Énergie renouvelable variable

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L’énergie renouvelable variable (ERV) est une source d’énergie renouvelable qui n’est pas distribuable en raison de sa nature fluctuante, comme l’énergie éolienne et l’énergie solaire, par opposition à une source d’énergie renouvelable contrôlable comme l’hydroélectricité ou la biomasse, ou une source relativement constante comme l’énergie géothermique ou l’hydroélectricité au fil de l’eau.

Comparaison

L’hydroélectricité conventionnelle, la biomasse et la géothermie peuvent être complètement expédiées, car chacune d’entre elles possède une réserve d’énergie potentielle ; la production éolienne et solaire est généralement sans stockage et peut être réduite, mais pas expédiée, autrement que lorsque la nature le permet. Entre le vent et le soleil, le cycle quotidien du soleil est plus variable que celui du vent, mais il est plus prévisible en plein jour que le vent. Comme l’énergie solaire, l’énergie marémotrice varie entre les cycles de marche et d’arrêt chaque jour, contrairement à l’énergie solaire il n’y a pas d’intermittence, les marées sont disponibles chaque jour sans faute. Les biocarburants et la biomasse impliquent de multiples étapes dans la production d’énergie – la culture des plantes, la récolte, la transformation, le transport, le stockage et la combustion pour créer de la chaleur pour l’électricité, le transport ou le chauffage des locaux. Dans la centrale combinée utilisée par l’Université de Kassel pour simuler l’utilisation d’énergie 100% renouvelable, les parcs éoliens et solaires ont été complétés au besoin par l’hydrostockage et la biomasse pour suivre la demande en électricité.

L’énergie éolienne

L’énergie éolienne est la moins prévisible de toutes les sources d’énergie renouvelables variables. Les exploitants de réseau utilisent les prévisions journalières pour déterminer les sources d’énergie disponibles à utiliser le lendemain, et les prévisions météorologiques sont utilisées pour prévoir la production probable d’énergie éolienne et solaire disponible. La corrélation entre la production éolienne et les prévisions peut être relativement élevée, avec une erreur moyenne non corrigée de 8,8 % en Allemagne sur une période de deux ans. La variabilité de l’énergie éolienne peut être considérée comme l’une de ses caractéristiques déterminantes.

Puissance des vagues

Les vagues sont principalement créées par le vent, de sorte que l’énergie disponible dans les vagues a tendance à suivre celle disponible dans le vent, mais en raison de la masse de l’eau est moins variable que l’énergie éolienne. L’énergie éolienne est proportionnelle au cube de la vitesse du vent, tandis que l’énergie des vagues est proportionnelle au carré de la hauteur des vagues.

L’énergie solaire

L’énergie solaire est plus prévisible que l’énergie éolienne et moins variable – bien qu’il n’y ait jamais d’énergie solaire disponible pendant la nuit et qu’il y ait une réduction en hiver, les seuls facteurs inconnus dans la prévision du rendement solaire chaque jour sont la couverture nuageuse, le gel et la neige. De nombreux jours consécutifs à certains endroits sont relativement exempts de nuages, tout comme de nombreux jours consécutifs au même endroit ou à d’autres endroits sont couverts de nuages, ce qui donne une prévisibilité relativement élevée. Le vent provient du réchauffement inégal de la surface de la terre et peut fournir environ 1 % de l’énergie potentielle disponible à partir de l’énergie solaire. 86 000 TW d’énergie solaire atteignent la surface du globe contre 870 TW dans tous les vents du monde. La demande mondiale totale est d’environ 12 TW, soit beaucoup moins que la quantité qui pourrait être générée par les ressources éoliennes et solaires potentielles. De 40 à 85 TW pourraient être fournis par le vent et environ 580 TW par le soleil.

L’énergie marémotrice

L’énergie marémotrice est la plus prévisible de toutes les sources d’énergie renouvelables variables. Deux fois par jour, les marées varient à 100%, mais elles ne sont jamais intermittentes, au contraire, elles sont totalement fiables. On estime que la Grande-Bretagne pourrait obtenir 20 % de son énergie à partir de l’énergie marémotrice, mais seulement 20 sites dans le monde ont encore été identifiés comme des centrales marémotrices possibles.

Hydroélectricité au fil de l’eau

Dans de nombreux comtés européens et en Amérique du Nord, le mouvement environnemental a éliminé la construction de barrages à grands réservoirs. Les projets au fil de l’eau se sont poursuivis, comme le projet Keeyask de 695 MW au Canada, dont la construction a débuté en 2014. L’absence de réservoir entraîne des variations saisonnières et annuelles de la production d’électricité.

Faire face à la variabilité

Historiquement, les exploitants de réseau utilisent les prévisions journalières pour choisir les centrales qui compenseront la demande chaque heure du lendemain et ajustent ces prévisions à des intervalles aussi courts que toutes les heures ou même toutes les 15 minutes pour tenir compte de tout changement. Généralement, seule une petite fraction de la demande totale est fournie en tant que réserve tournante.

