnement est renforcé.
On voit que l’idée « de bon sens » n’est pas confirmée par les données : en effet, la
puissance instantanée fluctue entre quelques pour cent de la puissance installée – disons
5 % – et 60 % de celle-ci. En réalité, cela ne doit pas surprendre, car chacun peut
constater le soir lors du bulletin météo que les structures atmosphériques européennes
s’étendent sur des milliers de kilomètres. Par conséquent, pour le dire de façon ramassée,
lorsqu’il y a du vent quelque part, il y en a partout, et lorsqu’il n’y a pas de vent quelque part,
c’est qu’il n’y en a nulle part.
Ces données montrent aussi pourquoi le déploiement de l’énergie éolienne pro-
duit structurellement des moments de sous-production et des moments de surproduc-
tion. Imaginons que l’on ait besoin en moyenne de 100 GW. Compte tenu du facteur
de charge de 0,22, il faudra installer 450 GW. Le minimum de puissance instantanée
sera donc de 22,5 GW, soit un déficit de 77,5 GW, et le maximum sera de 270 GW, soit
un excédent de 170 GW. Les manques peuvent être comblés par une réserve de puis-
sance faisant appel à une source pilotable, mais que faire de l’excédent ? L’exporter chez
le voisin nécessiterait le développement massif d’interconnexions, lesquelles risquent
de toute façon d’être inopérantes si le voisin en question a également développé une
grande puissance éolienne : il aura lui aussi besoin d’exporter au même moment.
Source : http://www.rte-france.com/fr/eco2mix/eco2mix-mix-energetique
La puissance fournie par les centrales nucléaires est à peu près constante, et c’est
l’hydroélectricité qui permet d’ajuster la production à la consommation(8). Les autres
sources fournissent un complément à peu près constant. Cette structure se retrouve
peu ou prou tout au long de l’année. En été, la consommation est plus faible, il n’y a
plus d’importation (la France est globalement exportatrice d’électricité), le fioul n’est
plus utilisé, le charbon très peu, et le gaz et l’hydroélectricité sont en proportion plus
faibles qu’en hiver.
(8) En fait, toutes les centrales nucléaires ont la capacité de participer au réglage primaire
– à hauteur de ± 2 % de Pn (Pn = nominale) – et au réglage secondaire – à hauteur de
± 5 % de Pn – et environ la moitié font du réglage tertiaire (on est en train d’étendre cette
proportion à deux tiers). La complémentarité entre hydraulique et nucléaire est très bonne
pour ce dernier réglage : l’hydroélectricité est beaucoup plus rapide mais moins « massive »
que le nucléaire.
(9) Les centrales nucléaires fournissent environ 400 TWh par an, ce qui correspond bien à une
puissance moyenne de 45 GW.
7 # 160/8 + 0, 38 # 100 soit environ 180 GW. Cette valeur est à comparer à la puis-
sance de stockage dont la France dispose aujourd’hui, soit une quinzaine de gigawatts
d’hydro-électricité pilotable et 5 GW de STEP (10).
Comme alternative, peut-on envisager un stockage par batteries ? Imaginons que
l’on veuille stocker 1 % de la consommation d’électricité française, soit 5 TWh. Cela
correspond à environ trois jours de consommation (trois journées d’hiver sans vent). Or,
l’énergie mondiale totale contenue dans toutes les batteries électrochimiques est de…
500 GWh. Il faudrait donc, pour la seule France, disposer de dix fois cette énergie. Ce
n’est pas envisageable. On voit que la problématique de lissage des fluctuations de la
production des sources intermittentes est radicalement différente de celle du dévelop-
pement des véhicules électriques. La constitution d’un parc d’un million de véhicules
électriques, disposant chacun d’une batterie de 50 kWh, requiert de disposer de seule-
ment 50 GWh, ce qui est parfaitement envisageable si l’on décide, comme cela semble
être le cas, de développer un secteur industriel dédié. La recharge de toutes ces batteries
au même moment et en six heures requiert une puissance d’environ 8 GW, ce qui est
sans doute une borne supérieure. En étalant le besoin de recharge sur la journée et en
allongeant la durée de charge, on peut réduire facilement d’un facteur 2 la puissance
nécessaire. En tout cas, c’est tout à fait réalisable.
CONCLUSION
Dans le présent article, on a analysé quelques caractéristiques essentielles des éner-
gies de stock et des énergies de flux. Les énergies de stock, pilotables, sont évidemment
épuisables, et il est par conséquent important de s’interroger sur les échelles de temps
où les pics de production se produiront. Le modèle d’Hubbert permet de se faire une
représentation simple de la production annuelle d’une source épuisable en fonction du
temps. Il s’agit d’une projection plus que d’une prévision, mais l’approche fournit une
aide indispensable à la réflexion concernant l’avenir à l’échelle du siècle. Les énergies
de flux, inépuisables, mais dont les flux sont imposés par la nature, requièrent d’analyser
les fluctuations temporelles de ces flux. C’est ce qui a été abordé ici pour deux formes
d’énergie renouvelable électrogène : le solaire photovoltaïque et l’énergie éolienne.
Cette analyse conduit à différencier l’énergie produite, selon qu’elle est pilotable ou
intermittente. Du point de vue de la stabilité des réseaux électriques, un kilowatt-heure
(kWh) aléatoire n’est pas équivalent à 1 kWh garanti. Dans le premier cas, il convient,
(10) Une station de transfert d’énergie par pompage (STEP) est la meilleure technologie de
stockage de l’énergie (meilleur coût, meilleur rendement). Une centrale hydroélectrique
de montagne est équipée d’une retenue d’eau en sortie de turbines. Lorsque la demande
d’électricité est faible (par exemple la nuit), l’eau est pompée vers le réservoir haut pour
reconstituer la réserve.
compte tenu de l’ampleur des fluctuations de la production qui sont du même ordre
de grandeur que la puissance installée, de préciser comment elles sont gérées, tant en
situation de manque de production qu’en situation de surplus de production. En l’état
actuel des connaissances, pour satisfaire les conditions de stabilité des réseaux élec-
triques, à savoir l’égalité en tout lieu et à chaque instant entre production et consom-
mation, il paraît difficile d’avoir un taux de pénétration des EnR électrogènes inter-
mittentes supérieur à environ 40 %, le reste devant être constitué de sources pilotables.
Il conviendrait d’analyser, dans un article séparé, comment les notions de stocks
et de flux, avec d’autres notions (source concentrée/source diluée, source pilotable/
source intermittente, efficacité énergétique/sobriété énergétique, stockage de l’éner-
gie), permettent de se repérer dans le foisonnement des scénarios de transition vers
des économies décarbonées, tous motivés par la contrainte climatique de réduction des
émissions de gaz à effet de serre.
BIBLOGRAPHIE
[1] J. Treiner, « Jouer avec les chiffres du climat : une approche par budget carbone »,
Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 109, n° 974, p. 753-765, mai 2015.
[2] H. Flocard, J.-P. Pervès et J.-P. Hulot, « Électricité : intermittence et foisonnement
des énergies renouvelables », Technique de l’ingénieur, n° 8586, octobre 2014.
Jacques TREINER
Ancien professeur
Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
Chercheur associé
Laboratoire interdisciplinaire des énergies de demain (LIED/PIERI)
Université Paris-Diderot
Paris