Un nombre croissant de recherches a démontré que des systèmes d'énergie renouvelables rentables sont possibles, mais les coûts augmentent à mesure que les systèmes approchent de l'électricité 100 % sans carbone, ce qui est devenu le « problème des 10 derniers % ».

L'augmentation des coûts est largement due à un décalage saisonnier entre le moment de la production variable d'énergie renouvelable et la demande. Répondre à la demande de pointe est difficile et coûteux pour tous les systèmes électriques, mais la résolution du problème d'inadéquation saisonnière pour les systèmes d'alimentation à haute énergie renouvelable peut nécessiter des technologies qui n'ont pas encore été déployées à grande échelle. Cela rend leurs coûts et leurs exigences peu clairs.

Pour aider à avancer vers des solutions potentielles à ce défi, une équipe de chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) a étudié les compromis de six stratégies technologiques possibles pour obtenir de 90% à 100% d'électricité sans carbone aux États-Unis. Cet ouvrage est publié dans un Joule article et peut aider à éclairer la prise de décision aujourd'hui.

"Aucune des stratégies n'est parfaite, et beaucoup d'incertitudes subsistent, mais l'étude met en évidence les principaux défis avec les 10% restants et examine toutes les principales options technologiques", a déclaré Trieu Mai, analyste du NREL et auteur principal de l'étude. "Davantage de recherche et développement seront importants pour se rapprocher d'une solution claire pour les derniers 10 % et faire progresser les États-Unis vers un secteur de l'électricité décarboné."

Ce que nous savons à ce jour sur le dernier défi des 10 %

NREL a étudié une variété de questions liées à la réalisation d'une production 100 % renouvelable aux États-Unis.

Dans un Joule précédent article, NREL a décrit les défis technico-économiques pour atteindre 100% d'énergies renouvelables à toutes les échelles de temps. L'étude a exploré deux types de défis :l'un lié au maintien économique d'un équilibre entre l'offre et la demande et l'autre lié à la conception de réseaux techniquement fiables et stables utilisant en grande partie des ressources basées sur des onduleurs comme l'éolien et le solaire.

Dans une étude de suivi, NREL a utilisé des capacités de modélisation de pointe pour comprendre les voies possibles et les coûts système de la transition vers un réseau électrique 100 % renouvelable. Résultats, publiés dans un autre Joule article, montrent que les coûts sont nettement inférieurs s'il existe une source rentable de capacité ferme - des ressources qui peuvent fournir de l'énergie pendant les périodes de faible production éolienne et solaire, de demande extrêmement élevée et d'événements imprévus comme les pannes de lignes de transmission. D'autres ressources que l'éolien, le solaire et le stockage diurne ou la flexibilité de la charge pourraient être importantes pour surmonter les derniers pour cent vers un réseau électrique 100 % renouvelable.

Dans l'étude Los Angeles 100% Renewable Energy Study (LA100), NREL a utilisé plusieurs modèles pour examiner quelles ressources pourraient être utilisées pour aider à atteindre les 10% restants et maintenir la fiabilité pour la ville de Los Angeles. Le NREL a également récemment achevé une étude historique sur la réalisation d'une électricité 100 % sans carbone d'ici 2035. L'analyse montre qu'il existe plusieurs voies pour atteindre l'objectif dans lequel les avantages environnementaux et sociétaux dépassent les coûts.

Ce dernier Joule l'article s'appuie sur les études du NREL sur le réseau électrique à haute production d'énergie renouvelable en explorant les compromis des solutions techniques potentielles qui pourraient être mises en œuvre pour les derniers pour cent.

Six stratégies pour les derniers 10 %

La solution technologique idéale pour les derniers 10 % a trois caractéristiques principales. Premièrement, la solution idéale dispose d'un crédit de capacité élevé afin que la capacité soit disponible pendant les périodes de stress élevé et puisse prendre en charge l'adéquation des ressources, l'un des « trois R de la fiabilité du système électrique » qui doit réussir pour un système électrique sûr et fiable. Deuxièmement, la solution idéale a des coûts d'investissement relativement faibles car elle ne sera pas souvent utilisée. Et troisièmement, il s'appuie sur des ressources largement disponibles et peut être déployé à grande échelle. Le NREL a étudié six stratégies technologiques susceptibles de répondre aux trois principales caractéristiques.

1. Énergie renouvelable variable, transport et stockage diurne

Une stratégie possible pour atteindre les 10 % restants repose sur les technologies existantes qui sont actuellement déployées. Cette stratégie construit une énergie renouvelable, une transmission et un stockage diurne (moins d'environ 24 heures) plus variables. Dans cette option, les énergies renouvelables variables et la capacité de transmission sont dimensionnées pour répondre à la demande pendant les périodes de stress quotidien sur le réseau, le stockage comblant les écarts d'approvisionnement horaires et réduisant l'excès d'énergie renouvelable variable (en savoir plus sur la réduction dans une vidéo explicative NREL).

