Foire aux questions sur les énergies renouvelables, partie 2

Après avoir examiné dans la première partie les questions relatives aux sources d'énergie renouvelables (SER), qui jusqu'à récemment étaient considérées comme un obstacle sérieux à leur développement, mais qui ont ensuite été supprimées ou affaiblies, nous sommes arrivés aux problèmes des énergies renouvelables, pertinents aujourd'hui.


Centrale solaire flottante chinoise

U: La variabilité et l'incontrôlabilité fondamentales de la production d'énergie renouvelable limitent leur part dans le système énergétique à 10-20%, après quoi les accidents et les coupures de courant commencent.

R: Initialement, tous les réseaux électriques à grande échelle ont la capacité d'ajuster la production et la demande - sur une échelle de 5 à 10% en quelques minutes et sur une échelle de 30 à 70% pendant la journée. L'automatisation de ce processus vous permet d'intégrer sans douleur de petites parts de production d'énergie renouvelable dans le réseau, par exemple 10% de la production annuelle dans des sources concentrées, ou 20% est distribué sur tout le réseau.

Avec une nouvelle augmentation de la pénétration des SER variables, les problèmes commencent à croître, car les capacités de compensation des générateurs contrôlés sont épuisées.


Part de la production d'énergie renouvelable en Allemagne par années. Ici, environ 6 à 7 points de pourcentage concernent l'hydroélectricité et 5% les centrales thermiques à biomasse.

Jusqu'à la part de la pénétration des énergies renouvelables modifiables de 25 à 30% de la consommation annuelle totale, cependant, il y a suffisamment de solutions techniques: mise en place de systèmes de prévisions météorologiques dans le contrôle des expéditions (= génération de SER), modernisation des centrales thermiques pour augmenter le taux de variation de la capacité, ajout de nouvelles lignes électriques et sous-stations pour augmenter les opportunités de flux d'électricité.

Ainsi, en Allemagne, avec l'augmentation de la part des énergies renouvelables variables de 8 à 20% de 2010 à 2015, la panne moyenne d'électricité par abonné n'a quasiment pas changé - de 11,5 à 12,2 minutes par an (soit 2 millièmes de pour cent du temps) . Cependant, le coût de cette stabilité a considérablement augmenté, ce dont nous discuterons dans la section appropriée.

Nous pouvons dire quelques mots sur le côté technique de la question. Traditionnellement, l'équilibrage du réseau était basé sur deux points - la rotation synchrone de tous les générateurs du réseau, qui introduisait une inertie décente et une insensibilité aux changements rapides de charge et une régulation active de la puissance, ce qui nous permettait de regagner des changements de charge lents et à grande échelle (par exemple, jour-nuit).



La génération de SER, par exemple solaire, n'a pas d'inertie, mais elle est capable de synthétiser la fréquence nécessaire au réseau, la résistance de la source (c'est-à-dire le courant fourni) et les caractéristiques réactives. De plus, les éoliennes modernes peuvent utiliser l'inertie du rotor d'une éolienne pour synthétiser l'inertie nécessaire du réseau, bien que jusqu'à présent cette technique ne soit pas largement utilisée.

Avec des canaux de communication constants avec le logiciel de contrôle du répartiteur, les réseaux RES peuvent théoriquement prendre en charge le bon fonctionnement du réseau électrique, bien qu'en raison de la nouveauté certaine de ce phénomène et de la complexité du phénomène, des problèmes persistent (par exemple, une décoloration à grande échelle en Australie en février 2017 s'est produite en raison de violation de l'interaction correcte des réseaux, de la production éolienne et des capacités thermiques)

On peut dire avec prudence que si la vitesse de mise en œuvre des SER n'est pas très élevée, en fonction du coût de la transition du système énergétique du pays vers les SER, les problèmes techniques sont insignifiants - l'économie du réseau et la répartition ont le temps de s'adapter à la situation existante.

U: Pour équilibrer la variabilité des énergies renouvelables, des quantités incroyables de stockage d'énergie sont nécessaires - des centaines de fois plus élevées que leur production annuelle actuelle. L'équilibrage est donc impossible.

