Transport d’électricité : vers un réseau mondial chinois ?

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Si la Chine a fortement augmenté ses capacités de production d’énergies renouvelables, les problématiques du transport et de la distribution de l’électricité n’ont cessé parallèlement de prendre de l’importance. Plusieurs grandes lignes Ultra Haute Tension ont ainsi vu le jour cette dernière décennie et de nombreux projets ont été lancés. C’est le cas du projet GEI qui vise à créer un réseau mondial de lignes UHT, alimenté par de l’électricité d’origine renouvelable.

Par Côme Gendron et Abdelhamid Ahajjam, étudiants Mastère OSE – Mines ParisTech

Après avoir raté la révolution industrielle du début du XIXe siècle, la Chine ne veut pas rater la révolution “verte” du XXIe siècle et se positionne désormais comme leader de la transition énergétique. Le pays de Xi Jinping s’est ainsi donné l’objectif de porter la part de ses énergies non fossiles à 15 % d’ici 2020 et à 20 % dans sa production énergétique à l’horizon 2030. Actuellement, la production d’énergie en Chine est principalement issue des énergies fossiles : 72 % par le charbon, 8 % par le pétrole et 5 % par le gaz. La part d’électricité n’est en outre que de 9 % dans le mix énergétique chinois mais celle-ci devrait largement augmenter par la suite.

Malgré une production énergétique fortement fossile, les réserves et la capacité de production chinoise restent insuffisantes. Ainsi, 16 % de la consommation énergétique du pays est assurée par l’importation de charbon, de pétrole et de gaz (2), provenant en particulier des pays du Moyen-Orient. Afin de limiter sa dépendance énergétique et dans un souci de préoccupation environnementale, la Chine a ainsi orienté son mix énergétique vers une part plus importante d’électricité, en soutenant majoritairement le nucléaire et bien sûr les renouvelables. En 2017, la Chine a investi 133 milliards de dollars dans les EnR sur les 335,5 Md$ qui ont été mis dans ce secteur au niveau mondial.

Transport et distribution de l’électricité

Si la Chine a fortement développé ses infrastructures de production d’EnR, la question de l’acheminement et du transport de l’électricité vers les lieux de consommation se pose. Que ce soit pour les installations photovoltaïques, situées principalement dans le Nord-Ouest, ou pour les barrages d’hydroélectricité présents dans les régions du Centre, ces lieux de production d’énergie sont le plus souvent décorrélés de ceux de consommation. Une situation, au vu de la surface importante de ce pays, qui a poussé le gouvernement chinois à investir massivement dans le réseau électrique et à s’intéresser aux projets de lignes électriques à ultra haute tension (UHT) à l’échelle nationale ainsi qu’internationale.

Durant le dernier siècle, le développement des réseaux électriques s’est orienté vers l’amélioration des capacités d’échange et la réduction des coûts de transmission. Le meilleur moyen d’augmenter la capacité de transmission d’électricité d’une ligne est d’augmenter sa tension. Ainsi, quelques pays, à travers la mise en place de centres de recherche, se sont intéressé entre 1970 et 2000 à ces lignes de plus de 1 000 kV en courant alternatif (AC) et plus de 600 kV en courant continu (DC). On peut ainsi citer la Russie, le Japon ou encore les États-Unis. Grâce au développement de l’électronique de puissance, plusieurs études ont été faites sur les lignes 800 kV DC, en Chine, Brésil, Inde et Afrique de Sud depuis le début des années 2000.

Avantages des lignes UHT

Les différentes études ont permis de démontrer que le transport d’électricité sur des lignes UHT était possible. Ces lignes présentent par ailleurs de nombreux avantages, à commencer par l’augmentation des capacités de transmission. Celle d’une ligne UHT 1 000 kV AC est ainsi de 5 GW, soit 5 fois plus grande qu’une ligne 500 kV AC. Dans le cas d’une ligne UHT 800 kV DC, la capacité de transmission est de 6.4 GW, soit 2 fois plus grande qu’une ligne 500 kV DC. De plus, les lignes UHT augmentent significativement la distance de transmission des puissances électriques. La distance de transport d’électricité sur une ligne 1 000 kV varie entre 1 000 et 2 000 km soit plus que deux fois celle d’une ligne 500 kV AC. La distance de transport d’électricité sur une ligne 800 kV DC atteint les 3 000 km.

