Facteur de charge (électricité)

Le facteur de charge ou facteur d'utilisation d'une centrale électrique est le rapport entre l'énergie électrique effectivement produite sur une période donnée et l'énergie qu'elle aurait produite si elle avait fonctionné à sa puissance nominale durant la même période.

Pour les articles homonymes, voir Facteur de charge.

Le facteur de charge est souvent calculé sur une ou plusieurs années, mais rien n'empêche de le calculer sur des périodes différentes.

Il est généralement exprimé en pourcentage, mais peut l'être en nombre d'heure équivalent pleine puissance (hepp) en multipliant la valeur précédemment obtenue par la durée de la période (en heures), la période prise étant souvent annuelle. Il peut aussi être exprimé en watts (et ses multiples) en multipliant la valeur en pourcentage par la puissance nominale de l'installation.

Plus la valeur du facteur de charge est élevée, plus l'installation considérée s'approche de sa capacité de production maximale.

Le facteur de charge varie fortement selon le type d'énergie primaire, selon la conception de l'installation et selon l'usage que l'on en fait. La longueur de la période de temps prise en compte pour le calcul influence également la valeur du facteur de charge. Ceci est notamment vrai pour les énergies intermittentes (énergie éolienne ou énergie solaire photovoltaïque par exemple).

Le facteur de charge ne doit pas être confondu avec la disponibilité, qui est une proportion supérieure.

Définition

Le facteur de charge ou facteur d'utilisation[1] est le rapport entre l'énergie électrique produite pendant une période donnée (année, mois, durée de vie de la centrale, etc) et l'énergie qui aurait été produite si cette installation avait été exploitée pendant la même période, en continu, à sa puissance nominale.

Aux États-Unis, selon les circonstances, deux notions différentes sont utilisées : « capacity factor »[2], correspondant à la notion de facteur de charge, et « load factor[3] », qui est obtenu en divisant la production constatée par la puissance maximale atteinte (puissance de pointe) sur la période concernée. Ceci peut entraîner des confusions et des interprétations erronées.

Exemples de calcul

Les exemples qui suivent sont fictifs. Ils ne visent qu'à expliciter la méthode de calcul évoquée en introduction.

Sur une centrale et une courte période

Soit une centrale électrique d'une puissance nominale de 1 000 MW (mégawatt) produisant 648 GWh (gigawattheures, qui vaut 1 000 mégawattheures) durant une période de 30 jours.

Le nombre de mégawattheures qu'elle aurait produits si elle avait fonctionné constamment à sa puissance nominale est obtenu en multipliant cette puissance nominale par le nombre d'heures de la période : .

Durant cette période, le facteur de charge de la centrale électrique considérée est donc de . Soit encore 90 % ou 648 heures équivalent plein puissance ().

Sur plusieurs centrales et plusieurs périodes longues

Voici la description et l'historique de production d'un parc de centrales électriques (toutes alimentées par une même énergie primaire) :

Puissance nominaleProduction année 1Production année 2Production année 3Production années 1 à 3
Centrale 1120 MW750 GWh810 GWh860 GWh2420 GWh
Centrale 2230 MW1720 GWh1560 GWh1650 GWh4930 GWh
Centrale 390 MW370 GWh640 GWh450 GWh1460 GWh
Total440 MW2840 GWh3010 GWh2960 GWh8810 GWh

On obtient l'énergie maximale que chaque centrale aurait pu produire sur une année en multipliant sa puissance nominale par la durée d'une année. Par exemple, la centrale 1 aurait pu produire jusqu'à .

Reste ensuite à diviser la production réelle par la production maximale théorique. Ce qui donne par exemple pour la centrale 1, de l'année 1 à 3 :

.

Le tableau suivant résume les facteurs de charge que l'on obtient avec les chiffres du tableau précédent.

Année 1Année 2Année 3Années 1 à 3
Centrale 171,3 %77,1 %81,8 %76,7 %
Centrale 285,4 %77,4 %81,9 %81,6 %
Centrale 346,9 %81,2 %57,1 %61,7 %
Total73,7 %78,1 %76,8 %76,2 %

Si l'on ne doit retenir qu'une valeur représentative de la production de l'ensemble du parc sur plusieurs années, c'est peut-être le 76,2 % (en bas à droite dans le tableau).

Causes de variation du facteur de charge

En pratique, sur une année, le facteur de charge est diminué par des réductions de la production d’électricité causées par :

  • le caractère intermittent de la source d'énergie (éolien, solaire, hydraulique au fil de l'eau)[4] ;
  • les opérations de maintenance, par exemple les arrêts de tranche des réacteurs nucléaires au cours desquels sont effectués le rechargement du combustible, divers tests de sécurité, réparations, et inspections de l'ASN[5] ;
  • les pannes d'équipements ;
  • les variations de la demande d'électricité qui, en l'absence de capacité de stockage, amènent les gestionnaires de réseau à solliciter les producteurs d’électricité pour faire du suivi de charge afin d’adapter la production.