R: L'accumulation est la façon la plus simple et logique de faire face à la variabilité - nous accumulons de l'énergie sur les surplus météorologiques et dépensons pour les carences. Pour le soleil dans les bons endroits (où le LCOE de l'électricité primaire des panneaux est faible), l'accumulation quotidienne quitte progressivement les laboratoires sur le terrain - les premiers projets apparaissent (par exemple, il y a déjà quelques dizaines de tels projets) avec des panneaux d'une puissance de dizaines de mégawatts, d'une capacité de batterie de dizaines et de centaines de mégawatts * heures - dans le cas le plus simple de «toujours beau temps», cela suffit pour fournir aux clients 24 heures sur 24 une capacité d'environ 25 à 30% de la capacité installée du SB.

Les problèmes commencent si nous essayons d'étendre la fourniture continue d'électricité pour «une belle journée ensoleillée d'été»


Evolution de la sortie théorique du module SB au cours de l'année (jour de l'année selon l'axe inférieur) en fonction de la latitude de l'installation.

En effet, même au premier coup d'œil sur les programmes annuels de production d'énergie renouvelable, leur saisonnalité devient visible, pour les centrales solaires en Allemagne, par exemple, atteignant une différence de 30 fois (!) Entre le pic estival et le minimum hivernal. Cela signifie que vous devez soit construire un excédent impressionnant d'énergie renouvelable (7 ou peut-être 10 fois), soit être capable de stocker l'énergie d'été pour l'hiver.


Calendrier hebdomadaire de production d'énergie renouvelable en Allemagne en 2017. La différence au soleil entre la pire semaine (51) et la meilleure (22) atteint 53 fois.

Dans le scénario de stockage saisonnier, les tailles de batterie obtenues à partir des modèles pour les pays de latitudes modérées représentent plusieurs pour cent de la consommation annuelle d'énergie pour la part de la production d'énergie renouvelable dans la région de 60 à 85%. Quelques pourcentages pour l'Allemagne, par exemple, sont de 10 à 15 TWh * h, malgré le fait que la production mondiale de batteries lithium-ion est aujourd'hui d'environ 0,25 TW * h par an. Même des chiffres colossaux pour les États-Unis et la Chine - on peut parler de 50 ... 200 TW * h. De plus, ces nombres sont optimisés pour un certain mélange de variabilité, car par exemple, dans le cas de l'Allemagne, l'anti-corrélation de la saisonnalité du vent et du soleil (visible sur le graphique ci-dessus) joue un rôle dans la réduction de la taille de l'accumulation.

D'un autre côté, il n'y a rien de fondamentalement impossible dans ces chiffres - il y a suffisamment de lithium sur la planète pour construire de telles quantités de méga-batteries, l'humanité sait aussi construire des usines. Des questions sont soulevées par le prix d'une telle décision, mais plus à ce sujet ci-dessous.

La situation avec un éventuel stockage d'électricité dans des centrales de pompage (PSPP) est légèrement meilleure - ici, vous pouvez trouver de nombreuses formations naturelles et artificielles qui vous permettent de stocker les quantités nécessaires d'électricité, mais ces endroits sont dispersés à travers la planète de manière très inégale, et si de grands pays comme les États-Unis sont susceptibles de faire face Avec la question de l'accumulation sans augmenter la production de batteries lithium-ion d'un facteur 1000, il ne serait pas possible de créer une telle PSP en Europe.


Des projets de stockage solaire se développent activement au Chili

Enfin, pour les centrales solaires, il existe une variante des centrales solaires thermiques avec accumulateur de chaleur - cette technologie se développe et promet une électricité 24 heures sur 24 à un prix abordable, mais aujourd'hui ses perspectives ne sont pas totalement claires. Si les problèmes d'accumulation d'énergie deviennent plus aigus à mesure que la part des énergies renouvelables augmente, il est possible que certains d'entre eux soient traités avec précision à l'aide d' accumulateurs de chaleur SES .

