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Plus ou moins de nucléaire, d'éolien, de photovoltaïque, combien cela coûte-t-il ?
Pourquoi publier cette feuille de calcul une notice d'utilisation simplifiée quelques résultats une notice d'utilisation la feuille de calcul la pertinence de ce modèle de simulation simplifié Pourquoi cette feuille de calcul ? Sur les capacités, les besoins de stockage, les dépenses, des valeurs sont avancées par différents organismes et institutions mais on a souvent du mal à savoir comment elles sont justifiées et, surtout, on est incapable de voir de quoi elles dépendent et d'étudier d'autre hypothèses En comparant les dépenses avec plus ou moins de nucléaire ou d'éoliennes ou de photovoltaïque pour une même consommation et une même émission de CO2, cette feuille de calcul permet, entre bien autres choses, de donner un coût à la décision d'augmenter la capacité de production de l'électricité renouvelable. Cet outil de simulation, SimelecSP 1- permet à tout le monde de choisir ses hypothèses - sur la consommation
d'énergie,
- sur la composition
du
parc de production : nucléaire, éoliennes,
photovoltaïque, gaz, ou autres (hydraulique, sources thermiques
non fossiles)
- sur deux
procédés de
"stockage", d'une part les batteries, d'autre part la production
d'hydrogène pour produire du gaz qui sera utilisé pour
produire de
l'électricité
- sur le déplacement de la consommation par report ou anticipation - sur les possibilités d'effacement définitif - sur le coût
des
différents procédés de production et de stockage,
- sur les dépenses spécifiques pour remplacer l'électricité effacée - sur la capacité des lignes électriques qui permettent d'importer ou d'exporter ou sur la capacité des équipements pouvant consommer les excédents de production électrique notamment pour produire de l'hydrogène - sur le coût d'un électrolyseur. 2- à partir de ces hypothèses, il calcule - la consommation de
gaz fossile ou d'importation ; la production de gaz de synthèse
pouvant être utilisé hors du système
électrique.
- les possibilités de production pouvant être exportées ou utilisées à produire de l'hydrogène ou de la chaleur - les dépenses annuelles de chaque moyen de production (nucléaire, éolienne, PV et gaz) et de chaque moyen de stockage, et le total des ces dépenses Pour ce calcul, les
dépenses d'équipement (CAPEX) sont réparties en
annuités constantes sur la durée de vie de
l'équipement -
c'est la méthode LCOE, levelised cost of energy, très
généralement utilisée, notamment par la Cour des
Comptes.
Pour calculer les dépenses totales d'un système de production et de stockage d'électricité, l'informatique est bien utile. Encore faut-il que les "modèles" de simulation utilisés soient accessibles pour que chacun puisse comprendre de quoi sont faites les dépenses. La feuille de calcul proposée ici est simplifiée en ceci qu'elle se fonde sur les chroniques horaires d'une seule année, l'année 2013. Appelons-la SimelSP pour "simulation de l'électricité simplifiée et publiée" Une autre
version de cette feuille de calcul s'appuie sur les chroniques horaires
de consommation et d'activité éolienne de chacune des
années de 2012 à 2017. Les résultats d'une
année à l'autre sont proches les uns des autres - sauf
une pointe de consommation exceptionnelle en 2012, supérieure de
10 GW à celle de l'année 2013.
SimelSP montre
comment l'électricité interagit avec les autres formes
d'énergie.SimelSP
indique
heure par heure et pour l'ensemble de l'année les
possibilités de production disponibles pour autre chose que la
demande française
d'électricité. Cette disponibilité peut être
utilisée pour produire du biocarburant par exemple, ou pour
être exportée ou pour produire de l'hydrogène ou de
la chaleur ou, à défaut, être abandonnée (en
baissant de régime des réacteurs
nucléaires ou en écrêtant la production
éolienne et photovoltaïque).
