Le nucléaire est-il flexible ?

La production électrique d'une centrale nucléaire est-elle flexible ?
A votre avis, un réacteur nucléaire c'est comme une bonne vieille ampoule à filament : soit allumé soit éteint ? Ou est-ce que ça ressemble plutôt à ces lampadaires halogènes dont on peut régler l'intensité lumineuse ?
La question vous parait farfelue ? Et pourtant : ces temps-ci, la flexibilité du nucléaire est un des sujets de débats favoris des pro- et des anti-nucléaires.

Tout semble être parti d'un petit film diffusé par EDF pendant la COP21 et mettant en scène des centrales nucléaires "manœuvrantes", c'est-à-dire capables d'adapter rapidement leur production électrique. Cette vidéo d'une minute à peine est régulièrement réutilisées par EDF. Ce qui ne manque pas de susciter la fureur des opposants à l'atome, ceux-ci contestant de façon véhémente l'idée que le nucléaire puisse faire preuve de la moindre flexibilité.

Alors qu'en est-il vraiment ?

(Attention : cet article est long et un peu technique. Si seule la réponse vous intéresse, cliquez ici pour la découvrir tout de suite).


Pourquoi s'intéresser à la flexibilité du nucléaire ?


Comme pour toute bonne dissertation de philosophie, commençons par nous interroger sur le sujet : pourquoi s'intéresser à la flexibilité des centrales nucléaires ?

Comme souvent, il faut revenir à cette règle fondamentale du réseau électrique : la production d'électricité doit toujours être égale à la consommation.

C'est le rôle du gestionnaire du réseau d'assurer en permanence un équilibre entre les deux membres de cette égalité, sachant que l'un et l'autre varient de façon prévisible (si la météo annonce une baisse de température, par exemple, la consommation va augmenter) ou non (ex : l'arrêt inopiné d'une centrale entraîne une baisse de la production). Ce qui lui simplifierait beaucoup le travail, ce serait des centrales électriques capables de démarrer instantanément et d'ajuster leurs productions à la hausse comme à la baisse à la moindre demande.
Malheureusement, cette centrale parfaitement manœuvrable n'existe pas. Mais les turbines à gaz (en particulier à cycle ouvert) et les barrages hydroélectriques se rapprochent de cet idéal. Le solaire photovoltaïque et l'éolien en sont eux à l'exact opposé puisque la production dépend de facteurs extérieurs sur lesquels nous n'avons aucune prise. Entre les deux c'est une affaire de gradation.

Avec l'impératif de réduction des émissions de gaz à effet de serre, la manœuvrabilité devient une contrainte majeure. L'énergie nucléaire et les renouvelables sont les deux seules options dont nous disposons pour produire de l'électricité sans dioxyde de carbone. On pourrait donc imaginer un mix électrique basé sur ces deux énergies, sauf que...
Sauf que si le nucléaire n'est pas assez flexible, il ne peut pas fonctionner en couple avec les renouvelables qui elles ne le sont pas du tout. Au moins aussi longtemps qu'on ne dispose pas de capacités de stockage massives et/ou d'un système bien plus efficace pour maîtriser la demande.

Les partisans de l'atome placent beaucoup d'espoir dans la lutte contre le changement climatique. Il est donc vital pour eux de lever ce doute : si il ne peut pas travailler avec les renouvelables, le nucléaire, qui est plus cher, plus complexe à construire et moins populaire, risque fort de rester sur le bas-coté de la transition climatique.
En sens inverse, les opposants veulent montrer que le nucléaire empêche le développement des renouvelables dans l'espoir de prouver que, paradoxalement, cette énergie décarbonnée retarde la baisse des émissions dans le secteur électrique.