Jusqu'à présent, ils essaient de résoudre les problèmes d'équilibrage de manière compromettante - en étendant les capacités de compensation d'autres types de générateurs électriques, en construisant des centrales à gaz «de pointe» spéciales, en construisant des batteries locales et en demandant des «sources d'énergie renouvelables 24 heures sur 24» - toute cette activité augmente légèrement la part autorisée de la production non contrôlée dans système électrique.

À l'avenir, apparemment, le nombre de projets de stockage d'énergie augmentera, mais il faudra beaucoup de temps avant qu'une sorte de systématicité et d'importance systémique n'apparaisse en raison de l'écart énorme entre l'échelle actuelle de mise en œuvre et les besoins théoriques.

U: Personne ne prend en compte le coût réel de l'équilibrage de la variabilité des SER dans le système électrique. Lorsque ce coût augmentera, les plans d'introduction des énergies renouvelables s'effondreront.

R: J'ai déjà mentionné ci-dessus que jusqu'à une part des sources d'énergie renouvelables renouvelables de 10 à 20%, les coûts sont couverts par les mécanismes compensatoires intégrés des réseaux énergétiques, donc ils sont invisibles. Cependant, lorsque cette barre est dépassée, ils commencent à croître.

La part autorisée de sources alternatives peut être augmentée par des méthodes traditionnelles - en introduisant une prévision de production d'énergie renouvelable pour les heures et les jours à venir, en améliorant la manœuvrabilité de la production contrôlée (centrales thermiques, nucléaires et hydroélectriques), en augmentant le nombre de connexions au réseau, en contrôlant (si possible) la demande d'électricité. Le coût de ces solutions, selon l'étude (M. Joosa, I. Staffellb, 2018), est assez important - les coûts de réseau en Allemagne et en Grande-Bretagne ont augmenté de + 60% avec une augmentation de la part des SER variables de 8 à 20% et de 3 à 14%, respectivement. Ici, il faut comprendre que la fonction de coût est extrêmement non linéaire - la majeure partie des coûts se situe à des moments où les capacités compensatoires du réseau électrique atteignent la limite. Ce moment est bien illustré par une telle photo



Ici, les coûts des opérateurs de réseaux électriques allemands pour l'équilibrage des vents variables sont exprimés en euros. En 2012, ils ont dépensé 200 millions d'euros à 50 TWh (4 euros par MWh - quelques pour cent du LCOE du vent), et en 2015, quand il y avait un montant inhabituellement élevé - 1100 millions d'euros à 80 TW * h, t. e. 13,75 euros par MWh - plus de 20% du vent LCOE en Allemagne en 2015.

La situation peut être illustrée comme suit: avec une augmentation de la part des énergies renouvelables, les coûts du système augmentent, et si le LCOE des énergies renouvelables diminue avec une augmentation de leurs volumes, le LCOE du système baisse d'abord, et à partir d'une certaine part est remplacé par la croissance, et cette croissance s'accélère

L'accélération de la croissance du système LCOE avec l'augmentation de la part des énergies renouvelables peut s'expliquer sur des détails assez évidents (une large part des énergies renouvelables n'est pas acceptée par le système, car inutile, le KIUM de la génération traditionnelle est en baisse, de plus en plus de réseaux doivent être construits, etc.), mais en général cela peut s'expliquer de manière plus générale: l'ancienne structure du système énergétique devient de moins en moins optimale pour les sources d'énergie renouvelables et il est nécessaire d'en construire une nouvelle optimisée pour une large part des sources d'énergie renouvelables. La construction étant très chère (on peut parler de plusieurs PIB annuels du pays), elle devrait s'étirer sur des décennies. Et toutes ces décennies, le système d'alimentation fonctionnera dans un mode non optimal, c'est-à-dire Le LCOE du système à moyen terme sera plus élevé que le long terme. C'est une bonne et une mauvaise nouvelle pour les passionnés des énergies renouvelables - d'une part, la lumière est visible au bout du tunnel (et le développement de la technologie fonctionne pour réduire les coûts), d'autre part, des décennies douloureuses de coûts élevés attendront les sources d'énergie renouvelables, que tous les pays ne peuvent pas supporter.