SimelSP peut
simuler un effacement définitif à l'initiative du
fournisseur sans préavis pour quelques minutes ou plusieurs
semaines. Tel est le cas de consommateurs équipés de chauffages hybrides.
Dans le cas d'une forte propotion d'éolienne et de
photovltaque, la valeur d'un MWh ainsi effacé est
supérieure à 400 €/MWh.
SimelSP calcule le coût de production d'hydrogène. SimelSP tient compte de la contrainte qui limite l'entrée des productions éolienne et photovoltaïque car ces moyens de production n'apportent pas au réseau électrique l'inertie mécanique dont il a besoin pour sa . Si la capacité nucléaire installée est supérieure à une certaine valeur dépendant de la consommation, elle est suffisante pour apporter l'inertie dont le réseau a besoin. Sinon, il faut apporter au réseau l'inertie de machines tournantes qui ne produisent pas d'électricité. Cet outil de simulation rend compte de cette contrainte. SimelSP permet de visualiser l'utilité des batteries s'ajoutant aux moyens de stockage existants et de mesurer combien leur utilité peut être grande pour quelques GW et presque disparaître au-delà. SimelSP calcule de deux façons différentes le besoin de capacités de productions pilotables. SimelSP s'appuie sur les chroniques horaires de consommation et d'activité éolienne d'une seule année mais il est très facile d'y inroduire d'autres chroniques horaires. Au total, cet outil de simulation est facile à utiliser. Si l'on introduit les hypothèses de l'ADEME ou de RTE, il fournit des résultats très proches de ceux que publient ces organismes. - cf. une note sur les limites et la pertinence de ce modèle.
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Les données à introduire La consommation Deux options : option 1 : on introduit la consommation annuelle en nombre de TWh option 2 : on introduit un pourcentage d'augmentation par rapport à aujourd'hui pour les six mois frais et un autre pour l'autre semestre les possibilités d'effacement définitif : une capacité maximum l'hiver et une autre l'été : pendant une heure, l'effacement intervient en remplacement de production de pointe (TAC ou groupes électrogènes) dans une limite qui est proportionnelle à la capacité maximale d'effacement et à la consommation totale. les déplacements de consommation : indiquer le maximum de consommation pouvant être déplacé avant d'être compensé. La production Introduire les composantes des moyens de production d'électricité -
pour
le nucléaire : la capacité installée
et, en pourcentage, la capacité disponible en moyenne et au
maximum dans l'année (l'hiver) ; la flexibilité maximum
et le fonctionnnement minimum. Aujourd'hui, les limites de
flexibilité ne gênent pas.
- pour l'éolien : la capacité installée sur terre et en mer, les facteurs de charge (en nombre d'heures par an) sur terre et en mer - pour le photovoltaïque, le facteur de charge et le pourcentage sur toiture - pour préserver la stabilité du réseau électrique : la puissance éolienne et photovoltaïque mise sur le réseau est limitée de façon à ce que la puissance délivrée par les machines tournantes soit supérieure à une limite minimale qui préserve la stabilité du réseau. L'utilisateur indique de combien ce minimum peut être diminué par apport d'inertie par des machines qui ne produisent pas d'électricité. Dans la situation actuelle
une inertie mécanique est apportée par les machines de
production car ce sont des machines tournantes (hydraulique, gaz,
biomasse et nucléaire). Si la capacité nucléaire
est inférieure à un certain seuil, les
capacités de production nucléaire et à partir
d'hydraulique et de biomasse ne seront pas suffisantes pour apporter
l'inertie dont le réseau a besoin. Sans apport d'inertie la
production
minimale des machines tournantes est aujourd'hui de l'ordre de 30 GW. SimelSP
suppose que ce minimum est
proportionnel à la production
annuelle totale.
