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Étude technico-économique du stockage de l’électricité Avec la contribution de

Étude technico-économique du stockage de l’électricité Avec la contribution de Bertille CARRETTÉ, Grégory JARRY et Antoine DEREUDDRE des services de la Commission de régulation de l’énergie (CRE) HARRICHE Farah SOULETIS Romain 17/03/2013 Table des matières Introduction ........................................................................................................................................... 1 Etude des services apportés par le stockage au système français.......................................................... 2 Préambule ......................................................................................................................................... 2 I. Le lissage de la courbe de charge .............................................................................................. 2 1. Caractéristiques de la courbe de charge............................................................................... 2 2. Les grandes problématiques actuelles liées à la pointe ........................................................ 4 a. Volatilité des prix de l’électricité sur les marchés de gros ............................................ 4 b. Dimensionnement des installations et capacités de production .................................. 4 c. Coût élevé de la production de pointe .......................................................................... 4 d. Fortes émissions de CO2 en période de pointe ............................................................. 5 3. Les services apportés par le stockage ................................................................................... 6 a. Pour les producteurs : arbitrage sur les marchés de l’énergie ...................................... 6 b. Pour les producteurs : optimisation du dimensionnement de leurs installations ......... 6 c. Pour les producteurs : anticipation des futures obligations de capacités ..................... 7 d. Pour les producteurs : optimisation des coûts de production en période de pointe .... 7 e. Pour les gestionnaires de réseau : sécurisation des prévisions d’équilibre d’offre / demande en optimisant les capacités de transport ............................................. 7 f. Pour les territoires : diminution des émissions de CO2 et prise de distance avec les énergies fossiles ................................................................................................................. 8 g. Pour les producteurs : anticipation des risques économiques moyen et long terme (augmentation du prix des énergies fossiles et du CO2) ..................................................... 8 h. Pour les consommateurs : mise en place d’un optimum économique à leur consommation d’électricité ............................................................................................... 8 i. Pour les consommateurs : génération de revenus d’effacement grâce aux dispositifs actuels et anticipation de la mise en place du marché de capacité ................................... 8 II. Le secours .................................................................................................................................. 9 1. La sûreté du réseau électrique français ................................................................................ 9 a. Définition ...................................................................................................................... 9 b. Les causes possibles de défaillance ............................................................................... 9 2. Le stockage comme solution de secours .............................................................................. 9 III. Qualité de l’alimentation .......................................................................................................... 10 1. La qualité du réseau aujourd’hui ........................................................................................ 10 a. Comment définir la qualité de l’électricité ? ............................................................... 10 b. La qualité de l’électricité en France ............................................................................ 11 2. Les voies d’amélioration grâce au stockage ....................................................................... 11 a. Pour les consommateurs ............................................................................................ 11 b. Pour les gestionnaires de réseau ................................................................................ 12 IV. Aide à l’intégration des EnR ..................................................................................................... 12 1. Les enjeux liés aux EnR et les problèmes rencontrés aujourd’hui ...................................... 12 2. Services apportés par le stockage....................................................................................... 12 a. Pour les producteurs d’énergies intermittentes ......................................................... 12 b. Pour les consommateurs ............................................................................................ 13 c. Pour les gestionnaires de réseau ................................................................................ 13 d. Pour les territoires ...................................................................................................... 13 Synthèse .......................................................................................................................................... 14 Étude comparative des technologies de stockage ............................................................................... 15 Préambule ....................................................................................................................................... 15 I. Présentation des technologies de stockage stationnaire d’électricité ..................................... 15 1. Moyens de stockage à petite échelle ................................................................................. 15 a. Super-condensateur.................................................................................................... 15 b. Inductance Supra-conductrice (SMES : Superconductor Magnetic Energy Storage) ... 16 c. Volant d’inertie ........................................................................................................... 17 2. Moyens de stockage utilisables à petite et grande échelle ................................................ 17 a. Batteries électrochimiques ......................................................................................... 17 b. Batterie à circulation (Red-ox flow) ............................................................................ 18 c. Stockage sous forme d’hydrogène .............................................................................. 19 3. Moyens de stockage à grande échelle ................................................................................ 19 a. Stockage gravitaire : STEP ........................................................................................... 19 b. Stockage par air comprimé : CAES (Compressed Air Energy Storage) ......................... 20 II. Comparatif des technologies de stockage stationnaire ........................................................... 21 Synthèse : technologies les plus adaptées aux principaux services rendus au système .................. 24 Proposition d’évolutions réglementaires ............................................................................................. 25 I. La réglementation française actuelle ....................................................................................... 25 1. Les zones insulaires ............................................................................................................ 25 2. La situation métropolitaine ................................................................................................ 