Alors que les pays s'efforcent de réduire leurs émissions de carbone, il est essentiel de comprendre la contribution du gaz naturel pour les décideurs, les éducateurs et les étudiants. Bien que l'objectif ultime soit un réseau entièrement décarboné alimenté par l'énergie éolienne, solaire et autres énergies renouvelables, le gaz naturel offre actuellement un pont critique, offrant souplesse, fiabilité et réduction des émissions par rapport au charbon et au pétrole.

La transition énergétique mondiale et la nécessité d'un carburant pour pont

Presque chaque pays s'est engagé à réduire les émissions de gaz à effet de serre en vertu de l'Accord de Paris, avec de nombreuses émissions qui ciblent zéro zéro d'ici le milieu du siècle. Les sources d'énergie renouvelables – solaire, éolienne, hydroélectrique, géothermique – se développent rapidement, mais elles viennent avec une intermittence inhérente : le soleil ne brille pas toujours, et le vent ne souffle pas toujours.

Les centrales au gaz naturel comblent efficacement cette lacune, qui peuvent démarrer rapidement, augmenter ou diminuer en quelques minutes, et fonctionner pendant des heures ou des jours au besoin.Cette flexibilité fait du gaz naturel un partenaire idéal pour les énergies renouvelables, lissant les fluctuations et assurant la stabilité du réseau.

Fonctionnement des centrales électriques au gaz naturel

Les centrales au gaz naturel produisent de l'électricité en brûlant du gaz naturel, un combustible fossile composé principalement de méthane. Les conceptions les plus courantes comprennent des turbines à gaz à cycle simple et des turbines à gaz à cycle combiné (CCGT).

Cycle simple vs Cycle combiné

  • Les usines à cycle simple[ utilisent une turbine à gaz semblable à un moteur à réaction. Elles brûlent du gaz naturel pour tourner une turbine connectée à un générateur. Ces unités sont moins efficaces (généralement 30 à 42%), mais peuvent démarrer rapidement, ce qui les rend idéales pour la demande maximale et les secours d'urgence.
  • Les usines à cycle combiné[ captent la chaleur résiduelle de la turbine à gaz pour produire de la vapeur qui conduit une deuxième turbine à vapeur. Cette configuration pousse l'efficacité jusqu'à 60% ou plus, en extrayant plus d'électricité de la même quantité de combustible.

Profil des émissions

Le gaz naturel, lorsqu'il est brûlé, émet environ 50 à 60 % de dioxyde de carbone moins que le charbon et 25 à 30 % de moins que le pétrole par unité d'énergie produite. Il produit également pratiquement pas de dioxyde de soufre (SO2), moins d'oxydes d'azote (NOx) et beaucoup moins de particules. Cependant, le méthane, qui est la composante principale du gaz naturel, est un gaz à effet de serre puissant, avec un potentiel de réchauffement planétaire 28 à 36 fois plus grand que le CO2 sur 100 ans.

Le gaz naturel en tant que partenaire pour les énergies renouvelables variables

L'énergie éolienne et solaire sont des sources d'énergie renouvelables variables (ERV), dont la production dépend de la météo et de l'heure de la journée, et non de la demande humaine. Pour maintenir un réseau fiable, les exploitants ont besoin de ressources expédiables qui peuvent se remplir pendant les périodes de faible production d'énergie renouvelable et absorber l'énergie excédentaire lorsque les énergies renouvelables surproduisent.

Équilibre des grilles et rampage rapide

Les centrales à cycle combiné peuvent passer de la charge minimale à la pleine capacité en 30 à 60 minutes. Les turbines à gaz à cycle simple peuvent le faire en 10 à 15 minutes, et certaines conceptions avancées permettent une réponse encore plus rapide. Cette vitesse permet aux opérateurs du réseau de compenser les chutes soudaines de la production solaire dues au couvert nuageux ou à l'accalmie du vent.