Les coûts peuvent être estimés par le haut - par exemple, 10 TWh de batteries lithium-ion coûteront (à un coût légèrement prometteur) un billion de dollars, la construction de lignes électriques transcontinentales en Europe à une échelle de 200 GW - un autre billion de dollars, la construction d'un terwatt d'éoliennes - encore deux billions et etc.

Ainsi, la gradation suivante est obtenue: presque tous les pays peuvent aujourd'hui se permettre 10 à 20% de la production d'énergie renouvelable, et les pays du Sud et riches ou situés dans des endroits uniques peuvent se permettre plus à un coût égal ou même inférieur à la production traditionnelle.

Une part de 40 à 50%, si les pays avec une production hydroélectrique ou géothermique prédominante peuvent être rejetés, les pays riches ou bien situés peuvent se le permettre - cela inclut l'Allemagne, le Danemark (qui a déjà près de 50%), la Grande-Bretagne, la Californie (le considérant comme un pays distinct) , Le Texas et aussi des pays comme l'Arabie saoudite, les Émirats arabes unis, le Koweït et d'autres monarchies d'inondation.

Une nouvelle augmentation de la part des énergies renouvelables dans ces pays nécessitera une restructuration fondamentale des réseaux et s'éternisera très longtemps, dépassant l'horizon de la prévision inertielle fiable.

W: Eh bien, d'accord, tout est en quelque sorte très déroutant, mais quelles sont les perspectives pour les énergies renouvelables? Vont-ils vaincre toutes les autres sources ou non?

R: La question nécessite une connaissance de l'avenir, que je ne possède pas. Mais si vous regardez les prévisions de divers bureaux, vous pouvez voir que les optimistes (Bloomberg NEF) pensent que d'ici 2050 la part des SER modifiables atteindra 48% dans l'électricité (environ 24% dans le primaire), et les pessimistes (British Petroleum), qui est ~ 30 % (15%) avec une part actuelle de ~ 10% dans la production d'électricité et d'environ 4,5% dans la production d'énergie primaire.


Les prévisions de Bloomberg concernent la production d'électricité (40 à 50% de la consommation totale d'énergie primaire, la proportion augmentera)


Les prévisions de BP couvrent la consommation d'énergie primaire, de sorte que la part des énergies renouvelables semble plus petite ici et est divisée en plusieurs scénarios.

À mon avis, ces prévisions de compromis inertielles peuvent être jetées en toute sécurité à la poubelle - en tout cas, cette ligne lisse qui est tracée entre aujourd'hui et 2050. Le développement des énergies renouvelables sera déterminé par de nombreux facteurs - y aura-t-il de nouvelles batteries bon marché (au prix de 50 $ par kilowatt * heure de batterie, le prix quotidien du soleil 24h / 24 sera égal au gaz / charbon dans la plupart des pays du monde), la «fin des hydrocarbures» ou de nouvelles choses comme le schiste / le pétrole des grands fonds, ou le réchauffement climatique deviendra trop évident pour le laisser freiner ... Dans l’autre sens, la perte de popularité du thème «vert», la lassitude des électeurs face aux coûts du «virage énergétique», économique difficultés, stagnation de la consommation d'énergie.


Une autre prévision pour les batteries BNEF est de 1291 GW (* h?) De batteries installées d'ici 2050, dont 40% localement dans les foyers avec SB, 70 $ le kilowatt * heure du module de batterie (ce prix est aujourd'hui d'environ 200 $).

Au final, l'histoire connaît de nombreuses prévisions injustifiées pour l'énergie - par exemple, les prévisions pour le développement de l'énergie nucléaire des années 60 ont été divisées par dix environ, ou les prévisions d'il y a 15 ans pour le développement des énergies renouvelables en Espagne d'ici 2020 ont doublé.

La seule chose qui peut être prédite est que jusqu'en 2050, la situation de domination absolue des SER dans le monde ne se produira certainement pas , bien que Bloomberg NEF pour RES + hydro donne une prévision de 64% de la production totale d'électricité (ce qui correspond à environ 30 à 32% de la production primaire - aujourd'hui, il s'agit de ces des parts égales sont occupées par le charbon, le gaz et le pétrole). Ce n'est qu'à la fin du XXIe siècle que les prévisions inertielles permettent une transition presque complète vers les énergies renouvelables, mais il est absolument impossible de prédire la probabilité que cela se produise.

