Trois approches de la stabilisation du réseau
Partout dans le monde, des sources d'énergie alternatives sont connectées aux réseaux de distribution afin d'améliorer la durabilité et de réduire l'impact sur l'environnement. Néanmoins, la prolifération des sources d'énergie peut rendre la gestion du réseau plus complexe. Cet article passe rapidement en revue certaines approches de réponse et montre comment les banques de charge peuvent offrir une valeur ajoutée.
Difficultés de croissance
Les réseaux de services publics relient généralement plusieurs centrales électriques aux clients sur une vaste zone. Pour garantir un fonctionnement sûr et correct, la tension, la fréquence et d'autres caractéristiques électriques du réseau doivent être maintenues dans des plages spécifiques. Si ces paramètres ne sont pas respectés, le réseau peut devenir instable et produire des effets qui affectent ou endommagent les équipements du réseau électrique. Un des effets ... lorsque la quantité d'électricité sur le réseau dépasse la demande, sa tension de fonctionnement peut augmenter, créant un effet de puissance inverse qui peut endommager l'équipement de production d'électricité dans les centrales électriques.
On pourrait en conclure que les services publics devraient réduire leur production d'électricité en diminuant ou en arrêtant les centrales. C'est possible... jusqu'à un certain point. Cependant, l'appareil de production des centrales électriques, qui comprend généralement de grandes chaudières à vapeur et des turbines à vapeur complexes et sensibles, peut ne pas être en mesure de fonctionner correctement sans produire une quantité minimale d'énergie. En outre, une compagnie d'électricité peut être confrontée à des dépenses élevées et à des pertes d'exploitation si son appareil de production n'est pas chargé comme prévu. Pour ces raisons et d'autres encore, les services publics doivent maintenir des niveaux de base de production d'électricité.
Solutions potentielles
Il existe diverses solutions pour gérer les excédents de puissance qui déstabiliseraient autrement un réseau électrique. Les sections suivantes passent brièvement en revue trois approches.
1. Stocker l'énergie excédentaire pour l'utiliser en cas d'augmentation de la demande
Batteries de stockage
Plusieurs moyens peuvent être utilisés pour stocker l'énergie excédentaire en vue de la consommer lorsque la demande excède l'offre. L'une des approches consiste à utiliser des batteries de stockage, qui se chargent chaque fois qu'un excédent d'énergie est disponible, puis se déchargent lorsque la demande augmente. En procédant ainsi à grande échelle, il est possible d'appliquer une charge suffisante pour éviter une situation d'inversion de puissance et répondre aux demandes de pointe. L'exemple le plus célèbre d'une solution de stockage par batterie est sans doute la réserve d'énergie de Hornsdale, près d'Adélaïde, dans le sud de l'Australie, qui utilise la technologie et l'équipement développés par Tesla.
Cette approche n'est pas sans limites. L'une d'entre elles est que les batteries ont une capacité limitée de stockage de l'énergie. Cela devient pertinent lorsque la zone desservie par un réseau connaît une longue période de temps ensoleillé et tempéré. Lorsque les batteries atteignent leur capacité, il n'est plus possible d'absorber l'énergie excédentaire. Sans autre moyen d'absorber ou de consommer cette énergie, les batteries pourraient ne pas réussir à stabiliser un réseau une fois qu'elles sont complètement chargées.
