La manœuvrabilité des moyens de production d’électricité d’EDF

Qu'entend-on par flexibilité du nucléaire ? Et pourquoi est-ce si important ?

La flexibilité d'un parc de production, c'est la capacité de pouvoir ajuster sa production en fonction de la demande et des besoins de consommation. Cela implique de faire en sorte que les centrales puissent moduler facilement la puissance électrique qu'elles fournissent. Pour le parc nucléaire, concrètement, on dit qu'un réacteur est flexible ou manœuvrant lorsque sa puissance peut varier entre une valeur maximale qui est la pleine puissance du réacteur (par exemple 1 300 MW) et une valeur minimale nécessaire au bon fonctionnement de la centrale, de l'ordre de 20 % de la puissance maximale. Cette capacité de flexibilité est d'autant plus importante dans un contexte où le nucléaire est amené à passer de l'énergie de référence à une énergie incluse dans un mix énergétique diversifié qui intègrera de plus en plus d'énergies intermittentes, comme le solaire ou l'éolien.

En réalité, cela fait longtemps que le nucléaire français est flexible, quasiment depuis la mise en place du parc. En effet, du fait de sa place prépondérante dans le mix énergétique français, il n'était pas possible de reporter totalement sur les autres moyens de production le soin de compenser les variations de la demande. Des investissements ont donc été réalisés dès les années 1980, sur les moyens de pilotage des réacteurs mais aussi sur certains composants pour qu'ils soient capables de supporter des variations rapides de puissance. Cela nous permet aujourd'hui de disposer d'un bon retour d'expérience. Il suffit de consulter l'application eco2mix de RTE, qui indique en temps réel la contribution de chaque mode de production (nucléaire, éolien, solaire, hydraulique, gaz…) à la production d'électricité nationale, pour constater la flexibilité de notre parc nucléaire. Ainsi, les jours de grand beau temps ou avec beaucoup de vent, sa puissance peut s'effacer de l'ordre de 20 Gigawatt au profit de la production solaire et/ou éolienne, soit près d'un tiers de sa capacité nominale (63 GW).

Comment parvient-on aujourd'hui à ajuster la production d'une centrale à la demande ?

Il y a deux moyens. D'abord des manœuvres automatiques, mais qui restent cependant toujours sous le contrôle de l'opérateur, comme les variations de vitesse de la turbine et de l'alternateur de la centrale pour maintenir une fréquence à 50 Hertz sur le réseau. La puissance du réacteur peut ainsi osciller de 7 % en temps normal du fait de ces régulations automatiques. Les variations plus importantes nécessitent l'intervention directe d'un opérateur. Il peut actionner les « groupes de contrôle » (il s'agit de barres mobiles que l'on peut insérer ou retirer des assemblages de combustible) pour limiter le flux de neutrons dans le cœur du réacteur et réduire ainsi sa puissance thermique. Il peut aussi piloter la réaction par injection ou retrait de Bore, un élément chimique qui absorbe les neutrons.

Quels sont les champs d'intervention de la R&D pour aller encore plus loin en matière de flexibilité ?

Nous avons identifié plusieurs sujets. Il y a d'abord la question du combustible. Quand le réacteur démarre, un équilibre s'établit au sein de l'assemblage combustible entre les pastilles d'uranium et la gaine qui les entoure. Les changements de puissance viennent modifier cet équilibre et créent des contraintes mécaniques. Des règles de conduite ont été établies pour exploiter la centrale en toute sûreté, quelles que soient les variations de puissance que doit fournir le réacteur. Nous menons des travaux avec le CEA, Framatome et Westinghouse sur la conception d'assemblages combustibles innovants qui seront encore plus « manœuvrants ». Nous affinons par ailleurs les codes de calcul utilisés pour modéliser le comportement des éléments de l'assemblage combustible afin d'y intégrer, outre les effets neutroniques, les effets mécaniques et chimiques.

Un deuxième volet de recherches étudie l'impact de la flexibilité sur la maintenance et la durée de vie des installations. Certains éléments du circuit secondaire* du réacteur, comme les échangeurs par exemple, sont plus sollicités lorsqu'il y a des variations de puissance et peuvent vieillir de façon accélérée. D'où la nécessité de développer à la fois des outils prédictifs de maintenance et des outils de planification des arrêts des réacteurs pour réaliser ces opérations de maintenance.

