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dimanche 29 mars 2020

A charge de la preuve : Examen de la faisabilité des systèmes 100% d’électricité renouvelable



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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