Avec les objectifs fédéraux de réduction des émissions récemment annoncés, une poussée pour la décarbonisation du secteur électrique national et la chute des coûts éoliens et solaires, les États-Unis sont sur le point de déployer rapidement des quantités importantes d'énergies renouvelables.
À plus petite échelle, des centaines de villes, d'États et d'entreprises américaines ont déjà pris des mesures audacieuses en fixant leurs propres objectifs locaux de 100 %. des énergies renouvelables- et avec des analyses récentes comme l'étude Los Angeles 100 % Renewable Energy Study (LA100), nous sommes de plus en plus convaincus que des réseaux électriques fiables et 100 % renouvelables sont réalisables.
Mais étendre cet objectif final à l'ensemble des États-Unis présente un ensemble tout aussi vaste de défis - et la plausibilité de le faire a été un sujet de débat fervent au sein de la communauté de la recherche énergétique ces dernières années. Maintenant, une équipe de 17 experts en systèmes d'alimentation du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département américain de l'énergie (DOE) et de l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables (EERE) du DOE intervient avec une nouvelle approche.
La recherche offre une perspective tirée de l'expérience du monde réel dans le déploiement d'énergies renouvelables variables, de la littérature et de l'expérience de notre équipe qui étudie ces questions en détail au cours des deux dernières décennies à diverses échelles - de notre étude de 2012 sur l'avenir de l'électricité renouvelable à l'échelle nationale à notre 2021 travail sur LA100 », a déclaré Paul Denholm, principal analyste énergétique NREL et auteur principal de l'article. «Bien que nous nous concentrions ici sur le système électrique américain, bon nombre des problèmes abordés et des leçons apprises s'appliquent plus généralement à d'autres régions - et ce sont des défis complexes et multidisciplinaires qui nécessiteront une grande collaboration entre la communauté de recherche pour être résolus.»
Tout d'abord: définir ce que nous entendons par un réseau 100% renouvelable
Lorsque l’on examine les défis liés à la réalisation d’un réseau national alimenté à 100 % par des énergies renouvelables, il est important de définir d’abord précisément ce que nous entendons par cette expression. Pour cet article, les auteurs expliquent deux aspects clés de la définition : sans souci type et limite du système.
"Le type de technologie établit essentiellement la définition du mot renouvelable - qui peut varier en fonction des paramètres d'une étude de recherche ou des priorités d'une communauté fixant un objectif ou une politique renouvelable", a déclaré Denholm. «Ici, nous distinguons deux types généraux de technologies: ce que nous appelons les technologies variables qui dépendent des conditions météorologiques à court terme et utilisent généralement des onduleurs, comme l'éolien et le solaire photovoltaïque [PV]; et ceux qui sont moins - ou pas du tout - variables et utilisent généralement des générateurs synchrones traditionnels, y compris l'hydroélectricité, la biomasse, la géothermie et l'énergie solaire à concentration. »
Dans cet article, les systèmes 100% renouvelables ne sont pas limités aux seules technologies variables comme le solaire PV et l'éolien. Cependant, comme les ressources renouvelables non variables sont généralement limitées géographiquement, les auteurs supposent généralement que les ressources variables constitueraient une grande partie d'un réseau 100% renouvelable à l'échelle nationale.
Lorsqu'il s'agit de définir les limites du système, les auteurs exigent que le réseau fonctionne physiquement avec un approvisionnement en énergie 100% renouvelable à tout moment. Cela contraste avec les systèmes, les entreprises ou les entités corporatives qui atteignent des objectifs 100% renouvelables en utilisant des crédits d'énergie renouvelable, des compensations ou d'autres mécanismes financiers.
Ce que nous savons, ce que nous pensons savoir et ce que nous ne savons pas
Pour encadrer les questions les plus critiques et proposer un programme de recherche vers des solutions, les auteurs explorent la contribution croissante des énergies renouvelables dans le système électrique américain selon trois axes: 1) ce que nous savons basé sur l'expérience du monde réel, 2) ce que nous pensons savoir basé sur des études de planification et d'exploitation du réseau, et 3) ce que nous ne savons pas sans étude ou expérience supplémentaire.
«Nous mettons l’accent sur les questions qui, selon nous, peuvent être abordées grâce au développement technologique et à l’ingénierie, mais nous reconnaissons que d’autres sujets sont d’une importance cruciale - des considérations de site aux préoccupations en matière d’équité énergétique, en passant par les défis politiques, réglementaires et de conception du marché», a déclaré Denholm. «Nous voulons ouvrir la voie à la résolution des problèmes techniques et économiques afin de mieux traiter d’autres aspects complexes de la transition du système électrique.»