Un troisième volet de recherche porte sur la conduite d'installation. Il s'agit de fournir aux opérateurs des outils d'aide au pilotage pour les aider à mieux visualiser les phénomènes physiques et neutroniques à l'œuvre au cœur du réacteur lors des baisses ou des augmentations rapides de puissance et ainsi mieux comprendre les conséquences des manœuvres qu'ils engagent. Un modèle numérique de réacteur en trois dimensions est en cours de finalisation pour chaque type – ou palier** – de réacteur. Lancé en début d'année avec les autres acteurs de la filière nucléaire, le projet de réacteur numérique ira encore plus loin. L'objectif : élaborer un jumeau numérique de chacun des réacteurs existants, nourri en temps réel par les données spécifiques à chaque site, pour permettre aux opérateurs de simuler différentes stratégies de conduite.

Un quatrième sujet de recherche porte sur le lien entre la centrale et le réseau électrique. Le maintien de la qualité du courant fourni par la centrale nucléaire (fréquence, tension, forme de l'onde électrique) doit tenir compte de l'évolution future du réseau électrique. Il est donc nécessaire d'anticiper les mutations techniques, organisationnelles ou réglementaires qui vont arriver. Ces mutations sont liées à divers facteurs : projets de grands parcs éoliens, apparition de liaisons à courant continu, nouvelles réglementations, évolution du rôle de la production décentralisée, etc… Des études sont donc en cours sur les moyens de garantir la qualité du courant sur le réseau à moyen et long terme, dans un contexte de flexibilité accrue.

Enfin, et plus largement, nous développons aussi des outils visant à consolider les scénarios sur les besoins de manœuvrabilité du parc nucléaire à horizon 2030 et 2050, en fonction de la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique.

* Un réacteur nucléaire comporte deux circuits fermés distincts. Le circuit primaire contient l'eau sous pression chauffée dans la cuve du réacteur au contact du combustible. Cette chaleur est transmise à l'eau du circuit secondaire qui se transforme en vapeur. La pression de cette vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur pour produire du courant électrique alternatif.

** En France, le parc nucléaire en fonctionnement compte trois types ou paliers de réacteurs selon leur puissance : les réacteurs de 900 Mégawatt, ceux de 1 300 Mégawatt et ceux de 1 450 Mégawatt. Le nouveau palier EPR en cours de construction atteint 1 650 Mégawatt.
 

Zoom sur les travaux de la R&D 

Interview d'Alain Le Gac, Directeur R&D Production et Ingénierie

Quels sont les enjeux de manœuvrabilité des tranches pour le parc nucléaire ?

Il y a celui du combustible pour qu'il puisse accepter ces variations de charge à répétition, mais aussi la neutronique elle-même, le pilotage du réacteur, l'équilibre de puissance qu'on peut avoir entre les différentes parties dans le cœur…. Des aspects mécaniques également puisque les composants vont subir des légères variations de température du côté du circuit primaire. Nous avons en outre des enjeux en matière de chimie parce qu'en pilotant le réacteur, on modifie les équilibres chimiques qui y règnent, il faut donc en permanence pouvoir les réajuster… notamment parce que cela joue sur la radioprotection et sur la durée de vie des matériels. N'oublions pas l'enjeu environnement, même si l'on sait aujourd'hui que ces variations de charge de provoquent pas le rejet de davantage d'effluents. Enfin, il existe un enjeu compétences, particulièrement pour l'aspect pilotage neutronique et le respect des règles de sécurité.

La manœuvrabilité des tranches étant éprouvée, reste-t-il des sujets R&D ?

Dans beaucoup de pays qui commencent à s'y mettre comme la Chine ou les États-Unis, la manœuvrabilité reste principalement un sujet d'études R&D. Pour nous dans sa globalité, c'est devenu un sujet d'exploitation. Les études ont été faites il y a maintenant longtemps. Mais il est impératif de les réactualiser régulièrement et d'explorer aussi de nouveaux sujets. C'est ce que nous faisons justement avec la R&D d'EDF !