U: Et qu'en est-il de la percée technologique, des nouveaux panneaux solaires ou des superaccumulateurs - quelles sont les perspectives ici? Peut-être qu'il y a quelque chose à l'horizon?

R: Au cours des 10 à 15 dernières années, des ressources financières et humaines très importantes ont été investies dans la recherche d'innovations dans le domaine des énergies renouvelables et du stockage de l'énergie. Cependant, la concurrence entre les groupes scientifiques dans ce vaste domaine est extrêmement féroce. Les groupes sont obligés de publier leurs conclusions, de sorte que chaque semaine, vous pouvez entendre parler d'une autre percée dans le domaine des batteries ou un peu moins - dans le domaine des énergies renouvelables.


Le développement des batteries lithium-ion peut être illustré par une augmentation de la consommation spécifique d'énergie (W * h par kilogramme). Bien que les points soient couverts par un exposant, le rectangle prévu indique très probablement une croissance continue d'ici 2030 (1,66 fois). Bien que la consommation d'énergie spécifique ne soit pas directement liée au coût, elle l'affecte - moins de matériaux par kWh - moins de prix.

Cependant, des statistiques impartiales montrent que le nombre de brevets délivrés dans ce domaine diminue après le pic de 2015. La position dominante du silicium polycristallin SB sur le marché aujourd'hui (alors qu'il y a 10 à 5 ans, 4 à 5 technologies différentes avaient des parts égales) et 2 à 3 types structurels très similaires d'éoliennes laissaient entendre que la consolidation technologique des sources d'énergie renouvelables était terminée. En retour, cela signifie qu'aucune option n'a été trouvée dans les laboratoires qui promettrait une percée par rapport au niveau actuel, et les principaux fabricants sont passés de la recherche à l'optimisation, où il est plus difficile d'obtenir un nouveau brevet.



Un autre facteur joue ici. Pendant de nombreuses années, le prix de l'électricité solaire, par exemple, a été dominé par le coût d'un panneau semi-conducteur. Cependant, pendant les années de boom, ce coût a tellement diminué que la part de la «partie semi-conductrice» est tombée à <50% du coût total du SES. Une nouvelle baisse de prix a perdu son ancienne force et n'a pas un tel effet sur le LCOE, ce qui signifie qu'il n'est pas tellement demandé par le marché.


2018 dans ce graphique est une prévision qui n'a pas encore été justifiée, le prix a gelé au niveau de 16-17, ce qui peut également être considéré comme un moment important dans le développement de la technologie

Est-ce à dire que nous attendons maintenant une évolution terne, quand une amélioration de 10% de l'efficacité sur 10 ans est considérée comme un résultat super cool? Cette situation est probable. Cependant, contrairement à l'aviation civile, il reste une chance que de nouvelles technologies «tirent». Par exemple, il semblerait que réduire le prix des panneaux de 10 fois n'a pas de sens pour LCOE? Mais cela signifie une grande simplification de la question de l'accumulation et de l'équilibrage - maintenant pour le même prix, vous pouvez installer un énorme excès de panneaux qui ne fonctionneront tout simplement pas en été et en même temps, donneront suffisamment de puissance en hiver.

L'avenir n'est pas connu, mais la physique / ingénierie du solide présente encore régulièrement des surprises, il est donc trop tôt pour ignorer cette option. La seule chose que l'on peut dire, c'est que même si une telle révolution se produit, elle affectera la trajectoire mondiale de l'introduction des sources d'énergie renouvelables au plus tôt dans 10 ans, mais renversera complètement toutes les prévisions dans 15-20 ans.

Si nous prenons les technologies de batterie, alors ici l'équilibre, au contraire, est biaisé en faveur de la probabilité de changements révolutionnaires, car il existe immédiatement de nombreux domaines de développement prometteurs et un grand écart entre les capacités théoriques du lithium et la réalité. . *, .

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