Près de la moitié des articles de notre blog sont, à un degré ou à un autre, consacrés à l'énergie à des degrés divers d'alternative et de non-alternative. Mais pour construire des prévisions réalistes sur l'énergie "verte" du futur, il faut connaître les réponses aux questions désagréables. Dans cet article, nous comparerons les faits actuels du domaine de la production et du stockage d'énergie afin de comprendre pourquoi le monde n'est pas pressé de passer à des sources d'énergie renouvelables respectueuses de l'environnement et quels problèmes restent à résoudre sur la voie de l'écologisation.
Sans exception, tout le monde a noté une augmentation de la part des énergies vertes dans le monde. On ne peut contester ce fait: le développement de l'énergie solaire et éolienne se
développe vraiment d'année en année à un rythme impressionnant. Cela signifie-t-il que les énergies renouvelables évincent régulièrement les combustibles fossiles? Non.
N'oubliez pas que d'année en année, non seulement l'énergie verte croît, mais aussi la consommation mondiale d'électricité. Pour satisfaire la demande, les sources d'énergie renouvelables ne suffisent pas à elles seules, les secteurs du charbon, du gaz et même du pétrole augmentent donc les volumes de production. Autrement dit, il est possible de parler du développement de l'énergie verte, mais il n'y a aucun moyen de la remplacer à partir de combustibles fossiles en dehors des pays européens les plus progressistes.
Si vous regardez la production d'énergie de tous les carburants pertinents,
il s'avère que non seulement l'énergie "verte" se développe. Le calcul est effectué en «tonnes d'équivalent pétrole» - l'équivalent d'énergie obtenue à partir de tonnes de pétrole. Source: BP Statistical Review of World Energy 2019EROI - la vraie valeur de l'énergie
Lorsqu'ils discutent de projets d'énergie verte, les développeurs soulignent en guise d'argument le faible coût de 1 kWh, qui dans certains cas est même inférieur au prix d'un kilowatt-heure généré par une centrale électrique au charbon. Si tel est le cas, pourquoi la part du charbon dans la production mondiale d'électricité est-elle toujours de
40% et ne reçoit-il pas moins de gaz fossile sur ses talons?
Il est plus juste d'évaluer et de comparer le coût de l'électricité reçue de différentes manières à l'aide de l'indicateur EROI (énergie retournée sur l'énergie investie) - le rapport de l'énergie reçue de la source à la quantité d'énergie dépensée pour sa génération. En utilisant EROI, vous pouvez évaluer le plus précisément les perspectives d'une source d'énergie, contrairement à une efficacité purement théorique ou à un saut de prix d'un pays à l'autre 1 kWh. Par exemple, EROI 20: 1 pour un certain type de combustible signifie que pour chaque kWh dépensé, 20 kWh peuvent être générés.
Graphique EROI pour différents types d'énergie aux USA. Source: Mrfebruar / Wikipedia
EROI pour chaque type de sortie peut varier considérablement au fil du temps. Cela dépend des technologies de production et de traitement, des réserves prouvées et de la complexité de la production de carburant, des prix des équipements et de la source d'énergie elle-même. Au début du 20ème siècle, alors que le pétrole était facilement accessible, l'EROI de sa production était fantastique à 1200: 1, et maintenant il s'équilibre au niveau de 5: 1 et continue de baisser lentement. Le ratio pour le charbon est passé à 75: 1 et a chuté à 30: 1, mais, étonnamment, les
scientifiques prédisent le pic d'EROI du charbon au milieu du XXI siècle, lorsque le ratio peut dépasser 100: 1.
Théoriquement, l'EROI du carburant doit être supérieur à 1, afin que son utilisation soit appropriée. En fait, avec un ratio inférieur à 4: 1, la source d'énergie doit être subventionnée, sinon son utilisation sera non rentable et très coûteuse. EROI juste au-dessus de l'unité n'est autorisé que pour les sociétés minières, dont l'essence est uniquement d'extraire la ressource et de la vendre plus tard - les sociétés pétrolières sont même à l'aise avec un ratio de 1,1: 1.
Énergie traditionnelle EROI
Le graphique EROI ci-dessus pour l'industrie énergétique américaine pour 2010 est très éloquent et généralement vrai pour les autres pays. Les centrales hydroélectriques dont l'EROI est proche de 100: 1 reposent sur une efficacité Olympus inatteignable. La construction d'une grande centrale hydroélectrique est une entreprise très coûteuse. Le complexe chinois des Trois Gorges a coûté 25,5 milliards de dollars au budget chinois, dont la station elle-même ne coûte que 9 milliards de dollars. Mais grâce au plus haut EROI et à la capacité installée de 22,5 GW, Three Gorges s'est payé un an après la mise en service officielle ou quatre après le lancement de la première turbine.
