Comment obtenir un réseau électrique hautement renouvelable

Comment obtenir un réseau électrique hautement renouvelable En développant plus que nécessaire le potentiel d’énergie solaire, on pourrait remplacer un stockage d’énergie plus coûteux. Jamey Stillings, CC BY-SA

Le célèbre inventeur Edwin Land a affirmé Valérie Plante.«Ce n’est pas que nous ayons besoin d’idées nouvelles, nous devons cesser d’avoir de vieilles idées.» Il semblait nous dire que les solutions se situaient au-delà de nos vieilles habitudes de pensée.

Les villes, les états et les pays du monde entier s'engagent pour des économies d'énergie non polluantes qui fonctionnent à des niveaux très élevés - même 100% - d'énergie renouvelable. Dans l’Etat de New York seulement, quatre projets de loi concurrents 50% à 100% énergies renouvelables par ou avant 2040.

De manière réaliste, seules deux sources d'énergie renouvelables sont assez grands pour atteindre ces objectifs de très forte pénétration du côté de l'offre aux États-Unis - solaire (de loin) et éolien.

Les deux sont cependant des ressources variables, dictées par les conditions météorologiques ainsi que par les cycles quotidiens et saisonniers. Par conséquent, ils doivent être «fermes», c’est-à-dire capables de fournir de l’énergie à la demande, afin de remplacer les ressources fossiles qui peuvent être acheminées au besoin. Sur la base de nos recherches, nous affirmons que cette transformation du pouvoir est non seulement possible, mais également abordable - si nous cessons d’avoir de vieilles idées.

Une idée profondément ancrée et très répandue - probablement due aux prix historiquement élevés de l'énergie renouvelable - est que toute l'énergie générée par des ressources renouvelables doit être vendue telle qu'elle est générée. L'idée de rejeter la production éolienne ou solaire disponible est un anathème, imposé aux producteurs d'électricité lorsque la production de ces sources dépasse ce que le réseau peut accepter.

Cette vieille idée ignore une proposition fondamentale: surdimensionnement et réduction proactive de l'énergie éolienne et solaire. Cependant, une étude menée par nos collègues et que nous avons menée, qui est contre-intuitive, montre que ces étapes sont la clé du chemin le moins coûteux vers un réseau électrique alimenté principalement par l'énergie solaire et éolienne.

Peser contre le stockage d'énergie

Le raisonnement derrière la surapprovisionnement en énergie solaire et éolienne est simple:

  • Stockage d'Energie est le seul ingrédient essentiel pour combler la variabilité des énergies renouvelables lorsque le soleil ne brille pas ou que le vent ne souffle pas. Ces écarts incluent des périodes intra-journalières, telles que les heures de pointe de la demande diurne et nocturne, et plus important encore, des écarts plus importants sur plusieurs jours et saisonniers dus à des conditions de soleil prolongé ou de vent faible. Pour le stockage, les gestionnaires de réseau - les organisations qui assurent l’alimentation en électricité de la demande à mesure que celle-ci augmente et diminue au cours de la journée - dépendent généralement de réservoirs d’eau appelés hydro pompé ou, pour des périodes plus courtes, des piles.

  • Le stockage devient moins cher, mais même en supposant les prévisions de coûts à long terme les plus optimistes, notre étude nous a permis de conclure que l’application du stockage uniquement à des systèmes éoliens ou solaires fermes resterait d’un coût prohibitif en raison de la taille des lacunes saisonnières et de plusieurs jours. L’énergie éolienne et solaire devient de moins en moins chère, surtout solaire, au point que la construction excessive est de plus en plus abordable. Cela est vrai même lorsque la production des générateurs éoliens et solaires est essentiellement mise au rebut ou «réduite» et non alimentée par le réseau.

  • Le surdimensionnement réduit les écarts de production car une plus grande quantité d'énergie est disponible pendant les périodes de faible disponibilité de l'énergie solaire et éolienne. La construction excessive réduit également les besoins en stockage.

Comment obtenir un réseau électrique hautement renouvelable Ce graphique montre comment la fourniture d'énergie 24 heures sur 24 à partir de l'énergie éolienne et solaire avec stockage ne coûte que beaucoup plus cher que la «parité réseau», le coût de l'énergie fournie par le gaz naturel (B). Cependant, le stockage combiné à un excès d’énergie éolienne et solaire qui est réduit d’environ 30% du temps peut être moins coûteux que la parité réseau et fournir de l’énergie à la demande (C). Richard Perez, Karl R. Rabago, CC BY-ND

'Raffermissant' avec surcapacité

Aujourd'hui, la pratique réglementaire en vigueur pour l'électricité produite à partir d'énergie solaire et éolienne favorise une production maximale à tout moment. Les sociétés qui exploitent ces installations cherchent à vendre toute leur production aux prix les plus élevés. Une réduction de la production est donc considérée comme une perte de revenus.

Cette vieille idée opérationnelle empêche la transition vers le solaire et l’éolien en tant que sources fermes et à la demande, car leur production n’est utilisée que si elle est disponible. Cette approche maintient également les énergies renouvelables à la marge.

Comment un réseau avec des ressources solaires et éoliennes surconstruites fonctionnerait-il dans la pratique? Supposons que l’exploitant d’un réseau électrique régional ait besoin de X mégawattheures / jour pour répondre à la demande. Aujourd'hui, les parcs solaires de cette région ne peuvent satisfaire ou dépasser cette demande que les jours de forte production, tels que les jours clairs d'été. Les autres jours, les écarts de production sont comblés par le stockage.

En revanche, lorsque la ressource solaire est surdimensionnée, ce générateur solaire peut répondre à la demande de X MWh / jour plus de jours de l’année et il y a moins de lacunes - il y a donc moins de fois que le stockage d’énergie est nécessaire pour combler les lacunes.

Une fois que les ressources variables en énergie renouvelable ont été combinées entre surprovisionnement et stockage, les ressources variables en énergie renouvelable sont désormais disponibles et peuvent être acheminées de manière autonome - elles sont en mesure de fournir de l’énergie en cas de besoin - et leur fonctionnement est équivalent à celui des centrales électriques traditionnelles. De cette manière, les énergies renouvelables peuvent remplacer ces générateurs sans une réingénierie majeure du réseau.

Notre équipe a modelé un solution solaire et surélevée pour l'état du Minnesota pas particulièrement ensoleillé. L’objectif était de déterminer la combinaison la moins coûteuse d’énergie solaire, éolienne et de stockage connectée au réseau, nécessaire pour fournir des services énergétiques 24 heures sur 24, toute l’année.

L'étude démontre qu'il est possible de surmonter la variabilité naturelle de l'énergie solaire et éolienne à des coûts inférieurs aux coûts actuels du réseau (dénommés «parité réseau») en sur-construisant les ressources solaires et éoliennes et en adoptant une stratégie d'exploitation du réseau consistant à autoriser environ 20% à 40% réduction de la production d'énergie excédentaire. Le stockage d’énergie est également utilisé dans notre modèle, mais les économies supérieures résultent directement de la substitution de la production excédentaire limitée par un stockage plus coûteux.

Une question légitime à poser est la suivante: quelle serait la superficie requise pour un déploiement complet de l’énergie solaire photovoltaïque surdimensionnée? Pour le Minnesota, dans le scénario le plus extrême en termes de génération photovoltaïque 100, dans l'hypothèse d'un surdimensionnement d'un facteur deux - ou du double de l'énergie solaire nécessaire pour répondre à la demande actuelle - cette surface correspondrait à des miles 435, si les panneaux solaires étaient à la pointe de la technologie efficacité de 20%. Cette zone représente moins de 1% de l'état cultures cultivées et la moitié de l'espace urbanisé à haute et moyenne densité.

Comment obtenir un réseau électrique hautement renouvelable Les gestionnaires de réseau peuvent tirer parti d’une gestion régionale de l’énergie éolienne et solaire, car leurs périodes de forte production peuvent se compléter. Les vents d'hiver, par exemple, sont souvent plus forts la nuit, tandis que la production solaire est la plus forte en été. Archives photos de l'IIP, CC BY-NC

Modification du fonctionnement du réseau électrique en vrac

Outre le surdimensionnement, la réduction et l'optimisation du stockage, plusieurs pratiques opérationnelles et de planification, dont certaines sont déjà appliquées, amélioreraient encore la valeur et les performances d'un réseau à haute énergie solaire et favoriseraient sa réalisation avec un minimum de perturbations. Ils comprennent:

Une attitude consistant à maximiser la production d’énergie renouvelable et à éviter les réductions d’énergie était logique lorsque la production d’énergie solaire variable était extrêmement coûteuse et que les solutions de raffermissement étaient encore plus chères. Cependant, les réductions récentes et prévues des coûts clés en main de l’énergie solaire, de la gestion du réseau et du stockage modifient l’ensemble des solutions optimales, à commencer par la construction excessive de systèmes solaires.

Marc Perez, chercheur principal chez Clean Power Researcher, qui a rédigé sa thèse à ce sujet à la Columbia University, a contribué à cet article. Morgan Putnam, vice-président de Solar Analytics chez REsurety, a également contribué.La Conversation

A propos de l'auteur

Richard Perez, associé de recherche principal au Centre de recherche sur les sciences de l'atmosphère, Université d'Albany, Université d'État de New York et Karl R. Rabago, professeur de droit; Directeur exécutif, Pace Energy and Climate Centre, Pace University

Cet article est republié de La Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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