L'effondrement du réseau d'Eskom suscite des inquiétudes bien exagérées

Dec 07, 2023

Selon un rapport de recherche de Kela Securities, le risque d'un effondrement complet du réseau et d'une panne d'électricité nationale d'une durée de deux semaines ou plus en Afrique du Sud est extrêmement faible. La fréquence électrique du pays de 50 Hz est cruciale pour le fonctionnement, et les écarts par rapport à cette fréquence peuvent provoquer des pannes. Cependant, l'Afrique du Sud a mis en place des délestages automatisés et des mesures alternatives pour gérer la fréquence et prévenir les pannes. En cas de panne d'électricité, les centrales électriques peuvent être redémarrées en quelques minutes à l'aide de centrales hydroélectriques et de turbines à gaz, et la majorité du pays peut être de nouveau en ligne en quelques heures. Le principal défi consiste à réparer les infrastructures de distribution et à coordonner l'offre et la demande pour rétablir l'électricité dans toutes les régions. La situation actuelle est attribuée à l'ingérence politique et à un entretien insuffisant de la centrale, qui ne peut être résolu que par un entretien approprié et un délestage à court terme. Voici le rapport complet ci-dessous.

Par Lesedi Kelatwang et Kudakwashe Kadungure de Kela Securities

Après avoir mené des recherches sur le terrain et consulté plusieurs ingénieurs expérimentés ayant une connaissance technique des opérations de production d'électricité d'Eskom, nous, chez Kela, pensons que le risque d'un effondrement complet du réseau, entraînant une panne d'électricité qui durera deux semaines ou plus, est extrêmement faible. En fait, nous comprenons qu'en cas d'effondrement du réseau, l'électricité serait de nouveau opérationnelle en quelques heures dans la majorité des grands pôles économiques du pays.

Pour qu'une panne d'électricité nationale se produise en Afrique du Sud, le pays ne produit pratiquement pas d'électricité du tout et ou les gestionnaires hautement qualifiés d'Eskom ont oublié comment maintenir la fréquence du réseau à 50 Hz. Étant donné que la demande de pointe cette année en mai était d'environ 33 GW et qu'Eskom a mis en œuvre l'étape 6 pour la traverser, une panne d'électricité nationale s'apparente à la mise en œuvre par Eskom de 27 étapes supplémentaires de délestage au-dessus de l'étape 6. Ceci est naturellement sur la base que chaque étape de délestage est de 1 Giga Watt (GW).

Ci-dessous, nous déballons comment, à un niveau de base, cela pourrait potentiellement se produire. En conséquence, nous décrirons également les raisons pour lesquelles nous pensons que cela ne se produira pas du tout. Nous limiterons notre discussion à un seul paramètre commun à travers les composants électriques, celui de la Fréquence.

L'électricité en Afrique du Sud est générée à une fréquence de 50 Hz. En utilisant une dynamo pour alimenter la lampe d'un vélo par exemple, où elle est supposée tourner à la même vitesse qu'une centrale électrique de 3 000 tr/min (tours par minute), elle générerait par conséquent de l'électricité à 50 Hz. Comme 1 Hz est défini comme étant égal à 1 cycle par seconde, la dynamo fonctionnant à 3 000 tr/min atteindrait 50 cycles par seconde.

Pour l'Afrique du Sud, et en fait presque tous les réseaux à travers le monde, il est sacro-saint que la fréquence soit toujours maintenue à 50 Hz. En tant que Sud-Africains, nos appareils/équipements électriques sont conçus pour fonctionner à l'aide de l'électricité générée à cette fréquence. Un écart matériel par rapport à 50 Hz signifie essentiellement que tout ce qui est connecté au réseau ne fonctionnerait pas, ou faute d'un meilleur mot, se briserait.

Les centrales électriques, ainsi que les appareils électroménagers, peuvent s'adapter à une petite variation des changements de fréquence sans aucune réaction. Cependant, cela est limité à un écart de fréquence de 1 % dans la plupart des cas, soit 0,5 Hz. C'est ce qu'on appelle la bande morte, où les changements de fréquence peuvent être pris en compte sans aucun changement dans la sortie de l'usine. Toute modification de la fréquence de plus de 1 % amènera la centrale à produire plus ou moins d'énergie pour ramener la fréquence. Et si la fréquence ne peut pas être ramenée dans la bande morte, elle s'éteindra. Il s'agit d'une caractéristique de sécurité intégrée à la conception même de la centrale.

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Qu'est-ce qui empêcherait une centrale électrique ou un réseau de maintenir 50 Hz ?

Cela peut se produire s'il y a une panne interne à l'usine ou s'il y a un déséquilibre matériel entre la production et l'utilisation (offre/demande) d'électricité. Le premier est assez simple à comprendre, c'est pourquoi nous tournons notre attention vers le second. Chaque gigawatt (GW) généré doit avoir un consommateur (charge) associé.

En gros, si notre réseau théorique de 5 centrales électriques, chacune produisant 1 GW, génère 5 GW, alors vous avez besoin d'une demande de 5 GW. Dans le cas où la demande tomberait à 3 GW alors que l'offre resterait à 5 GW, cela aurait pour effet d'augmenter la fréquence du réseau. Comme mentionné, 50 Hz doit être maintenu quoi qu'il arrive. Le service public d'électricité réagirait en réduisant la puissance générée dans les 5 centrales électriques pour qu'elle soit égale à 3 GW, ou en éteignant 2 centrales, afin de réduire l'offre de 2 GW. Alternativement, le service public pourrait chercher des moyens d'augmenter la demande en vendant plus d'électricité aux pays voisins via le pool énergétique d'Afrique australe (SAPP).

A l'inverse, en cas de demande supérieure à l'offre, cela aurait pour effet de réduire la fréquence du réseau. Le service public peut réagir en augmentant l'offre ou en réduisant la demande. Le premier n'est pas immédiatement possible pour l'Afrique du Sud, et étant donné que les voisins du SAPP ont une capacité installée relativement faible pour l'Afrique du Sud à importer, cela laisse le délestage comme la seule option dont nous disposons, ce qui a pour effet de réduire la demande.

En supposant que toutes nos plantes sont en parfait état, qu'est-ce qui pourrait éventuellement causer une panne de courant ?

Dans les cas où l'offre dépasse la demande, le service public devrait éteindre ou limiter l'offre excédentaire ou exporter davantage vers le SAPP. Si, pour une raison quelconque, cela n'est pas atteint, plusieurs centrales électriques se retireraient du réseau en raison de la protection contre les surfréquences, ce qui entraînerait par la suite une panne d'électricité.

Logiquement, cela est hautement improbable étant donné qu'Eskom a le contrôle pour couper l'alimentation. Dans les cas où il y a un pic de demande qui dépasse l'offre, la seule façon pour qu'une panne se produise est lorsqu'Eskom ne réussit pas à réduire la demande en conséquence. Bien que cela soit également hautement improbable, cela s'est effectivement concrétisé dans certains pays africains. La cause sous-jacente était qu'ils avaient du mal à couper la demande à temps et que les centrales se sont déclenchées, s'éteignant elles-mêmes en raison de la protection contre les sous-fréquences, comme elles sont conçues pour le faire.

La raison pour laquelle ces incidents se sont produits est due au degré élevé d'intervention manuelle dans ces pays afin de mettre en œuvre le délestage. Le réseau sud-africain est beaucoup plus sophistiqué en ce sens qu'il y a un degré élevé d'automatisation. L'Afrique du Sud a un délestage automatisé qui est intégré dans le système, au-delà du délestage manuel normal auquel nous sommes tous habitués, qui est basé sur la fréquence pour gérer les décroissances de fréquence et la production de la centrale électrique peut également être contrôlée de manière centralisée pour réduire la charge ou l'augmenter, uniquement sur la base des valeurs de fréquence.

Au-delà de cela, il existe un large éventail de mesures alternatives en place. Par exemple, Eskom peut éteindre certains des gros consommateurs industriels pendant quelques minutes. Cela est déjà pris en compte dans leurs contrats et peut se produire automatiquement lorsque la fréquence chute fortement et que l'arrêt automatique des installations, basé uniquement sur la fréquence, se produit. Au cours de ces quelques minutes, Eskom peut alors allumer ses réserves, à savoir ses turbines à gaz à cycle ouvert (OCGT), les systèmes de pompage-turbinage et/ou mettre en œuvre le délestage afin d'empêcher davantage de centrales de se déclencher et de permettre à la fréquence de se normaliser.

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Combien de temps faudrait-il pour remettre le réseau en marche en cas de panne ?

Eskom a différents types de centrales électriques, chacune prenant des temps différents pour démarrer. Les centrales au charbon et nucléaires sont les plus longues à démarrer. Le charbon prend généralement quelques heures pour démarrer tandis que le nucléaire a parfois besoin de plusieurs jours pour atteindre sa pleine charge. Les turbines à gaz à cycle ouvert et les centrales hydroélectriques prennent quelques minutes à charger et sont la préférence naturelle pour les noirs qui démarrent un pays.

Étant donné que le démarrage d'une panne de courant se ferait à l'aide d'une combinaison de centrales hydroélectriques et de turbines à gaz, il faudrait littéralement jusqu'à quelques minutes pour remettre la centrale électrique en marche à certaines des charges clés. Le reste du pays peut être en ligne en quelques heures à mesure que davantage d'usines et de charges sont connectées.

L'enjeu réside dans la coordination de l'offre et de la demande au démarrage afin de maintenir la fréquence 50Hz du réseau. Cela nécessite un processus minutieux de mise en marche et de chargement lents des installations tout en les reliant à la demande. Au cours des premières heures, la majorité des grosses charges seraient reconnectées. Les villes et autres grands hubs seraient reconnectés au cours des 12 premières heures, tandis que la majorité des charges significatives se produiraient dans les 24 heures. Qu'est-ce qui ferait alors qu'une panne d'électricité durerait quelques semaines ?

Constatant une tendance observée où l'augmentation de la fréquence des délestages a entraîné une augmentation également du nombre d'indisponibilités plus longues que prévu, la cause est en grande partie due à des conséquences imprévues sur les infrastructures de distribution. L'augmentation des pannes de transformateurs et de sous-stations signifie que plus de temps est perdu pour Eskom qui répartit les techniciens et effectue les réparations sur place. Dans un scénario où le délestage se produit en même temps dans tout le pays, ce qui est essentiellement ce qu'est une panne d'électricité, il est concevable qu'un certain pourcentage du pays soit toujours sans électricité même si Eskom est de nouveau en ligne.

Techniquement, dans le langage de la production d'électricité, des baisses de tension dans différentes régions. Sûrement, d'un point de vue prioritaire, lors du rallumage des lumières, les zones d'importance économique élevée seraient en haut de la liste. En d'autres termes, des villes comme Johannesburg, Cape Town ou des zones industrielles lourdes telles que des usines de transformation ou des mines (pour des raisons de sécurité) seraient de retour en quelques heures. Cela ressemblerait à un délestage normal pour ces personnes. Alors que le pauvre type dans une zone très rurale pourrait devoir attendre quelques semaines jusqu'à ce qu'Eskom finisse par le rejoindre.

L'élément clé à noter ici est qu'un effondrement du réseau peut se produire n'importe quand et n'importe où dans le monde. Ce n'est pas parce que nous sommes passés de l'étape 1 à l'étape 2 et que l'on parle maintenant d'un délestage de l'étape 16 que le réseau est sur le point de s'effondrer. La prévention d'un effondrement du réseau est fonction du maintien de 50 Hz grâce à une gestion active de l'offre et de la demande d'électricité. Cela est vrai que vous ayez 5 ou 100 centrales électriques. En effet, éviter une autocorrection incontrôlée des centrales, qui sont conçues pour s'auto-conserver lorsqu'il y a ce déséquilibre entre l'offre et la demande, c'est justement pour cela qu'il faut des délestages.

Naturellement, plus un réseau a de centrales électriques, plus il devient stable et plus le risque de déclenchements et d'autres problèmes peut être partagé entre plusieurs centrales. Les 25 centrales électriques ou plus d'Afrique du Sud avec une centaine d'unités de production sont dans une position décente à cet égard.

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Avec ce qui précède, à quoi ressemblerait un délestage hypothétique de l'étape 20 ?

Avec des étapes de délestage nettement plus élevées, nous nous attendons à ce que les choses empirent de manière exponentielle. La définition d'Eskom implique que le délestage de l'étape 33 est en effet possible, car c'est actuellement là que se situe la demande de pointe. Étant donné que nous sommes actuellement au stade 6, il reste encore 27 stades de facteurs de détérioration à franchir. Comme la plupart des appareils électriques, le réseau électrique sud-africain n'est pas conçu pour résister aux coupures et rallumages fréquents.

Cela implique alors intuitivement que l'étape 20 impliquerait des périodes beaucoup plus longues, et plus d'occurrences, d'activation et de désactivation des sous-stations. Au lieu que le délestage soit de quelques heures, il peut s'agir de quelques jours à la fois. La méthodologie de délestage ferait évidemment l'objet d'un examen minutieux, car la personne vivant à Sandton soutiendrait qu'elle devrait être déchargée moins que la personne vivant à Soweto, car elle est plus pertinente sur le plan économique. Eh bien, cela pourrait devenir un problème pour les élections, car la priorité politique l'emporte sur l'économique.

Comment nous sommes-nous retrouvés dans ce pétrin ?

L'Afrique du Sud se trouve dans cette situation en grande partie à cause d'ingérences politiques inutiles. Plus précisément, les appels des politiciens pour qu'Eskom garde les lumières allumées, quoi qu'il arrive, ont gravement sapé le programme de maintenance de l'usine d'Eskom qu'ils avaient mis en place pour résoudre les problèmes à l'époque. L'autre raison étant la décision du gouvernement dans les années 1990 de ne pas impliquer Eskom dans la construction de plus de capacité électrique.

Nous regardons un exemple où notre réseau théorique de 5 GW fait face à une demande de pointe de 7 GW alors que 2 de ces centrales de 1 GW sont hors ligne, en cours de maintenance. Si la maintenance de ces centrales était «priorisée», c'est-à-dire «n'effectuez que la maintenance la plus nécessaire» pour la mettre en ligne, elles seraient capables de générer respectivement 300MW et 400MW réduits. L'interférence se déroulerait comme suit :

1. En raison d'une capacité de production insuffisante, le pays est dans une situation où un délestage de niveau 2 est requis

2. En raison de l'arrêt de deux centrales pour maintenance, il y a une demande supplémentaire de 2 GW qui doit être supprimée, ce qui conduit l'étape initiale 2 à l'étape 4.

3. Cependant, en raison de la pression politique, une instruction serait donnée de maintenir le délestage à l'étape 3, quoi qu'il arrive. Ainsi, le service public examinerait alors les centrales en cours de maintenance et réagirait comme suit : si les deux centrales électriques, actuellement capables de produire respectivement 300 MW et 400 MW, peuvent générer d'une manière ou d'une autre au moins 500 MW chacune, alors nous pouvons nous assurer que le délestage est plafonné à l'étape 3. Cela dit, le responsable de chaque centrale électrique serait alors approché et invité à "faire ce qui doit être fait pour les amener à au moins 500 MW". Le gestionnaire répondait à son tour en disant "eh bien, si je mets un pansement ici et un autre là, cela me ferait atteindre 500 MW".

4. L'ambition de plafonner les délestages à l'étape 3 serait atteinte. Cependant, cela est de courte durée car des pannes imprévues se produisent peu de temps après en raison d'un entretien insuffisant. Le problème finira par réapparaître à mesure que les centrales électriques s'effondreront encore plus. Après la dernière panne, la centrale 1 passerait de 500 MW à 200 MW de capacité de production, pire qu'avant.

5. La situation se répète alors ; En raison de la pression politique, le service public est désormais invité à limiter le délestage à l'étape 4, quoi qu'il arrive.

Il devrait être tout à fait évident qu'il s'agit d'une stratégie perdante. Le problème ne peut que s'aggraver avec le temps. Comme une voiture qui a besoin d'être entretenue pour fonctionner suffisamment pendant sa durée de vie utile, il en va de même pour les centrales électriques. En tant que tel, des temps d'arrêt planifiés sont nécessaires. Dans une situation où vous avez 10 usines sur le réseau, vous devriez probablement exploiter 8 usines au maximum à un moment donné, car 1 usine subit une maintenance, quelle que soit la demande, tandis que l'autre est mise à disposition si une autre nécessite une maintenance imprévue. C'était la stratégie derrière la stratégie 80:10:10 d'Eskom.

Dans le cas où la demande monterait à 12 GW, vous devriez toujours maintenir l'approvisionnement à 8 GW pour assurer un entretien approprié tout en construisant plus de centrales électriques en arrière-plan. Compte tenu de l'effet d'entraînement du délestage sur les recettes publiques, et donc sur le financement d'Eskom, rogner sur la maintenance est une pente glissante. Faire cela pour satisfaire la pression politique est un faux pas politique grossier. Dernièrement, cette politique s'appelle « prioriser la maintenance ».

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Comment sortir de ce pétrin ?

Pour résoudre le problème, nous devons réparer correctement les plantes. Cela implique naturellement un délestage important car plusieurs unités devraient être mises hors ligne pour pouvoir être réparées. Par conséquent, des niveaux beaucoup plus élevés de délestage pourraient devenir une réalité. Une réalité qui durerait potentiellement quelques mois. Cependant, après ces mois, les délestages extrêmes et imprévisibles appartiendraient au passé. En fait, le délestage pourrait disparaître dans son intégralité.