Au niveau de l’emprise au sol, les lignes UHT demandent moins de terrains pas rapport aux lignes THT. Le terrain nécessaire pour l’installation d’une ligne UHT 1 000 kV AC est de 50 % et jusqu’à 66 % inférieur à celui nécessaire pour une ligne 500 kV AC pour une même capacité installée. Dans le cas d’une UHT 800 kV DC, la ligne économisera 23 % du terrain comparée à une ligne 500 kV DC pour une même capacité installée. Enfin, les pertes joules dans le réseau de transport de l’électricité étant proportionnelles au carré de l’intensité, la diminution de l’intensité réduira donc la quantité des pertes. Pour une même section de ligne électrique et puissance transmise, les pertes dans une ligne 1000 kV AC sont 4 fois plus faibles que celles d’une ligne 500 kV AC. Les pertes dans une lignes 800 kV DC sont 2,5 fois plus faibles que celles d’une ligne 500 kV DC.

Comparaison caractéristiques technique lignes HT/UHT
AC DC
HT

500 kV

UHT

1000 kV

HT

500 kV

UHT

800 kV

Capacité max 1 GW 5 GW 3 ,2 GW 6,4 GW
Distance 500 -1000 km 1000 – 2000 km 1000 km 2000 – 3000 km
Emprise de sol 100% 50% 100% 77%
Pertes 100% 25% 100% 40%

 

Chine, projets réalisés et à venir

Avec la volonté de profiter des lignes UHT, la Chine a mis en œuvre un plan d’investissement de 88 milliards de dollars pour installer en particulier des lignes UHT DC entre 2009 et 2020. Plusieurs projets de démonstration, de plus en plus importants, ont ainsi été menés cette dernière décennie : une ligne 1 000 kV UHT AC de 650 km en 2009, deux lignes 800 kV UHT DC respectivement de 1 400 km et de 2 000 km en 2010, une ligne de 800 kV UHT DC qui relie le nord-ouest au centre de la Chine sur une distance de 2 210 km en 2014 ou encore le plus grand projet en cours lancé jusqu’à ce jour, qui sera une ligne 1 100 kV UHT DC sur 3 324 km entre Xinjiang au nord-ouest du pays – région affichant un surplus de production d’électricité – et Shanghai. En juin 2019, le SGCC qui gère 5 des 6 réseaux électriques régionaux a installé 9 lignes UHT AC et 10 lignes UHT DC sur une distance totale de 27 570 km liant majoritairement le centre, le nord et l’ouest de la Chine.

En outre, quelques facteurs ont modifié ou empêché la construction des lignes planifiées au cours des années. Comme la croissance économique de la Chine commence en effet à ralentir, l’augmentation de la demande en électricité, corrélée à l’augmentation du PIB, est freinée également. Certaines prévues pour répondre au manque d’électricité dans des territoires ont été annulées puisque ces derniers présentaient tous un surplus d’électricité. Le plus grand défi pour le moment est donc de trouver des destinations d’export ce qui nécessite une coordination entre les différentes régions afin d’assurer une bonne gestion de la distribution de l’électricité. Or, plusieurs gouvernements locaux préfèrent investir dans des centrales de production au niveau local pour bénéficier d’emplois et d’avantages fiscaux au lieu d’importer de l’électricité sur les lignes UHT. Un autre facteur qui retarde le développement des lignes UHT est la réduction de consommation d’électricité produite à partir du charbon. Avec l’augmentation des énergies renouvelables (éolien et solaire) lors des dernières années, les lignes UHT ne sont pas rentables à cause de l’intermittence et du faible facteur de charge.

Afin de continuer le développement de ces lignes, la Chine doit améliorer la planification du réseau et de la production et inciter à la coordination entre provinces, ou trouver des nouvelles destinations d’export. Le pays a très bien compris cette problématique et s’apprête à inonder le monde de lignes UHT avec un projet mondial d’interconnexion électrique.

