La construction d'un nouveau système électrique est un projet complexe et systématique. Elle doit prendre en compte simultanément la coordination de la sécurité et de la stabilité de l'approvisionnement, la part croissante des énergies renouvelables et un coût raisonnable du système. Elle implique de gérer les liens entre la conversion des centrales thermiques vers des énergies propres, l'intégration progressive des énergies renouvelables telles que l'éolien et l'hydraulique, la mise en place d'un réseau électrique coordonné et interopérable, ainsi que l'allocation rationnelle des ressources flexibles. La planification rigoureuse de la construction de ce nouveau système électrique est essentielle pour atteindre les objectifs de limitation et de neutralité carbone ; elle définit également le cadre et les orientations du développement des différentes entités qui le composent.
Fin 2021, la capacité installée des centrales à charbon en Chine dépassera 1,1 milliard de kilowatts, soit 46,67 % de la capacité installée totale de 2,378 milliards de kilowatts. La capacité produite par ces centrales atteindra 5 042,6 milliards de kilowattheures, soit 60,06 % de la capacité totale de production d'électricité (8 395,9 milliards de kilowattheures). Face à l'impératif de réduction des émissions, une diminution de la capacité installée est nécessaire pour garantir la sécurité d'approvisionnement. La capacité installée des énergies éolienne et solaire s'élève à 635 millions de kilowatts, soit seulement 11,14 % du potentiel technologique total de 5,7 milliards de kilowatts. La capacité de production d'électricité, quant à elle, est de 982,8 milliards de kilowattheures, soit seulement 11,7 % de la capacité totale de production d'électricité. Le potentiel de croissance des énergies éolienne et solaire est donc considérable, et leur intégration au réseau électrique doit être accélérée. Le réseau électrique souffre d'un manque criant de ressources pour une flexibilité accrue. La capacité installée des sources d'énergie régulées et flexibles, telles que les stations de pompage-turbinage et les centrales à gaz, ne représente que 6,1 % de la capacité installée totale. En particulier, la capacité installée totale des stations de pompage-turbinage s'élève à 36,39 millions de kilowatts, soit seulement 1,53 % de la capacité installée totale. Il est donc impératif d'accélérer leur développement et leur construction. Par ailleurs, le recours à la simulation numérique est essentiel pour prévoir la production d'énergie renouvelable, contrôler précisément la demande et exploiter son potentiel, et accroître la part des groupes électrogènes à combustion interne de grande capacité. Ceci permettra d'améliorer la capacité du réseau à optimiser l'allocation des ressources à grande échelle et de pallier l'insuffisance de sa capacité de régulation. Dans le même temps, certains acteurs clés du système peuvent fournir des services aux fonctions similaires : la mise en place de systèmes de stockage d'énergie et l'ajout de lignes d'interconnexion au réseau peuvent améliorer les flux d'énergie locaux, tandis que l'installation de stations de pompage-turbinage peut remplacer certains condenseurs. Dans ce cas, le développement coordonné de chaque sujet, l'allocation optimale des ressources et les économies de coûts dépendent tous d'une planification scientifique et raisonnable, et doivent être coordonnés à plus grande échelle et sur une période plus longue.
Dans le système électrique traditionnel, où la production suit la consommation, la planification de l'approvisionnement et du réseau électrique en Chine présente certaines lacunes. À l'ère du nouveau système électrique, caractérisé par un développement intégré de la production, du réseau, de la consommation et du stockage, l'importance d'une planification collaborative est encore plus cruciale. Le stockage par pompage, en tant que source d'énergie propre et flexible essentielle au sein du système, joue un rôle important pour garantir la sécurité du vaste réseau électrique, favoriser la consommation d'énergie propre et optimiser le fonctionnement du système. Plus important encore, il convient de renforcer les orientations en matière de planification et de prendre pleinement en compte le lien entre notre propre développement et les besoins de construction du nouveau système électrique. Depuis l'entrée en vigueur du « Quatorzième Plan quinquennal », l'État a publié successivement des documents tels que le Plan de développement à moyen et long terme du stockage par pompage (2021-2035), le Plan de développement à moyen et long terme de la filière hydrogène (2021-2035) et le Plan de développement des énergies renouvelables du « Quatorzième Plan quinquennal » (FGNY [2021] n° 1445). Cependant, ces plans se limitent à ce secteur. Le « Quatorzième Plan quinquennal » pour le développement de l'énergie, pourtant crucial pour la planification et l'orientation générales du secteur, n'a pas encore été officiellement publié. Il est donc suggéré que le ministère compétent élabore un plan à moyen et long terme pour la construction d'un nouveau système électrique, afin d'orienter la formulation et l'ajustement continu des autres plans du secteur et d'optimiser ainsi l'allocation des ressources.
