Nous avons besoin d'une électricité propre et ferme pour un système énergétique décarboné

Si nous voulons décarboniser notre économie, nous aurons besoin de beaucoup plus d'électricité. Et si nous voulons y parvenir avec succès, à un prix abordable et de manière fiable, nous devrons déployer tous les types de technologies énergétiques sans carbone à notre disposition.  

Pour décarboniser le réseau, nous devons remplacer les systèmes de combustibles fossiles existants par de l'énergie propre et combler le vide laissé par les centrales nucléaires qui partent à la retraite, puis doubler ou tripler ce total pour répondre à la demande supplémentaire liée à l'électrification des transports et des secteurs résidentiel, commercial et industriel. Aux États-Unis, ce double défi nécessitera de multiplier par huit la production actuellement assurée par des sources d'énergie sans carbone (figure 1).1

L'énergie éolienne, l'énergie solaire et le stockage dans des batteries seront probablement la pierre angulaire de ce futur réseau électrique élargi, mais nous ne pourrons probablement pas compter uniquement sur ces sources, car elles dépendent des conditions météorologiques - leur production varie d'un facteur de deux ou plus selon l'heure, le jour et la saison - et ne sont pas disponibles à la demande pour correspondre à la charge électrique.2 Même si nous étions en mesure de fournir la totalité ou la quasi-totalité de notre électricité à partir de ces sources, le maintien de la fiabilité et la maîtrise des coûts dans un tel système nécessiteront probablement des quantités importantes d'énergie sans carbone, non dépendante des conditions météorologiques et toujours disponible, c'est-à-dire de l'énergie propre et ferme.

Les études universitaires et industrielles montrent invariablement que pour réaliser cette transition en temps voulu et à un coût abordable, il faut permettre aux technologies de production d'énergie propre de compléter l'éolien, le solaire et le stockage au sein de la palette des sources d'électricité. Ces sources comprennent l'énergie géothermique, la combustion d'hydrogène, la biomasse et le gaz avec capture du carbone, et l'énergie nucléaire.3 Elles peuvent fournir de l'électricité à n'importe quelle heure de la journée, n'importe quel jour de l'année, indépendamment de la saison ou des conditions météorologiques.

La production d'électricité propre est essentielle à la transition énergétique pour des raisons qui ne se limitent pas à la fiabilité. En voici cinq : 

1. L'énergie propre et ferme réduit le besoin de capacités éoliennes et solaires surdimensionnées.

Un système électrique sans production ferme et répartissable exige que la capacité éolienne et solaire soit dimensionnée pour répondre à la plus grande charge saisonnière et quotidienne. Pendant les périodes de pointe de l'énergie éolienne et solaire, il en résulte une production excédentaire qui dépasse ce qui est nécessaire pour équilibrer la charge. Une partie de cette production excédentaire pourrait être utilisée pour reconstituer le stockage et pour produire de l'hydrogène par électrolyse. Cependant, une grande partie de cette production excédentaire serait probablement réduite (c'est-à-dire volontairement arrêtée). Cette capacité installée excédentaire d'énergie éolienne et solaire serait coûteuse, utiliserait davantage de terres et de minéraux essentiels, et augmenterait les besoins de transmission - autant de défis importants décrits plus loin.

2. L'énergie propre et ferme réduit la nécessité d'une capacité de stockage coûteuse, rarement utilisée et de longue durée.

Le stockage de courte durée peut généralement fournir de l'électricité pendant des périodes de 4 heures. Cependant, il est probable qu'il y ait des périodes prolongées de pénurie, allant de plusieurs jours à plusieurs mois, tout au long d'une année normale (figure 4)5. Dans cet exemple, pour combler ce "déficit énergétique" et maintenir la fiabilité de ce système sans énergie propre ferme, il faudrait installer une grande capacité de stockage (33 TWh de stockage) pour faire face à la période de pénurie de 68 jours. Ce développement du stockage nécessiterait de vastes infrastructures à un coût élevé, dont la plupart ne sont utilisées qu'une fois par an.