- pour l'hydraulique, il
est recommandé de ne rien changer : 60 TWh par anLa production des
lacs est, à chaque heure, proportionnelle à celle de
l'année 2013, ce qui rend bien compte de la modulation entre les
saisons. Pour étudier la contribution des lacs au pilotage
à court terme (quelques jours), on peut utiliser une autre
option - cf. plus loin au sujet de l'utilité d'une
capacité de stockage complémentaire.
- pour la biomasse : on
introduit la production annuelle et la partie de cette production qui
est "en base"La production à
partir de biomasse est limitée par la capacité de
l'équipement et par la quantité de biomasse. Par
ailleurs, s'il y a peu de nucléaire, cette production sera
sollicitée pour pallier les fluctuations éoliennes et
solaires. C'est pourquoi, SimelSP
distingue une production en base et une
production pilotable. Il est possible d'introduire la puissance
modulable en vérifiant que la production modulable alors
calculée correspond ce qui a été introduit.
A défaut, le logiciel calcule la puissance modulable et la
puissance totale, qui influe sur les coûts.
-
pour
la production à partir de gaz, fossile ou de synthèse : SimelSP
calcule ainsi la
capacité des moyens de production à partir de gaz : le
maximum de la puissance appelée est diminué des
capacités garanties, qu'il calcule, et des possibilités
d'effacement définitif, et il est augmenté de la marge de
précaution, introduite par l'utilisateur. Sans indication
contraire, le logiciel calcule lui-même la capacité des
moyens de
pointe (TAC et groupes électrogènes)
La somme de la
capacité de pointe et de la capacité effaçable est
60 % de la somme des besoins de capacité à partir de gaz
et de la capacité effaçable.
Autre
option : l'utilisateur peut choisir de calculer la capacité de
pointe de façon à minimiser les dépenses sachant
que les CCG coûtent plus cher mais ont un meilleur rendement que
les moyens de pointe.- pour la production d'hydrogène qui ne sert pas à produire de l'électricité mise sur le réseau électrique, le coût d'un électrolyseur et son rendemant. Le stockage, la production d'hydrogène pour faire du méthane puis de l'électricité, les possibilités d'exportation Introduire pour
les batteries, leur capacité (en GWh), leur puissance de
charge et leur puissance de décharge (en GW),
la puissance garantie par les batteries et les reports de consommation : pratiquement il est inutile que la capacité (en GW) garantie par les batteries et les déplacements de consommation soit supérieure à 8 GW, la capacité garantie par les Steps étant de 5 GW : cf. ci-dessous plus d'explication. pour la production de méthane de synthèse : la capacité de l'électrolyseur ; le rendement du processus qui va de l'électrolyse à la production d'électricité selon qu'il passe par des CCG ou par des TAC. SimelSP calcule le rendement effectif. pour l'exportation ou d'autres usages : la capacité des lignes d'interconnexion vers l'étranger ou la capacité des installations consommant l'électricité. Les coûts et les dépenses - hors hydraulique pour
chaque moyen de production et de stockage : la capacité,
les dépenses d'installation, la durée de vie, les
dépenses annuelles indépendantes de la consommation et
les dépenses d'énergie.Sur
une feuille intitulée "les coûts", on verra les
coûts du nucléaire, des éoliennes et du
photovoltaïque aujourd'hui et en 2035 ou 2050 selon l'ADEME ou
selon RTE. Les valeurs publiées utilisées sont les
coûts indiqués par RTE pour 2035 auxquelles ont
été ajoutés les coûts de raccordement au
réseau.