Découvrez la centrale électrique la plus puissante du monde - la centrale hydroélectrique des Trois Gorges sur le fleuve Yangtze. Capacité installée de 22,5 GW! Source: Le Grand Portage / Wikipedia
Le charbon, qui semble désormais un type de combustible terriblement archaïque et incroyablement sale, ne perdra même pas du terrain en Europe uniquement en raison de l'EROI élevé d'environ 30: 1 (beaucoup plus élevé aux États-Unis). Étonnamment, le recordman européen de consommation de charbon est ... l'Allemagne. 61% de l'anthracite achetée et 93% du charbon brun en Europe servent spécifiquement à produire de l'électricité. Par ailleurs, c'est en Allemagne l'année dernière que le volume de production «verte» a dépassé la production d'origine fossile. Fin 2019, la Commission sur l'abandon de la production de charbon a achevé ses travaux en Allemagne, présentant au gouvernement des plans et des recommandations pour la cessation de l'exploitation des centrales au charbon d'ici 2038. Il y a maintenant 84 centrales au charbon dans le pays qui sont obligées de réduire l'abandon de la production atomique - d'ici 2022, l'Allemagne va fermer toutes ses centrales nucléaires, bien que dans les années 2000, l'énergie nucléaire représentait un quart de la production du pays.
Carte des centrales électriques au charbon en exploitation en Allemagne (marquées en noir sur anthracite, brun - sur charbon noir) - elles représentent un quart de toute la production du pays. Par conséquent, les autorités devront essayer de compenser la disparition de 48,8 GW de génération. Source: CarbonBrief.org
Si le charbon est un combustible très sale, le gaz naturel est beaucoup plus respectueux de l'environnement et il est considéré comme le combustible fossile le plus prometteur pour les centrales électriques du futur, et son EROI dans les pays importateurs est de 20-30: 1, et dans la Russie productrice de gaz - pas moins de 75: 1, ce qui rend le gaz attractif et en demande. Plus que partout ailleurs - en Allemagne, où le rejet du charbon et des centrales nucléaires doit être compensé de toute urgence par quelque chose et où les énergies renouvelables seules ne sont pas le moyen de le faire.
Vert EROI
Passons maintenant à l'énergie "verte" EROI - c'est là que pour l'instant tout n'est vraiment pas très amusant. Le problème des énergies renouvelables est leur attachement rigide à la zone. Les stations solaires fonctionnent mieux près de l'équateur, le vent - sur la côte, la géothermie - dans les zones d'activité volcanique. Dans le même temps, la production de panneaux solaires cesse la nuit et est fortement réduite en hiver, les éoliennes sont éteintes pour la période de migration des oiseaux, et bien que les centrales géothermiques soient efficaces, leur puissance est extrêmement faible (des dizaines, au mieux des centaines de MW).
En théorie, l'énergie éolienne peut être très bon marché et faible en termes de développement, mais jusqu'à présent, l'un des meilleurs complexes marins (offshore) allemands d'une capacité installée de 200 MW donne un EROI de 16: 1. Et bien que le vent représente plus de 21% de la production allemande, l'industrie stagne - le rythme de construction de nouveaux moulins à vent pour l'année a chuté de 80% et la capacité des stations en construction est 26 fois inférieure à la croissance annuelle théorique, considérée comme nécessaire pour le remplacement stable des combustibles fossiles par l'énergie éolienne. La rigueur des lois et la réticence des citoyens à avoir des éoliennes à proximité de leurs maisons ont conduit au fait que le marché allemand de l'énergie éolienne a atteint une certaine limite, qui sera très difficile à franchir - tout espoir pour la modernisation des générateurs afin d'augmenter leur efficacité. Soit dit en passant, cela peut encore réduire l'EROI.