3. L'énergie propre et ferme réduit le kilométrage et la quantité de nouvelles lignes de transmission à construire.

En raison de la nature dispersée des générateurs d'énergie renouvelable variable, chaque groupe, et parfois les centrales individuelles, ont besoin d'une ligne de transmission pour se connecter à la ligne de transmission principale ("bulk"). Une étude récente menée en Californie a révélé qu'un réseau reposant exclusivement sur des sources variables dispersées qui devraient être équilibrées triplerait le nombre de lignes de transport nécessaires par rapport à un système utilisant une énergie propre et ferme telle que l'énergie nucléaire,6 mais la Californie n'autorise actuellement que quelques lignes de ce type par décennie, avec des délais moyens récents de 10 ans.7 Des délais d'attente similaires de dix ans ont été observés au Royaume-Uni.8 La planification et la construction de ces lignes de transport prennent du temps, et la plupart des entités de planification du transport n'ont pas été équipées, dotées en personnel ou financées de manière adéquate pour évaluer ces demandes d'interconnexion de manière efficace. Les coûts de ces mises à niveau des infrastructures rendent également le coût final du projet incertain, mais susceptible d'augmenter au fur et à mesure que les meilleurs sites ayant un accès plus facile aux lignes de transport sont utilisés, ce qui pourrait compenser toute baisse supplémentaire des coûts des technologies éoliennes et solaires.

4. L'énergie propre et ferme réduit la dépendance à l'égard d'un déplacement généralisé et cohérent de la demande pour maintenir la fiabilité.

La nature variable de l'énergie éolienne et solaire tout au long de la journée nécessiterait une transformation de la façon dont nous utilisons notre électricité. Dans le réseau actuel, la production d'électricité est ajustée tout au long de la journée pour répondre à la demande. Dans un réseau éolien et solaire sans production ferme, c'est l'inverse qui doit se produire ; même avec un niveau élevé de stockage, nous devrions ajuster notre demande pour suivre les schémas de production quotidiens de l'éolien et du solaire. C'est ce que l'on appelle souvent la "flexibilité de la demande", qui comprend des mesures industrielles, commerciales et résidentielles telles que la réduction de la production des usines lorsque le soleil ou le vent est faible, le contrôle du moment où les véhicules électriques sont chargés et l'activation ou la désactivation du chauffage, de la climatisation et de la réfrigération pour s'adapter à la production.

Bien que cela soit théoriquement possible, cela nécessiterait une énorme quantité de supervision opérationnelle et un degré non prouvé de participation sociétale et de modifications comportementales associées à des politiques gouvernementales rigoureuses. L'intégration d'une production propre et ferme dans le réseau réduit considérablement la dépendance à l'égard de ces mesures de flexibilité de la demande en permettant d'augmenter l'offre d'électricité pour répondre à la demande, comme le font les centrales fossiles et nucléaires existantes dans notre réseau actuel. 

5. L'énergie propre des entreprises accélère la transition énergétique

L'atténuation des pires effets du changement climatique repose sur une décarbonisation rapide du système énergétique, et la satisfaction de notre demande énergétique par les seules énergies renouvelables retarderait la transition en raison du nombre considérable de projets qu'il faudrait développer et implanter pour installer une capacité éolienne et solaire suffisante. Le choix des sites deviendra de plus en plus difficile au fur et à mesure que la capacité cumulée d'énergie éolienne et solaire augmentera, en raison d'utilisations concurrentes des terres, d'une diminution du nombre de propriétaires fonciers favorables, de l'augmentation de la distance par rapport au réseau de transport et de l'opposition croissante du public (figure 5), comme nous le verrons plus en détail ci-dessous. 

Pour être clair, il ne s'agit pas d'un débat opposant les entreprises propres aux énergies renouvelables variables. Nous avons besoin des deux. La combinaison de sources fermes propres avec l'éolien et le solaire réduirait le coût total de la transition et l'horizon temporel de 60 à 110 % (en fonction de l'étude de modélisation et des spécifications et hypothèses du scénario).10 Par exemple, une étude EPRI de 2021 a révélé qu'un scénario 100 % renouvelable coûterait entre 500 et 800 milliards de dollars de plus qu'un scénario d'émissions nettes nulles diversifié sur le plan technologique, pour les horizons 2050 et 2035, respectivement.11 Une étude sur les filières d'électricité 100 % sans carbone en Californie a harmonisé les hypothèses de trois modèles différents et a montré qu'en complétant l'éolien, le solaire et le stockage par une production propre ferme, on pourrait réduire de moitié les coûts du réseau d'électricité propre (figure 6)12.