25 II. Comment faire évoluer la réglementation française ? ............................................................ 26 1. Création du statut d’opérateur de stockage ....................................................................... 26 2. Création d’un tarif d’autoconsommation ........................................................................... 27 3. Vers une production conventionnelle d’EnR ...................................................................... 27 Vision prospective pour 2030 ............................................................................................................... 28 I. Mise en place des hypothèses ................................................................................................. 28 1. Hypothèses sur l’évolution de l’offre et de la demande ..................................................... 28 2. Hypothèses sur les services valorisables ............................................................................ 29 3. Choix des technologies pour le scénario ............................................................................ 30 a. Hypothèses sur la maturité des technologies ............................................................. 30 b. Freins au développement de certaines technologies .................................................. 30 c. Hypothèses sur le rendement et le coût des technologies ......................................... 31 d. Hypothèses sur les capacités installées à horizon 2030 .............................................. 32 II. Scénario économique .............................................................................................................. 33 1. Valorisation des services .................................................................................................... 33 a. Arbitrage prix .............................................................................................................. 33 b. Réserves primaire et secondaire ................................................................................. 34 c. Mécanisme d’ajustement ........................................................................................... 34 d. Marché de capacités ................................................................................................... 34 Report des renforcements réseaux ............................................................................. 35 e. (dus à l’implantation d’énergies intermittentes) ........................................................ 35 f. Lissage de la consommation industrielle .................................................................... 36 2. Optima d’allocation de puissance ....................................................................................... 38 3. Résultats du scénario économique ..................................................................................... 39 Conclusion ............................................................................................................................................ 41 Bibliographie ........................................................................................................................................ 42 1 Introduction Le stockage de l‘électricité apparaît aujourd’hui comme une solution incontournable pour répondre aux enjeux énergétiques auxquels nous serons confrontés demain. Cependant, plusieurs interrogations quant à son utilité et à sa mise en œuvre émergent aujourd’hui, sur des aspects aussi bien techniques économiques, que réglementaires. En effet, si les technologies de stockage présentent a priori de nombreux avantages, il faut dans un premier temps distinguer les « technologies d’avenir » et celles qui s’apparentent plus à de la science-fiction. Il s’agit de déterminer quelles technologies seront les mieux adaptées au système électrique français, quelles utilisations seront faites de ces technologies mais également si leurs moyens de rémunération seront suffisants pour les intégrer dans un modèle économique. D’un point de vue économique, l’introduction du stockage de l’énergie viendrait complètement modifier le paysage énergétique, ainsi que son le modèle économique très actuel. Aujourd’hui, n’est produite et négociée sur les bourses de l’énergie que l’électricité qui va être consommée dans l’heure suivante ou le lendemain. Ce déséquilibre de l’équation « production = consommation » induit par le stockage ne sera pas sans effet sur les prix de l’énergie et la mise en place du stockage nécessitera une refonte au moins partielle du système économique, sans compter l’impact sur les tarifs de l’énergie. La question sous-jacente étant de savoir si le stockage est une technologie rentable et, le cas échéant, à qui elle profite. Enfin, la mise en place d’une nouvelle réglementation pour accompagner le développement du stockage paraît indispensable dans ce contexte. Cette adaptation de la réglementation doit inévitablement se faire en amont de la mise en place des systèmes de stockage afin d’anticiper au mieux leur arrivée et leurs impacts sur le système actuel. La problématique liée au stockage de l’électricité pourrait donc se résumer ainsi : Quelle(s) technologie(s) doit-on implanter à quel endroit, à quel coût et avec quelle réglementation ? Pour répondre à cette question, ce rapport s’articulera en 4 parties :  en premier lieu, une analyse de tous les services que pourrait apporter le stockage au système électrique français ;  ensuite, une présentation des technologies existantes qui aboutira sur une comparaison des caractéristiques techniques et sur une synthèse des technologies les mieux adaptées aux principaux services ;  puis nous proposerons quelques évolutions réglementaires nécessaires au bon développement de la filière du stockage en France;  enfin, nous proposerons un scénario économique d’implantation du stockage à horizon 2030 en précisant les capacités attendues pour chaque technologie et les valorisations possibles. La démarche pour cette étude toute particulière qui s’appuie sur des bases techniques pour aboutir à un scénario économique n’a pas nécessité l’utilisation d’outils particuliers. Une longue analyse de l’état de l’art, une bonne maîtrise d’Excel, ainsi des entretiens avec des acteurs majeurs :  Joseph Maire, directeur technique du programme Smartgrids Yves Barlier, délégué Management d’Énergie et Jean Lacoste, attaché Fonctionnement des Systèmes Électriques pour EDF SEI  Christophe Arnoult, chef du projet NICE GRID pour ERDF  Michael Lippert, directeur marketing pour SAFT nous ont permis d’atteindre les objectifs fixés. 2 Figure 1 – Pointe journalière du 28/11/2012 (demi-saison) Source : RTE Etude des services apportés par le stockage au système français Préambule Aujourd’hui, au-delà du coût des technologies, l’heure est à la recherche de rentabilité économique. Pour bien comprendre pourquoi on cherche à développer le stockage de l’électricité, il faut commencer par déterminer les voies possibles de valorisation de cette filière, ainsi que les acteurs qui y trouveront des bénéfices. Il est donc nécessaire de raisonner par services : identifier dans un premier temps les problématiques du système actuel, pour déterminer les acteurs concernés et les services que leur apporterait le stockage, avant de rechercher la technologie qui permettrait d’y répondre au mieux. Sur le plan technique, le stockage de l’électricité aurait quatre effets majeurs sur le système de production, de transport et de distribution de l’électricité en France :  le lissage de la charge,  le secours,  le maintien voire l’amélioration de la qualité d’alimentation,  l’intégration d’énergies renouvelables intermittentes. Mais derrière chacun de ces effets majeurs se cachent des services nombreux et variés, aux voies de valorisations multiples et spécifiques à chaque type d’acteurs qu’il est essentiel de bien cerner. uploads/Science et Technologie/ etude-projet-elect.pdf