Les investissements mondiaux dans l'énergie solaire et éolienne sont restés pratiquement inchangés au cours de la dernière décennie. Source: Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA), École de Francfort-Centre PNUE / BNEF
Si l'énergie éolienne dans son ensemble n'est pas mauvaise, bien qu'elle ait ses propres nuances et limites, alors avec l'énergie solaire, tout est complètement morne. Nous avons déjà écrit sur les raisons pour lesquelles le Soleil n'est pas devenu une source universelle d'électricité infinie, bien que des panneaux solaires efficaces existent depuis plus d'un demi-siècle. En raison de la faible efficacité des panneaux à couches minces bon marché (6-8%) et de la nécessité de construire des stations sur une très grande surface, ainsi qu'en raison de l'heure du jour et de la saison, l'EROI de l'énergie solaire en Europe est à un niveau absolument décourageant: 1,6: 1. Le lecteur Habr a fait des calculs très intéressants pour une station théorique dans l'Arizona américain ensoleillé, l'un des meilleurs endroits pour l'énergie solaire, selon les résultats desquels il a obtenu une "sphérique sous vide" EROI 3.8: 1.
Les centrales à hydrogène entièrement autonomes Toshiba H2One sont déjà en service. Ils reçoivent de l'énergie pour l'électrolyse du soleil ou du vent
Malheureusement, l'hydrogène ne se déroule pas bien non plus. En tant que vecteur d'énergie portable absolument respectueux de l'environnement, l'hydrogène est indispensable, mais beaucoup d'énergie doit être dépensée pour sa production, en raison de laquelle l'EROI des piles à combustible est inférieur à 2: 1. Jusqu'à présent, la seule façon rentable de produire de l'hydrogène pour les piles à combustible est d'utiliser l'énergie du soleil ou du vent. Nous avons déjà expliqué comment Toshiba a gracieusement résolu ce problème avec sa centrale électrique à piles à combustible
Toshiba H2One , qui elle-même génère de l'hydrogène par électrolyse, recevant l'énergie des panneaux solaires et des batteries.
Le besoin de stockage d'énergie
On peut difficilement trouver une source de production d'électricité tout aussi instable, comme le vent et la lumière du soleil. Dans le même temps, leur génération ne dépend pas du volume de consommation dans le réseau - la nuit, pendant que la ville dort, l'éolienne peut tourner désespérément, générant la puissance maximale possible simplement parce que le vent a soufflé, et pendant la journée - au pic de consommation - il y aura du calme. Afin de ne pas perdre l'excédent de production et de compenser son arrêt pour des raisons naturelles, l'énergie doit être stockée. Pour les centrales à combustibles fossiles, ce n'était pas un problème auparavant. La seule façon adéquate et largement disponible de stocker l'électricité est d'utiliser des piles.
Nous ne prenons pas en compte les stations de stockage hydrauliques en raison de leur prix élevé et de leur rigueur par rapport au terrain. Il s'agit d'un schéma d'une petite centrale hydroélectrique pompant de l'eau dans une piscine qui s'accumule la nuit et la faisant passer par des générateurs pendant la journée. Pour le dire doucement, ce n'est pas la solution la plus simple et la plus pratique. Source: Donateur / Wikipedia
Bien qu'il n'y ait pas de solution universelle pour l'accumulation de grandes quantités d'électricité dans les batteries. Dans les petites stations, comme les moulins à vent, vous pouvez vous débrouiller avec une batterie de batteries lithium-ion (lithium-fer-phosphate). Leur intensité énergétique est deux fois inférieure à celle des batteries au lithium-cobalt de masse (120 W · h / kg), mais la durée de vie est de 2000 cycles de charge-décharge.
Une autre option raisonnable consiste à utiliser des batteries usagées de véhicules électriques. Habituellement, une batterie qui a perdu 20% de sa capacité doit être remplacée, sinon le kilométrage du véhicule à partir d'une seule charge est sensiblement réduit. Afin de ne pas gérer l'élimination coûteuse d'une batterie qui fonctionne toujours, elle peut être adaptée pour stocker l'énergie provenant de sources vertes. C'est ce qui s'est produit au stade Johan Cruyff Arena (54 990–68 000 spectateurs) à Amsterdam, aux Pays-Bas, qui, après la perestroïka en 2016-2018, est devenu complètement autonome en termes d'énergie. Il y a 4 200 panneaux solaires installés sur le toit, qui stockent l'énergie dans 280 batteries Nissan Leaf usagées. Néanmoins, le stade n'a pas complètement refusé l'alimentation du réseau de la ville - les batteries aident à lisser la charge lors des événements du soir, lorsqu'un éclairage puissant est requis. Sur les seules batteries, le stade ne pourrait pas fonctionner tous les soirs.