Rêve d’un super réseau électrique chinois

Mis en avant pour la première fois par le président chinois Xi Jinping lors du sommet des Nations unies sur le développement durable en 2015, le projet Global Energy Interconnexion (GEI) vise à construire un réseau interconnecté à l’échelle mondiale et alimenté principalement par des sources renouvelables. Il est porté par Global Energy Interconnexion Development and Coorporation Organization (GEIDCO), un groupement mondial de 600 personnes venant de 85 pays différents avec une majorité de représentants chinois (68 %). GEI serait à terme une plate-forme pour le développement, le transport et la consommation à grande échelle de ressources énergétiques propres dans le monde entier. Ce projet serait possible par le développement d’un réseau intelligent, associé à de nombreuses lignes UHT (±800 kV à ±1100 kV). À l’horizon 2070, 18 lignes UHT, d’une longueur cumulée de 177 000 km, devraient assurer un quadrillage planétaire Nord-Sud et Est-Ouest afin de transporter l’électricité entre pays et continents.

Pour ce faire, le plan de développement du GEI comporte trois grandes étapes :

  • 2035 : interconnexion nationale. Les pays auraient un réseau national développé et efficient et seraient reliés entre eux sur leur continent. L’Asie, l’Europe et l’Afrique prendraient l’initiative de coupler leurs réseaux formant cinq réseaux horizontaux et cinq réseaux verticaux représentant un flux de capacité de 280 GW.
  • 2050 : interconnexion continentale. Les interconnexions entre l’Afrique, l’Eurasie et l’Amérique seront bâties formant sept réseaux horizontaux et sept réseaux verticaux. Le flux de capacité estimé serait de 720 GW.
  • 2070 : interconnexion internationale. Le réseau passant par l’Arctique sera mis en place formant un paysage énergétique mondial avec neuf réseaux horizontaux et neuf réseaux verticaux connectant les cinq continents. Les flux de capacité estimés seraient de l’ordre de 1,25 TW.
Interconnexion nord-asiatique

Le projet d’interconnexion des réseaux nord-asiatiques (NAEG) est la première brique du projet GEI et doit interconnecter les pays suivants : la Chine, la Russie, la Mongolie, la Corée (Sud et Nord) et le Japon. Le NAEG est primordial pour le projet GEI puisque ces six pays représentent 24 % de la population mondiale, 26 % du PIB, 34 % de l’énergie consommée et 35 % de l’électricité produite.

Aujourd’hui, le NAEG n’en est toutefois qu’à ses balbutiements. Il existe six interconnexions : une ligne de 220 kV entre la Chine et la Mongolie, deux lignes de (110 kV et 220 kV) entre la Mongolie et la Russie, trois lignes (110 kV, 220 kV et 500 kV) entre la Chine et la Russie.

La construction du NAEG repose sur deux principes qui sont de construire les interconnexions du plus facile au plus difficile et du plus proche au plus éloigné. Le plan de développement comprend trois grandes étapes :

  • Raccorder la Chine, la Mongolie et la Russie. L’électricité produite par les barrages russes et sibériens, l’électricité des fermes solaires et éoliennes mongoles et celle des fermes éoliennes de la Chine seraient transportées grâce à des lignes UHT en courant continu ;
  • Raccorder la Chine, la Corée et le Japon avec des lignes UHT ;
  • Relier les grands centres de production au réseau chinois en allant notamment chercher l’énergie éolienne dans la région arctique de la Russie et créer un anneau reliant la région arctique et le Japon.

Plusieurs projets de lignes UHT dont les longueurs sont comprises entre 190 km pour les plus petites et 2 360 km pour les plus longues, sont en cours de réflexion. Deux lignes sous-marines sont à prévoir reliant la Chine et la Corée ainsi que la Corée et le Japon.

Le développement du projet NAEG passerait par la construction de 12 lignes UHT et permettrait d’interconnecter six pays d’Asie du Nord-Est. Ce projet aboutirait à la mise en place d’un marché d’échange de l’électricité comme en Europe.

Plusieurs avantages en faveur de ce projet ont en outre été recensés, notamment économique. La création d’un réseau interconnecté aboutirait à un marché d’échanges comme en Europe, qui permettrait à la Chine ou encore au Japon d’acheter son électricité à des coûts plus bas qu’actuellement. Etant donné le décalage horaire, les pointes de consommation entre le Japon et la Russie par exemple sont décalées et permettent d’optimiser au mieux le réseau. Les différences d’horaires entre les pays permettraient de lisser les courbes de charge et rendre le réseau moins sensible aux fortes variations de demande de puissance.