Le taux d'actualisation le coût du CO2 la valorisation des excédents. Les résultats fournis par la feuille de calcul La production
d'électricité à partir d'énergie fossile,
produite en France ou importée : cette simulation ne dit pas
où l'électricité est produite
La production de méthane de synthèse disponible hors du système électrique Les quantités exportées, dont les quantités produites par éoliennes ou photovoltaïque et les quantités produites par les réacteurs nucléaires Les consommations effacées définitivement sans préavis mais selon un contrat passé avec le consommateur Les productions par moyen de production Les dépenses annuelles de
production hors hydraulique ; les mêmes augmentées du
coût du CO2 ou/et diminuées de la valorisation des
possibilités de production excédentaires (tenant compte
du coût de production lorsque ces excédents sont d'origine
nucléaire)
Les dépenses par moyen de production et de stockage Le coût de production d'hydrogène Quelques effets connexes : nombre d'éoliennes, surfaces occupées par le photovoltaïque. |
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le 25 mai 2017 -
relue et complétée depuis Une feuille de calcul
qui simule un parc de production d’électricité et calcule les dépenses de production Notice technique
- compléments à la notice simplifiée
La capacité
garantie par le détockage : l'examen de la chronique horaire,
colonne O, permet de voir
la capacité, en GW, pouvant être fournie par le
déstockage de moyens de stockage selon la contenance, en GWh, de
ces moyens.
Les colonnes P et Q sont laissées libres pour faire ces calculs.
Pratiquement, tenant compte des capacités de stockage (en GWh)
et des puissances de déstockage (en GW) existantes, de
nouveaux moyens de stockage permettront aisément de diminuer
dans la limite de quelques GW la puissance demandée aux moyens
pilotables ; c'est à dire que le rapport entre cette baisse de
puissance, en GW, et le contenu de ces nouveaux moyens de stockage
serait supérieur à 0,5. Pour diminuer la puissance
demandée aux moyens pilotables de plus de 8 GW (selon nos
estimations), il faudrait une très grosse capacité en
GWh, ce qui rendrait les batteries beaucoup plus coûteuses que le
procédé passant par la production de gaz de
synthèse. Il est possible de tenir compte de l'apport des lacs de montagne. En utilisant l'option 1 (case P122), la colonne O indique alors heure par heure ce qui est demandé à l'ensemble gaz, déstockage et lacs de montagne.
En quantité La consommation finale et les productions
sont calculées à partir des chroniques horaires de 2013
données par RTE. Ces chroniques donnent
les productions par moyen de production y compris ce qui est produit
par les Steps. Elles figurent telles quelles sur la feuille de calcul. En retirant ce qui est pompé par les Steps et le bilan net des échanges extérieurs, ces chroniques de l'année 2013 donnent heure par heure ce qui est mis sur le réseau pour la consommation, y compris les pertes en ligne. On en retire donc les pertes en ligne (7 %) pour connaître la consommation finale en 2013. La
consommation finale simulée, avant déplacement de
consommation et effacement définitif La feuille calcule heure par heure une
consommation proportionnelle à celle de 2013 avec un coefficient
de proportionnalité qui est selon le choix de l'utilisateur, Les consommation horaires peuvent être
modifiées par les déplacements de consommation et
les effacements définitifs - cf. plus bas. Les colonnes de 8760 lignes - les quantités destinées
directement à la
consommation finale (y
compris les pertes en ligne) - les productions de base mises sur le
réseau : ce sont les productions à partir de fleuve, la
partie "base" des
sources thermiques fossiles et non fossiles et les productions
à
partir des lacs ; le total de ces productions.