Techniquement : délicat mais pas impossible


Moduler la puissance d'un réacteur nucléaire n'est clairement pas une chose aisée. Tout l'enjeu de la conception d'un réacteur est de parvenir à équilibrer la réaction de fission, en évitant qu'elle s'éteigne si les atomes en se brisant ne créent pas assez de neutrons pour causer la prochaine fission ou pire qu'elle s'emballe s'ils en produisent trop. Modifier ce point d'équilibre est donc délicat.
Délicat mais pas impossible : on peut ralentir la réaction en introduisant dans le coeur du réacteur un neutrophage, c'est-à-dire un matériaux qui a la capacité d'absorber des neutrons et donc de les retirer de la réaction nucléaire. En général, il s'agit de bore que l'on met dans le réacteur soit sous forme d'acide borique dans l'eau du circuit primaire, soit grâce à des barres de bore que l'on peut plonger ou retirer du réacteur.

Ces manoeuvres ont cependant des effets secondaires désagréables, par exemple :
  • Une usure plus rapide des mécanismes sollicités comme le système de contrôle des barres de bore (qui est vital pour la sécurité puisque les barres de bore servent avant tout de frein d'urgence : en cas de problème, on les laisse tomber dans le coeur du réacteur ce qui a pour effet d'arrêter instantanément la réaction),
  • De fortes variations de température dans le réacteur, ce qui entraîne des contraintes mécaniques importantes, pouvant par exemple conduire à des fissures dans les pastilles combustibles,
  • L'apparition de produits de fissions indésirables (comme le xénon).
Pour plus de détails à ce sujet voyez cette étude (chp 3 à partir de la page 27).

L'un dans l'autre, ces effets limitent la possibilité de moduler la puissance du réacteur, cela devient plus difficile par exemple quand le combustible est usé. Ils ont aussi des conséquences sur la disponibilité (de l'ordre de 1.2% ?), le coût d'exploitation et la durée de vie du réacteur... Ces effets  ne sont pas encore entièrement connus et quantifiés, si vous êtes intéressé EDF cherchait récemment un stagiaire pour travailler là-dessus.


Économiquement, c'est une autre affaire


Il existe une bonne raison pour que la flexibilité du nucléaire ait été peu étudiée : ce n'est pas la façon dont l'atome a été utilisé jusqu'à présent, un réacteur apparaissant au contraire comme l'archétype d'une centrale "de base" destinée à fonctionner presque en permanence et à charge quasi-constante.

Pourquoi ? Parce que même si techniquement, un réacteur nucléaire peut faire varier sa production de façon à suivre la demande, économiquement ça n'a pas de sens. En effet, l'énergie nucléaire se caractérise par des coûts fixes massifs et des coûts variables faibles. Pour rentabiliser les investissements initiaux, il faut produire le plus possible, idéalement tout le temps et à pleine charge.
En particulier, les exploitants des centrales ont intérêt à limiter l'installation d'énergies renouvelables qui bénéficient en général d'une priorité d'accès au réseau si cela risque de les obliger à réduire leurs production.

Ce n'est pas le cas pour les centrales thermiques dont les coûts initiaux sont plus faibles mais qui ont des coûts variables importants en raison du combustible brûlé. Contrairement aux réacteurs nucléaires, leur survie n'est donc pas forcément suspendue à une production importante.


Qu'en est-il en pratique ?


Puisqu'il existe peu de certitudes sur la flexibilité du nucléaire. Pourquoi ne pas regarder ce qui se passe dans ce grand laboratoire de l'atome qu'est la France ?

Les chiffres de RTE prouvent sans ambiguïté que les réacteurs français modulent quotidiennement leur production dans une marge de l'ordre de 10% en dessous de leurs puissance nominale. Certains d'entre eux la font, en plus, varier de façon beaucoup plus importante mais c'est un peu moins fréquent.
C'est ce que montre le graphique ci-dessous qui représente la production des réacteurs français pendant 2 semaines de 2017 :

La production des réacteurs nucléaires français montre qu'ils sont relativement manoeuvrables

On voit notamment que la production nucléaire a été réduite les dimanches 12 et 19 mars pour s'adapter à une demande plus faible. On observe aussi des baisses sur certaines périodes où la production éolienne a été bonne, comme le 18.