En outre, des défauts de conception ou de fabrication pourraient entraîner des conditions telles que l'emballement thermique, où les batteries deviennent suffisamment chaudes pour provoquer un incendie ou des dommages thermiques. En février 2018, la Commission américaine de sécurité des produits de consommation a signalé plus de 25 000 incidents de surchauffe ou d'incendie impliquant plus de 400 types d'appareils grand public alimentés par des batteries au lithium sur une période de cinq ans. 1Plusrécemment, des batteries lithium-ion alimentant des automobiles pourraient avoir joué un rôle dans un incendie qui a entraîné le naufrage d'un cargo. 2
Stockage d'énergie hydraulique
Un autre moyen de stockage de l'énergie est la production hydroélectrique. Un réservoir peut être créé pour stocker l'eau au-dessus d'un autre cours d'eau en érigeant un barrage hydroélectrique. Pendant les périodes d'excédent d'énergie, l'électricité est utilisée pour pomper l'eau du cours d'eau dans le réservoir. Lorsque la demande d'électricité augmente, l'eau stockée est libérée du réservoir par l'intermédiaire d'un équipement de production situé dans le barrage pour produire de l'électricité. La Yards Creek Generating Station dans le New Jersey, aux États-Unis, en est un exemple. L'eau est pompée quotidiennement du fleuve Delaware dans deux réservoirs lorsque la demande d'électricité est faible, puis relâchée dans le fleuve lorsque la demande d'électricité est forte. Les réservoirs couvrent plus de 450 acres (182+ hectares), stockent plus de 10 000 acres-pieds (~13 millions de mètres cubes) d'eau et peuvent fournir jusqu'à 420 mégawatts d'électricité.3
Malgré tous leurs avantages, les projets de stockage d'énergie présentent de multiples caractéristiques qui doivent être prises en compte. Ces caractéristiques sont les suivantes
Exigences en matière d'espace : Le stockage de l'énergie à grande échelle nécessite de l'espace, potentiellement beaucoup d'espace. Dans le cas d'un projet de stockage par batterie, l'empreinte de l'équipement peut être importante, et dans le cas d'un réservoir, beaucoup plus importante encore. Par conséquent, ces installations fonctionnent mieux en dehors des zones urbaines, où l'espace est moins susceptible d'être disponible et où les communautés environnantes seraient plus susceptibles d'être affectées par les impacts potentiels.
Capacité finie d'absorption de la charge : Lorsque les batteries sont entièrement chargées ou qu'un réservoir est plein, la solution ne peut plus être utilisée pour stabiliser le réseau en cas de surplus d'énergie. De même, une solution de stockage d'énergie complètement remplie ne peut pas distribuer de l'énergie jusqu'à ce que la demande redevienne suffisante.
Incidences sur l'environnement : Le cycle de vie des solutions de stockage de l'énergie a un impact sur l'environnement, mais de différentes manières. Pour les batteries, les préoccupations environnementales commencent avec l'extraction des minéraux, s'étendent à la fabrication, puis à l'élimination des substances toxiques utilisées pour les construire. Dans le cas de l'hydroélectricité, la construction d'un barrage et d'un réservoir consomme une grande surface de terre qui pourrait avoir une valeur écologique, agricole ou économique.
Considérations de sécurité : Les batteries surchargées peuvent poser des problèmes de sécurité. Des événements tels que des incendies dans l'électronique grand public et dans l'installation de stockage de Tesla montrent les résultats potentiels des problèmes dans les systèmes de stockage de batteries à petite et à grande échelle. Les barrages utilisés pour créer des réservoirs fournissent généralement un service fiable, mais ils doivent être correctement conçus, construits, inspectés et entretenus afin d'éviter tout risque excessif pour les communautés en aval. Quelle que soit la technologie utilisée, le stockage de grandes quantités d'énergie en un seul endroit nécessite des précautions pour éviter les événements susceptibles d'avoir un impact sur la santé humaine, la sécurité ou l'environnement.
2. Convertir l'énergie excédentaire en carburant
L'électricité excédentaire peut alimenter l'électrolyse de l'eau, un processus relativement simple qui produit des gaz d'hydrogène et d'oxygène. Il existe déjà des utilisations industrielles de ces substances, et l'hydrogène peut être utilisé comme combustible. L'oxygène est également utilisé dans les soins de santé. Combustible plus propre, l'hydrogène pourrait jouer un rôle dans les stratégies énergétiques futures et a été proposé comme carburant de remplacement pour les véhicules à moteur et d'autres applications qui dépendent actuellement du pétrole.
La conversion de l'énergie excédentaire en hydrogène pose quelques problèmes :
- Les installations de production et de stockage d'hydrogène nécessitent un espace adéquat. Les services publics pourraient ne pas être en mesure de placer ces installations là où l'électricité excédentaire est disponible, ce qui nécessiterait la construction d'infrastructures de transport vers les sites de production.
- L'utilisation de l'énergie excédentaire du réseau dépend du bon fonctionnement de tout processus ou installation de fabrication d'hydrogène. Si la production d'hydrogène est interrompue, l'installation ne peut pas être utilisée pour stabiliser le réseau en cas de besoin.
- La fabrication de produits chimiques dépasse les intérêts commerciaux et les compétences de base de la plupart des producteurs d'électricité. Le recours à des tiers pour utiliser l'énergie excédentaire afin de produire de l'hydrogène pourrait entraîner des risques commerciaux.
- L'hydrogène et l'oxygène sont des gaz explosifs qui sont généralement stockés sous pression et présentent donc des risques de sécurité qui doivent être gérés.
- Au-delà des utilisations actuelles, il n'y a pas d'infrastructure en place pour une "économie de l'hydrogène" émergente. Sans infrastructure supplémentaire, il se peut qu'il n'y ait pas de demande pour tout l'hydrogène qui pourrait être produit.
- Il n'est pas toujours pratique d'implanter la production d'hydrogène à proximité d'une source d'énergie excédentaire, en particulier dans les zones densément développées.
- Comme les solutions de stockage d'énergie ci-dessus, la production d'hydrogène ne peut pas être utilisée pour stabiliser un réseau une fois que les installations de stockage sont remplies à pleine capacité.
3. Absorber et dissiper l'énergie excédentaire à l'aide de bancs de charge
Les bancs de charge sont des dispositifs électriques qui convertissent l'énergie en chaleur, laquelle est ensuite dissipée dans l'environnement. Faciles à installer et à utiliser, ils ne reposent pas sur la conversion chimique de l'énergie comme le font les batteries de stockage et la production d'hydrogène.
L'industrie de l'électricité dispose aujourd'hui de bancs de charge adaptés, qui offrent une empreinte compacte et des coûts d'investissement et d'exploitation avantageux. En outre, ils peuvent fonctionner quelles que soient les conditions météorologiques et, comme ils ne sont jamais "pleins", ils peuvent fournir des charges stabilisatrices indéfiniment. Elles peuvent être utilisées presque partout où l'on dispose d'un excédent d'énergie.
Contrairement aux autres solutions examinées, les bancs de charge dissipent l'énergie excédentaire. Alors que les autres solutions utilisent une partie de l'énergie excédentaire pour convertir l'énergie d'une forme à une autre, les bancs de charge absorbent la totalité de l'énergie excédentaire. En ce sens, l'efficacité des réseaux utilisant les bancs de charge pourrait être inférieure à celle des réseaux stabilisés par d'autres moyens. Néanmoins, si l'on compare cette inefficacité aux conséquences d'un réseau électrique instable ou endommagé, les bancs de charge peuvent devenir une option intéressante.
Résumé
La prolifération des sources d'énergie alternatives offre des avantages en termes de développement durable, mais peut rendre plus difficile l'exploitation d'un réseau de distribution fiable. Lorsque les nouvelles sources entraînent un excédent d'énergie, des solutions sont nécessaires pour assurer le fonctionnement correct et fiable du réseau de distribution. Le stockage de l'énergie dans des batteries et des réservoirs d'eau peut contribuer à stabiliser les réseaux en absorbant l'énergie lorsque l'offre est excédentaire, puis en restituant l'énergie stockée au réseau lorsque la demande d'électricité est plus importante. De même, l'énergie peut être utilisée pour fabriquer du carburant en vue d'une utilisation ultérieure. Ces types de solutions nécessitent de l'espace, posent des problèmes de sécurité et de logistique et offrent des capacités limitées de stockage de l'énergie. En revanche, les bancs de charge offrent une solution de stabilisation compacte et fiable pour gérer les excédents d'énergie et sont disponibles dès maintenant.
1Commission américainepour la sécurité des produits de consommation. Status Report on High Energy Density Batteries Project (Rapport d'étape sur le projet de batteries à haute densité énergétique). 12 février 2018. p.4. https://www.cpsc.gov/s3fs-public/High_Energy_Density_Batteries_Status_Report_2_12_18.pdf?UksG80UJqGY0q4pfVBkbCuUQ5sNHqtwO, consulté le 11 mars 2020.
2QuartzMedia, Inc. Les batteries lithium-ion alimentent l'incendie d'un cargo rempli de Porsche. Aurora Almendral. 21 février 2022. https://qz.com/2130711/electric-vehicles-make-it-harder-to-quell-fire-on-felicity-ace-cargo-ship/, consulté le 14 mars 2020.
3NationalAssociation of Utility Regulatory Commissioners (Association nationaledes commissaires à la réglementation des services publics). Nexus entre l'eau et l'électricité : Une visite à la station hydroélectrique de stockage par pompage de Yards Creek. Uprenda Chivukula. Non daté. https://www.naruc.org/bulletin/the-bulletin-03-08-2018/nexus-between-water-and-electricity/, consulté le 11 mars 2020.
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