Les productions de base sont sans
émissions de CO2 sauf un petite quantité de production de
base à partir d'énergie fossile
(cogénération). - l'éolien et le photovoltaïque - production nucléaire
destinée directement à la
consommation finale - L'excédent de possibilités
de production hors productions pilotables à partir de biomasse
et de gaz : colonne N : c'est la différence entre ces
possibilités et la consommation. - L'excédent de possibilités de production sert d'abord à charger les moyens de stockage (dans la limite du niveau de charge et de la puissance de charge), puis est consommé par l'électrolyseur dans la limite de sa capacité, puis peut être exporté ou utilisé à autre chose dans la limite des capacités d'interconnexion ou de consommation. Dans tous les cas, on distingue le total de l'électricité d'origine éolienne et photovoltaïque. - Ce qui est demandé aux moyens
pilotables autres que le nucléaire :
déstockage, report de consommation, partie pilotable de biomasse
et de gaz et effacement
définitif : colonne O : c'est la différence entre la
consommation (colonne H) et la somme du nucléaire et des moyens
non pilotables (colonne AP). Cette colonne O est très
intéressante. - Lorsque la valeur précédente
est positive, la quantité manquante est apportée par du
déstockage et des
reports de consommation, puis par la part modulable de la production
à partir de biomasse, puis par les CCG, puis par l'effacement
définitif, et enfin par des TACs.. - Le recours au déstockage diminue la
puissance qui est demandée aux machines de production pilotables
(gaz et bioénergie), qui sont des machines tournantes ; il est
donc
limité de façon à conserver l'inertie minimum
nécessaire à la stabilité du réseau. C'est
pourquoi, à chaque heure est calculée une "marge
d'inertie" que ne doivent pas dépasser les
quantités déstockées. Sur la production à partir de
bioénergie
On la décrit heure par heure car, si la capacité nucléaire est très faible, la production à partir de bioénergie sera, avec l'hydraulique de lac, sollicitée pour équilibrer production et consommation. A la différence du gaz, la quantité en TWh est limitée. On a donc cherché à calculer la capacité nécessaire pour utiliser les possibilités de production. Pour cela on distingue une production "de base" c'est à dire à peu près constante, et une production pilotable. On introduit la quantité (en TWh) de la production de base ; la quantité pilotable se calcule par différence, soit QM. On peut introduire la capacité pilotable. La feuille calcule heure par heure la production modulable (qui passe après le déstockage et avant les CCG) et le total annuel des productions horaires ; on ajuste la capacité pilotable de façon que ce total soit égal à QM. Autre option : la capacité pilotable est en GW égale à 80 % de la production modulable exprimée en TWh ; le résultat est moins exact mais cela sans effet sur les émissions de CO2 . Voir colonnes Y à Z, lignes 111 à 125. - La production à partir de CCG :
elle est calculée heure par heure à partir de la
capacité des CCG - cf. ci-dessous - L'effacement définitif intervient
après le déstockage et la production à partir de
bioénergie et de CCG. Chaque heure il est inférieur
à une
valeur proportionnelle à la consommation totale pendant cette
heure et
à la capacité effaçable maximum. - On
complète avec la production des TAC.
Il serait alors facile de
calculer les quantités livrées pendant que sont
marginales les productions des TACs, des CCG ou du déstockage.
La
capacité de production à partir d'énergie fossile
: deux façons de la calculer 1-
La feuille calcule ainsi la capacité de production
à partir
d'énergie fossile : c'est la différence entre la
pointe de consommation et la somme des capacités
garanties. Elle suppose qu'il n'y a pas de vent au moment précis
de la pointe de consommation. On peut ajouter ou retrancher quelques
GW du résultat de ce calcul (case Q51). C'est la méthode
"déterministe". 2- On peut la calculer d'une autre
façon. La colonne O donne heure par heure ce qui est
demandé à l'ensemble aux moyens pilotables autres que le
nucléaire : déstockage, partie pilotable
de la bioénergie, CCG, effacement définitif, TAC et
importations, donc aussi le maximum sur
l'année.