Cela ne fait quand même pas des réacteurs nucléaires les champions de la manoeuvrabilité, loin de là... La comparaison avec une centrale à gaz est éclairante :

La production d'électricité nucléaire est peu flexible comparée à celle d'une turbine à gaz

Sans surprise, la production du réacteur nucléaire et de la turbine à gaz sont varient de façon assez similaire, mais le gaz permet de descendre et de monter beaucoup plus souvent et beaucoup plus rapidement.

Si on se réfère à la pratique actuelle, les réacteurs nucléaires français peuvent donc ajuster leurs production à la baisse mais cette flexibilité est limitée ou peu exploitée.



En conclusion


La réponse est donc mitigée... Oui, le nucléaire dispose d'une certaine flexibilité. Mais son utilisation systématique poserait des problèmes techniques et économiques, donc oui aussi, un parc nucléaire disproportionné peut limiter l'intégration des énergies renouvelables intermittentes.
Dans le cas de la France, une étude de 2009 (citée par ce rapport mais que je n'ai malheureusement pas pu retrouver) estime que le parc nucléaire actuel peut s'accommoder sans problème de 25GW d'éolien mais qu'ensuite des problèmes techniques et économiques pourraient se poser... Comme Emmanuel Macron a promis un doublement des capacité éoliennes, on devrait s'approcher de ce seuil à la fin du quinquennat. Le problème est donc bien d'actualité.

Deux remarques en guise de conclusion de cette conclusion, et après promis je vous lâche :
  1. Je ne crois pas que la manœuvrabilité limitée puisse en soi disqualifier le nucléaire. En fait, pris seul, cet argument me semble souvent tautologique : il faut baisser le nucléaire pour développer les renouvelables, et développer les renouvelables pour pouvoir baisser le nucléaire... CQFD.
    Ce sujet ne devient sérieux que si il existe une raison indépendante que les renouvelables se développent au détriment du nucléaire (ce qui est le cas à mon avis puisque le parc nucléaire français vieilli et va devoir être remplacé).
  2. Une autre façon de formuler ce problème pourrait être : à puissance installée équivalente, on pourra intégrer plus de capacités renouvelables dans un mix électrique dominé par le gaz, et dans une moindre mesure par le charbon, que dans un mix électrique basé sur le nucléaire.
    La discussion est donc en réalité très franco-française puisque nous sommes (avec une poignée d'ex-républiques soviétiques) le seul pays dont la production d'électricité dépend majoritairement du nucléaire. Il serait par exemple complètement faux de dire que la fermeture des centrales nucléaires a facilité l'intégration des renouvelables sur le réseau électrique allemand.


Publié le 12 octobre 2017 par Thibault Laconde



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7 commentaires :

  1. Bonjour,
    Cette analyse attire plusieurs remarques de ma part, notamment sur ses postulats et leurs conséquences sur la problématique.

    Le prix du nucléaire :
    L’affirmation que le nucléaire est plus cher que le renouvelable repose en effet sur la comparaison des coûts d’un MWh intermittent avec un MWh pilotable.
    Le service rendu par chacune de ces deux productions étant pourtant bien loin de rendre le même service.
    Cette comparaison occulte les surcoûts considérables induits par l’intermittence [1] et qui sont pris en charge par la collectivité.
    D’autre part, il convient de rappeler que l’EPR français est une tête de série dont les coûts sont appelés à décroitre considérablement, comme le montre le VVR du russe Rosatom qui propose un MWh deux fois moins cher, grâce à l’expérience de son développement sur le sol russe. [2]