Sur le toit du Johan Cruyff ArenA (anciennement Amsterdam ArenA), les panneaux solaires sont clairement visibles - le stade se fournit en électricité (si vous êtes chanceux avec la météo) autant que vous le pouvez. Source: Cornwall NISSAN / YouTube
L'accumulation d'électricité à partir de sources d'énergie renouvelables dans les batteries pour atténuer les pics de consommation et compenser le manque de production - semble très raisonnable. Mais le problème de la réduction des coûts de stockage d'énergie n'est pas encore résolu. En raison du coût des batteries, le prix du kWh provenant de sources «vertes» augmente de 3 à 4 fois pour atteindre 0,45 $ (rapport Lazard, p. 12). Cela ne peut être résolu qu'en créant de nouveaux types de batteries: grandes, durables, peu coûteuses.
Nous avons écrit plus tôt sur les développements prometteurs dans ce domaine.
Le prosumérisme comme moyen de sauver
Comment résoudre le problème du coût élevé du kWh issu des énergies renouvelables accumulées dans les batteries? Vous pouvez vendre le surplus non réclamé résultant. Grâce à l'accumulation d'énergie, un nouveau phénomène est apparu: le prosumerisme. Antonyme du consumérisme (consommation), ce qui signifie la vente d'un service à son fournisseur. Si c'est plus simple, alors nous parlons de la vente par le consommateur de l'énergie accumulée dans les batteries au réseau à ceux qui en ont besoin. Supposons que vous soyez un ménage privé ou une petite entreprise avec ses propres sources de production d'électricité. Une partie est consommée, une partie est stockée dans des modules de batterie. S'il y a un excès de production, et qu'il n'y a nulle part où mettre l'énergie excédentaire au sens littéral, vous pouvez la vendre au réseau, comme si vous étiez une petite centrale électrique. Plutôt, pas petit, mais virtuel - nous avons écrit sur
les centrales électriques virtuelles et la participation de Toshiba à la formation de ce phénomène positif.
Toshiba propose déjà une solution pour gérer la batterie de stockage: le système analyse en permanence le niveau de consommation ou de sortie, équilibrant la charge sur la batterie et la connectant aux heures de pointe de consommation beaucoup plus rapidement que ce qui peut être fait manuellement. Et à l'avenir, le système Toshiba recevra la fonction de prosumérisme - la vente automatique d'énergie au réseau. Source: Toshiba
La mise en œuvre la plus notable du projet de centrale électrique virtuelle est Tesla Powerwall - une batterie domestique alimentée par un panneau solaire d'une capacité de 6,4 à 13,5 kWh. Les consommateurs peuvent non seulement stocker de l'électricité bon marché à partir du réseau ou «gratuitement» du Soleil, mais aussi la revendre au réseau en utilisant des échanges en ligne. Powerwall a été vendu dans le monde entier avec une capacité totale de 300 MWh.
En Russie, le «Plan de mesures visant à stimuler le développement d'installations de production basées sur des sources d'énergie renouvelables avec une puissance installée allant jusqu'à 15 kW» a été approuvé avec la même signification que Tesla Powerwall, mais le processus de prosumisme n'est pas encore prescrit par la loi. La vente de surplus d'électricité contribuera à réduire légèrement le coût de la consommation d'énergie verte. Mais encore une fois, tout dépend du coût des batteries - au stade actuel du développement technologique, la période de récupération approche les 10 ans.
L'avenir est beau mais loin
En fait, nous ne voulons pas semer le scepticisme concernant les sources d’énergie renouvelables et la transition vers le secteur de l’énergie «verte» dans son ensemble. Le pétrole est fini, le coût de sa production est en constante augmentation, mais pour un gaz et un charbon, la situation écologique ne peut pas être corrigée. Tant que l'humanité n'aura pas subjugué la fusion thermonucléaire contrôlée, il sera nécessaire de mener les développements les plus actifs dans le domaine de l'énergie verte. C'est une voie très épineuse, consistant à résoudre des problèmes complexes: économiques, technologiques et même sociaux.
Le mieux qui puisse être fait dans une telle situation est de poursuivre les recherches à tout prix, en essayant de rendre l'énergie solaire, éolienne et géothermique plus efficace et encore plus abordable. Le processus est en cours, les progrès ne sont pas dans l'impasse et le monde abandonne lentement mais sûrement les combustibles fossiles jusqu'à ce que leur utilisation soit trop coûteuse et dangereuse. Et nous sommes très fiers que Toshiba soit activement impliqué dans ces questions, développant efficacement tous les types d'énergie alternative.