- Pour nucléaire, éolien sur
terre ou en mer, PV
sur sol, PV sur toiture, production à partir de
bioénergie,
déplacement
de consommation, batteries, électrolyse et méthanation et
aussi
production à partir de CCG ou de moyens de pointe et enfin
apport d'intertie sans production d'électricité, SimelSP
calcule le
montant de
l’investissement, une annuité
constante
représentant ce montant, les frais fixes annuels, les frais
variables et les
dépenses totales. La production à partir de gaz (fossile
ou manufacturé) complète ce qui est fourni par les autres
moyens. - Le coût du MWh par moyen de
production : pour chaque
moyen de
production ou de stockage SimelSP
calcule un coût du MWh. Celui-ci a une définition
différente selon les cas. Pour le nucléaire et la
méthanation, c'est le
montant des
dépenses rapporté à la
production nucléaire ou à partir de méthane
directement consommée ; pour
éolien et PV, c'est le montant des dépenses
rapporté aux possibilités de production. Le coût
au MWh de la méthanation
aide à calibrer la capacité de l’électrolyseur. Les
résultats Les quantités
produites, stockées, déstockées SimelSP donne les résultats suivants - Nucléaire : - Eoliennes et PV : les
quantités directement
consommées ou excédentaires - Les quantités qui ont
été mises en stock - Les quantités
déstockées - y
compris les reports de consommation. On
rappelle ici que la recharge des
stockages ne peut pas se faire avec de l'électricité
produite avec du gaz, gaz fossile ou gaz de synthèse, que leur
décharge ne se
fait que pour éviter une production à partir de gaz et
qu'il n'y pas de délai maximum entre la charge et la
décharge. Dans la réalité, il se peut que l'on
recharge alors qu'il y a une production à partir de gaz,
cela pour
pouvoir diminuer, un peu plus tard, une pointe de demande.
L'écart entre le modèle et la réalité n'a
pas d'effet sur les émissions de CO2 - plus exactement, la
simulation minimise les mouvements de stockage et de déstockage
donc sous-évalue les pertes afférentes, donc la
production d'électricité et, éventuellement, les
émissions de CO2. Lorsqu'il simule l'année 2013, le
modèle calcule que le déstockage est de 3 TWh alors que
la production par les Steps fut de 6 TWh. - Les quantités consommées
pour
la production de gaz - La production de gaz de synthèse en
tenant compte du
rendement de
méthanation - La production à partir de gaz (et
de fioul éventuellement) et la
production à partir d'énergie fossile. - La production de gaz de synthèse
au-delà de ce qui est consommé pour produire de
l'électricité.
- Le coût de production de
l'hydrogène lorsque les possibilités excédentaires
servent à produire de l'hydrogène.
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Dans ce dossier - une présentation de la feuille qui calcule n'importe quel parc de production - la pertinence de SimelSP - la feuille de calcul - une notice technique |
Les limites de SimelSP - Il s'appuie sur les chroniques horaires de consommation et de production d'une seule année, l'année 2013. Une autre version s'appuie sur les chroniques horaires de chacune des années 2012 à 2017 ; elle montre qu'il n'y a pas de grosses différences sinon sur les besoins de capacité de pointe. - Il équilibre fourniture et consommation au pas horaire ; il ne reflète donc pas les fluctuations à l'intérieur d'une heure. - Il calcule les dépenses en situation stabilisée ; il ne donne donc pas directement la somme des dépenses pour passer d'une situation à l'autre mais il donne la possibilité de les calculer aisément. - Il donne des éléments pour calculer la capacité des moyens de pointe mais ne la calcule pas directement. - Pour la gestion de l'eau des lacs, qui est très difficile à modéliser, il retient l'hypothèse qu'elle est semblable à celle de l'année 2013. Mais il propose aussi une autre option selon laquelle la gestion de l'eau est contrainte seulement par la quantité produite anuellement sans tenir compte de la capacité des lacs (en GWh) ni des capacité de production (en GW). Les résultats ne sont pas très différents ; la réalité est intermédiaire, certainement assez proche de la gestion de 2013. La seconde option montre heure par heure la demande faite à la fois aux Steps, aux lacs, aux autres désotckage et au gaz - colonne O. La pertinence du modèle et ses possibilités SimelSP réplique bien la situation actuelle, les scénarios de RTE (printemps 2018) et ceux de l'ADEME (2017) et d'une étude datant de 2019 par le FAERE sur une production sans nucléaire ni émission de CO2.. Depuis la fin de 2019, SimelSP fait la différence entre éolienne sur terre et en mer. |