    L’acceptabilité du nucléaire :
    Le nucléaire serait également disqualifié au prétexte qu’il serait moins populaire.
    Comment l’être après la campagne de dénigrement et de menace d’apocalypse dont il fait l’objet ?
    Les médias ne manquant pas une occasion de rappeler la catastrophe de Fukushima en tentant d’imputer une partie des 20 000 morts du tsunami à ses conséquences sur la centrale de Fukushima Daiichi, alors que pas un mort n’est à attribuer à son explosion, pas plus qu’à ses radiations, selon les rapports internationaux et le suivi de la population par l’Université médicale de Fukushima.
    Le summum ayant probablement été atteint sur France Inter le 23 juillet 2017, où le présentateur évoquait la fusion du cœur du réacteur qui aurait provoqué un tsunami [3]
    Le propos n’est pas de nier le risque de l’énergie nucléaire. Mais de rappeler que la gestion du risque est un métier et que celui ci ne doit pas céder à l’émotion.
    Et, qu’on le veille ou non, l’énergie nucléaire est de loin la moins dangereuse. [4]

    Comment en sortir :
    Sortir du nucléaire reste désirable, mais c’est la question de cette faisabilité qui me semble devoir être posée.
    Or, si toute analyse des développements de l’intermittence met en évidence des diminutions de facteurs de charge des moyens pilotables, force est de constater que les moyens intermittents ne permettent toujours pas la fermeture de la moindre centrale pilotable.
    C’est le cas en France, c’est particulièrement visible en Allemagne. [5]

    Dès lors, la question devient « comment rendre notre parc électrique plus sûr et plus respectueux de l’environnement ? », et non « comment lui permettre d’accepter d’avantage d’intermittence ? »

    Flexibilité du nucléaire :
    Votre article me semble la sous estimer considérablement.
    La capacité de suivi de charge de notre parc nucléaire est en effet sans équivalent dans le monde [6] en raison du surdimensionnement de la partie conventionnelle de ses réacteurs dès leur conception. ( Ceci d’ailleurs afin de limiter au maximum le recours aux moyens thermiques ).
    Les réacteurs affectés à ce suivi, tels que Cattenom, sont capables de varier leur facteur de charge de 80%, en plus ou en moins, en moins de 30’ et d’effectuer cette opération 2 fois par jour.
    Ce que montre d’ailleurs parfaitement votre graphique sur la production des réacteurs, tandis que le graphique de comparaison avec une centrale à gaz retient le réacteur de Chooz qui ne varie que de 50% et seulement certains jours. Ce n’est pas, en effet, la production de tout le parc nucléaire français qui est appelée à varier de 80% en 30’, on comprend aisément pourquoi.

    Et si ce n’est pour permettre de fermer le moindre de ces réacteurs, la question qui se pose ne me semble pas être de savoir jusqu’à quel point ils sont capables de laisser la place aux EnR pour en suggérer une conclusion sur leur intérêt.
    La question me semble devoir être de montrer l’intérêt d’entrainer leur usure prématurée, l’augmentation de leurs effluents radioactifs liés à la borication / déborication et la diminution de rentabilité de leur exploitation.

    (Suite en 2° partie)

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  2. Suite du précédent commentaire :

    Perte de rentabilité en suivi de charge
    Vous faites effectivement ce constat de la perte de leur rentabilité en cas de suivi de charge, je tiens à souligner le fait que c’est le cas pour tous les moyens de backup qui restent indispensables aux énergies intermittentes.
    Ceux ci recourent d’ailleurs à la justice, en Allemagne, pour obtenir le droit de fermer leurs portes malgré les millions d’euros de subventions annuelles destinées à s’assurer leur disponibilité quand le vent tombe. [7]

    Cet impératif pour les moyens pilotables, de laisser la place aux énergies renouvelables quelles qu’en soient les conséquences, au prétexte vraisemblable qu’on s’était engagés à le faire ne me semble pas devoir rester le postulat de toute analyse, ainsi que la question qui introduit la vôtre sur Twitter semble suggérer :
    « Le #nucléaire est-il assez manœuvrable pour permettre le développement de l'#éolien et du #solaire ?»

