Quel avenir pour les STEP marines ?

Publié le 6 octobre 2013 dans STEPs marines

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E.M.R. Brest 

François Lempérière (HydroCoop), 05.2013

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Dans cinquante ans, la consommation mondiale d’électricité intermittente sera probablement en moyenne de 3000 à 5000 GW ; elle nécessitera près de 2000 GW de capacité de stockage. La moitié des pays, peu montagneux, n’ont ni la souplesse de l’hydroélectricité, ni les sites de STEPs classiques et sont bordés par la mer ; des sites de STEPs marines sont le plus souvent disponibles à des coûts de 1000 à 1500 €/kW. La réalisation de 500 à 1000 GW de STEPs marines, essentiellement entre 2030 et 2050, parait une hypothèse réaliste. Le besoin est notamment important sur les îles où un coût plus élevé peut être acceptable mais cela ne représente qu’une faible partie du besoin mondial.

La réalisation en France de 10 à 20 GW le long de la Manche parait logique.

Evaluer l’avenir des STEPs marines nécessite la réponse à 3 questions :

–   Quel est le besoin de stockage d’électricité au 21ème siècle ?

–   Quels sont le potentiel et le coût des STEPs marines ?

–   Quelles sont les solutions concurrentes ?

Avant d’étudier les réponses pour le cas particulier de la France, ces trois questions sont d’abord abordées sur le plan mondial.

1) Quels besoins de stockage d’énergie électrique au milieu du siècle ?

–   Fin 2012, une Etude de l’Agence Internationale pour l’Energie (I.E.A.), Technology Roadmap Hydropower donne les chiffres suivants (page 27) pour les principaux pays de l’O.C.D.E. (c’est-à-dire de l’I.E.A.) pour 2050.

Etats-Unis                Europe            Japon

Evaluation minimale de STEPs (GW)             58                       91                    35

Evaluation maximale de STEPs (GW)           139                     188                    39

Si on rajoute le Canada et l’Australie, on arrive pour l’O.C.D.E. qui a 100 GW de STEPs actuellement, à un minimum de 200 GW et un maximum de 400 en 2050. Il s’agit de
1 milliard d’habitants. L’hypothèse de l’I.E.A. est qu’en 2050 le taux de renouvelables dans l’énergie sera de 30 à 45% pour ces pays.

Hors O.C.D.E., il y aura en 2050, 8 milliards d’habitants dont 7 bénéficiant de beaucoup de soleil toute l’année. L’I.E.A. prévoit pour eux la même capacité globale de STEPs que pour l’O.C.D.E., soit 8 fois moins par habitant, ce qui parait faible. Une capacité par habitant moitié de celle de l’O.C.D.E., plus plausible, conduirait à 5 fois les besoins de l’O.C.D.E., soit 1000 à 2000 GW en 2050. Et il n’est pas exclus que le taux de renouvelables dans l’énergie dépasse alors mondialement 50%.

–   Une autre évaluation est basée sur les courbes d’utilisation probable d’énergie électrique. La consommation d’énergie solaire et éolienne deviendra très importante vers 2050 ou vers 2080 suivant les hypothèses. C’est alors que des besoins de stockage très importants deviendront nécessaires.

Un ordre de grandeur de 2000 GW dans une cinquantaine d’années, soit 0,20 kW par habitant (0,30 dans l’O.C.D.E.) parait une hypothèse plausible.

2) Potentiel et coût des STEPs marines

Les 500 STEPs traditionnelles existantes opèrent entre deux bassins d’eau douce avec une capacité moyenne d’environ 300 MW ; elles totalisent 150 GW et opèrent sous une charge moyenne de 300 m, en fait entre 80 et 1500 m ; les groupes ont une capacité unitaire souvent de 50 à 200 MW. Certains composants du coût (réservoirs, tunnels) varient beaucoup suivant les sites. Beaucoup d’usines sont souterraines. L’impact de certains sites sur les rivières peut être important.

Les STEPs marines seront différentes : deux solutions apparaissent les plus prometteuses :

–   La mer peut être utilisée comme réservoir bas associé à un réservoir haut placé sur une falaise proche de la mer. De très nombreux sites rentables existent avec des falaises 50 à 200 m au-dessus de la mer. La charge moyenne sera d’une centaine de m.

Le coût du matériel électromécanique sera donc souvent plus élevé que pour les STEPs classiques, à cause de la charge plus faible et de la corrosion marine. Mais le coût des tunnels et réservoirs peut être beaucoup plus faible. Certains pays comme la Norvège peuvent d’ailleurs avoir des sites très économiques en électromécanique et génie civil.

Un site de 100 m de charge et 20 m de profondeur de bassin stocke 5 GWh/km². Beaucoup de sites à l’échelle du GW existent. L’impact sur l’environnement parait plus faible qu’avec les STEPs classiques. Le déplacement à l’identique de hameaux de quelques centaines d’habitants peut avoir un coût par GW très faible et permettre de très fortes capacités.

–   Une autre solution prometteuse, étudiée actuellement aux Pays-Bas et en Belgique, est la réalisation d’un atoll de 5 à 10 km de diamètre utilisé comme bassin bas jusqu’à 30 m sous le niveau de la mer. Le stockage par km² est dix plus faible qu’avec la solution sur falaise mais cette solution peut trouver des surfaces 20 fois supérieures. Le coût au kW de groupes bulbes de 20 à 50 GW est très compétitif : cette solution ne peut s’appliquer qu’à de grands ouvrages pour que le prix des digues, qui peut atteindre 100 à 200 millions d’euros du km, ne soit pas prohibitif. Il s’agira donc probablement de capacités de plusieurs GW, à l’échelle des besoins de 2050. Cette solution peut être très économique à l’intérieur de grands bassins marémoteurs en eau calme.

Les coûts des STEPs marines paraissent du même ordre que ceux des STEPs classiques mais très variables aussi suivant les sites. L’examen de divers pays montrent des potentiels largement à l’échelle des besoins : des critères de sélection a priori sur les niveaux, les distances à la mer ou les capacités peuvent être, parfois volontairement, éliminatoires à tort.

Les îles sont un cas particulier. Les coûts élevés de l’énergie peuvent y justifier des STEPs plus coûteuses au KW. Les faibles capacités requises et un choix réduit de sites y conduisent d’ailleurs à des coûts réels élevés. Il s’agira donc souvent de capacités plus proches de 100 MW que d’1 GW, et de coût au kW très supérieur à 2000 €.

3) Les solutions concurrentes

Les STEPs représentent actuellement 99% du stockage de masse d’énergie électrique existant ou en réalisation. L’apparition d’un concurrent n’est pas à exclure, elle n’apparaît pas actuellement l’hypothèse majeure.

Le besoin de stockage n’est que de l’ordre de 0,20 kW par habitant. Un très grand progrès dans les batteries bouleverserait le problème de stockage et d’ailleurs le problème d’énergie en général. Mais ce progrès doit porter sur le coût, le rendement, la durée de vie. Les STEPs semblent donc garder de gros atouts pour les stockages importants.

Les 2 concurrents actuels des STEPs marines sont les STEPs traditionnelles et une forte utilisation de gaz ou de charbon.

La comparaison avec les STEPs traditionnelles porte sur l’environnement et le coût. Pour une même puissance les STEPs marines semblent devoir être souvent plus favorables à l’environnement que beaucoup de STEPs traditionnelles. Les coûts, très variables suivant les sites pour les 2 options, paraissent du même ordre ; il est plus facile de faire une étude générale de coût des sites de STEPs marines assez similaires que d’estimer le coût des STEPs traditionnelles souvent très différentes entre elles.

Les pays montagneux ont généralement la souplesse d’une production hydroélectrique et des sites de STEPs traditionnelles. Les pays peu montagneux ont plus besoin de stockage et peu de sites traditionnels et les STEPs marines peuvent être la solution.

Le concurrent majeur actuel peut être une forte utilisation d’énergies fossiles qui devrait se réduire beaucoup d’ici 2050.

La concurrence est actuellement faussée dans beaucoup de pays par le système de taxation et par le fait que les impacts complémentaires des STEPs sur la qualité et la sécurité du réseau ne sont pas prises en compte.

Une capacité mondiale de STEPs marines de 500 à 1000 GW dans cinquante ans parait une hypothèse réaliste, avec réalisation principalement entre 2030 et 2060.

4) Les STEPs marines en France

Le besoin de stockage varie naturellement suivant les options et le pourcentage d’énergie intermittente. La France représente 7% des habitants de l’O.C.D.E. pour lesquels l’A.I.E. prévoit en 2050 200 à 400 GW de STEP. Les besoins de la France apparaissent ainsi entre 15 et 30 GW alors que le potentiel de STEPs traditionnelles semble inférieur à 10 GW et surtout dans la moitié Sud ; les énergies intermittentes seront en grande partie dans le Nord (vent et marées). Il apparaît donc justifié d’étudier la possibilité d’au moins 10 GW de STEPs marines. Deux solutions semblent prometteuses :

–   Il existe le long de la Manche une vingtaine de sites de 0,5 à 1 GW constitués par un bassin haut sur une falaise à moins de 2 km de la mer, en moyenne avec une charge de 100 m. le coût apparaît compétitif, l’impact faible sur l’environnement. Si on admet le déplacement de quelques centaines de personnes, la puissance unitaire peut dépasser nettement 1 GW.

–   Il existe des sites favorables pour un atoll de 10 km de diamètre utilisé comme bassin bas, en particulier à plus de 10 km de la côte en face du pays de Caux. Un tel atoll parait très rentable pour une puissance de quelques GW. L’inclure dans un bassin marémoteur peut être très économique.

Le coût au kW des STEPs ci-dessus parait compris entre 1000 et 2000 €/kW.

Il existe aussi un besoin de stockage dans les îles, pour des capacités de l’ordre de 100 MW et généralement avec un coût beaucoup plus élevé au kW que pour les grands sites métropolitains.

Le programme suivant paraît raisonnable :

–   Un ou 2 sites insulaires en service d’ici 10 ans

–   Quelques sites à terre de la Bretagne à la Picardie totalisant quelques GW d’ici 2030, un premier en service avant 2025

–   Un ou 2 sites en mer pour 5 à 10 GW après 2030.

La réalisation de STEPs marines aussitôt que possible donnerait à la France un atout essentiel sur un marché mondial qui pourra atteindre 30 milliards d’euros par an à partir de 2030.

Conclusion

L’Etude des STEPs marines parait une des études les plus prometteuses, aussi bien pour l’Energie en France que pour intervenir à temps sur un créneau mondial d’avenir.

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