Développement synergique du stockage par pompage et du stockage des nouvelles énergies
Fin 2021, la Chine avait mis en service 5,7297 millions de kilowatts de stockage d'énergie nouvelle, dont 89,7 % de batteries lithium-ion, 5,9 % de batteries au plomb, 3,2 % d'air comprimé et 1,2 % d'autres technologies. La capacité installée de stockage par pompage-turbinage s'élevait à 36,39 millions de kilowatts, soit plus de six fois celle du stockage d'énergie nouvelle. Ces deux technologies, stockage d'énergie nouvelle et stockage par pompage-turbinage, sont des composantes essentielles du nouveau réseau électrique. Leur intégration au sein de ce réseau permet de tirer parti de leurs avantages respectifs et d'améliorer encore la capacité de régulation du système. Toutefois, leurs fonctions et leurs applications présentent des différences notables.
Le stockage d'énergie nouvelle (NES) désigne les nouvelles technologies de stockage d'énergie autres que le stockage par pompage-turbinage, notamment le stockage électrochimique, le stockage par volant d'inertie, le stockage d'air comprimé et le stockage d'hydrogène (ou d'ammoniac). La plupart des centrales de stockage d'énergie nouvelle présentent l'avantage d'une construction rapide et d'un choix d'emplacement simple et flexible, mais leur rentabilité actuelle n'est pas optimale. Parmi ces technologies, le stockage électrochimique, d'une puissance généralement comprise entre 10 et 100 MW, offre un temps de réponse de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de millisecondes, une densité énergétique élevée et une bonne précision de réglage. Il est principalement adapté aux applications de lissage des pics de consommation, généralement raccordé au réseau de distribution basse tension ou à la centrale elle-même, et techniquement adapté aux environnements à réglages fréquents et rapides, tels que la modulation de fréquence primaire et secondaire. Le stockage d'énergie par air comprimé utilise l'air comme fluide caloporteur et se caractérise par une grande capacité, de nombreux cycles de charge et de décharge et une longue durée de vie. Cependant, son rendement actuel est relativement faible. Le stockage d'énergie par air comprimé est la technologie de stockage d'énergie la plus proche du stockage par pompage-turbinage. Dans les zones désertiques, les déserts de Gobi et autres régions où le stockage par pompage est inadapté, le stockage d'énergie par air comprimé peut s'avérer efficace, en complément de la consommation d'énergies renouvelables dans les grands complexes hydroélectriques, et présente un fort potentiel de développement. L'hydrogène, vecteur essentiel pour une utilisation à grande échelle et efficiente des énergies renouvelables, permet, grâce à ses capacités de stockage d'énergie à grande échelle et sur de longues périodes, une répartition optimale des énergies hétérogènes selon les régions et les saisons. Il constitue un élément important du futur système énergétique national et offre de vastes perspectives d'application.
À l'inverse, les centrales de pompage-turbinage présentent une grande maturité technique, une capacité importante, une longue durée de vie, une fiabilité élevée et une rentabilité satisfaisante. Elles sont adaptées aux situations de forte demande d'écrêtement des pointes de consommation ou de puissance, et sont raccordées au réseau principal à un niveau de tension plus élevé. Compte tenu des exigences liées aux pics d'émissions de carbone et à la neutralité carbone, et du retard pris par le développement antérieur du pompage-turbinage, le rythme de construction normalisée de ces centrales en Chine a été accéléré afin de répondre aux besoins d'augmentation rapide de la capacité installée. La normalisation de la construction est une mesure essentielle pour surmonter les difficultés et les défis rencontrés lorsque les centrales de pompage-turbinage atteignent leur phase de développement, de construction et de production la plus intensive. Elle contribue à accélérer la fabrication des équipements et à en améliorer la qualité, à promouvoir la sécurité et l'organisation de la construction des infrastructures, à optimiser la production, l'exploitation et la gestion, et constitue une garantie importante pour le développement du pompage-turbinage dans une optique d'efficacité.