Comparaison avec le stockage de l'énergie

Cependant, les batteries à l'échelle des services publics ont actuellement une durée limitée, généralement de 2 à 4 heures, où une usine de gaz naturel peut fonctionner pendant des jours. Le département américain de l'énergie fait remarquer que la production de gaz complète le stockage en fournissant une capacité ferme de plus longue durée. Pour les événements météorologiques de plusieurs jours (p. ex., les semaines de surchauffe et de panne d'air), le gaz naturel reste une source d'énergie plus pratique que les banques de batteries énormes.

Avantages des centrales au gaz naturel

  • Émissions de carbone inférieures[ que le charbon et le pétrole, ce qui facilite les objectifs climatiques à court terme.
  • Puissance fiable et expéditable qui peut fonctionner 24/7 au besoin.
  • Démarrage et rampe rapide[ pour faire correspondre les fluctuations renouvelables.
  • Coût-efficacité:[ Les prix du gaz naturel ont été bas historiquement, et les usines à cycle combiné offrent certains des coûts d'électricité les plus bas, à niveau, parmi les combustibles fossiles.
  • Plage physique plus petite par mégawatt par rapport au charbon ou aux centrales nucléaires.
  • Compatibilité avec les carburants futurs:[ De nombreuses turbines à gaz modernes peuvent brûler des mélanges d'hydrogène, offrant une voie de décarbonisation.

Défis et préoccupations environnementales

Fuite de méthane

Une étude publiée en 2018 dans Science a estimé que la chaîne d'approvisionnement en pétrole et en gaz des États-Unis fuit environ 2,3 % de la production totale. Comme le méthane est si puissant, toute fuite supérieure à environ 3 % fait du gaz naturel une source de plus de gaz naturel que le charbon sur une période de 20 ans.

Utilisation de l'eau et impacts locaux

Les centrales au gaz naturel, en particulier les groupes à cycle combiné avec turbines à vapeur, consomment de l'eau pour le refroidissement. La pénurie d'eau peut être une contrainte dans les régions arides.

Risque de verrouillage

Si les fuites de méthane ne sont pas suffisamment prises en compte ou si le captage du carbone n'est pas déployé, ces actifs deviennent bloqués. Les modèles climatiques suggèrent que pour atteindre les objectifs de l'Accord de Paris, le monde doit réduire l'utilisation de combustibles fossiles de 50 % d'ici 2030 et presque l'éliminer d'ici 2050. De nouvelles centrales gazières construites aujourd'hui pourraient encore fonctionner en 2050, créant un conflit avec les objectifs nets zéro.

Capture et stockage du carbone (SCC)

Une façon de réduire les émissions des centrales au gaz naturel est de les équiper de la technologie du captage et du stockage du carbone (SCC). Le CSC capte le CO2 du flux d'échappement, le compresse et le stocke sous terre dans des formations géologiques. Bien que techniquement faisable, le CSC est coûteux (qui coûte entre 30 et 50 % de l'électricité), à forte intensité énergétique et pas encore largement déployé.

Cadres stratégiques et cibles nationales

États-Unis

En 2023, le gaz naturel a fourni environ 40 % de l'électricité américaine, tandis que les énergies renouvelables ont fourni environ 22 % de cette énergie. L'administration de Biden s'est fixé pour objectif d'obtenir une électricité 100 % sans carbone d'ici 2035. Cet objectif implique une réduction importante de l'utilisation du gaz naturel, mais le gaz naturel continuera probablement de servir de ressource solide pendant de nombreuses années.

Union européenne

Le paquet «Fit for 55» de l'UE vise à réduire les émissions de gaz à effet de serre de 55 % d'ici 2030 par rapport aux niveaux de 1990, avec un taux net de zéro d'ici 2050. Le gaz naturel joue un rôle transitoire, mais l'UE encourage un passage au gaz renouvelable (biométhane et hydrogène vert). La Banque européenne d'investissement ne finance plus de nouveaux projets de gaz naturel, à moins qu'ils ne soient compatibles avec une voie de décarbonisation.

Pays en développement

Dans des pays comme l'Inde et l'Indonésie, le gaz naturel est considéré comme un outil essentiel pour réduire la dépendance au charbon tout en améliorant l'accès à l'énergie. Toutefois, les coûts élevés des importations et la nécessité d'une infrastructure de pipelines étendue constituent des obstacles.

