Ce blog reprend de larges
extraits d’une publication en anglais intitulée : Burden of proof: A
comprehensive review of the feasibility of 100% renewable-electricity systems, B.P.
Hearda,⁎, B.W. Brookb, T.M.L. Wigleya,c, C.J.A. Bradshawd, Renewable and Sustainable Energy Reviews 76 (2017) 1122–1133
Aucune
preuve de la faisabilité d’un système 100% ENR – les critères de l’étude
De nombreux scénarios modélisés prétendant montrer qu’un
système d’électricité 100 % renouvelable est réalisable ont été publiés. Cependant, il n’existe aucune preuve
empirique ou historique qui démontre que de tels systèmes sont en fait
réalisables. Parmi les études publiées à ce jour, 24 ont prévu des besoins
énergétiques régionaux, nationaux ou mondiaux suffisamment détaillés pour être
considérées comme potentiellement crédibles. Nous avons examiné de façon
critique ces études en utilisant quatre nouveaux critères de faisabilité pour
des systèmes d’électricité fiables nécessaires pour répondre à la demande
d’électricité au cours du siècle. Ces critères sont les suivants :
(1) la cohérence
avec les prévisions de demande énergétique-
(2) Simuler l’offre pour répondre à la demande de façon
fiable à l’heure, à la demi-heure et à cinq minutes, avec la résilience aux événements climatiques
extrêmes;
(3) identifier les exigences
nécessaires en matière de transmission et de distribution;
(4) le maintien de la fourniture de services systèmes essentiels.
Évaluées selon ces critères objectifs, aucune
des 24 études ne fournit des preuves convaincantes que ces objectifs peuvent
être atteints par un scénario 100% ENR.
Critère
1 : La demande d’électricité globale doit être prévue de façon réaliste. Non
réalisé !
La croissance de la population devrait se poursuivre au
moins jusqu’à la fin du siècle. Presque
toute la croissance démographique prévue soit environ 2,4 milliards de
personnes par rapport à aujourd’hui (de 1,4 à 3,5 milliards) — se produira en
Afrique, en Asie et au Moyen-Orient. Ces tendances de croissance contiennent
une telle dynamique que l’éventail des résultats possibles au milieu du siècle
est insensible même aux interventions majeures en matière de fécondité (politique
à la Chinoise ou catastrophe généralisée). Cette croissance démographique se
produira en même temps que la croissance du revenu par habitant, qui est
fortement corrélée avec la consommation d’énergie par habitant... ne croissance
importante est également prévue spécifiquement pour la consommation
d’électricité. L’Agence internationale de l’énergie estime qu’en 2016, 1,2
milliard de personnes n’avaient pas accès à l’électricité. L’électricité
fournit une part croissante de la demande énergétique totale du monde et est la
source d’énergie qui connait la croissance la plus rapide du monde ...
Compte tenu de ces problèmes, tout scénario mondial futur qui repose sur une demande statique ou
réduite dans l’énergie primaire ou l’électricité est irréaliste, et est
incompatible avec presque toutes les autres projections énergétiques futures
... Donc, pour que les scénarios 100%
ENR soient réalisables, ils doivent être compatibles avec: (i) Les prévisions
de croissance d’énergie primaire dans la littérature grand public pour la
région où ils prétendent s’ appliquer, , et (ii) des projections
complémentaires de la consommation totale d’électricité.
Conclusion sur la demande globale d’énergie : « Notre
examen a révélé que parmi les scénarios 100% d’énergie renouvelable examinées,
beaucoup ont supposé des réductions de l’énergie primaire. C’est conceptuellement irréaliste, et en contradiction avec toute la littérature. Les deux scénarios
mondiaux d’organisations non gouvernementales environnementales (WWF et Greenpeace) présumaient que la
consommation totale (mondiale) d’énergie
primaire en 2050 serait inférieure à la consommation d’énergie primaire au
cours de leurs années de référence respectives (97 % de la base de
référence de 2009 pour le scénario de Greenpeace; et 74% de la ligne de base
2010 pour le scénario WWF). Ces hypothèses sont clairement irréalistes. La
population humaine augmentera d’environ 3 milliards par rapport aux années de
référence. Même au cours des années de référence, environ 2,4 milliards de
personnes vivent dans la pauvreté énergétique. S’appuyer sur une contraction de l’énergie primaire totale en 2050 par
rapport à aujourd’hui, jusqu’à 30% dans le cas du scénario du WWF, est donc
purement invraisemblable.
