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Bouée de sauvetage pour l'énergie renouvelable
Poussez à travers une porte tournante à l'épreuve des balles dans un bâtiment indescriptible dans un coin lugubre de l'ancien Berlin-Est et vous entrez dans le centre de contrôle de Vattenfall Europe Transmission, la société qui contrôle le réseau électrique du nord-est de l'Allemagne. Un moniteur affichant un schéma de cette grille occupe la majeure partie d'un mur. Une série d'écrans plus petits montrent la production en temps réel des éoliennes régionales et la production qui avait été prédite la veille. L'Allemagne est le plus grand utilisateur d'énergie éolienne au monde, avec suffisamment de turbines pour produire 22 250 mégawatts d'électricité. C'est à peu près l'équivalent de la production de 22 centrales au charbon, assez pour couvrir environ 6 % des besoins de l'Allemagne. Et parce que la zone de service de Vattenfall produit 41 % de l'énergie éolienne allemande, la salle de contrôle est un terrain d'essai essentiel pour la capacité du réseau à gérer l'énergie renouvelable.
Lignes vertes : L'exploitation de l'énergie des parcs éoliens et solaires éloignés nécessitera davantage de lignes de transmission à haute tension comme celles-ci, près de Yermo, en Californie, qui relient le sud du Nevada à Los Angeles.
Comme tous les réseaux électriques, celui que gère Vattenfall doit continuellement faire correspondre la production d'électricité à la demande des maisons, des bureaux et des usines. L'enjeu est de maintenir une alimentation électrique stable tout en incorporant de l'électricité provenant d'une source aussi erratique que le vent. S'il y a trop peu d'énergie éolienne, les ingénieurs de l'entreprise pourraient devoir démarrer des centrales à combustible fossile à court terme, un processus inefficace. S'il y en a trop, cela pourrait surcharger le système, provoquer des pannes ou forcer l'arrêt des usines.
Les ingénieurs ont cependant peu d'options. Le réseau a une capacité limitée à dériver de l'énergie supplémentaire vers d'autres régions, et il n'a pas de capacité de stockage d'énergie au-delà d'une poignée de petites installations qui pompent l'eau dans des réservoirs en amont, puis la libèrent via des turbines pendant les périodes de demande de pointe. Ainsi, chaque matin, alors que les bureaux et les usines s'allument, les ingénieurs doivent utiliser les prévisions de vent pour décider de la quantité d'électricité que les centrales conventionnelles devraient commencer à produire.
Mais ces prédictions sont loin d'être parfaites. Alors que de plus en plus d'éoliennes apparaissent en Allemagne, les surcharges et les pénuries causées par des changements inattendus du niveau du vent font de même. En 2007, les ingénieurs de Vattenfall ont dû abandonner leurs plans de planification quotidiens à peu près tous les deux jours pour reconfigurer l'approvisionnement en électricité à la volée ; début 2008, de tels changements sont devenus nécessaires chaque jour. Les centrales électriques ont dû s'allumer et s'éteindre de manière inefficace, et l'entreprise a dû faire des achats d'électricité d'urgence à des prix élevés. Les jours de vent très fort et de faible demande ont même forcé les travailleurs de Vattenfall à fermer rapidement les parcs éoliens.
Cahier du journaliste : David TalbotLes problèmes de Vattenfall sont un aperçu des immenses défis à venir alors que l'énergie provenant de sources renouvelables, principalement éolienne et solaire, commence à jouer un rôle plus important dans le monde. Pour utiliser cette énergie propre, nous aurons besoin de plus de lignes de transmission capables de transporter l'électricité d'une région à l'autre et de relier les villes énergivores aux zones reculées où une grande partie de notre énergie renouvelable est susceptible d'être produite. Nous aurons également besoin de contrôles beaucoup plus intelligents dans tout le système de distribution - des technologies qui peuvent stocker l'électricité supplémentaire des parcs éoliens dans les batteries des voitures hybrides rechargeables, par exemple, ou allumer et éteindre à distance les appareils énergivores à mesure que l'approvisionnement en énergie augmente. et tombe.