Cette stratégie pourrait être plus compétitive en termes de coût s'il y avait une plus grande transmission à longue distance pour déplacer l'énergie renouvelable variable de grande valeur vers les centres de demande, et si les technologies éoliennes et solaires continuent de s'améliorer. Cependant, cette approche pourrait être plus difficile si l'utilisation des sols éoliens et solaires et les contraintes du site augmentent avec le temps - un autre sujet étudié par le NREL, y compris la publication récente d'un nouvel ensemble complet de données d'ordonnances locales pour l'implantation de projets d'énergie éolienne et solaire. /P>

2. Autre énergie renouvelable

Une autre stratégie possible pour les derniers 10 % utilise la géothermie, l'hydroélectricité et la biomasse, des technologies qui pourraient toutes jouer un rôle important dans un secteur de l'énergie à zéro émission. Ces technologies ne reposent pas sur des ressources solaires et éoliennes variables et peuvent potentiellement surmonter l'inadéquation saisonnière. Cependant, la disponibilité des ressources, en particulier dans les endroits où la demande d'électricité est élevée, pourrait limiter leur utilisation à certaines régions uniquement. Ces ressources ont également des coûts d'investissement relativement élevés qui pourraient être économiquement difficiles en tant que stratégie des derniers 10 %.

La production à base de biomasse pourrait être une autre option pour produire de l'électricité renouvelable pour les derniers 10 %. Cette option a un coût en capital relativement faible, mais il existe des incertitudes et des contraintes sur un approvisionnement régulier et durable en matières premières et sur le coût de la conversion de la biomasse.

3. Nucléaire et fossile avec captage du carbone

Les combustibles nucléaires et fossiles avec captage et stockage du carbone (CSC) sont largement cités comme des ressources potentiellement importantes dans un système électrique décarboné, car ils sont souvent fiables tout au long de l'année. Les centrales fossiles de CSC n'ont pas encore été déployées à grande échelle, mais certaines études révèlent un potentiel de déploiement important.

Cependant, cette stratégie s'accompagne de défis :un déploiement récent limité, des incertitudes en matière de coûts et des considérations environnementales et de sécurité, et le coût d'investissement élevé pour une faible utilisation pourrait créer des obstacles économiques.

4. Stockage saisonnier

Le stockage saisonnier fait référence à l'utilisation de l'électricité pour produire un combustible stockable qui peut être utilisé pour la production sur de longues périodes de temps, même jusqu'à des saisons entières de l'année. L'hydrogène ou d'autres combustibles dérivés de l'hydrogène sont actuellement les options les plus prometteuses pour le stockage saisonnier. La conversion de l'hydrogène en électricité peut se faire à l'aide de piles à combustible ou de technologies de combustion, qui sont converties en hydrogène. Ces options de production d'électricité alimentées par l'hydrogène pourraient avoir de faibles coûts d'investissement à l'avenir et être viables en tant que dernières stratégies à 10 %. Les principales incertitudes liées à cette stratégie incluent la disponibilité de l'infrastructure d'approvisionnement et de livraison de carburant (hydrogène).

5. Élimination du dioxyde de carbone

Les technologies d'élimination du dioxyde de carbone peuvent compenser les émissions des technologies de production d'électricité émettrices de carbone en réduisant le carbone atmosphérique. Cette dernière stratégie de 10 % est unique car elle s'appuie sur d'autres actifs de production pour soutenir l'adéquation des ressources sur le réseau.

Bien que les technologies d'élimination du dioxyde de carbone présentent une valeur unique, cette dernière option de 10 % présente des défis de déploiement. Très peu d'élimination du dioxyde de carbone a été déployée à ce jour dans le monde, et les coûts technologiques futurs restent incertains.

6. Ressources côté demande

Les ressources du côté de la demande, également appelées réponse à la demande ou flexibilité de la demande, constituent une solution unique à 10 % par rapport aux cinq autres stratégies étudiées.

Les ressources du côté de la demande réduisent la consommation d'électricité pendant les périodes de stress du système et aident à éviter les investissements dans de nouvelles capacités de pointe. Grâce à une planification flexible ou à l'interruption de la consommation d'électricité, ils peuvent également réduire les coûts d'exploitation ou être utilisés pour d'importants services de fiabilité du réseau. Les coûts d'investissement pour les contrôles du côté de la demande et les équipements de communication peuvent être faibles, et les coûts d'exploitation directs sont modestes.

Cependant, l'application d'options côté demande en tant que stratégie des derniers 10 % nécessite que les ressources soient disponibles de manière fiable sur de longues périodes de plusieurs jours. L'ampleur de la réponse nécessaire les jours d'événements extrêmes pourrait dépasser le potentiel de réponse à la demande, et la flexibilité des nouvelles charges électrifiées est incertaine.

"Compte tenu des coûts et de l'état de préparation de la technologie actuelle, des réductions importantes des émissions peuvent se produire grâce au déploiement accéléré des technologies éoliennes, solaires, de stockage diurne, de transmission et d'autres énergies renouvelables", a déclaré Paul Denholm, analyste du NREL et co-auteur de l'étude. "D'autres technologies pourraient également jouer un rôle important si elles deviennent compétitives et largement disponibles. Nous continuerons d'étudier ces solutions possibles, mais pour l'instant, la voie vers environ 90 % d'électricité sans carbone est de plus en plus claire. Après tout, arriver à 100 % nécessite d'abord d'atteindre 90 %." + Explorer plus loin

Vidéo :Comment avoir une capacité d'énergie renouvelable plus que suffisante peut rendre le réseau plus flexible