Les prix des énergies renouvelables ont chuté de plus de 70 % au cours de la dernière décennie, poussant davantage d’Américains à abandonner les combustibles fossiles pour des sources d’énergie plus vertes et moins polluantes. Mais à mesure que l’énergie éolienne et solaire continue de faire des percées, les opérateurs de réseau devront peut-être prévoir d’importantes variations de disponibilité.
L’avertissement vient d’Upmanu Lall, professeur à Columbia Engineering et à la Columbia Climate School, qui a récemment tourné son regard de l’utilisation durable de l’eau vers les énergies renouvelables durables dans le but d’atteindre des émissions nettes de carbone nulles.
« Les concepteurs de systèmes d’énergie renouvelable devront prêter attention à l’évolution des schémas éoliens et solaires au fil des semaines, des mois et des années, comme le font les gestionnaires de l’eau », a-t-il déclaré. « Vous ne pourrez pas gérer une telle variabilité avec des batteries. Vous aurez besoin de plus de capacité. »
Dans une nouvelle étude de modélisation dans la revue Motifs, Lall et le doctorant de Columbia Yash Amonkar, montrent que le potentiel solaire et éolien varie considérablement au fil des jours et des semaines, sans parler des mois aux années. Ils se sont concentrés sur le Texas, qui est le leader du pays dans la production d’électricité à partir de l’énergie éolienne et le cinquième producteur solaire. Le Texas dispose également d’un réseau autonome aussi grand que de nombreux pays », a déclaré Lall, ce qui en fait un laboratoire idéal pour cartographier les promesses et les dangers des systèmes d’énergie renouvelable.
S’appuyant sur 70 ans de données historiques sur l’énergie éolienne et solaire, les chercheurs ont construit un modèle d’IA pour prédire la probabilité d’une « sécheresse » à l’échelle du réseau lorsque la production quotidienne d’énergies renouvelables tombe en dessous d’un seuil cible. En dessous d’un seuil fixé au 30e centile, alors qu’environ un tiers de tous les jours sont des jours de faible production, les chercheurs ont découvert que le Texas pourrait faire face à une sécheresse énergétique quotidienne jusqu’à quatre mois consécutifs.
Les batteries seraient incapables de compenser une sécheresse de cette durée, a déclaré Lall, et si le système reposait uniquement sur l’énergie solaire, on pourrait s’attendre à ce que la sécheresse dure deux fois plus longtemps, soit huit mois. « Ces résultats suggèrent que les planificateurs énergétiques devront envisager d’autres moyens de stocker ou de produire de l’électricité, ou d’augmenter considérablement la capacité de leurs systèmes renouvelables », a-t-il déclaré.
Anticiper les futures sécheresses « énergétiques » – au Texas et dans l’ensemble des États-Unis continentaux
La recherche a commencé il y a six ans, lorsque Lall et un ancien étudiant diplômé, David Farnham, ont examiné la variabilité éolienne et solaire dans huit aéroports américains, où les enregistrements météorologiques ont tendance à être plus longs et plus détaillés. Ils voulaient voir à quelle variation on pouvait s’attendre dans un réseau hypothétique 100 % d’énergies renouvelables.
Les résultats, que Farnham a publiés dans sa thèse de doctorat, n’étaient pas une surprise. Farnham et Lall ont découvert que le potentiel solaire et éolien, comme les précipitations, est très variable en fonction de la période de l’année et de l’endroit où les éoliennes et les panneaux solaires ont été installés. Dans huit villes, ils ont constaté que le potentiel d’énergie renouvelable augmentait et diminuait par rapport à la moyenne à long terme d’un tiers au cours de certaines saisons.
« Nous avons inventé le terme sécheresses » énergétiques « car un cycle de 10 ans avec autant de variation par rapport à la moyenne à long terme serait considéré comme une sécheresse majeure », a déclaré Lall. « Ce fut le début du travail sur la sécheresse énergétique. »
Dans l’étude actuelle, Lall a choisi de zoomer sur le Texas, un État bien doté à la fois de soleil et de vent. Lall et Amonkar ont découvert que les sécheresses persistantes liées aux énergies renouvelables pouvaient durer jusqu’à un an, même si les générateurs solaires et éoliens étaient répartis dans tout l’État. La conclusion, a déclaré Lall, est que les énergies renouvelables sont confrontées à un problème de stockage qui ne peut être résolu de manière réaliste qu’en ajoutant des capacités ou des sources d’énergie supplémentaires.
« Dans un monde entièrement renouvelable, nous aurions besoin de développer le combustible nucléaire ou l’hydrogène, ou le recyclage du carbone, ou d’ajouter beaucoup plus de capacité de production d’énergies renouvelables, si nous voulons éviter de brûler des combustibles fossiles », a-t-il déclaré.
En période de faibles précipitations, les gestionnaires de l’eau maintiennent l’eau douce qui coule à travers le robinet en puisant dans les réservoirs municipaux ou les aquifères souterrains. Les systèmes d’énergie solaire et éolienne n’ont pas de sauvegarde équivalente. Les batteries utilisées pour stocker l’excès d’énergie solaire et éolienne lors de journées exceptionnellement lumineuses et venteuses ne conservent leur charge que pendant quelques heures, et au plus quelques jours. Les centrales hydroélectriques fournissent un tampon potentiel, a déclaré Lall, mais pas assez longtemps pour transporter le système pendant une période sèche prolongée de soleil et de vent intermittents.
« Nous ne résoudrons pas le problème en construisant un réseau plus large », a-t-il déclaré. « Les opérateurs de réseaux électriques ont pour objectif une fiabilité de 99,99 %, tandis que les gestionnaires de l’eau s’efforcent d’atteindre une fiabilité de 90 %. Vous pouvez voir à quel point ce sera un défi pour l’industrie de l’énergie, et à quel point les prévisions saisonnières et à plus long terme pourraient être précieuses. »
Dans la prochaine phase de recherche, Lall travaillera avec les professeurs de Columbia Engineering, Vijay Modi et Bolun Xu, pour voir s’ils peuvent prédire à la fois les sécheresses énergétiques et les «inondations», lorsque le système génère un surplus d’énergies renouvelables. Armés de ces projections, ils espèrent prédire la hausse et la baisse des prix de l’énergie.
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