Fréquence électrique : comment le nucléaire français stabilise le réseau européen

Le nucléaire français ne produit pas seulement une électricité bas carbone : il contribue aussi à maintenir la fréquence du réseau électrique européen à 50 Hz, une condition essentielle à sa stabilité et à la sécurité d’approvisionnement.

Dans un système électrique à courant alternatif équipé de machines synchrones, la fréquence (f) est l’image de la vitesse de rotation des alternateurs. Ces derniers assurent la conversion entre la puissance mécanique (Pm) fournie et la puissance électrique (Pe) appelée par le réseau. Par exemple, le rotor d’un alternateur de centrale nucléaire tournant à 1 500 t/min va générer une tension sinusoïdale d’une fréquence de 50 Hz. Tout déséquilibre entre Pe et Pm entraîne une variation de vitesse mécanique, et donc une variation de fréquence électrique sur le réseau. Les masses en rotation (près de 1 000 tonnes) jouent alors le rôle de stockage d’énergie cinétique, qui se charge et se décharge pour compenser instantanément ces déséquilibres. Elles apportent une inertie qui va « freiner » les variations de fréquence du réseau (figure 1).

Avec 11 % de la puissance installée, le nucléaire français apporte à lui seul 30 % de l’énergie cinétique européenne. Cela constitue un service rendu à la tenue de fréquence. En effet, plus l’énergie cinétique est importante, plus les vitesses de variation de fréquence sont faibles dans les premiers instants qui suivent un déséquilibre de puissance. En cas de perte soudaine d’un groupe de production (figure 2), la fréquence va chuter moins vite et moins bas avant que les mécanismes d’équilibrage prévus entrent en jeu.
D’abord, la réserve primaire, objet de cet article, va stabiliser la fréquence. Puis la réserve secondaire prendra son relai jusqu’à ramener la fréquence à sa valeur nominale de 50 Hz. Enfin, la réserve tertiaire s’activera pour reconstituer les réserves primaire et secondaire. À cette fin, des moyens de production à l’arrêt peuvent être appelés à démarrer.

Avec 11 % de la puissance installée, le nucléaire français apporte à lui seul 30 % de l’énergie cinétique européenne. Or plus l’énergie cinétique est importante, plus les vitesses de variation de fréquence sont faibles dans les premiers instants qui suivent un déséquilibre de puissance.

Le réglage primaire, gardien de l’équilibre européen

Le réglage primaire de fréquence est un service qui agit automatiquement en quelques secondes pour assurer l’équilibre en temps réel entre production et consommation sur l’ensemble du réseau européen. Pour ce service essentiel au bon fonctionnement du système électrique, des réserves de puissance sont réparties équitablement entre les pays membres du Réseau européen des gestionnaires de réseau de transport d’électricité (Entsoe) au prorata de leur production annuelle. Ces réserves sont ensuite réparties sur les différentes filières de production et de stockage, dont le nucléaire en France, puis automatiquement activées en temps réel selon l’évolution de la fréquence. Il est possible de faire une analogie avec le cycliste sur un vélo tandem (figure 3). Sur du plat, et lorsque les cyclistes maintiennent collectivement une force de pédalage constante, le vélo conservera une allure constante : la fréquence (de pédalage) est constante. Si la pente change soudainement (figure 4), chaque cycliste va sentir le vélo ralentir : la fréquence (de pédalage commune) va diminuer. Chacun sait alors qu’il peut pédaler plus fort pour limiter la chute de vitesse sans devoir communiquer avec les autres cyclistes. Tel est le principe du réglage primaire de fréquence : les moyens de production et de stockage mesurent simplement la fréquence électrique et adaptent leur puissance en conséquence pour stabiliser le réseau.

Des performances supérieures aux exigences du réseau

Les installations participant au réglage primaire respectent des exigences réglementaires dictées par les gestionnaires de réseau, notamment la réserve de puissance (en MW) mise à disposition, la puissance libérée selon l’écart de fréquence observé, ou encore la rapidité avec laquelle la puissance est libérée. Or le parc nucléaire d’EDF réagit avec une dynamique qui surpasse l’exigence. Parmi les exigences demandées par le gestionnaire de réseau RTE, la réserve primaire doit être libérée en totalité en moins de 30 secondes. Le parc nucléaire surpasse cette exigence en libérant la totalité de la réserve en quelques secondes seulement. La fréquence se stabilise alors plus tôt, et chute moins bas lors d’une perte de groupe de production. EDF apporte un surplus de qualité à la tenue de fréquence, qui présente ainsi moins de déviations autour de 50 Hz.