Facteurs de charge typiques

Voici quelques valeurs prises par le facteur de charge pour des installations existantes :

Type d'énergiePériodeZone géographiqueFacteur de charge
Solaire photovoltaïque2015Monde6 % à 21 %[6],[7]
Solaire photovoltaïque2015Europe11 %[6]
Solaire photovoltaïque2019États-Unis24,5 %[8]
Solaire photovoltaïque2015Chine15 %[6]
Solaire photovoltaïque2019France13,5 %[9]
Éoliennes terrestres2019Europe24 %[10]
Éoliennes en mer2019Europe38 %[10]
Éolienne2019France24,7 %[9]
Éolienne2019États-Unis34,8 %[8]
Hydroélectrique2003 à 2008Europe28 %[11]
Cycle combiné2007Canada43 %[12]
Hydroélectrique (hors marémotrice)2007Canada57 %[12]
Nucléaire2012 à 2015France74,2 %[13]
Nucléaire2019France68,6 %[9],[14]
Nucléaire2019États-Unis93,5 %[8]
Nucléaire2007Canada75 %[12]
Centrale thermique2007Canada82 %[12]

La montée en puissance rapide des parcs éolien et photovoltaïque ces dernières années rend les calculs à long termes pour un parc national imprécis, par manque de données sur l'évolution temporelle fine de la puissance installée et de la production sur ce territoire. Des calculs supposant une puissance annuelle constante donne néanmoins un ordre de grandeur. Les chiffres du nucléaire et de l’hydraulique en Europe sont plus fiables, car la taille du parc installé est relativement stable.

Les nouveaux modèles d'éoliennes, dont les pales plus longues sont plus performantes, atteignent 30-35 % de facteur de charge à terre et 35-55 % en mer[10].

L'Energy Information Administration américaine compare en 2015 les facteurs de charge des divers moyens de production d'électricité dans les différentes régions du monde sur la période 2008-2012 : le facteur de charge du solaire photovoltaïque varie de 6 % au Canada à 21 % en Inde en passant par 15 % aux États-Unis et en Chine et 11 % dans les pays européens membres de l'OCDE ; le facteur de charge de l'éolien varie de 17 % à 30 % (États-Unis : 27 %, Chine : 18 %, Europe OCDE : 22 %)[6].

Certaines centrales thermiques peuvent atteindre, sur la durée d’une année, un facteur de charge supérieur à 100 %, qui signifie que la centrale a fourni sur le réseau plus d’énergie électrique que si elle avait fonctionné à puissance nominale toute l’année[15] ; cela provient du fait que la puissance nominale est déterminée pour des températures estivales[16], où la capacité est plus faible à cause de la température plus élevée de la source froide, ce qui dégrade le rendement thermique et donc la puissance délivrée (inversement, en hiver la température de la source froide est plus faible donc le rendement thermique est meilleur et la capacité maximale peut dépasser la capacité nominale déterminée en été)[17]. Cette méthode de calcul de la puissance nominale garantit que cette puissance puisse être atteinte quelles que soient les conditions météorologiques prises en compte sur le site concerné (été comme hiver).

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Notes et références

  1. Hydro-Québec, « Énergie éolienne : repères pour comprendre la complémentarité » (consulté le )
  2. (en) Glossary - Capacity factor, Energy Information Administration.
  3. (en) Glossary - Load factor, Energy Information Administration.
  4. Qu’est-ce que le facteur de charge d’une unité de production électrique ?, Connaissance des énergies, 11 août 2016.
  5. « Arrêt de réacteurs de centrales nucléaires », sur Autorité de sûreté nucléaire (consulté le ).
  6. (en) Electric generator capacity factors vary widely across the world, Energy Information Administration, 8 septembre 2015.
  7. Le facteur de charge photovoltaïque peut varier de 6 à 21 % selon la localisation géographique de l'installation et son ensoleillement moyen.
  8. (en) « Electric Power Monthly, February 2020 », Energy Information Administration, dépendant du département de l'Énergie des États-Unis, (consulté le ) (tableau 6.07B, page 184).
  9. « Bilan électrique 2019 », sur rte-france.com, (consulté le ).
  10. (en) Wind energy in Europe in 2019 [PDF], WindEurope, février 2020, p. 18.
  11. (en) Energy - Yearly statistics 2008 (Eurostat) pages 9-22 pour l'Europe et 149-162 pour la France
  12. Statistique Canada, Production, transport et distribution d'électricité (au catalogue: 57-202-X), Ottawa, Statistique Canada, , 44 p. (ISSN 1703-2636, lire en ligne [PDF]), p. 9-12
  13. [PDF] Ministère de la Transition écologique et solidaire, Bilan énergétique de la France pour 2017, , p. 28.
  14. Le facteur de charge moyen des centrales nucléaires françaises, voisin de 75 % en temps normal, a été nettement plus faible de 2016 à 2019 à cause des arrêts exceptionnels de réacteurs liés aux contrôles de l'Autorité de sûreté sur la qualité de gros composants en 2016-2017, d'un problème générique lié à l'usure de pièces situées sur le couvercle de la cuve de certains réacteurs en 2018 et de la programmation de sept visites décennales en 2019 (Nucléaire : la production d'EDF face au défi des grands travaux, Les Échos, 17 janvier 2019.)
  15. Top Load Factor (2019) - Reactor Database - World Nuclear Association world-nuclear, consulté le 21 août 2020]
  16. « Electricity explained », sur EIA (consulté le ).
  17. « What is the difference between electricity generation capacity and electricity generation? », sur EIA, (consulté le ).
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