Répondre à la demande accrue d'électricité tout en décarbonisant le réseau et en maintenant la fiabilité sera un énorme défi, qui souligne la nécessité d'une énergie propre et ferme pour compléter les énergies renouvelables variables. Pour relever ce défi, nous avons besoin de toutes les sources d'énergie sans carbone possibles. Cela signifie qu'il faut investir dans de nouvelles filières sans carbone tout en soutenant les sources d'énergie sans carbone existantes dans le cadre de notre portefeuille de solutions énergétiques propres. 

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1 Données d'Eric Larson et al, Université de Princeton, Net-Zero America : Potential Pathways, Infrastructure, and Impacts, rapport intermédiaire (2020), https://netzeroamerica.princeton.edu/img/Princeton_NZA_Interim_Report_15_Dec_2020_FINAL.pdf

2 Voir généralement Dan Tong et al., Geophysical constraints on the reliability of solar and wind power worldwide, Nature Commc'n, 22 octobre 2021, https://www.nature.com/articles/s41467-021-26355-z.

3 Une analyse de 7 études nationales a révélé que la part moyenne d'énergie propre ferme était de 35 % du mix de production net zéro projeté. Voir The NorthBridge Group, Review and Assessment of Literature on Deep Decarbonization in the United States : Importance de l'échelle du système et de la diversité technologique 11 (2021), https://cdn.catf.us/wp-content/uploads/2021/06/21092235/NorthBridge_Deep_Decarbonization_Literature_Review.pdf

4 U.S. EIA, California's curtailments of solar electricity generation continue to increase, Today in Energy, (24 août 2021), https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=49276.

5 Jesse Jenkins, Princeton University (2019), analyse non publiée réalisée pour CATF, disponible sur demande.

6 Voir Jane Long, et al, Clean Firm Power is the key to California's Carbon-Free Energy Future, Issues in Science and Technology (2021), https://www.edf.org/sites/default/files/documents/LongCA.pdf.

7 Alex Breckel et al, Growing the Grid : A Plan to Accelerate California's Clean Energy Transition (2022), https://cdn.catf.us/wp-content/uploads/2022/10/11081420/growing-grid-plan-accelerate-californias-clean-energy-transition.pdf

8 Gil Plimmer, Renewables projects face 10-year wait to connect to electricity grid, Financial Times (8 mai 2022) https://www.ft.com/content/7c674f56-9028-48a3-8cbf-c1c8b10868ba

9 CATF, d'après des travaux non publiés de Lucid Catalyst ; chiffres disponibles sur demande.

10 Voir, par exemple, Nestor Sepulveda et al, The Role of Firm Low-Carbon Electricity Resources in Deep Decarbonization of Power Generation, Joule, 17 oct. 2018, https://www.researchgate.net/publication/327480033_The_Role_of_Firm_Low-Carbon_Electricity_Resources_in_Deep_Decarbonization_of_Power_Generation ; Christopher Clack, Bipartisan Policy Center, Modeling Renewable Energy, Clean Technologies and Electrification for Deep Decarbonization Future (2019), https://vibrantcleanenergy.com/wp-content/uploads/2019/05/BPPC-VCE_RevCF-_31May2019.pdf ; Ejeong Baik et al, What is different about different net-zero carbon electricity systems, Energy & Climate Change, 10 juillet 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666278721000234 ; James Williams et al, Carbon Neutral Pathways for the United States, AGU Advances, 14 janvier 2021, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020AV000284 ; et Jamil Farbes et al, Evolved Energy Research, Federal Policy for Low-Carbon, High-Renewables Electricity (2020), file:///Users/toddwarshawsky/Downloads/Policy_LowCarbonElectricity_20201111.pdf.

11 Geoffrey Blanford et al, Electric Power Rsch. Inst. Powering Decarbonization : Strategies for Net-Zero CO2 Emissions (2021), https://www.epri.com/research/products/3002020700

12 Baik et al, supra note 21, p. 5.