Parallèlement, le développement diversifié du stockage par pompage-turbinage est de plus en plus valorisé. Premièrement, le plan à moyen et long terme pour le stockage par pompage-turbinage propose de renforcer le développement des petites et moyennes centrales. Ces dernières présentent l'avantage d'avoir d'importantes ressources foncières, une configuration flexible, une proximité avec les centres de consommation et une intégration étroite avec les énergies renouvelables distribuées, ce qui constitue un complément important au développement du stockage par pompage-turbinage. Deuxièmement, il s'agit d'explorer le développement et l'application du stockage par pompage-turbinage à eau de mer. La consommation raccordée au réseau de l'énergie éolienne offshore à grande échelle nécessite des ressources d'ajustement flexibles. Selon l'Avis relatif à la publication des résultats du recensement des ressources des centrales de stockage par pompage-turbinage à eau de mer (GNXN [2017] n° 68) paru en 2017, les ressources chinoises en stockage par pompage-turbinage sont principalement concentrées dans les zones offshore et insulaires des cinq provinces côtières de l'est et des trois provinces côtières du sud, et présentent de bonnes perspectives de développement. Enfin, la capacité installée et les heures d'utilisation sont considérées globalement en fonction des besoins de régulation du réseau électrique. Avec la part croissante des énergies renouvelables et leur rôle prépondérant dans l'approvisionnement énergétique futur, le stockage d'énergie à grande échelle et à long terme deviendra indispensable. Sur les sites de centrales appropriées, il conviendra d'envisager l'augmentation de la capacité de stockage et l'extension des heures d'utilisation, sans que cela soit soumis à des contraintes telles que le coût unitaire de la capacité, et en tenant compte des besoins du réseau.
Par conséquent, compte tenu de la grave pénurie de ressources flexibles qui frappe actuellement le réseau électrique chinois, le stockage par pompage et les nouvelles technologies de stockage d'énergie présentent de larges perspectives de développement. En tenant compte de leurs caractéristiques techniques respectives, et en considérant pleinement les différents scénarios d'accès, les besoins réels du réseau électrique régional, ainsi que les contraintes liées à la sécurité, à la stabilité, à la consommation d'énergie propre et autres conditions, une approche collaborative en termes de capacité et d'implantation est nécessaire pour un résultat optimal.
Influence du mécanisme de tarification de l'électricité sur le développement du stockage par pompage
Le stockage par pompage-turbinage profite à l'ensemble du système électrique, de la production à la distribution, en passant par le réseau et les utilisateurs, et tous les acteurs en bénéficient de manière non concurrentielle et non exclusive. D'un point de vue économique, les produits issus du stockage par pompage-turbinage sont des biens publics du système électrique et contribuent à son bon fonctionnement.
Avant la réforme du système électrique, l'État avait mis en place des politiques stipulant que les centrales de pompage-turbinage étaient principalement destinées au réseau électrique et exploitées majoritairement par les entreprises de ce réseau, soit de manière centralisée, soit par le biais de contrats de location. À cette époque, le gouvernement avait harmonisé les prix de l'électricité injectée sur le réseau et les prix de vente. Les revenus du réseau électrique provenaient principalement de la différence entre ces deux prix. La politique actuelle prévoit que les coûts des centrales de pompage-turbinage soient couverts par cette différence et prévoit l'unification du canal de pompage.
Suite à la réforme des tarifs de transport et de distribution d'électricité, l'Avis de la Commission nationale du développement et de la réforme relatif à l'amélioration du mécanisme de formation des prix des centrales de pompage-turbinage (FGJG [2014] n° 1763) a précisé que le tarif de l'électricité en deux parties s'appliquait aux centrales de pompage-turbinage, conformément au principe du coût raisonnable majoré du revenu autorisé. Les frais de capacité et les pertes de pompage des centrales de pompage-turbinage sont intégrés à la comptabilité unifiée des coûts d'exploitation du réseau électrique provincial (ou régional) en tant que facteur d'ajustement du prix de vente de l'électricité. Toutefois, le circuit de répercussion des coûts n'est pas clairement défini. Par la suite, la Commission nationale du développement et de la réforme a publié des documents successifs en 2016 et 2019 stipulant que les coûts relatifs aux centrales de pompage-turbinage ne sont pas inclus dans le revenu autorisé des entreprises de réseau électrique, ni dans les coûts de transport et de distribution, ce qui restreint encore davantage la répercussion des coûts liés au pompage-turbinage. De plus, l’ampleur du développement du stockage par pompage pendant la période du « 13e plan quinquennal » a été bien inférieure aux prévisions en raison d’une compréhension insuffisante du positionnement fonctionnel du stockage par pompage à cette époque et d’un sujet d’investissement unique.