Critère
2 : répondre dans toute condition climatique probable à la demande à chaque
instant. Non réalisé !
L’approvisionnement
en électricité proposé doit être simulé/calculé pour être capable de répondre à
la demande d’électricité en temps réel pour une année donnée, avec une marge de
soutien supplémentaire, à l’intérieur des limites de fiabilité, pour répondre à
toutes les conditions climatiques plausibles...
La pénétration croissante de sources de
production variables et dépendantes du climat qui ne sont pas corrélées avec la
demande, comme l’énergie éolienne et solaire, pose des défis supplémentaires pour gérer
la fiabilité du système. Ces générateurs peuvent avoir une grande fiabilité
en état de fonctionnement, mais c’est la faible
et intermittente disponibilité de la ressource elle-même qui pose
problème. En outre, la fiabilité à
l’échelle du système ne doit pas être déterminée en fonction des conditions météorologiques
« typiques », mais elle doit plutôt tenir compte de la variabilité actuelle et
prévue de la ressource sur des échelles de temps prévisibles, de 1 minute à1
décennie. Des conditions atypiques extrêmes, mais crédibles (p. ex., basées sur
un précédent historique ou des prévisions futures plausibles) doivent être
identifiées de façon à pouvoir en tenir compte.
Tout système d’approvisionnement proposé doit donc
démontrer que l’offre proposée répondra
à toute demande prévisible en temps réel à une norme de fiabilité définie et
avec une marge de réserve suffisante pour les pannes imprévues comme les
effondrements de réseau. Elle doit le faire d’une manière qui tient pleinement compte de la disponibilité
limitée et intermittente de la plupart des ressources renouvelables et du
potentiel de conditions climatiques extrêmes qui sont sans précédent
historique.
Conclusion
sur l’équilibre du réseau aux faibles échelles de temps :
« L’absence
de simulations du système provenant de neuf des études examinées
suggère que de nombreux auteurs et
organisations n’ont pas saisi ou ne se sont pas explicitement attaqués au défi
d’assurer un approvisionnement fiable à partir de sources variables.
Par exemple, le
WWF suppose que d’ici 2050, la part de l’énergie provenant de sources
renouvelables variables pourrait passer à 60 % par l’intermédiaire de tous les
éléments suivants : (i) l’amélioration de la capacité du réseau, (ii) la
gestion de la demande, (iii) le stockage et (iv) la conversion des excès
d’énergie en hydrogène storable . Cette série d’hypothèses pour la gestion d’un
système dominé par des sources d’approvisionnement est largement répétée dans
le scénario de Greenpeace. Mais,
dans aucun des deux cas, aucune preuve
n’est fournie pour la façon dont cela pourrait se produire ...
Sur
les 16 scénarios qui ont fourni des simulations, seulement deux ont pris la
peine de simuler à intervalles de 1 heure et ont été testés…
dans des conditions de demande historiquement faibles….
En outre, plusieurs des simulations dépendent fortement
des technologies de production d’électricité, telles que la géothermie (
éventuellement boostée par du stockage en roches sèches), l’énergie des vagues
ou des marées…lesquelles n’ont jamais fonctionné même à une fraction de
l »échelle nécessaire, où que ce soit dans le monde… mais elles sont
supposées pourvoir fournir l’électricité demandée.
La seule étude que nous avons examinée et qui a simulé
une fiabilité inférieure à la demi-heure
offre une simulation de système pour l’ensemble des États-Unis. Les
résultats montrent une correspondance parfaite entre l’offre et la demande
basée sur un scénario d’énergie renouvelable qui suppose (i) une forte
expansion de l’utilisation de l’énergie thermique stockée (ii) l’électrification totale des besoins
énergétiques de l’ensemble de l’économie des États-Unis, (iii) à l’échelle
nationale, une dépendance à l’égard du stockage souterrain de l’énergie
thermique pour le chauffage des habitats et de l’eau sur la base d’un système
qui n’a jamais encore été mis en service, et (iv) la flexibilité de la demande allant de 50% à 95% dans différents
secteurs de l’énergie, y compris certaines applications industrielles.
En
tant que tel, ce scénario est tout simplement irréaliste,
Critère
3 : les besoins d’adaptations du réseaux. Très très sous-estimés !
Toutes
les exigences spécifiques des ENR nouvellement installées en matière de
transmission et/ou la croissance de l’offre doivent être décrite et
cartographiées pour faire la démonstration que la livraison d’électricité au
réseau d’utilisateurs réponde à la fois aux normes de demande et de fiabilité
projetées
Les réseaux transportent l’électricité des générateurs
aux réseaux de distribution, qui transportent à leur tour l’électricité vers
les clients. Pour atteindre une forte
pénétration des énergies renouvelables, une forte augmentation des réseaux de
transport est essentielle. La
caractérisation crédible de cette augmentation, amélioration, densification du réseau de transport est essentielle pour établir la faisabilité
de tout système d’électricité à forte proporyion de renouvelable.
Critère
4 : capacité à assurer les services systèmes essentiels : absolument non
prouvé !
Le
système proposé doit démontrer sa capacité à assurer des services systèmes
essentiels pour assurer la qualité de l’alimentation et le fonctionnement
fiable du réseau, y compris les exigences de distribution
Redémarrage
du système : Les services systèmes sont une exigence physique
de toute système et ont été nécessaires depuis le développement des réseaux.
Or, ila été montré que la disponibilité de ces services systèmes essentiels est compromise par une forte pénétration des
sources d’énergie renouvelables. Par exemple, en Allemagne, la mise en
œuvre déterminée de la stratégie Energiewende a déclenché un examen de la façon
dont les services auxiliaires seront conservés. Des défis non résolus, en particulier dans les exigences de redémarrage
du système, ont été identifiés jusqu’en 2033, même dans un scénario qui
maintient 72 GW (28 % de la capacité installée totale) de générateurs
synchrones à combustibles fossiles, dans un réseau connecté à grande
Europe. Ces défis du 100% des énergies
renouvelables restent largement non examinés et non résolus.
Contrôle
des fréquences : L’un des principaux services systèmes
essentiel est le contrôle des fréquences.
À n’importe quel moment, la fréquence du système électrique en cours
d’alternance doit être maintenue à proximité de la norme prescrite
(généralement 50 ou 60 cycles par seconde [Hz] dans une bande de fonctionnement
normale de 0,1 Hz). Dans la pratique, la fréquence varie en raison des changements
dans la charge électrique sur le système. Les changements de fréquence peuvent
être provoqués par des variation de charge faibles, instantanées et continues
liées au comportement des consommateurs (p. ex., allumer et éteindre les
lumières), ou des changements plus
importants de la demande se produisant au cours normal d’une journée.
Le
contrôle instantané des fréquences est généralement assuré par l’inertie des
générateurs « synchrones », où l’électricité est produite par des turbines tournant à
l’unisson à proximité de la norme réglementaire. Cependant, l’augmentation de la pénétration de l’énergie éolienne et
solaire, avec une production asynchrone d’électricité, déplace les
générateurs synchrones traditionnels du marché. Dans ces conditions, le
contrôle des fréquences ne fonctionne plus et devient nettement instable par
manque d’inertie.
Pour une
explication plus poussée, voir l’excellent article dans la revue de
l’AFIS https://www.pseudo-sciences.org/Les-energies-renouvelables-intermittentes-mettent-elles-en-cause-la-stabilite
Exemple :
En septembre 2016, la perte de lignes de transport en Australie-Méridionale
lors d’une tempête majeure a provoqué des perturbations déclenchant la perte de
445 MW de production de vent. Sans génération synchrone adéquate, le taux de
changement de fréquence a dépassé les limites prescrites, entraînant une perte
totale de puissance pour les 1,7 million de résidents, toutes les entreprises
et toute l’industrie de l’État. L’impact économique estimé de cet
événement a été de 367 millions de
dollars australiens.
Commentaire :
et provoqué la perte aux élections du gouvernement sortant !. Autre exemple :
la dérive du Kosovo qui a mis à mal le mythe de la plaque de cuivre européenne
cf. https://vivrelarecherche.blogspot.com/2019/02/leurope-de-lenergie-encore-un-echec.html
Un
autre service système important est le contrôle de la tension. Le voltage doit être géré selon des
tolérances spécifiées pour l’isolation et la sécurité – les surtensions sont
dangereuses pour le matériel et pour les opérateurs. La gestion de la tension
est affectée par l’expansion de la production qui est connectée à un réseau de
distribution électrique, connu sous le nom de «génération embarquée. L’impact de la production embarquée a été
transformée par l’adoption rapide de systèmes solaires photovoltaïques à petite
échelle. En conséquence, le contrôle
de tension au niveau de la distribution est devenu une préoccupation sur les
marchés où il existe une pénétration élevée du photovoltaïque solaire.
Conclusion
sur les services systèmes : « Aucun des scénarios proposés pour les systèmes d’électricité 100 % renouvelables
n’ apporte la preuve qu’ils sont
capables d’assurer les systèmes auxiliaires essentiels et réglementés. La
plupart n’évoquent même pas ce problème.
Les
services systèmes sont largement ignorés. Le rapport de Australian Energy Market
Operator Ltd. est la seule étude publiée dans la littérature de scénarios à
grande échelle publiée qui reconnaîsse l’importance de maintenir les services
systèmes grâce à la refonte totale du système exigée par l’électricité 100%
renouvelable. Les 22 autres études ne font aucune référence à ces défis... se
contentant de mentionner qu’un tel
système est au-delà des capacités mondialement connues et que cela exige une
évaluation plus approfondie.
De plus, aucune des études que nous avons examinées n’a
tenu compte des défis dans la refonte des réseaux de distribution qu’implique
d’accommoder une plus grande part de génération embarquée, ni ne donne bien sûr
aucun moyen solide d’évaluer les coûts associés... »
Conclusion
générale : 100% ENR, rien ne marche !
« Les
hypothèses utilisées de décroissance profonde dans la consommation d’énergie
primaire défient l’expérience historique, sont
généralement incompatibles avec des projections réalistes, et soulèveraient
probablement des problèmes pour les pays en développement dans l’atteinte des
objectifs de réduction de la pauvreté. Loftus et coll. ont constaté que les scénarios avec une baisse de la
consommation totale d’énergie primaire de 2009 à 2050 nécessitaient une baisse annuelle de l’intensité
énergétique (consommation d’énergie primaire PIB-1) de 3,4 à 3,7 % par an, soit environ deux fois les taux les plus rapides observés. à l’échelle mondiale au
cours des quatre dernières décennies...
Le
fait de ne pas tenir compte de l’amplitude de variabilité des ressources d’énergie
renouvelable est un autre domaine de vulnérabilité. La
variabilité d’une année à l’autre des entrées qui déterminent en fin de compte
la production hydroélectrique est bien connue — la production annuelle minimale
aux États-Unis sur la période 1990-2010 a été inférieure de 23 % à la
production moyenne pour la même période. L’éventail des facteurs de capacité
d’Hydro Portugal a varié de 11,8 % à
43,2 % sur 13 ans jusqu’en 2009 . La
récente sécheresse a réduit la production hydroélectrique de la Californie de
plus de la moitié. Des bas niveaux record de barrages en Tasmanie ont
coïncidé avec l’échec de l’interconnexion réseau et déclenché une crise
énergétique pour cet État en 2015-2016.
Notre constatation la plus préoccupante concerne
peut-être la dépendance des scénarios
100% renouvelables à la biomasse. Le scénario britannique en est un exemple typique; même avec l’hypothèse très peu
réaliste d’une réduction de 54 % de
la consommation d’énergie primaire, la biomasse nécessite 4,1 millions d’hectares
de terres pour s’engager dans la culture des graminées, la foresterie à
rotation courte et les cultures de taillis
soit 17 % de la superficie
terrestre du Royaume-Uni). Lund et Mathiesen ont décrit comment le Danemark devrait
réorganiser l’agriculture du blé au maïs pour produire la biomasse requise,
dans un scénario de réduction de 53 % de la consommation d’énergie primaire par
rapport à l’année de référence. Pour l’Irlande, Connolly et coll. ont calculé une exigence de biomasse qui représentait 60 % de la ressource totale
potentielle de biomasse en Irlande.
Les
lacunes des scénarios 100% ENR les plus préoccupantes résident dans les
exigences largement ignorées, mais pourtant essentielles de l’expansion de systèmes de transport et de
distribution améliorés, à la fois pour transporter l’électricité à partir
de plus de sources réparties sur de plus grandes distances, et pour maintenir
le système dans un état stable. L’étude du
réseau de transport optimisé pour atteindre l’objectif de 80 % d’énergies
renouvelables en Europe d’ici 2050
suggère qu’il faudrait 228 000 km
supplémentaires d’extensions de réseaux de transport, soit un supplément de 76
% par rapport au réseau de base. Et encore, il s’agit d’une sous-estimation
parce qu’a été appliquée une approche de « jour typique » pour évaluer la
disponibilité des ressources d’énergie renouvelable au lieu d’utiliser des
données horaires ou de demi-heure complètes ou de plusieurs années, lissant
donc les besoins à ces échelles de temps.
Rodrigez
et a concluent qu’il faudrait des
capacités d’interconnexion interurbaines 5,7 fois plus grandes que les
capacités actuelles pour l’intégration du réseau. Becker et coll. [ont
constaté qu’une augmentation optimale de quatre fois la capacité de
transmission d’aujourd’hui devrait être installée dans les trente ans de 2020 à
2050... Néanmoins, des quatre critères
que nous proposons, on peut soutenir que l’adaptation des réseaux de transport
pourrait être considérée davantage comme une question de viabilité économique
et d’acceptabilité que de faisabilité technique, l’exigence individuelle d’interconnexion
longue distance étant bien connue et comprise.
On
ne saurait accorder la même indulgence au fait de négliger le maintien d‘une production synchrone suffisante, les exigences de stabilité de la tension et la nécessité d’assurer des capacités robustes
de redémarrage du système dans les systèmes 100% renouvelables avec une
production élevée à partir de sources variables et asynchrones.
L’état de la
recherche sur la façon dont les sources renouvelables variables telles
que l’énergie éolienne peuvent contribuer activement à fournir des services de
contrôle des fréquences est au mieux juste naissante... Et nous n’avons rien
trouvé qui s’approche d’une compréhension claire de l’ampleur de l’intervention
qui pourrait être nécessaire pour maintenir ces services systèmes dans les
systèmes d’électricité 100% renouvelables à l’échelle d’un marché étendu.
Un changement d’approche est donc nécessaire de la part
des chercheurs et des décideurs. Il
incombe à tous les gouvernements et institutions de rechercher des mélanges
optimisés de toutes les technologies à faible émission de carbone disponibles,
chaque technologie ayant été exploitée rationnellement pour que ses forces respectives
soient exploitées pour poursuivre des systèmes de production d’électricité
propres et à faible émission de carbone qui sont évolutives aux demandes de 10
milliards de personnes ou plus. Ce n’est qu’en faisant cela que nous pourrons
espérer briser le paradoxe énergétique des vingt dernières années et permettre
au développement humain de continuer tout en réduisant rapidement les émissions
de gaz à effet de serre provenant de la production d’électricité et d’autres
demandes d’énergie. Tout autre conduite reviendrait à démissionner de nos responsabilités face au présent et à
l’avenir
Commentaire : le 100% ENR ne marche pas, et l’on ne peut se
passer de toutes les technologies bas carbones nécessaires, si l’on veut
répondre au défi climatique. Donc, du nucléaire !
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