Le fait d'intégrer de plus en plus d'énergie intermittente dans la production est-il un de ces sujets ? Qu'est-ce que cela change concrètement ?

C'est une très bonne question parce qu'en termes de design, de conception, ça ne change rien. Nous travaillons justement avec la R&D d'EDF pour identifier les futurs besoins de variations. Nous avons déjà démontré qu'il ne sera pas nécessaire d'augmenter les capacités issues du design dans les 10, 20 ans à venir ! Nous nous contenterons de faire appel aux capacités existant déjà dans nos réacteurs. La différence se fera sur la fréquence, le nombre de fois dans la semaine, dans l'année où nous allons requérir ces capacités et le nombre de réacteurs que nous serons obligés de faire varier simultanément. Et cela, c'est essentiellement un enjeu de planification des activités sur les réacteurs puisque régulièrement, nous devons faire des essais qui imposent de rester quelques heures voire quelques jours à pleine charge sans effectuer de variations.

Quels sont les autres sujets explorés par la R&D d'EDF ?

La R&D d'EDF est en train de moderniser les outils d'aide au pilotage en améliorant leurs modèles de calcul. L'objectif est d'affiner les prévisions d'évolution du point de fonctionnement du réacteur afin que l'opérateur puisse prendre les bonnes décisions de pilotage. C'est d'autant plus nécessaire que le réacteur verra sa charge varier plus souvent. Quand on est pendant plusieurs jours à pleine charge et qu'on doit effectuer une baisse, le comportement du cœur est relativement simple à prévoir. Mais lorsqu'on fait deux baisses par jour plusieurs jours de suite, alors l'opérateur a vraiment besoin d'un calculateur pour l'aider à déterminer le comportement du cœur lors de la variation suivante…. Enfin, il y a un autre sujet traité par la R&D qui touche entre autres à la manœuvrabilité et qui s'appelle Connexity ... Il s'agit de la conception d'outils de simulation, non seulement du cœur, mais aussi de l'ensemble de l'installation, qui soient toujours plus perfectionnés, plus faciles d'usage et qui se comportent comme des jumeaux numériques de chaque réacteur.

Quelle est la place de l'hydraulique aujourd'hui dans le mix énergétique français ?

L'hydraulique est la première des énergies renouvelables (EnR) en FranceEDF exploite aujourd'hui 80 % du parc hydraulique national, soit plus de 400 barrages et 600 centrales, qui fournissent environ 10 % de la production d'électricité annuelle du groupe en France. La place de l'hydraulique dans le mix énergétique français est ainsi de l'ordre de 12 %.

Première des énergies renouvelables, c'est aussi l'une des plus flexibles et des mieux pilotables. Après analyse préalable (notamment le respect des contraintes en lien avec la sûreté hydraulique), il suffit d'ouvrir les vannes des groupes de production et quelques minutes après on est à pleine puissance. Le réglage des vannes permet de moduler facilement la puissance produite.

La complexité du réseau électrique réside dans le fait que tout ce qui est produit doit être consommé au même instant, ce qui est encore plus sensible à gérer avec le développement des EnR intermittentes. Les barrages sont dans ce cadre un atout précieux : ils peuvent être utilisés pour stocker de l'énergie. Comment ? Par exemple en remontant l'eau par pompage, grâce à ce qu'on appelle des STEP (stations de transfert d'énergie par pompage). Imaginons un jour de grand vent : les éoliennes tournent pour produire de l'électricité. En milieu de journée, il y a un surplus par rapport à la demande ; on choisit alors d'utiliser cette énergie avec une STEP comme celle de Grand'Maison, où l'on fait tourner les pompes pour remonter l'eau dans le barrage de tête. Le soir, le vent tombe, mais la demande ré-augmente (pointe du soir) : on rouvre alors les vannes des groupes pour produire de l'électricité en utilisant l'eau qui a été remontée en journée. Les STEP représentent ainsi la première capacité de stockage de l'énergie électrique en France (5 GW pour les six STEP opérées par EDF).

