Les centrales au gaz naturel sont une pierre angulaire des systèmes modernes d'électricité, offrant la flexibilité, la fiabilité et l'efficacité nécessaires pour répondre aux besoins de base et de pointe.Alors que les nations cherchent à équilibrer la sécurité énergétique avec les objectifs environnementaux, le gaz naturel constitue un pont critique entre les combustibles fossiles traditionnels et un avenir dominé par les énergies renouvelables.

Qu'est-ce que les centrales au gaz naturel?

Les centrales au gaz naturel produisent de l'électricité en brûlant du gaz naturel pour produire des gaz chauds qui tournent directement une turbine à gaz, ou en utilisant la chaleur pour produire de la vapeur qui alimente une turbine à vapeur.

Turbines à gaz à cycle simple

Les centrales à cycle simple fonctionnent comme un moteur à réaction au sol : l'air comprimé se mélange au gaz naturel, s'enflamme et les gaz d'échappement en expansion tournent une turbine connectée à un générateur. Ces unités peuvent commencer à froid en moins de 10 minutes et atteindre la pleine puissance rapidement, ce qui les rend idéales pour les périodes de pointe ou les secours d'urgence.

Turbines à gaz à cycle combiné (CCGT)

Les centrales à cycle combiné obtiennent une efficacité nettement plus élevée, jusqu'à 60 %, en captant la chaleur d'échappement de la turbine à gaz dans un générateur de vapeur de récupération de chaleur (HRSG) et en l'utilisant pour produire de la vapeur qui alimente une turbine à vapeur secondaire.Cette approche à double cycle extrait davantage d'énergie du même combustible, réduisant ainsi les coûts du carburant et les émissions de CO2 par MWh. Les centrales à gaz à cycle combiné sont souvent utilisées pour les opérations de charge de base ou de charge intermédiaire parce qu'elles peuvent fonctionner de façon continue pendant de longues périodes tout en restant suffisamment souples pour monter et descendre au besoin.

Cogénération (Chauffage et énergie combinés)

Dans les milieux industriels, les centrales au gaz naturel peuvent fonctionner en mode cogénération (chaleur et énergie combinées, ou CHP) en utilisant la chaleur résiduelle pour le chauffage urbain ou les procédés industriels.Cette approche peut atteindre une efficacité thermique globale de 80% ou plus, ce qui améliore encore les avantages économiques et environnementaux de l'énergie de gaz naturel.

Contributions à la sécurité énergétique

La sécurité énergétique signifie disposer d'approvisionnements énergétiques fiables, abordables et accessibles, qui résistent aux perturbations. Les centrales au gaz naturel renforcent la sécurité énergétique de plusieurs façons clés.

Diversification des sources d'énergie

En ajoutant du gaz naturel à la gamme énergétique, les pays réduisent leur dépendance à l'égard d'un combustible unique, qu'il s'agisse du charbon, du nucléaire ou du pétrole, ou de régions d'approvisionnement spécifiques, ce qui permet de réduire la volatilité des prix, les interruptions de la chaîne d'approvisionnement et les risques géopolitiques.

Production intérieure et réduction des importations

De nombreux pays, dont les États-Unis, le Canada, le Royaume-Uni et l'Australie, disposent d'abondantes ressources en gaz naturel. L'évolution du gaz de schiste, en particulier, a transformé les flux commerciaux de l'énergie.

Réserves stratégiques et stockage

Ces réserves stratégiques servent de tampon lors d'événements météorologiques extrêmes, de pannes de pipelines ou de pics de demande. Par exemple, les États-Unis maintiennent une capacité de stockage de plus de 3 trillions de pieds cubes de gaz, ce qui fournit un coussin critique pour le chauffage hivernal et la production d'électricité.

Routes d'approvisionnement et infrastructures GNL diverses

La croissance des terminaux d'exportation et d'importation de GNL permet de faire du gaz naturel un marché mondial, réduisant ainsi la dépendance à l'égard des pipelines uniques. Les pays peuvent se procurer du GNL auprès de plusieurs fournisseurs, augmentant la flexibilité de l'offre.