Selon certaines projections, d’ici 2030, la quasi-totalité de l’énergie pourrait provenir de sources non répartissables – la quantité d’énergie éolienne ou solaire disponible dépend des conditions météorologiques, et au lieu d’allumer et d’éteindre les sources disponibles, on pourrait stocker ou transmettre ces sources au moment où elles peuvent être utilisées ou là où elles peuvent être utilisées. Une partie de l’énergie excédentaire disponible peut être détournée vers la production d’hydrogène pour être utilisée dans les navires et les avions, un stockage d’énergie à relativement long terme, dans un monde où presque toute notre énergie provient du vent, de l’eau et du soleil (WWS). L’hydrogène n’est pas une source d’énergie, mais un moyen de stockage. Une analyse des coûts devra être effectuée entre le transport interurbain et la surcapacité. Le soleil brille toujours quelque part et le vent souffle toujours quelque part sur la Terre, mais est-il rentable d’amener l’énergie solaire d’Australie à New York ?

Si une capacité excédentaire est créée, le coût est augmenté parce que la totalité de la production disponible n’est pas utilisée. Par exemple, ERCOT prévoit que 8,7 % de la capacité éolienne nominale sera disponible de façon fiable en été – ainsi, si le Texas, qui a une demande de pointe de 68 379 MW en été, construit des parcs éoliens de 786 000 MW (68 379/0,087), il produirait, avec un facteur de capacité de 35 %, 2,4 millions MWh par année – quatre fois la consommation, mais peut-être suffisamment pour répondre aux pointes d’été. Dans la pratique, il est probable qu’il y ait des périodes où il n’y a presque pas de vent dans toute la région, ce qui ne constitue pas une solution pratique. Il y a eu 54 jours en 2002 où il y avait peu d’énergie éolienne disponible au Danemark. La puissance éolienne installée potentielle estimée pour le Texas, en utilisant des éoliennes de 100 mètres à un facteur de capacité de 35 %, est de 1 757 355,6 MW. Dans des endroits comme la Colombie-Britannique, où les ressources hydrauliques sont abondantes, l’énergie hydraulique peut toujours combler toute pénurie d’énergie éolienne.

L’éolien et le solaire sont quelque peu complémentaires. Une comparaison de la puissance des panneaux solaires et de l’éolienne de la Massachusetts Maritime Academy en montre l’effet. En hiver, il y a généralement plus de vent et moins de soleil, et en été plus de soleil et moins de vent, et pendant la journée plus de soleil et moins de vent. Il n’y a toujours pas de soleil la nuit et il y a souvent plus de vent la nuit que le jour, de sorte que le soleil peut être utilisé en partie pour combler la demande de pointe le jour, et le vent peut satisfaire une grande partie de la demande la nuit. Il existe cependant un besoin important de stockage et de transport pour combler les écarts entre l’offre et la demande.

Comme l’a dit le physicien Amory Lovins :

La variabilité du soleil, du vent et ainsi de suite, s’avère être un non-problème si vous faites plusieurs choses sensées. L’une est de diversifier vos énergies renouvelables par la technologie, de sorte que les conditions météorologiques défavorables pour une espèce soient bonnes pour une autre. Deuxièmement, il faut diversifier les sites pour qu’ils ne soient pas tous soumis au même régime météorologique en même temps parce qu’ils se trouvent au même endroit. Troisièmement, vous utilisez des techniques de prévision météorologique standard pour prévoir le vent, le soleil et la pluie, et bien sûr, les exploitants hydroélectriques le font dès maintenant. Quatrièmement, vous intégrez toutes vos ressources – côté offre et côté demande… »

La combinaison de la diversification des énergies renouvelables variables par type et par emplacement, de la prévision de leur variation et de leur intégration aux énergies renouvelables expédiables, aux génératrices à combustible flexible et à la réponse à la demande peut créer un réseau électrique qui peut répondre de façon fiable à nos besoins. L’intégration de niveaux toujours plus élevés d’énergies renouvelables est démontrée avec succès dans le monde réel :

Variabilité et fiabilité

Mark A. Delucchi et Mark Z. Jacobson identifient sept façons de concevoir et d’exploiter des systèmes d’énergie renouvelable variable afin qu’ils répondent de façon fiable à la demande en électricité :

  1. interconnecter des sources d’énergie dispersées géographiquement et naturellement variables (p. ex. éolienne, solaire, houlomotrice, marémotrice), ce qui lisse considérablement l’offre (et la demande) d’électricité.
  2. utiliser des sources d’énergie complémentaires et non variables (comme l’énergie hydroélectrique) pour combler les écarts temporaires entre la demande et la production éolienne ou solaire.
  3. utiliser une gestion « intelligente » de la demande et de la réponse à la demande pour déplacer les charges flexibles vers une période où davantage d’énergie renouvelable est disponible.
  4. stocker l’énergie électrique sur le site de production (batteries, hydrogène gazeux, sels fondus, air comprimé, énergie hydroélectrique pompée et volants d’inertie) pour une utilisation ultérieure.
  5. surdimensionner la capacité de production de pointe renouvelable afin de réduire au minimum les périodes où l’énergie renouvelable disponible est inférieure à la demande et de fournir de l’énergie de rechange pour produire de l’hydrogène à des fins de transport et de chauffage flexibles.
  6. stocker l’énergie électrique dans des batteries de véhicules électriques, appelées « véhicule vers réseau » ou V2G.
  7. prévoir les conditions météorologiques (vents, lumière du soleil, vagues, marées et précipitations) afin de mieux planifier les besoins en approvisionnement énergétique.

Jacobson et Delucchi affirment que l’énergie éolienne, l’énergie hydraulique et l’énergie solaire peuvent être mises à l’échelle de façon rentable pour répondre à nos besoins énergétiques, nous libérant ainsi de notre dépendance à la fois des combustibles fossiles et de l’énergie nucléaire. En 2009, ils ont publié « A Plan to Power 100 Percent of the Planet With Renewables » dans Scientific American. Une analyse technique plus détaillée et mise à jour a été publiée sous la forme d’un article en deux parties dans la revue à comité de lecture Energy Policy.

Un article de Kroposki, et al. discute des défis techniques et des solutions pour exploiter des systèmes d’énergie électrique avec des niveaux extrêmement élevés d’énergie renouvelable variable dans IEEE Power and Energy Magazine. Cet article explique qu’il existe d’importantes différences physiques entre les réseaux électriques qui sont dominés par des sources d’énergie électroniques telles que les réseaux éoliens et solaires et les réseaux électriques conventionnels basés sur des génératrices synchrones. Ces systèmes doivent être conçus de façon à assurer la stabilité et la fiabilité du réseau.

Les énergies renouvelables se renouvellent naturellement et les technologies d’énergie renouvelable augmentent la sécurité énergétique parce qu’elles réduisent la dépendance à l’égard des sources étrangères de combustible. Contrairement aux centrales électriques qui utilisent l’uranium et le plutonium recyclé comme combustible, elles ne sont pas soumises à la volatilité des marchés mondiaux des combustibles. L’énergie renouvelable décentralise l’approvisionnement en électricité et minimise ainsi la nécessité de produire, de transporter et de stocker des combustibles dangereux ; la fiabilité de la production d’électricité est améliorée en produisant de l’électricité à proximité du consommateur d’énergie. Une panne accidentelle ou intentionnelle affecte une plus petite quantité de puissance qu’une panne dans une grande centrale électrique.

Perspectives d’avenir

L’Agence internationale de l’énergie affirme que la question de la variabilité de la production d’électricité renouvelable a fait l’objet d’une trop grande attention. La question de l’approvisionnement intermittent s’applique aux technologies renouvelables populaires, principalement l’énergie éolienne et l’énergie solaire photovoltaïque, et son importance dépend d’une série de facteurs qui incluent la pénétration du marché des énergies renouvelables concernées, l’équilibre des installations et la connectivité élargie du système, ainsi que la flexibilité du côté de la demande. La variabilité constituera rarement un obstacle à un déploiement accru de l’énergie renouvelable lorsque la production distribuable est également disponible. Mais à des niveaux élevés de pénétration du marché, cela exige une analyse et une gestion minutieuses, et des coûts supplémentaires peuvent être nécessaires pour la sauvegarde ou la modification du système. La fourniture d’électricité renouvelable dans une fourchette de pénétration de 20 à 50 % et plus a déjà été mise en œuvre dans plusieurs systèmes européens, bien que dans le cadre d’un système de réseau européen intégré :

En 2011, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), l’un des plus éminents chercheurs sur le climat sélectionnés par les Nations Unies, a déclaré que  » à mesure que les infrastructures et les systèmes énergétiques se développent, en dépit de leur complexité, il y a peu, voire aucune, limite technologique fondamentale à intégrer un portefeuille de technologies des énergies renouvelables pour satisfaire une part majoritaire de la demande énergétique totale dans les endroits où des ressources renouvelables adéquates existent ou peuvent être fournies « . Les scénarios du GIEC  » indiquent généralement que la croissance des énergies renouvelables sera généralisée dans le monde entier « . Le GIEC a déclaré que si les gouvernements apportent leur soutien et que l’ensemble des technologies d’énergie renouvelable sont déployées, l’approvisionnement en énergie renouvelable pourrait représenter près de 80 % de la consommation mondiale d’énergie d’ici quarante ans. Rajendra Pachauri, président du GIEC, a déclaré que les investissements nécessaires dans les énergies renouvelables ne coûteraient qu’environ 1% du PIB mondial par an. Cette approche pourrait contenir des niveaux de gaz à effet de serre inférieurs à 450 parties par million, niveau de sécurité au-delà duquel les changements climatiques deviennent catastrophiques et irréversibles.

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