Tous ces atouts font de l'hydraulique une composante indispensable du mix énergétique. Elle le sera d'autant plus dans la perspective d'intégration massive des EnR intermittentes comme l'éolien et le solaire pour atteindre l'objectif de la PPE* de 50 % d'EnR en 2035.

*PPE : Programmation pluriannuelle de l’énergie
 

Quelle sera sa place demain ?

Le dernier grand barrage construit par EDF en France métropolitaine (Rizzanese) a été inauguré en Corse du Sud en 2013. Il s'inscrit dans un parc existant de grands barrages construits majoritairement dans la seconde partie du 20ème siècle sur les sites les plus propices à leur édification. Il existe aujourd'hui des axes de développement importants tels que l'optimisation du potentiel de production des ouvrages existants via par exemple des augmentations de puissance, le développement d'ouvrages de petite capacité et surtout le développement de nouvelles STEP. Forte d'un potentiel de développement en France et à l'international, l'hydraulique dans le mix énergétique continuera à produire une abondante énergie décarbonnée tout en jouant un rôle incontournable pour assurer l'équilibre du réseau dans contexte de sollicitation croissante par les EnR intermittentes.

Quels sont les enjeux de l'évolution du mix énergétique pour l'hydraulique et comment la R&D y répond-elle ?

En tant qu'exploitant, EDF travaille déjà pour optimiser le fonctionnement de ses ouvrages et les entretenir. La R&D vient en aide à l'ingénierie pour aller plus loin. Un de nos axes de travail concerne le vieillissement et la durée de vie de ces ouvrages. Comment démontrer qu'un barrage construit il y a 100 ans est toujours en bonne santé ? Comment surveiller plus efficacement un barrage, des installations (via la mise au point de nouveaux capteurs, par exemple) ? Ou encore comment améliorer la maintenance de certains composants installés il y a plus de 70 ans : quelles pièces faut-il changer, à quel moment, et par quoi les remplacer si elles ne se font plus ? Les procédés de fabrication additive offrent dans ce cadre des perspectives très intéressantes et des tests sont en cours. La question de la maintenance nous amène aussi à travailler sur le traitement des données d'exploitation via du e-monitoring et des outils de big data et d‘intelligence artificielle.
 

Autre aspect important : le changement climatique...

Autre aspect important : le changement climatique. Il va faire de plus en plus chaud, et nous allons devoir faire face à de plus en plus d’évènements extrêmes : des tempêtes plus brutales, des sécheresses plus intenses… Il va falloir s’adapter ! Nous travaillons dans ce domaine sur plusieurs échéances. À court et moyen terme d’abord, en appui de la compétence météo de l’ingénierie, pour prévoir les précipitations, quand et quelle quantité de pluie, de manière à optimiser la gestion des stocks d’eau dans les lacs de retenue à l’échelle de la semaine, du mois, de l’année. De plus ces prévisions sont aussi cruciales à très court terme, pour anticiper les évènements extrêmes. Quand il tombe l’équivalent de deux mois de pluie en quelques heures en montagne et que toute cette eau vient se concentrer dans le barrage, il faut s’assurer que l’ouvrage est en mesure de supporter le passage de la crue. La R&D travaille ainsi sur la modélisation des écoulements et à l’optimisation des évacuateurs de crue. Enfin, nous nous intéressons aux évolutions sur le long terme. Le changement climatique pourrait conduire à une moindre pluviométrie et nous devrons probablement faire face à des périodes de sécheresse plus longues. Dans ce contexte, la répartition de la ressource en eau selon les usages pourrait être amenée à évoluer, en concertation avec les acteurs du territoire : comment sera-t-elle alors partagée entre la production d’électricité, d’eau potable, l’irrigation des cultures, ou encore le tourisme et les loisirs ?

Une chose est sûre : le recours plus important aux énergies intermittentes dans le futur nécessitera de faire appel encore plus qu’aujourd’hui à l’hydraulique pour gérer les pics, à la baisse ou à la hausse. Ces arrêts et redémarrages à répétition sollicitent davantage le matériel. C’est un impact que la R&D étudie. Nous travaillons aussi sur l’interface solaire/éolien/hydraulique, pour imaginer des solutions optimisées au niveau local, comme par exemple l’installation de panneaux solaire flottants sur des lacs artificiels.