Améliorer la fiabilité du réseau électrique

La fiabilité du réseau exige que l'offre d'électricité corresponde à la demande en temps réel, même dans des conditions fluctuantes.

Rampe rapide et dépannage

Contrairement aux centrales au charbon ou au nucléaire, qui peuvent prendre des heures pour démarrer ou changer de production, les turbines à gaz peuvent passer de zéro à pleine charge en quelques minutes. Cette dispatchabilité en fait la technologie préférée pour équilibrer les énergies renouvelables intermittentes comme le vent et le solaire.

Règlement sur la fréquence et services auxiliaires

Les opérateurs de réseau utilisent des ressources à action rapide pour maintenir la fréquence dans des tolérances serrées (par exemple, 50 ou 60 Hz). Les centrales au gaz naturel peuvent fournir une réponse de fréquence primaire en ajustant la sortie en secondes.

Capacité de démarrage noire

Certaines centrales au gaz naturel sont équipées d'une capacité de démarrage noir, la capacité de redémarrer sans alimentation externe. Ceci est essentiel pour restaurer le réseau après une panne complète. En conjonction avec les centrales hydroélectriques, les unités alimentées au gaz sont souvent les premières à être réalimentées lors des plans de restauration du système.

Opérations de chargement et de pic de base

Les usines à cycle combiné peuvent fonctionner comme des unités de charge de base, fonctionnant à des facteurs de capacité élevés pendant des mois à la fois, tandis que les pics à cycle simple ne s'activent que pendant les périodes de forte demande.Cette flexibilité permet aux planificateurs de grille de correspondre à une variété de scénarios de demande, de l'après-midi doux du printemps à un froid hivernal amer.

Réduction des coupures forcées

Les centrales au gaz naturel ont généralement une fiabilité élevée et des taux de pannes forcées faibles par rapport aux anciennes centrales au charbon. Les turbines au gaz modernes ont des taux de disponibilité prouvés supérieurs à 95 %, et elles peuvent être maintenues pendant les pannes programmées sans interruptions prolongées.

Intégration avec le stockage de l'énergie

En association avec le stockage des batteries, les centrales au gaz naturel peuvent réduire la consommation de carburant pendant les pics de courte durée. L'installation peut charger les batteries lorsque la demande est faible et les décharger lorsque la demande est forte, en utilisant du gaz uniquement pour des besoins de plus longue durée.

Avantages environnementaux et économiques

Le gaz naturel est souvent appelé « combustible fossile le plus propre » parce qu'il émet environ la moitié du CO2 du charbon et un tiers moins d'oxydes d'azote et de particules par unité d'énergie. Toutefois, une comptabilité complète doit inclure les fuites de méthane pendant l'extraction et le transport.

Réduction des émissions de gaz à effet de serre

Aux États-Unis, le passage du charbon au gaz a contribué à une baisse de 14 % du CO2 du secteur de l'électricité entre 2005 et 2018, selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE). Les usines à cycle combiné émettent des taux de CO2 typiques de moins de 500 g/kWh, comparativement à plus de 1 000 pour le charbon.

Réduction des polluants atmosphériques locaux

La combustion de gaz naturel ne produit pratiquement pas de SO2 et très peu de mercure, ce qui réduit les risques liés aux pluies acides, au smog et à la santé respiratoire.

Avantages économiques

Les centrales au gaz naturel sont relativement peu coûteuses à construire, en particulier les crêtes à cycle simple, et peuvent être construites en 18 à 24 mois, comparativement à 5 à 10 ans pour le nucléaire ou l'hydroélectricité de grande taille.

Opérable flexible et économies de coûts de grille

Comme elles peuvent réagir rapidement aux changements de la demande, les centrales au gaz naturel réduisent le besoin de réserves de filage coûteuses et peuvent réduire les coûts d'exploitation globaux du système. Une étude de la North American Electric Reliability Corporation (NERC) souligne que la production au gaz est devenue le principal outil de gestion de la variabilité de la charge nette dans de nombreux réseaux régionaux.