Face à ce dilemme, l'Avis de la Commission nationale du développement et de la réforme relatif à l'amélioration du mécanisme de tarification de l'énergie de stockage par pompage (FGJG [2021] n° 633) a été publié en mai 2021. Cette politique a défini scientifiquement la politique tarifaire de l'électricité produite par le stockage par pompage. D'une part, compte tenu du caractère public important de cette énergie et de l'impossibilité de recouvrer ses coûts par la simple vente d'électricité, une méthode de tarification basée sur la durée d'exploitation a été mise en place pour vérifier le prix de la capacité et le recouvrer par le biais des tarifs de transport et de distribution. D'autre part, compte tenu du rythme des réformes du marché de l'électricité, le marché spot de l'électricité a été exploré. La mise en œuvre de cette politique a fortement stimulé l'investissement des acteurs privés, jetant ainsi les bases d'un développement rapide du stockage par pompage. Selon les statistiques, la capacité des projets de stockage par pompage mis en service, en construction ou en cours de promotion atteint 130 millions de kilowatts. Si tous les projets en construction et en développement sont mis en service avant 2030, la production sera supérieure aux prévisions du Plan de développement à moyen et long terme du stockage par pompage (2021-2035), qui tablaient sur une mise en production de 120 millions de kilowatts d'ici 2030. Comparé au mode de production d'électricité traditionnel à partir d'énergies fossiles, le coût marginal de production d'énergies nouvelles, comme l'éolien et le gaz, est quasi nul. Cependant, le coût de consommation du système est élevé et l'on constate un manque de mécanismes de répartition et de transport de l'énergie. Dans ce contexte, pour les ressources à fort potentiel public telles que le stockage par pompage, un soutien et un encadrement politiques sont nécessaires dès les premières étapes de leur développement afin de garantir une croissance rapide du secteur. Compte tenu du retard relatif du développement du stockage par pompage en Chine et de la brièveté de la période de neutralisation des émissions de carbone, la mise en place d'une nouvelle politique tarifaire de l'électricité a joué un rôle déterminant dans le développement de ce secteur.
La transformation du secteur énergétique, passant des énergies fossiles conventionnelles aux énergies renouvelables intermittentes, entraîne un changement de cap dans le prix de l'électricité : le coût des combustibles fossiles cède la place à celui des énergies renouvelables, et la régulation des infrastructures de production d'électricité devient plus flexible. Compte tenu de la complexité et de la durée de cette transition, la mise en place d'un système de production d'électricité à partir du charbon et d'un nouveau système basé sur les énergies renouvelables coexistera durablement en Chine. Il est donc impératif de renforcer les objectifs climatiques de limitation et de neutralité carbone. Au début de cette transition énergétique, la construction d'infrastructures, qui contribue fortement à la promotion d'une énergie propre, doit être guidée par des politiques publiques et des mécanismes de marché. Il convient de réduire les interférences et les dérives liées à la recherche du profit sur la stratégie globale, et de garantir une transition énergétique propre et bas carbone.
Avec le plein développement des énergies renouvelables et leur accession progressive au rôle de principale source d'électricité, le marché de l'énergie chinois se consolide et se développe. Les ressources de régulation flexible deviendront la principale demande du nouveau système électrique, et l'offre de stations de pompage-turbinage et de stockage d'énergie nouvelle sera plus suffisante. Dès lors, le développement des énergies renouvelables et des ressources de régulation flexible sera principalement déterminé par les forces du marché. Le mécanisme de prix des stations de pompage-turbinage et des autres acteurs clés reflétera fidèlement l'équilibre entre l'offre et la demande, garantissant une compétitivité optimale.
Comprendre correctement l'effet de réduction des émissions de carbone du stockage par pompage-turbinage
Les centrales de pompage-turbinage présentent des avantages considérables en matière d'économies d'énergie et de réduction des émissions. Dans un réseau électrique traditionnel, leur rôle se manifeste principalement sous deux angles. Premièrement, elles peuvent remplacer les centrales thermiques pour la régulation de la consommation de pointe. En produisant de l'électricité lors des pics de consommation, elles réduisent le nombre de démarrages et d'arrêts des groupes thermiques et pompent l'eau à basse charge, diminuant ainsi la plage de pression de ces groupes et contribuant aux économies d'énergie et à la réduction des émissions. Deuxièmement, elles assurent la sécurité et la stabilité du réseau grâce à la modulation de fréquence, la modulation de phase, la réserve tournante et la réserve d'urgence. En remplaçant les groupes thermiques par des groupes de réserve d'urgence, elles augmentent la charge de l'ensemble du réseau, réduisant ainsi la consommation de charbon et contribuant aux économies d'énergie et à la réduction des émissions.