    L’énergie demain :
    Les progrès dans de nouvelles technologies sont fulgurants. Tandis que le retard imposé à EDF (par 20 ans de politique basée sur la rente permise par le parc existant) le font peiner à achever son EPR de 3° génération, le russe Rosatom maîtrise déjà la 4° avec son BN 800 élu meilleure centrale nucléaire au monde, et l’Allemagne entame depuis moins d’un mois la 2° étape vers la fusion nucléaire avec le Wendelstein 7 X. [8]

    De nombreux analystes institutionnels, dont le récent rapport McKinsley, [9] dénoncent le manque de réalisme des objectifs allemands à travers la politique de ce développement. Ne met on pas la charrue avant les bœufs à développer l’intermittence alors qu’on ne sait toujours pas en stocker la production à grande échelle pour un coût acceptable par la collectivité ?
    Le modèle intermittent aura-t-il même encore cours demain ?

    La volonté de notre ministre N.Hulot d’en « rendre la dynamique irréversible » pose question.

    Dans une contribution pour France Stratégie, l'ancien Directeur de l'Agence internationale de l'énergie Claude Mandil introduit son propos en ces termes:
    "Pourquoi et comment soutenir le développement de la production d’électricité renouvelable ?

    Écartons l’argument tautologique : parce que l’Europe s’est donné un objectif de
    pénétration ambitieux ; on fait parce qu’on a décidé. Certes, mais pourquoi a-t-on décidé ?"

    La réponse à cette question me semble devoir être clarifiée avant de chercher à en rendre la dynamique « irréversible »

    Je suis parfaitement conscient des nombreux procès d’intention qui accompagnent mes remarques sur votre article et qui ne sauraient remettre en cause son analyse factuelle.
    Bien cordialement, Jean Pierre Riou.

    1 http://lemontchampot.blogspot.fr/2016/12/le-prix-de-lintermittence.html
    2 https://www.lesechos.fr/27/06/2016/LesEchos/22221-080-ECH_kirill-komarov-----nous-cherchons-des-contrats-nucleaires-partout-dans-le-monde--.htm
    3 https://www.franceinter.fr/emissions/le-journal-de-19h/le-journal-de-19h-23-juillet-2017 (à 8’27)
    4 https://www.forbes.com/sites/jamesconca/2012/06/10/energys-deathprint-a-price-always-paid/#798c9613709b
    5 http://lemontchampot.blogspot.fr/2017/03/ubu-chez-les-allemands.html
    6 http://www.assemblee-nationale.fr/12/rap-off/i0832.asp
    7 http://lemontchampot.blogspot.fr/2017/08/ferme-ta-centrale.htmlhttp://lemontchampot.blogspot.fr/2017/08/ferme-ta-centrale.html
    8 http://www.pro-physik.de/details/vipnews/10634284/Wendelstein_7-X_Jetzt_wird_es_spannend.html
    9 https://www.mckinsey.de/energiewendeindex

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    1. Bonjour,

      L'objet de cet article est modeste et limité : il ne s'agit pas de savoir si l'éolien ou le solaire sont préférables au nucléaire mais simplement s'ils sont compatibles. Comme je le dis en conclusion, la question ne se pose sérieusement que s'il existe par ailleurs une raison de développer les renouvelables dans un mix dominé par le nucléaire, mais c'est un autre débat et je n'ai pas l'intention de m'y engager ici.

      Je ne vais donc vous répondre que sur la comparaison avec une turbine à gaz qui est, je crois, le seul point concernant directement la flexibilité du nucléaire.

      J'ai pris Chooz 2 parce qu'il a été sollicité plusieurs fois pendant la période réprésentée, elle-même choisie parce que la production y a varié de façon importante. Il y a donc probablement un biais mais dans l'autre sens.