De plus, le parc nucléaire d’EDF surparticipe aussi en puissance libérée. La réserve primaire est libérée proportionnellement à l’écart de fréquence. Une autre exigence indique que la France doit réserver environ 600 MW, qui doivent être libérées lorsqu’un écart de fréquence de 200 mHz est observé. Sur ce point également les centrales nucléaires françaises participent en réglage primaire à un niveau bien plus favorable que les exigences contractuelles. Elles libèrent l’intégralité de leur réserve primaire sur des déviations de fréquence d’environ 40 mHz seulement. Au-delà de cette déviation de fréquence, elles surparticipent au-delà de la quote-part requise. La réserve de puissance libérable par le nucléaire a ainsi dépassé le double du requis pendant 20 % à 50 % du temps chaque année entre 2013 et 2017.

Quantifier le rôle d’EDF dans la stabilité de fréquence

Comme un grand nombre d’acteurs du système électrique, EDF agit sur la tenue de fréquence. Un déséquilibre entre la production et la consommation peut, par exemple, survenir en cas d’arrêt sans préavis d’un groupe, ou au moment des changements de consigne de la production. Aussi, certaines sources de production fatale (hydraulique, éolien, solaire) font-elles l’objet de fluctuations et d’erreurs de prévision.

EDF agit cependant pour résorber les déséquilibres. Historiquement acteur principal du réglage de fréquence en France, EDF joue un rôle important à la maille européenne. Ses performances en termes de réglage apparaissent favorables au système européen. Une étude interne s’est donnée pour objectif de déterminer si EDF contribue à hauteur des déséquilibres créés, ou si son effort de réglage va effectivement au-delà. Compte tenu de l’importance d’EDF dans le parc de production en France, la contribution française était assimilée à celle d’EDF. Elle quantifie et compare les contributions de la France à la création et la résorption des déséquilibres de puissance à la maille européenne.
Quatre situations peuvent se présenter en fonction du signe de la déviation de fréquence, et de la contribution de la France par rapport au besoin du système (figure 5) :

↦ situation 1 : déficit de production en France et en Europe ;
↦ situation 2 : excès de production en France et déficit en Europe ;
↦ situation 3 : excès de production en France et en Europe ;
↦ situation 4 : déficit de production en France et excès en Europe.

Les bilans d’énergie ont été calculés afin d’identifier, pour chaque situation, si les échanges d’électricité entre la France et le reste de l’Europe participent à la correction du déséquilibre de fréquence (en vert sur la figure 5) ou s’ils contribuent au contraire à le creuser (en rouge).

La France contribue davantage à l’équilibre qu’aux déséquilibres. Les résultats montrent que la participation d’EDF est globalement favorable aux besoins de réglage de fréquence du système, avec un bénéfice net apporté par la France à l’Europe relativement à son équilibrage. EDF agit nettement plus en faveur de la tenue de fréquence qu’à son déséquilibre, en temps comme en énergie. Les énergies activées en situations 2 et 4, fournies dans le sens des besoins du système, sont largement supérieures à celles en situations 1 et 3, qui contribuent quant à elles à son déséquilibre. Lors des épisodes de déficit de production en Europe, cet écart est particulièrement marqué : selon les années, EDF fournit entre dix et quatorze fois plus d’énergie pour résorber le déficit (situation 2) que pour l’accentuer (situation 1). Lors des épisodes d’excès de production en Europe (situations 3 et 4), la France contribue également au rétablissement de l’équilibre en réduisant sa fourniture d’énergie lorsque le système en a besoin. Les volumes d’énergie activés dans ce sens (situation 4) sont de 8 à 11 fois supérieurs à ceux qui contribuent au déséquilibre (situation 3), selon les années.

Au total, la France participe donc beaucoup plus souvent au réglage de fréquence du système européen qu’à son déséquilibre. Selon les situations considérées et les années, les énergies mobilisées en faveur de l’équilibre sont comprises entre 8 et 14 fois celles associées à une aggravation du déséquilibre (figure 6).

Depuis cette étude, plusieurs évolutions ont été apportées sur le réglage de fréquence du système électrique européen. Des aspects réglementaires ont concerné essentiellement le réglage secondaire de fréquence. Il s’agit d’un service destiné à ramener la fréquence à 50 Hz, qui agit après le réglage primaire et indépendamment de celui-ci. Ils ne sont pas de nature à modifier les conclusions présentées. Une autre évolution a concerné le pas de programmation des moyens de production, soit l’intervalle de temps utilisé pour planifier et ajuster la production. Lors de l’étude dont les résultats ont été présentés ci-dessus, les centrales françaises ne modifiaient leur programme de marche que toutes les demi-heures. Désormais, toutes les centrales européennes sont incitées à suivre un signal de marché qui évolue toutes les quinze minutes. L’intention était de réduire les écarts entre production et consommation au moment des changements de programmation. L’effet bénéfique n’est pas encore avéré. Les déviations de fréquence restent du même ordre, et les besoins de réglage aussi.

Des batteries contribuent désormais au réglage de fréquence, la réponse attendue du nucléaire a donc diminué en proportion. Mais les caractéristiques physiques du parc nucléaire sont inchangées, et la capacité à assurer un service rapide et de grande ampleur demeure. ■