Si ces mises à niveau du réseau ne se produisent pas, de nouveaux projets d'énergie renouvelable pourraient être bloqués, car ils imposeraient des contraintes inacceptables sur les systèmes électriques existants. Selon une étude récente financée par la Commission européenne, la croissance de la production d'électricité à partir du vent (de nouvelles installations prévues pour la mer du Nord et la mer Baltique pourraient ajouter 25 000 mégawatts supplémentaires au réseau allemand d'ici 2030) pourrait parfois provoquer des surcharges massives. Aux États-Unis, la North American Electric Reliability Corporation, une organisation non gouvernementale créée pour réglementer l'industrie après une énorme panne d'électricité en 1965, a lancé un avertissement similaire en novembre. Nous exploitons déjà le système plus près de la périphérie que par le passé, déclare le président du groupe, Rick Sergel. Nous n'avons tout simplement pas la capacité de transport disponible pour intégrer correctement les nouvelles ressources renouvelables.
Multimédia
Consultez les graphiques et infographies sur les sources d'électricité aux États-Unis, les demandes et la refonte du réseau.
Retour aux sources: La montée en puissance des énergies renouvelables aux États-Unis ne nécessitera pas tant de nouvelles technologies qu'une infrastructure de base, comme cette sous-station près de Santa Clarita, en Californie, pour aider à mettre cette énergie sur le marché.
Le défi auquel sont confrontés les États-Unis est particulièrement frappant. Alors que l'Allemagne tire déjà 14 % de son électricité de sources renouvelables, les États-Unis ne tirent qu'environ 1 % de leur électricité des énergies éolienne, solaire et géothermique combinées. Mais plus de la moitié des États ont fixé des objectifs ambitieux pour accroître l'utilisation des énergies renouvelables, et le président élu Barack Obama souhaite que 10 % de l'électricité du pays provienne de sources renouvelables d'ici la fin de son premier mandat, pour atteindre 25 % d'ici 2025. Pourtant, contrairement à l'Allemagne, qui a commencé à planifier de nouvelles lignes de transport et à adopter de nouvelles lois destinées à accélérer leur construction, les États-Unis n'ont aucun effort national en cours pour moderniser leur système. Un échec à améliorer notre réseau sera un fardeau important pour le développement de nouvelles technologies renouvelables, déclare Vinod Khosla, fondateur de Khosla Ventures, une société de capital-risque à Menlo Park, en Californie, qui a beaucoup investi dans les technologies énergétiques.
Embouteillage
Lorsque sa construction a commencé à la fin du XIXe siècle, le réseau électrique américain était censé apporter l'électricité la moins chère au plus grand nombre. Au cours du siècle dernier, les monopoles régionaux et les agences gouvernementales ont construit des centrales électriques, principalement à combustible fossile, aussi près que possible des centres de population. Ils ont également construit des réseaux de transport et de distribution conçus pour desservir les consommateurs d'électricité de chaque région. Un système de patchwork s'est développé, et les connexions existantes entre les réseaux locaux sont principalement conçues comme des protections contre les pannes de courant. Aujourd'hui, le réseau des États-Unis comprend 164 000 miles de lignes de transmission à haute tension - ces rangées familières de tours en acier qui transportent l'électricité des centrales électriques aux sous-stations - et plus de 5 000 réseaux de distribution locaux. Mais alors que sa taille et sa complexité ont énormément augmenté, la structure de base du réseau a peu changé depuis que Thomas Edison a mis en service un système de distribution desservant 59 clients dans le bas Manhattan en 1882. Si Edison se réveillait aujourd'hui et qu'il regardait le réseau, il dire : « C'est là que je l'ai laissé », déclare Guido Bartels, directeur général du groupe IBM Global Energy and Utilities Industry.