      Après vérification la comparaison avec Cattenom ou sur une autre période n'aurait pas été beaucoup plus avantageuse : certes le pallier est plus bas, mais sur le premier semestre 2017, Cattenom 1 n'a fait varier sa production de plus de 200MW que 17 fois, Cattenom 2 10 fois, Cattenom 3 2 fois et Cattenom 4 4 fois (hors arrêts complets). Ca ne signifie pas qu'ils n'auraient pas pu fonctionner dans le mode que vous évoquez (variation de 80% jusqu'à 2 fois par jour) mais, pour une raison ou une autre, ce n'est pas ainsi qu'ils sont utilisés aujourd'hui.

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  3. Bonjour,

    Je pense qu'il y a peu de doutes: le nucléaire est techniquement capable de faire du suivi de charge. Il le fait peu aujourd'hui pour des raisons de coût et d'optimisation des réacteurs.

    Pour le suivi de charge, on serait plutôt sur du 80% de variation de puissance sur au moins 4 heures que ça soit du solaire ou de l'éolien. Le seul cas problématique étant réellement une eclipse de soleil.

    A mon avis, il est intéressant d'ajouter l'analyse d'impact de l'ajout de batteries de stabilisation réseau: elles se développent rapidement en Australie (100 MW en construction) et en Californie. Elles permettent de lisser sur environ une heure la consommation. Elles effaceraient une bonne partie des pointes et laisseraient le temps au nucléaire de changer tranquillement sa charge en limitant les effets indésirables.

    En somme ajouter un lissage batteries (en plus de l'hydraulique).

    Une étude sur ce sujet?

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  4. La filière nucléaire est bien sûr capable de faire du suivi de charge, même si les centrales actuelles n'ont pas été optimisées dans ce but (à la limite, elles peuvent toujours utiliser les vannes de by-pass de la turbine pour suivre une charge très variable !). Un porte-avion ou un sous-marin nucléaires sont parfaitement adaptés au suivi de charge, rien n'empêche (techniquement, du point de vue économique, c'est un autre problème) de concevoir une centrale nucléaire flexible !

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  5. Une question aussi, c'est pourquoi le postulat que ça ne peut pas être les centrales solaires ou éoliennes qui vont suivre la charge. Il n'y a pas vraiment de raison que ce soit impossible, et en fait c'est déjà fait en Espagne qui ayant un parc important d'éolien, et très peu de possibilité d'évacuer les surplus (le seul pays avec lequel elle est largement connecté, le Portugal ayant tout autant d'éolien qui produit généralement exactement au même moment), est donc particulièrement confrontée au problème, et a installé une commande centrale de la production qui permet d'imposer à tous les parcs éolien d'adapter leur production exactement à la demande.

    De plus si on utilise pas le nucléaire pour le suivi de charge en complément du solaire et éolien, que va-t-on faire ? Le scénario éolien plus gaz présente lui aussi plusieurs problèmes très sérieux:
    - Contrairement à ce que vous déclarez, ça n'a rien d'évident économiquement pour une centrale gaz de n'être utilisé que occasionnellement en complément de l'éolien. Par exemple de ce fait, la centrale gaz de Irsching en Allemagne a a été mise sous cocon à peine après avoir été construite. En effet pour avoir un rendement élevé et limiter les émissions de CO2, on construit des centrales à cycle combiné qui sont complexes et couteuses et pas forcément si évidentes à rentabiliser sur un faible nombre d'heures d'usage
    - Les scenarios du GIEC sont très clairs, si on veut tenir les objectifs d'émissions de CO2 qui sont nécessaires pour éviter les pires conséquences du réchauffement climatique, l'option éolien + gas émet encore beaucoup trop de carbone. A terme, on a même besoin d'un volume considérable d'émissions négatives, quand on voit le peu de progrès réalisé sur ce point, tout ce qui émet du CO2 même plus limité que les solutions actuelles doit être réduit au minimum.

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    1. Vous avez raison de souligner que la production des énergies renouvelables "intermittentes" peut aussi être modulée à la baisse en coupant ("curtailment") certaines unités. Dans ce sens, oui, les EnR peuvent faire du suivi de charge et il n'y a aucune raison qu'elles ne prennent pas leur part.

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