Un pont électrique européen

Avec GEI, la Chine vise également l’Europe. Outre le développement de nouvelles voies de transports terrestres et maritimes, porté par le projet “Belt Road Initiative” (BRI), le secteur de l’énergie est dorénavant dans le collimateur des investisseurs chinois. Depuis 2012, SGCC a investi dans les réseaux portugais, italien et grec, ainsi que dans différents groupes énergétiques de nombreux pays européens (Portugal, Italie, Grèce, Royaume-Uni, Danemark, Norvège, les pays d’Europe centrale et orientale ainsi que les Balkans). Suite à ces récents investissements chinois en Europe, le GEI ne semble plus être une utopie mais un réseau qui pourrait bien se construire rapidement. En 2017, la Commission européenne a ainsi publié un rapport sur la possible interconnexion électrique Chine-Europe au moyen de lignes UHT, compte tenu des longues distances à parcourir, soit environ 7 500 km entre la France et le centre de la Chine. L’interconnexion serait assurée par une ligne UHT principale (de 1 100 kV et d’une capacité de 12 GW) à laquelle serait reliées plusieurs lignes secondaires qui alimenteraient la ligne principale en électricité issue de sources renouvelables.

La Commission européenne a imaginé trois voies possibles pour le passage de la ligne principale : Route du Nord, Route du milieu et Route du Sud. (voir tableau). Chaque itinéraire a ses avantages et ses inconvénients. L’objectif est de maximiser la production électrique avec les énergies renouvelables et les échanges entre pays. La route devra traverser le moins d’États pour limiter les demandes de permis de construire et les contraintes réglementaires propres à chaque territoire. Les désavantages liés à l’environnement sont compensables par une augmentation des coûts de construction. L’inconvénient qui semble le plus compliqué à surmonter est la zone de conflit. Afin que la ligne de transmission soit efficiente et sécurisée, la Chine a tout intérêt à conclure des alliances avec les pays traversés par la ligne.

Électrifier l’Afrique

Le développement du continent africain et son accès à l’énergie est au cœur des discussions mondiales. Il représente un enjeu important pour les pays développés, en particulier la Chine, qui y voient de nouvelles opportunités d’investissement. Le projet GEI sur le continent africain semble être une très bonne opportunité pour la Chine : un accès aux énergies renouvelables (moyenne d’ensoleillement de 320 jours/an), une augmentation future de la consommation électrique et un réseau de transport d’électricité à développer. L’ambassadeur de Guinée, Siaka Cissoko, le dit lui-même : «La coopération énergétique entre la Chine et l’Afrique est prometteuse car la Chine a perfectionné les technologies de développement et l’Afrique dispose de ressources naturelles et humaines abondantes.»

GEIDCO propose trois axes de développement pour le continent africain :

  • Développer des ressources énergétiques propres avec des centrales hydrauliques dans les grands bassins de consommation, le solaire et l’éolien. En 2050, selon les estimations du GEIDCO, la capacité installée de l’énergie solaire sera de 570 GW, celle de l’hydroélectrique de 280 GW et de 110 GW pour l’éolien. Les énergies propres totaliseront 77 % de la capacité électrique installée en Afrique.
  • Construire un réseau électrique interconnecté en promouvant l’interconnexion transrégionale, transnationale et transcontinentale.
  • Améliorer le niveau d’électrification afin de réduire les coûts d’accès à l’électricité.

L’objectif est de créer trois zones synchrones (Nord, Centre-Ouest et Est-Sud) qui seront reliées par les lignes UHT en trois étapes :

  • 2030 : l’interconnexion prendrait une forme embryonnaire, entre l’Est et le Sud, et l’Ouest et le Centre qui seront reliées et synchronisées. Une ligne interconnexion transcontinentale entre le Nord et l’Eurasie sera développée.
  • 2040 : la création d’une ligne transversale et de deux lignes longitudinales afin de d’assurer les interconnexions transcontinentales.
  • 2050 : l’Afrique sera dotée de deux canaux transversaux et deux canaux longitudinaux lui assurant une interconnexion transcontinentale d’ampleur.