Par exemple, si Eskom a envoyé un avis aujourd'hui, disant que : ils mettent en œuvre le délestage de l'étape 10 de septembre 2023 à décembre 2023 ; que les hôpitaux, les postes de police et les écoles seront exemptés ; ils font cela pour éradiquer le délestage dans son intégralité à partir de 2024, le Sud-Africain moyen se révolterait-il contre ce plan ?

Cela devrait cependant être bien planifié. L'entretien de l'usine nécessite beaucoup de pièces de rechange, dont la plupart sont importées. Pour vraiment faire une brèche dans le délestage à long terme, l'accent est à nouveau mis sur les usines qui doivent faire l'objet d'un entretien complet. Bien que nous soyons conscients que l'économie doit également fonctionner, tout comme les politiciens réagissent à leurs propres besoins, nous pensons que la douleur à court terme pour un gain à long terme est la réponse requise. Mais la question est de savoir si le bilan et la volonté politique sont là.

Cela conduit alors à la question suivante.

Quel type de personne devrait être PDG d'Eskom ?

Il y a deux critères de base. L'individu doit être capable de 1) résister et gérer la pression politique et 2) être un exécutant éprouvé. La dernière chose dont nous avons besoin est qu'une permutation de cette stratégie agressive de délestage accru soit mise en œuvre et qu'en 2024, les centrales n'aient toujours pas été réparées et nous avons exactement le même problème.

Toutes les centrales d'Eskom tombent en panne, en même temps… vraiment !?

Pour en revenir à notre discussion initiale sur les causes de la panne, l'autre cause plausible mais extrêmement improbable serait que toutes les centrales électriques tomberaient en panne à une capacité de production nulle. Si cela devait arriver, ce serait totalement impardonnable. Comment diable toutes vos plantes se décomposent-elles en même temps ? Les risques sont flagrants. Les solutions sont tout aussi évidentes. Si vous devez faire passer le délestage à l'étape 10 afin de pouvoir réparer les plantes et éviter un effondrement complet, faites-le. S'il y a effectivement sabotage direct, alors pourquoi est-ce si difficile à gérer ? Pendant le covid, le gouvernement sud-africain avait le pouvoir de dicter des mesures très gênantes à sa population qui a même vu des gens perdre la vie pour ne pas avoir adhéré à certains de ces changements. Pourtant, le même gouvernement ne peut pas faire face à une poignée de criminels qui détruisent toute l'économie. Autrement dit, ce risque est manifestement facile à gérer.

Dans l'ensemble, nous pensons que le scénario d'une panne d'électricité à l'échelle nationale est très insondable. C'est une situation tout à fait unique où une incompétence jamais vue auparavant à Eskom coordonne d'une manière ou d'une autre la panne simultanée de toutes les usines et la perte des importations du SAPP. Dans ce scénario, une grande partie de l'Afrique du Sud serait privée d'électricité pendant des années, voire des décennies, car l'État incapable d'entretenir les centrales aujourd'hui aurait clairement du mal à les remplacer efficacement lorsque les ressources du pays sont dans un état extrêmement dégradé.

Enfin, quelle est notre opinion sur Karpowership ?

Nous trouvons que le concept d'achat de 1,2 GW à un coût de 200 milliards de ZAR sur 20 ans, ce qui implique un taux de 10 milliards de ZAR par an, ou une valeur actuelle d'environ 72 milliards de ZAR si l'on utilise les rendements obligataires en ZAR à 20 ans, est hautement illogique étant donné que 4,8 GW Medupi coûterait environ 80 milliards de ZAR. Bien que nous apprécions le temps qu'il faut pour installer et exploiter une nouvelle capacité, cette différence de prix est, au mieux, très discutable. En tant que Kela, nous sommes assez confiants que le Sud-Africain moyen conviendra que quelques minutes supplémentaires de délestage quotidien sont un prix bon marché à payer pour économiser 200 milliards de ZAR en tant que pays.

Pourquoi ne pas utiliser les mêmes fonds pour effectuer un entretien adéquat et construire une nouvelle capacité de production permanente ? Ce serait infiniment mieux pour le pays car Karpowership s'apparente à la location d'un générateur pour votre maison à des coûts plus élevés que l'achat d'un système solaire photovoltaïque.

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Narration par Alec Hogg