Bien que cette structure ait remarquablement bien servi à fournir de l'électricité bon marché à une large population, elle n'est pas particulièrement bien adaptée aux sources d'énergie fluctuantes comme l'énergie solaire et éolienne. Tout d'abord, les lignes de transmission ne sont pas aux bons endroits. Les plaines en rafales du Midwest et les déserts ensoleillés du sud-ouest - des régions qui pourraient théoriquement fournir à la nation entière de l'énergie éolienne et solaire - sont aux extrémités du réseau, isolées des grosses artères qui alimentent, disons, Chicago ou Los Angeles. Deuxièmement, le réseau n'a pas la capacité de stockage pour gérer la variabilité, pour transformer une source comme l'énergie solaire, qui ne génère aucune énergie la nuit et peu pendant les jours nuageux, en une source d'électricité cohérente. Et enfin, le réseau est, pour la plupart, un système à sens unique stupide. Considérez que lorsque le courant est coupé dans votre rue, le service public ne le saura probablement pas à moins que vous ou l'un de vos voisins ne décrochez le téléphone. Ce n'est pas le genre de système qui pourrait surveiller et gérer la production fluctuante des panneaux solaires sur les toits ou des éoliennes distribuées.
La structure réglementaire du réseau américain est tout aussi archaïque. Alors que la Commission fédérale de réglementation de l'énergie (FERC) peut approuver les demandes des services publics concernant les tarifs d'électricité et la transmission de licences sur les lignes d'État, les États individuels conservent le contrôle sur la question de savoir si et où les principales lignes de transmission sont réellement construites. Dans les années 1990, de nombreux États ont révisé leurs réglementations dans le but d'introduire la concurrence sur le marché de l'énergie. Les services publics ont dû ouvrir leurs lignes de transmission à d'autres producteurs d'électricité. L'un des effets de ces mesures réglementaires était que les entreprises étaient moins incitées à investir dans le réseau que dans de nouvelles centrales électriques, et personne n'avait la responsabilité claire d'étendre l'infrastructure de transmission. Dans le même temps, le marché plus ouvert signifiait que les producteurs ont commencé à essayer de vendre de l'électricité à des régions plus éloignées, imposant de nouvelles charges sur les connexions existantes entre les réseaux. Le résultat a été une pénurie de transmission nationale.
Ces problèmes peuvent maintenant être le plus grand obstacle à une utilisation plus large des énergies renouvelables, qui semblent autrement de plus en plus viables. Des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory à Golden, CO, ont conclu qu'il n'y a aucune raison technique ou économique pour laquelle les États-Unis ne pourraient pas obtenir 20 pour cent de leur électricité à partir d'éoliennes d'ici 2030. Les chercheurs calculent cependant qu'atteindre cet objectif nécessiterait un investissement de 60 milliards de dollars dans 12 650 milles de nouvelles lignes de transmission pour brancher les parcs éoliens au réseau et aider à équilibrer leur production avec celle d'autres sources d'électricité et avec la demande des consommateurs. L'infrastructure de réseau inadéquate est de loin le problème numéro un en ce qui concerne l'expansion de l'éolien, a déclaré Steve Specker, président de l'Electric Power Research Institute (EPRI) à Palo Alto, en Californie, le centre de recherche de l'industrie. Cela commence déjà à restreindre une partie de la croissance potentielle du vent dans certaines parties de l'Ouest.
Le Midwest Independent Transmission System Operator, qui gère le réseau dans une région couvrant des portions de 15 États de la Pennsylvanie au Montana, a reçu des centaines de demandes de raccordement au réseau de potentiels développeurs énergétiques dont les projets éoliens proposés généreraient collectivement 67 000 mégawatts d'électricité. C'est plus de 14 fois plus d'énergie éolienne que la région produit actuellement, et bien plus qu'elle ne pourrait en consommer à elle seule ; cela représenterait environ 6 % de la consommation totale d'électricité des États-Unis. Mais le système de transmission existant n'a pas la capacité d'acheminer autant d'électricité vers les régions du pays qui en ont besoin. Dans de nombreux États de la région, il n'y a pas d'urgence particulière à faire avancer les choses, puisque chacun a toute la puissance dont il a besoin. Ainsi, la plupart des demandes de raccordement au réseau font simplement la queue, certaines bloquées par le manque d'infrastructures et d'autres par des retards bureaucratiques et réglementaires.
Lisa Daniels, par exemple, a attendu trois ans pour une connexion au réseau pour un développement prévu de 9 à 12 turbines sur son terrain à Kenyon, MN, à 60 miles au sud de Minneapolis. L'installation serait capable de produire 18 mégawatts de puissance. Son site, à seulement un mile et demi d'une sous-station, est prêt pour le bulldozer, explique Daniels, qui est également directeur exécutif d'une organisation régionale à but non lucratif qui vise à encourager les projets éoliens locaux. Le système devrait être plug-and-play, mais ce n'est pas le cas, dit-elle.
Les services publics, cependant, sont réticents à construire de nouvelles capacités de transport jusqu'à ce qu'ils sachent que la puissance de sortie des parcs éoliens et solaires éloignés le justifiera. Dans le même temps, les investisseurs dans les énergies renouvelables sont réticents à construire de nouveaux parcs éoliens ou solaires jusqu'à ce qu'ils sachent qu'ils peuvent mettre leur électricité sur le marché. Le plus souvent, ils choisissent d'attendre de nouvelles capacités de transport avant de se donner la peine de faire des propositions, explique Suedeen Kelly, commissaire de la FERC. C'est du genre poulet et œuf, dit-elle.
Plus d'intelligence
Le laboratoire sans fenêtre de GE Global Research à Niskayuna, NY, est rempli d'appareils de cuisine et bordé d'écrans muraux comme ceux des centres de contrôle d'un réseau électrique. Dans le laboratoire, Juan de Bedout, directeur du Laboratoire d'énergie électrique et de systèmes de propulsion, décrit comment un réseau intelligent pourrait aider à rendre les énergies renouvelables pratiques. Imaginez, dit-il, que la vitesse du vent chute soudainement dans un parc éolien, ou qu'un banc de nuages se déplace au-dessus d'une installation photovoltaïque. Les systèmes de contrôle de transmission existants, comme ceux de Vattenfall, détecteront la baisse de l'offre et l'augmentation des commandes de production d'électricité à partir d'autres sources, en particulier les centrales au gaz naturel, qui peuvent être démarrées rapidement.
Mais dans un réseau intelligent, le contrôleur pourrait envoyer un message à un système de distribution régional, recherchant une réduction de la demande. Instantanément, un signal serait envoyé aux compteurs des maisons ou des bureaux des clients qui avaient accepté, en échange de réductions de tarifs, de laisser le service public installer certains de leurs appareils pour réduire la consommation d'électricité lors des baisses d'approvisionnement. En quelques secondes, les chauffe-eau électriques s'éteindraient pendant quelques minutes et les thermostats électroniques seraient automatiquement ajustés de deux ou trois degrés. Il n'y aurait pas besoin d'alimenter l'usine de gaz naturel.
Coup de vent : Les parcs éoliens existants dans le sud de la Californie, comme celui-ci au nord de Santa Clarita, sont complétés par des parcs plus grands alors que de nouvelles lignes de transmission relient la région au grand Los Angeles.
Dans l'un des projets pilotes les plus avancés testant un tel système, le service public basé à Minneapolis Xcel Energy et plusieurs fournisseurs investissent 100 millions de dollars pour installer une infrastructure de réseau intelligent à Boulder, CO. Ces jours-ci, une équipe Xcel de 115 personnes est absente. temps plein, en installant des compteurs électriques bidirectionnels dans 50 000 maisons. Les propriétaires obtiennent un logiciel qui leur permet de visualiser et de gérer leur consommation d'énergie sur le Web, et certains de leurs appareils sont équipés d'interrupteurs qui permettront au service public de les éteindre à distance pendant les périodes de forte demande.
Les technologies de réseau intelligent pourraient réduire la consommation globale d'électricité de 6 % et la demande de pointe jusqu'à 27 %. Les réductions de la demande de pointe à elles seules permettraient d'économiser entre 175 et 332 milliards de dollars sur 20 ans, selon le Brattle Group, un cabinet de conseil à Cambridge, MA. Non seulement la baisse de la demande libérerait la capacité de transport, mais l'investissement en capital qui serait autrement nécessaire pour les nouvelles centrales électriques conventionnelles pourrait être réorienté vers les énergies renouvelables. En effet, les technologies de réseau intelligent rendraient les petites installations d'éoliennes et de panneaux photovoltaïques beaucoup plus pratiques. Ils permettront d'intégrer des quantités beaucoup plus importantes d'énergies renouvelables sur le réseau et de réduire le coût global effectif de ces énergies renouvelables à l'échelle du système, a déclaré Peter Fox-Pener du Brattle Group.
À Boulder, par exemple, Xcel encourage les consommateurs à installer des panneaux solaires sur leurs toits et des batteries de batteries dans leurs sous-sols, dans le cadre d'un plan visant à démontrer comment l'énergie variable produite par des milliers ou des millions de toits solaires pourrait être stockée dans des maisons individuelles et introduit dans le réseau en cas de besoin. Ces derniers mois, Xcel a même acheté quelques voitures hybrides rechargeables et les a connectées au réseau, afin de tester un logiciel qui permettrait aux véhicules de fonctionner comme des dispositifs de stockage d'énergie.
Et Xcel n'est pas seul. Les startups comme les grandes entreprises perfectionnent et commercialisent des matériaux de toiture solaires, des dispositifs de stockage d'énergie de sous-sol, des batteries pour hybrides rechargeables et des logiciels intelligents pour optimiser la consommation d'électricité. Mais tout comme la production d'énergie renouvelable à grande échelle dépend de l'amélioration de l'infrastructure de transmission, bon nombre de ces avancées sont inutiles sans un meilleur contrôle du réseau. Vous ne pouvez pas utiliser la batterie d'un plug-in pour le stockage du réseau si le réseau ne peut pas récupérer intelligemment l'énergie de la voiture.
La bonne nouvelle est que de nombreux services publics ont commencé à installer les compteurs requis, des compteurs qui surveillent intelligemment le flux d'électricité sortant d'une maison ainsi qu'à l'intérieur. La question est maintenant de savoir comment dépasser le blizzard des projets pilotes, installer des technologies plus intelligentes sur le réseau et commencer à intégrer davantage d'énergie renouvelable dans la nouvelle infrastructure. La vision du réseau intelligent est agréable ; nous avons tous nos diapositives PowerPoint en couleur, explique Don Von Dollen, qui gère la recherche sur les réseaux intelligents à l'EPRI. Je pense que les gens ont en quelque sorte la vision maintenant. Il est maintenant temps de faire avancer les choses.
Cercle vicieux
L'été dernier, l'ancien vice-président Al Gore a commencé à faire valoir que le pays devait mettre en œuvre un système électrique entièrement sans carbone d'ici une décennie pour éviter le danger du réchauffement climatique. Dans le cadre de sa vision, Gore a appelé à un réseau intelligent national unifié qui déplacerait l'énergie produite à partir de sources renouvelables vers les villes, augmenterait l'efficacité de l'utilisation de l'électricité et permettrait un meilleur contrôle sur les ressources renouvelables. Il a estimé que la refonte du réseau coûterait 400 milliards de dollars sur 10 ans.
Le plan de Gore ne précise pas exactement comment un projet aussi massif serait exécuté. S'il est plus rapide d'avoir une législation complète qui oblige les États à travailler ensemble et à faire affluer des capitaux privés, c'est formidable, déclare Cathy Zoi, PDG de l'Alliance for Climate Protection, l'association à but non lucratif que Gore a fondée à Menlo Park, en Californie, pour faire pression agir sur le changement climatique. S'il est plus rapide et plus facile d'allouer des fonds fédéraux et de le faire en tant que projet de travaux publics, c'est bien aussi. Nous ne sommes pas attachés à un seul instrument politique.
À l'heure actuelle, bien sûr, aucune stratégie n'a été adoptée. Bien que des projets pilotes comme celui de Boulder valent la peine comme moyen de démontrer de nouvelles technologies, ils ont été mis en œuvre de manière méli-mélo, avec différents services publics déployant différentes technologies dans différents états. Les projets de transport avancent progressivement, mais ils sont souvent compliqués par des conflits entre les États. Ce que nous avons aujourd'hui, c'est cette mosaïque de règles et de réglementations qui varient selon les États, explique Peter Corsell, PDG de GridPoint, une startup à Arlington, en Virginie, qui fabrique des logiciels de réseau intelligent et participe au projet Boulder. Nous sommes tous retranchés dans ce système défaillant, et il n'y a pas d'accord sur la façon de le réparer. C'est un cercle vicieux.
Certains pensent que la réponse est de donner plus d'autorité à la FERC. Aujourd'hui, l'agence peut annuler les décisions des États sur l'emplacement des lignes de transmission, mais uniquement dans les régions que le département américain de l'Énergie a désignées comme critiques pour la sécurité de l'approvisionnement en électricité. Jusqu'à présent, seuls deux de ces corridors ont été désignés : un dans les États du centre de l'Atlantique et un autre dans le sud-ouest. Même dans ces régions, les retards continuent. Southern California Edison a proposé une ligne de transmission majeure dans le corridor sud-ouest; s'étendant de l'extérieur de Los Angeles à près de Phoenix, en Arizona, il serait capable de gérer l'électricité générée par les futures centrales photovoltaïques et solaires thermiques. Mais l'Arizona a rejeté l'idée, alors le service public se prépare à présenter ses plans à la FERC.
D'autres pensent que la solution est une nouvelle politique fédérale qui rendrait le marché de l'énergie renouvelable plus lucratif, peut-être en régulant les émissions de dioxyde de carbone, comme le ferait la politique de plafonnement et d'échange proposée par Obama. Dans le cadre d'une telle politique, l'énergie éolienne et d'autres sources d'électricité sans carbone deviendraient beaucoup plus précieuses, incitant les services publics à étendre leur capacité à les gérer. (voir Q&R, p. 28) . Tout pourrait changer très rapidement, a déclaré Will Kaul, vice-président du transport chez Great River Energy dans le Minnesota, qui dirige un effort conjoint de planification du transport qui comprend 11 services publics dans le Midwest. S'il y avait une politique carbone, ou une norme nationale sur les énergies renouvelables, alors l'échelle de la production éolienne exploserait.
Comme Gore et d'autres experts en environnement le mettent en garde – et comme en témoigneraient les ingénieurs de Vattenfall – une explosion de l'utilisation des énergies renouvelables dépendra fortement de la mise à niveau du réseau. Ce ne sera pas bon marché, mais le gain en vaut peut-être la peine. Nous devrions penser à cela de la même manière que nous pensons au rôle du réseau routier fédéral, déclare Ernest Moniz, professeur de physique au MIT qui dirige l'initiative de recherche énergétique de l'école. C'est le levier clé pour nous permettre de moderniser l'ensemble de notre système de production d'électricité. Et les énergies renouvelables sont un bénéficiaire particulièrement important. Il n'y a aucune raison technologique pour laquelle nous ne pouvons pas agir de manière agressive.
David Talbot est Examen de la technologie Correspondant en chef de.