In fine, GEIDO souhaite déployer 12 projets de lignes UHT en courant continu d’une capacité de 85 GW qui permettront de transporter l’électricité à travers les pays africains. Son projet GEI en Afrique semble compliqué, mais les investissements mis en place depuis les années 2000 montrent que la Chine pourrait bien le mener à bout.

Réseau électrique mondial imaginé par GEIDCO

Expansion chinoise dans le reste du monde

Comme en Afrique, la Chine déploie ses investissements en Amérique du Sud. Dans le secteur de l’énergie, SGCC est devenu le principal gestionnaire de réseau du Sud-Ouest du pays, des régions de Rio de Janeiro et de São-Paulo grâce à un apport de 7 milliards de dollars dans sept sociétés. En 2014, SGCC a en outre lancé, en partenariat avec Electrobas, la construction d’une ligne UHT de plus de 2 084 km entre les barrages de l’Amazone et le Sud-Ouest du pays. L’année suivante, SGCC remporte l’appel d’offres pour la construction de 2 500 km d’une ligne UHT de 800 kV entre le barrage de Bello Monte et Rio de Janeiro. Enfin, SGCC a racheté plus de la moitié du capital de la société de production et distribution d’électricité brésilienne CPFL Energia. Aujourd’hui, SGCC contrôle plus de 10 000 km de lignes électrique au Brésil. La Chine fait face à deux contraintes majeures lorsqu’elle investit dans les lignes UHT en Amérique du Sud : des biomes sensibles et des lois environnementales complexes. En effet, la construction de ces lignes nécessite de grandes campagnes de défrichement. Pour la ligne de 2 084 km, l’équivalent de 1 700 terrains de football a été déforesté en Amazonie.

Du côté de l’Australie, l’entreprise SGCC a fait l’acquisition de 19,9 % de SP AusNet et de 60 % de Jemena, principaux distributeurs d’électricité de l’État de Victoria. Il n’y a pas encore de projets UHT en construction ou en projet à l’heure actuelle. Cela devrait bientôt voir le jour dans les années à venir si la Chine décide de continuer son plan GEI.

Un projet réalisable ?

Le projet GEI semble utopique et impossible que ce soit d’un point de vue technique, économique et géopolitique. Techniquement, les distances des lignes UHT sont gigantesques, économiquement le montant estimé est faramineux et géopolitiquement les tensions qui existent entre chaque pays peuvent sembler impossible à résoudre. Le coût de développement total du projet est estimé à 38 000 milliards de dollars. La répartition serait la suivante : 27 000 milliards de dollars pour la production d’électricité et 11 000 milliards de dollars pour l’investissement dans le réseau électrique. Ce projet pose également des questions de sécurité et de dépendance énergétique des pays dans lesquels la Chine investit massivement. Le président de SGCC considère que ces problèmes finiraient par être surmontés en vertu des nécessités auxquelles le monde sera bientôt confronté.

 

Coût de la technologie UHT

Les coûts d’une ligne électrique se partagent entre les coûts d’installation incluant ceux des conducteurs, des isolants, des transformateurs ainsi que le droit du terrain, et les coûts opérationnels qui sont requis pour compenser les pertes électriques. Les coûts d’installation des lignes DC sont plus importants que ceux des lignes AC. Or, les pertes réduites en lignes DC les rendent plus économique sur les longues distances. La distance de basculement entre AC et DC est d’environ 500-800 km pour les lignes aériennes et de 50 km pour les câbles souterrains. Bien que l’augmentation de la tension d’une ligne offre plusieurs avantages, la quantité des matériaux ainsi que le coût de leur transport aux lieux d’installation augmente énormément par rapport à leur tension. De plus, la complexité technique liée à de très grandes tensions influence significativement les coûts. L’utilisation de telles lignes n’est plus rentable à partir d’une certaine tension.

Entre les caractéristiques avantageuses et les limites des lignes UHT, l’objectif est de trouver une tension optimale qui permet de transporter une quantité donnée d’électricité à moindre coût. La limite de tension est atteinte lorsque le coût des isolants et transformateurs dépasse les profits sur les pertes réduites et la quantité réduite des conducteurs utilisés. La valeur de la tension optimale correspond à un coût global minimal de l’installation et de l’opération de la ligne.

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