Plutôt que de se concentrer uniquement sur l'objectif final d'un réseau 100% renouvelable, l'équipe examine comment les défis liés à l'intégration des énergies renouvelables évoluent avec un déploiement croissant. Cela est dû en partie au manque d’analyse technique détaillée des systèmes 100% renouvelables à l’échelle nationale, mais aussi au fait que les plans pratiques pour atteindre l’objectif ne seraient pas élaborés à partir d’une ardoise vierge. Les solutions 100% renouvelables robustes doivent prendre en compte la manière d'utiliser de manière optimale les actifs du système électrique existant.
«En fin de compte, les défis techniques, les coûts et les avantages des énergies renouvelables varient en fonction de leur part dans le mix de production», a déclaré Denholm. «100% n'est qu'un point sur un continuum, il est donc utile d'explorer les coûts et les avantages à tous les niveaux de déploiement des énergies renouvelables.»
Dans ce cadre, le document organise les défis technico-économiques de la réalisation de 100% d'énergies renouvelables à toutes les échelles de temps en deux catégories: 1) maintenir économiquement un équilibre entre l'offre et la demande (appelé le défi de l'équilibre) et 2) concevoir techniquement fiable et stable réseaux utilisant en grande partie des ressources basées sur des onduleurs comme l'éolien et le solaire (appelé Inverter Challenge)
Le défi de l'équilibre: faire correspondre l'offre et la demande économiquement
Le défi de l'équilibre se résume à s'assurer que le système électrique peut équilibrer de manière économique l'offre et la demande à diverses échelles de temps, de l'échelle critique de secondes à minutes nécessaire pour résister aux pannes imprévues, à l'échelle saisonnière qui correspond aux pannes et à la maintenance programmées des centrales électriques. avec des périodes de moindre demande.
«Les ressources variables ne sont que cela — variable — de sorte qu'elles fluctuent intrinsèquement à différentes échelles de temps», a déclaré Denholm. «Il y a ce que nous appelons un décalage diurne entre le moment de la demande de pointe et le moment où la production solaire et éolienne est la plus élevée pendant la journée, ce que nous constatons dans des phénomènes comme la courbe de canard. Au-delà de cela, il existe un décalage saisonnier important entre les modèles éolien, solaire et de demande, qui est encore plus difficile à résoudre. »
Ce graphique du document illustre conceptuellement le défi de l'équilibre en termes de la façon dont les coûts et les défis attendus peuvent changer avec le déploiement croissant des énergies renouvelables. Aux niveaux actuels, l'énergie renouvelable est compétitive par rapport aux sources de production traditionnelles dans de nombreuses régions des États-Unis, car le secteur des services publics a été en mesure de faire face de manière rentable à la variabilité horaire et infra-horaire.
Au-delà de ces niveaux, nous atteignons la deuxième zone, où des études ont exploré comment le problème de l'inadéquation diurne pourrait être résolu de manière rentable pour atteindre des contributions annuelles de l'ordre de 80% d'énergies renouvelables. Mais au-delà de ce point, dans la troisième zone, le problème de l'inadéquation saisonnière peut nécessiter des technologies qui n'ont pas encore été déployées à grande échelle - leurs coûts et leurs exigences ne sont donc pas clairs.
Le défi des onduleurs: concevoir des réseaux fiables et stables qui reposent sur des ressources basées sur des onduleurs
Le défi de l'onduleur est similaire au défi de l'équilibre en ce sens qu'ils impliquent tous deux d'équilibrer l'offre et la demande à différentes échelles de temps. Mais le défi de l'onduleur est différent en ce que les préoccupations sont étroitement concentrées sur un ensemble de considérations techniques spécifiques, par opposition aux problèmes économiques plus larges associés au défi de l'équilibre.
Le défi des onduleurs concerne les problèmes associés à la transition vers un réseau dominé par les ressources basées sur les onduleurs (IBR) - principalement la production éolienne et solaire photovoltaïque, ainsi que le stockage des batteries.
La plupart de l'énergie électrique aux États-Unis provient actuellement de turbines couplées à des générateurs synchrones; les générateurs sont couplés électriquement et tournent à la même fréquence. Pour fournir un réseau fiable et stable, les planificateurs et les opérateurs du système ont exploité plusieurs caractéristiques inhérentes aux générateurs synchrones, notamment l'inertie de rotation (énergie cinétique stockée dans de grandes masses rotatives) et la capacité d'injecter de grandes quantités de courant dans le réseau. Ces caractéristiques sont à la base de la stabilité et de la protection traditionnelles du système d'alimentation.
«Les ressources basées sur des onduleurs ont des caractéristiques très différentes par rapport aux générateurs synchrones, y compris un manque de réponse inertielle couplée physiquement et, historiquement, une capacité limitée à fournir de grandes quantités de courant dans des conditions de défaut», a déclaré Ben Kroposki, directeur de l'ingénierie des systèmes d'alimentation de NREL. Centre et co-auteur de l'article. «Ainsi, étant donné que nous dépendons davantage des ressources basées sur les onduleurs, ils devront fournir des services actuellement fournis par des générateurs synchrones, ce qui peut entraîner des changements dans la façon dont le système électrique est contrôlé et protégé.»
Alors que ne savons-nous pas?
Le document explore en détail à la fois le défi de l'équilibre et le défi de l'onduleur, y compris les importantes questions sans réponse qui subsistent lorsqu'il s'agit de se rapprocher ou d'atteindre 100% d'énergies renouvelables à l'échelle nationale pour toutes les heures de l'année.
«Il n'y a pas de réponse simple à la mesure dans laquelle nous pouvons augmenter le déploiement des énergies renouvelables avant que les coûts n'augmentent considérablement ou que la fiabilité ne soit compromise», a déclaré Denholm. «En ce qui concerne les« derniers pour cent »du chemin vers 100%, il n'y a pas de consensus sur une voie claire et rentable pour relever à la fois le défi de l'équilibre et le défi de l'onduleur à l'échelle nationale.
«Les études n'ont trouvé aucun seuil technique spécifique auquel la grille« casse », et nous ne pouvons pas simplement extrapoler à partir d'analyses de coûts précédentes car, pour l'avenir, il y a beaucoup de non-linéarités et d'inconnues inconnues - des choses que nous ne faisons même pas. sais que nous ne savons pas encore.
Les auteurs disent que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour évaluer la suite de technologies qui peuvent aider à garantir que l'offre d'énergies renouvelables correspond aux modèles de demande sur toutes les périodes - et que nous aurons besoin d'une ingénierie et d'une conception importantes pour faire passer le réseau d'un réseau dépendant de machines synchrones à un autre. qui est basé sur des onduleurs.
Où allons-nous à partir d'ici? Un appel à la collaboration et à une réévaluation continue
Réaliser un avenir élevé en électricité renouvelable pour les États-Unis nécessitera plus que de s'attaquer aux défis de l'équilibre et de l'onduleur - y compris la résolution des problèmes d'accès aux ressources, d'environnement, de marché et de comportement humain qui eux-mêmes peuvent affecter la conception et le rythme pour parvenir à une électricité 100% renouvelable. . Ce sont des défis complexes et multidisciplinaires qui ne peuvent être résolus par une seule entité et nécessiteront une collaboration entre les communautés de recherche technique, les universités, les laboratoires et l'industrie.
«Les questions sans réponse de notre article fournissent un programme de recherche pour l'analyse, la R&D technologique et l'ingénierie nécessaires pour réaliser des systèmes 100% renouvelables rentables», a déclaré Dan Bilello, directeur du centre d'analyse stratégique de l'énergie de NREL et co-auteur de l'article. . «Non seulement nous avons besoin de nouveaux outils et ensembles de données pour faire avancer les études futures, mais nous avons également besoin d'une terminologie plus uniforme et d'une interaction facilitée entre les chercheurs et les organismes de recherche, en particulier dans différents domaines.»
De plus, les auteurs soulignent la nécessité de réexaminer en permanence la voie la plus efficace vers les objectifs nationaux de réduction des émissions et de décarbonisation, que ce soit grâce à une électricité 100% renouvelable ou à une autre combinaison de technologies à faible émission de carbone.
«À l'heure actuelle, il est difficile d'établir une base économique pour obtenir ces avantages environnementaux dans un réseau alimenté exclusivement par des énergies renouvelables», a déclaré Denholm. «La réduction économique des émissions globales impliquera probablement d'atteindre une production renouvelable très élevée, mais potentiellement inférieure à 100%, tout en se concentrant sur décarboner d'autres secteurs, ou en conservant des ressources non renouvelables mais à faible émission de carbone dans le mix. »
L'étude LA100 - bien qu'elle ne soit pas à l'échelle nationale - a révélé que l'électrification des secteurs des véhicules et des bâtiments peut conduire à des améliorations substantielles de la qualité de l'air - et que la réalisation de ces avantages est principalement une question de réalisation d'une efficacité énergétique et d'une électrification élevées, indépendamment de toute énergie renouvelable voie énergétique pour le secteur de l’électricité. LA100 a également constaté que les restrictions technologiques entraînent des coûts plus élevés lorsqu'il s'agit de répondre aux 10 derniers% de la demande d'électricité avec des énergies renouvelables, avec des réductions d'émissions différentielles minimales.
«Pour l'avenir, la recherche continue, l'analyse et une approche adaptable des solutions technologiques aideront à guider l'industrie de l'électricité et à augmenter nos chances d'atteindre les objectifs de décarbonation que nous visons en fin de compte lorsque nous parlons d'énergies renouvelables à 100%», a déclaré Denholm.