Innovations technologiques Façonner l'avenir

Mélange d'hydrogène

Certaines turbines plus récentes sont capables de combustion à 100 % d'hydrogène. L'utilisation de l'hydrogène produit à partir d'électricité renouvelable (hydrogène vert) pourrait transformer les centrales au gaz naturel en actifs à zéro carbone. Des projets pilotes sont en cours aux États-Unis, en Europe et au Japon. Cependant, la production d'hydrogène vert est actuellement coûteuse et inefficace en énergie, et des problèmes de stockage et de compatibilité des pipelines demeurent.

Conception avancée de turbine à gaz

Des fabricants comme General Electric, Siemens Energy et Mitsubishi Power développent des turbines de classe H qui fonctionnent à des températures et des pressions plus élevées, poussant l'efficacité du cycle combiné au-delà de 64 %. Une efficacité plus élevée signifie moins de combustible brûlé par mégawatt-heure, réduisant à la fois les émissions de CO2 et les coûts du carburant.

Digitalisation et intégration du réseau

Les technologies de réseau intelligent permettent une coordination plus précise entre les centrales au gaz naturel et les générateurs renouvelables. L'analyse en temps réel des données, l'expédition automatisée et la maintenance prédictive améliorent les performances des centrales et réduisent les temps d'arrêt.

Études de cas : Le gaz naturel en action

Californie: Réduction des émissions avec un hybride gaz/renouvelable

La Californie a certains des objectifs les plus ambitieux en matière de énergies renouvelables au monde, soit 60 % d'ici 2030 et 100 % d'ici 2045. L'État compte fortement sur le gaz naturel pour assurer la fiabilité du réseau, surtout après la fermeture de la centrale nucléaire de San Onofre et l'arrêt progressif de plusieurs centrales au gaz côtier. En 2020, le gaz naturel a fourni environ 37 % de l'électricité de la Californie, contre 45 % en 2015. L'État a également investi dans le stockage de batteries (plus de 5 GW installées) mais a encore besoin de gaz pour couvrir les pics du soir lorsque le soleil s'estompe.

Royaume-Uni: Paver le chemin vers Net-Zero

Le Royaume-Uni a réduit ses émissions de plus de 60 % depuis 1990, en remplaçant le charbon par le gaz naturel et en développant l'énergie éolienne. En 2023, le gaz naturel représentait environ 35 % de l'électricité britannique, le vent 30 % et le charbon moins de 1 %. Le gouvernement britannique s'est engagé à mettre en place un système d'énergie entièrement décarboné d'ici 2035, ce qui nécessitera soit des réductions spectaculaires de l'utilisation du gaz, soit une importante capture de carbone.

Allemagne: l'énergiewende et ses exigences en matière de gaz

La transition énergétique de l'Allemagne (Energiewende) vise à éliminer le charbon d'ici 2038 (probablement auparavant) et le nucléaire d'ici 2022 (déjà achevé). L'Allemagne s'est tournée vers le gaz naturel comme pont, en construisant de nouvelles centrales au gaz pour assurer la sécurité de l'approvisionnement. Le pays prévoit également de convertir ces centrales en hydrogène d'ici 2040.

Conclusion

Les centrales au gaz naturel jouent un rôle complexe et évolutif dans la transition énergétique mondiale, qui offre des réductions mesurables du carbone par rapport au charbon et offre la souplesse nécessaire pour intégrer une part élevée de l'énergie éolienne et solaire. Pourtant, elles demeurent des sources de combustibles fossiles avec des fuites de méthane, une utilisation de l'eau et des émissions à long terme. La réalisation des objectifs nationaux en matière d'énergie renouvelable nécessitera une approche progressive – investissements soutenus dans les énergies renouvelables, le stockage de l'énergie, la modernisation du réseau, la gestion de la demande et la mise au point de solutions de remplacement à zéro carbone, comme l'hydrogène vert et le CSC. Le gaz naturel, déployé judicieusement et avec de solides garanties environnementales, peut servir de pont vers un système d'énergie entièrement décarboné.