Fuite de méthane et considérations liées au cycle de vie

Si les fuites de méthane en amont dépassent environ 3 % des volumes de production, les émissions de gaz naturel pendant le cycle de vie peuvent rivaliser ou dépasser le charbon. L'industrie a fait des progrès dans la détection et la réduction des émissions de méthane grâce à la surveillance par satellite, à l'amélioration des systèmes d'étanchéité des vannes et à des programmes de détection des fuites.

Consommation d'eau

Les centrales au gaz naturel, en particulier les centrales à cycle combiné, utilisent beaucoup moins d'eau par MWh que le charbon ou les centrales nucléaires. Les turbines à gaz refroidies à l'air peuvent fonctionner avec une consommation minimale d'eau, ce qui les rend adaptées aux régions de l'eau-scarce.

Perspectives d'avenir : le rôle en évolution du gaz naturel

Le paysage énergétique se déplace vers la décarbonisation, mais le gaz naturel ne disparaît pas bientôt. Son rôle, cependant, est en train de changer. Les futures centrales au gaz naturel fonctionneront probablement moins fréquemment et plus souplement, en complément des énergies renouvelables plutôt qu'un cheval de travail de base.

Mélange d'hydrogène et combustibles à faible teneur en carbone

Les turbines à gaz peuvent brûler un mélange de gaz naturel et d'hydrogène, réduisant les émissions de CO2 proportionnellement. Des fabricants comme GE, Siemens et Mitsubishi Power développent des turbines capables de manipuler jusqu'à 100 % d'hydrogène. Certains services publics ont déjà démontré que l'hydrogène mélangé dans les centrales électriques.

Capture, utilisation et stockage du carbone (CCUS)

Plusieurs projets, comme le projet Petra Nova au Texas (d'origine charbonnière, maintenant appliquée au gaz) et la centrale de démonstration NET Power, sont en train de tester les CCUS à l'échelle. Les coûts sont en baisse et des incitations fiscales comme le crédit américain 45Q améliorent l'analyse de rentabilisation.

Équilibre des réseaux dans les systèmes à haut renouvellement

Les centrales au gaz naturel sont susceptibles de remplir ce rôle d'équilibre jusqu'à ce que le stockage d'énergie à grande échelle et la réponse de la demande arrivent à maturité. Certaines régions voient déjà des centrales au gaz fonctionnant avec des facteurs de capacité inférieurs à 20%, agissant uniquement comme des pics. Leur capacité à cycler quotidiennement, voire plusieurs fois par jour, est cruciale pour intégrer des niveaux élevés d'énergie éolienne et solaire.

Réaménager l'infrastructure existante

Les gazoducs, les terminaux GNL et les installations de stockage existants peuvent être réutilisés pour transporter et stocker de l'hydrogène ou du méthane synthétique, ce qui réduit le coût de la transition énergétique en tirant parti de milliards de dollars dans les infrastructures en ruine.

Les facteurs politiques et réglementaires

Les gouvernements appliquent des normes en matière de prix du carbone, d'énergie propre et de méthane, et des règlements rigoureux qui façonneront l'avenir du gaz naturel.Dans l'Union européenne, le règlement sur la taxation inclut le gaz naturel comme source d'énergie transitoire si celui-ci respecte des seuils d'émissions spécifiques et prévoit de réduire les fuites de méthane.

Difficultés à poursuivre le déploiement

Malgré ses avantages, le gaz naturel est confronté à des vents de tête : risque d'actifs échoués à mesure que la décarbonisation s'accélère, opposition des groupes environnementaux concernés par le méthane et le CO2 à long terme et concurrence de la chute rapide des batteries et des coûts renouvelables.Les investisseurs exigent de plus en plus des stratégies respectueuses du climat.

Conclusion

Les centrales au gaz naturel sont indispensables pour maintenir la sécurité énergétique et la fiabilité du réseau dans le système énergétique mondial actuel. Leur capacité de montée en puissance rapide, leur faible émission par rapport au charbon et leurs avantages économiques en font un choix pratique pour la charge de base et l'exploitation flexible.À mesure que le monde se dirige vers les émissions nettes nulles, le gaz naturel servira de combustible de transition, en soutenant les énergies renouvelables, en fournissant des services essentiels de réseau et en faisant des innovations dans les technologies à faible teneur en carbone comme l'hydrogène et le captage du carbone.

Références externes: