L'infrastructure énergétique la plus critique des États-Unis, le réseau, est plus vulnérable que jamais. Les raisons sont doubles :un changement dans le mix des sources d'énergie affecte la stabilité du réseau, combiné à une augmentation des catastrophes naturelles. Lorsqu'une partie de la grille s'éteint, cela peut provoquer un effet d'entraînement sur des régions entières s'il n'est pas rapidement corrigé.

C'est là que l'hydroélectricité joue un rôle central, selon une nouvelle étude menée par le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) qui a quantifié la contribution de l'hydroélectricité à la stabilité du réseau dans la région ouest des États-Unis. Lorsque d'autres sources d'énergie s'éteignent, l'hydroélectricité peut augmenter rapidement, combler les déficits et stabiliser le réseau presque instantanément.

Et les pénuries sont de plus en plus courantes :les pannes dues uniquement aux conditions météorologiques extrêmes ont quadruplé au cours des cinq dernières années.

"Ce qui fonctionnait pour l'ancien réseau pourrait ne plus fonctionner à l'avenir", a déclaré Abhishek Somani, un scientifique du PNNL qui a dirigé l'étude multinationale en laboratoire. "Pendant des années, les opérateurs ont utilisé l'hydroélectricité pour la stabilité du réseau, mais l'étendue des contributions de l'hydroélectricité n'a pas été connue au-delà de cette sphère, jusqu'à maintenant."

Régulateur de vitesse pour une grille résiliente

En 2003, par une chaude après-midi d'août dans l'Ohio, un arbre envahi par la végétation a frôlé une ligne électrique à haute tension et a provoqué un arrêt, connu sous le nom de panne. Trois autres défauts se sont produits lorsque d'autres lignes ont pris le relais, puis sont devenues surchargées. Bientôt, cette panne régionale a déclenché une cascade de pannes de courant du Michigan à New York, devenant la plus grande panne d'électricité de l'histoire des États-Unis et laissant 50 millions de personnes dans le noir.

Pourtant, à New York, l'hydroélectricité a démarré et produisait près de la moitié de l'électricité totale de l'État dans les six heures suivant la panne de courant. La taille même de deux des plus grands barrages de New York, Niagara et St. Lawrence-FDR, a aidé l'État à résister au choc de la panne qui avait poussé d'autres types de centrales électriques hors ligne.

"Si une grande centrale électrique s'éteint ou qu'un incendie de forêt brûle une ligne de transmission, cela modifie la fréquence de fonctionnement du réseau et peut provoquer une chute en dessous de sa fréquence typique de 60 Hz", a déclaré Somani. "S'il n'est pas corrigé en quelques secondes, cela peut entraîner des pannes généralisées."

La réponse en fréquence est à peu près comme l'utilisation du régulateur de vitesse d'une voiture en montée. Le moteur tourne pour maintenir la vitesse. De même, lorsqu'une partie du réseau s'éteint de manière inattendue, d'autres centrales électriques accélèrent pour combler la puissance perdue et maintenir la fréquence à 60 Hz. Cela se produit en quelques secondes. Nous ne remarquons pas de baisse de fréquence car l'inertie des générateurs en rotation, des moteurs industriels ou des turbines maintient les lumières allumées pendant que le réseau revient à pleine vitesse pour répondre à la demande d'énergie.

Pendant des décennies, la réponse en fréquence des sources d'énergie conventionnelles, telles que le charbon, le gaz et les centrales nucléaires, a fourni une stabilité globale. Mais tout cela est en train de changer.

Dans le mouvement vers la décarbonation, un grand défi avec la révolution des énergies renouvelables est de maintenir la stabilité du réseau puisque l'éolien et le solaire ne contribuent pas actuellement à la réponse en fréquence. Bien que la technologie existe, il n'y a aucune incitation réglementaire ou financière pour les opérateurs d'énergie solaire ou éolienne à contribuer la réponse en fréquence au réseau.

Le rôle de l'hydroélectricité dans un réseau résilient

En avril 2018, dans la forêt nationale d'Angeles, en Californie, une ancienne épissure de ligne électrique s'est cassée. La ligne est tombée sur la tour, provoquant une panne et une panne de courant qui a mis hors ligne une centrale solaire. Cela a provoqué une chute soudaine de la fréquence de l'ensemble du réseau. L'hydroélectricité dans tout l'Ouest a réagi instantanément pour contrer ce changement de fréquence et a contribué à hauteur de 60 % à la réponse pour arrêter une éventuelle chute libre de l'énergie.

"Nous avons toujours su que l'hydroélectricité apportait une réponse, mais la mesure dans laquelle elle l'a fait était surprenante", a déclaré Somani, dont l'équipe s'est penchée sur des événements comme celui de la forêt nationale d'Angeles.

Avec un œil sur l'interconnexion de l'ouest, le vaste réseau de transport d'énergie qui alimente l'ouest des États-Unis, l'équipe de recherche a démontré que l'hydroélectricité est déjà positionnée pour stabiliser le réseau lorsque la puissance baisse. À l'aide de simulations et d'événements historiques, ils ont découvert que les contributions de l'hydroélectricité à la réponse en fréquence variaient de 30 à 60 %.

Même si l'hydroélectricité fournit ce service, il n'existe actuellement aucun mécanisme de compensation.

"Il n'est pas facile de mettre un prix sur la valeur de la réponse en fréquence, mais à l'avenir, nous devrons probablement le faire", a déclaré Somani.

Simuler des vagues de chaleur, des tremblements de terre, etc.

Pour analyser le rôle de l'hydroélectricité dans une série d'événements extrêmes, l'équipe de recherche a développé des modèles pour simuler le rôle que l'hydroélectricité pourrait jouer dans ces scénarios. Ceux-ci comprenaient des événements météorologiques, tels qu'une vague de chaleur ou une vague de froid, ainsi que des événements aggravants, tels que des sécheresses.

Par exemple, s'il y avait une panne inattendue d'un parc de centrales au gaz naturel dans l'interconnexion ouest, les résultats de la simulation ont montré que l'hydroélectricité pourrait intervenir et fournir 50 % de la réponse en fréquence, même si elle contribue à environ un quart de la puissance globale. Cette réponse est essentielle car une panne généralisée des centrales au gaz naturel aurait des effets d'entraînement considérables sur le réseau et pourrait potentiellement déclencher une panne bien pire.

Une autre simulation a montré que si deux unités de la centrale nucléaire de Palo Verde en Arizona se déconnectaient et arrêtaient de produire de l'électricité, l'hydroélectricité pourrait fournir une réponse en fréquence supérieure à toutes les autres sources d'énergie combinées, même si elle ne produit qu'environ 30 % de l'électricité dans cette région.

"Il est bien connu que l'hydroélectricité produit de l'énergie propre. Ce qui n'était pas aussi bien connu, quantifié ou évalué, c'est l'étendue de son rôle pour assurer la résilience du réseau", a déclaré Somani.

L'équipe de recherche, dirigée par Somani et composée de cinq laboratoires nationaux, a développé un cadre d'analyse, qui peut être utilisé comme modèle pour évaluer le rôle de l'hydroélectricité dans les futurs scénarios de réseau. À l'avenir, ils pourront également modéliser les pannes causées par d'autres événements extrêmes, tels que les tremblements de terre et les incendies de forêt.

Ce travail a été soutenu par le bureau des technologies de l'énergie hydraulique du ministère de l'Énergie dans le cadre de l'initiative HydroWIRES, qui vise à clarifier le rôle évolutif de l'hydroélectricité dans le cadre d'une infrastructure de réseau moderne et à libérer son potentiel d'optimisation des opérations du réseau.

"Les contributions de l'hydroélectricité à la résilience du réseau" ont été dirigées par PNNL, avec le laboratoire national d'Argonne, le laboratoire national de l'Idaho, le laboratoire national des énergies renouvelables et le laboratoire national d'Oak Ridge.