Avec la construction d'un nouveau réseau électrique, l'efficacité énergétique et la réduction des émissions des stations de pompage-turbinage présentent de nouvelles caractéristiques. D'une part, elles contribueront davantage à l'écrêtement des pointes de consommation, favorisant ainsi le raccordement au réseau des éoliennes et autres énergies renouvelables, ce qui permettra de réduire considérablement les émissions du système dans son ensemble. D'autre part, elles assureront un soutien sûr et stable, notamment grâce à la modulation de fréquence, la modulation de phase et la réserve tournante, aidant ainsi le système à surmonter les problèmes tels que l'instabilité de la production d'énergies renouvelables et le manque d'inertie dû à la forte proportion d'équipements d'électronique de puissance. Elles permettront également d'accroître la part des énergies renouvelables dans le réseau et de réduire les émissions liées à la consommation d'énergies fossiles. Les facteurs influençant la régulation du réseau électrique comprennent les caractéristiques de la charge, la part des énergies renouvelables raccordées au réseau et le transport d'électricité régional. Avec la construction de ce nouveau réseau, l'impact du raccordement des énergies renouvelables sur la régulation du réseau dépassera progressivement celui des caractéristiques de la charge, et le rôle des stations de pompage-turbinage dans la réduction des émissions de carbone sera d'autant plus significatif.
La Chine dispose de peu de temps et d'un défi de taille pour atteindre le pic d'émissions de carbone et la neutralité carbone. La Commission nationale du développement et de la réforme a publié le Plan d'amélioration du double contrôle de l'intensité et du volume total de la consommation d'énergie (FGHZ [2021] n° 1310) afin d'attribuer des indicateurs de contrôle des émissions à l'ensemble du territoire national et ainsi maîtriser la consommation d'énergie. Par conséquent, les acteurs susceptibles de contribuer à la réduction des émissions doivent être correctement évalués et faire l'objet d'une attention particulière. Or, à l'heure actuelle, les avantages du stockage par pompage-turbinage en matière de réduction des émissions de carbone ne sont pas pleinement reconnus. Premièrement, les unités concernées ne disposent pas du cadre institutionnel nécessaire, tel qu'une méthodologie carbone, pour la gestion énergétique des centrales de stockage par pompage. Deuxièmement, les principes de fonctionnement du stockage par pompage dans d'autres secteurs de la société, en dehors de l'industrie énergétique, restent mal compris. Il en résulte que le calcul actuel des émissions de carbone de certains projets pilotes d'échange de quotas d'émission pour les centrales de stockage par pompage, basé sur les directives relatives à la comptabilisation et à la déclaration des émissions de dioxyde de carbone des entreprises (unités), et prenant l'ensemble de l'électricité pompée comme base de calcul des émissions, fait de la centrale de stockage par pompage une « unité d'émission clé ». Ceci engendre de nombreuses difficultés pour le fonctionnement normal de la centrale et provoque également une grande incompréhension au sein du public.
À long terme, pour bien comprendre l'impact des stations de pompage-turbinage sur la réduction des émissions de carbone et optimiser leur mécanisme de gestion de la consommation énergétique, il est nécessaire d'établir une méthodologie applicable. Celle-ci doit prendre en compte les bénéfices globaux de réduction des émissions de carbone des stations de pompage-turbinage sur le réseau électrique, quantifier ces bénéfices et constituer un système de compensation interne pour pallier l'insuffisance de quotas, utilisable sur le marché externe du carbone. Cependant, le lancement incertain du système de compensation des émissions de carbone (CCER) et la limitation à 5 % des compensations d'émissions engendrent des incertitudes quant à l'élaboration de cette méthodologie. Au vu de la situation actuelle, il est recommandé, à l'échelle nationale, de considérer explicitement le rendement global de conversion comme le principal indicateur de contrôle de la consommation énergétique totale et des objectifs d'économie d'énergie des stations de pompage-turbinage, afin de lever les obstacles à un développement harmonieux de cette technologie.
Date de publication : 29 novembre 2022
