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Introduction : La justification économique de la co-implantation

L'énergie éolienne et solaire, bien qu'elle soit abondante, sont intrinsèquement variables. À mesure que les marchés de l'énergie mûrissent, les promoteurs se tournent de plus en plus vers la colocalisation, en plaçant des éoliennes aux côtés d'autres technologies renouvelables comme les panneaux photovoltaïques, le stockage de batteries, et même de petites centrales hydroélectriques ou des systèmes d'hydrogène vert. Cette stratégie transforme une seule parcelle de terre en un pôle de production d'énergie diversifié, offrant des avantages économiques mesurables qui profitent aux propriétaires de projets, aux services publics, aux contribuables et aux collectivités locales.

En partageant les connexions du réseau, les routes d'accès, les sous-stations et les installations d'exploitation et d'entretien (O&M), les promoteurs peuvent réduire les dépenses en capital (CAPEX) de 10 à 20 % par rapport à la construction d'installations séparées. Les dépenses opérationnelles (OPEX) diminuent également parce qu'un seul équipage peut maintenir plusieurs technologies sur un même site. L'Agence internationale des énergies renouvelables (IRENA) a souligné que les centrales hybrides renouvelables, qui combinent deux sources de production ou plus, deviennent compétitives par rapport aux centrales classiques à combustibles fossiles, surtout lorsque les coûts de la terre et des permis sont pris en compte. IRENA, Centrales hybrides, 2023]

Par exemple, la vitesse du vent tend à être plus élevée la nuit et pendant l'hiver, tandis que l'irradiation solaire atteint des sommets pendant les jours ensoleillés et les mois d'été. En appariant le vent et le solaire, l'usine hybride peut produire de l'électricité pendant plus d'heures de la journée et pendant plus de saisons, lissant ainsi l'intermittence qui a longtemps constitué un obstacle à une pénétration accrue des énergies renouvelables. Le Laboratoire national des énergies renouvelables des États-Unis (NREL) estime qu'un projet bien conçu co-implanté dans le secteur éolien peut augmenter la production annuelle d'énergie de 10 à 15 % par rapport à l'une ou l'autre des technologies sur la même empreinte terrestre. (NREL, Renewable Energy Hybrides, 2021)

Réduction des coûts des infrastructures et des terrains

Coûts de connexion et de sous-station du réseau partagé

L'une des plus importantes économies d'investissement réalisées dans les projets d'énergie renouvelable réside dans l'interconnexion du réseau. Une seule ligne de transport et une sous-station peuvent desservir des unités de production multiples. Lorsqu'un parc éolien et un réseau solaire sont co-implantés, ils peuvent partager le même point d'interconnexion (POI), éliminant ainsi la nécessité de faire double emploi avec les infrastructures.

Selon le Lawrence Berkeley National Laboratory, les coûts d'interconnexion pour les projets renouvelables peuvent varier de 5 % à 15 % du total des coûts du projet. Le partage de cette dépense entre 100 MW d'énergie éolienne et 100 MW d'énergie solaire réduit de moitié les frais d'interconnexion par MW.

Optimisation des coûts d'utilisation des terres et réduction des coûts de préparation des sites

L'acquisition de terrains et la préparation de sites sont des facteurs de coûts majeurs pour tout projet d'énergie renouvelable. La co-implantation permet aux promoteurs de maximiser la production d'énergie par hectare. Au lieu d'utiliser des parcelles distinctes, chacune nécessitant sa propre évaluation de l'impact environnemental, des routes d'accès, des clôtures et des niveaux de classement, un seul site peut accueillir à la fois des éoliennes et des panneaux solaires, souvent avec un stockage de batteries placé dans une zone compacte.

En plus de réduire les superficies nécessaires, la co-implantation réduit le nombre d'enquêtes environnementales, permet des droits et des efforts de sensibilisation de la collectivité. Les promoteurs doivent négocier un contrat de location avec les propriétaires fonciers, en obtenant des revenus à long terme pour les agriculteurs ou les éleveurs tout en permettant un projet énergétique à plus forte densité. L'American Clean Power Association (ACP) a noté que la co-implantation est particulièrement attrayante dans les régions agricoles où les propriétaires fonciers cherchent à obtenir des flux de revenus dus aux paiements de location-éolien et aux activités de pâturage solaire. (ACP, Agrivoltaics and Co-location, 2023])

Réduction des opérations et de l'entretien (O&M)

Une seule équipe d'exploitation et d'entretien peut assurer le service des éoliennes et des onduleurs solaires. Les pièces de rechange communes, comme les transformateurs, les câbles et les commutateurs, peuvent être partagées. Les systèmes de surveillance à distance (SCADA) qui assurent le suivi des performances de l'énergie éolienne, solaire et de la batterie peuvent être intégrés dans un tableau de bord, réduisant ainsi les coûts des logiciels et de la main-d'oeuvre.

En outre, la proximité physique de l'équipement réduit le temps de déplacement des techniciens. Plutôt que de conduire entre deux sites à des dizaines de kilomètres d'écart, l'équipage peut marcher d'une éolienne à un champ solaire en quelques minutes. Cette réduction du carburant, de l'entretien et du temps de travail du véhicule se traduit par une réduction annuelle de l'OPEX. Des études de l'Institut Fraunhofer suggèrent que les installations co-implantées peuvent atteindre l'O&M réductions de 15 à 25 % par rapport aux installations autonomes. (Fraunhofer ISE, Faits récents sur PV, 2024)

Amélioration de la production d'énergie et stabilité du réseau

Profils complémentaires de génération

Le vent a tendance à souffler plus fort la nuit et pendant les mois les plus froids, tandis que le solaire génère la majeure partie de sa production pendant les jours ensoleillés et l'été. Ensemble, ils créent un profil de génération plus équilibré qui réduit le temps que la plante est à zéro production. Par exemple, dans les Grandes Plaines des États-Unis, le printemps et l'automne présentent souvent des vents forts et une irradiance solaire modérée, permettant aux plantes hybrides de maintenir des facteurs de capacité élevés toute l'année.

Une étude réalisée en 2020 par le National Renewable Energy Laboratory a évalué 100 configurations éoliennes à co-implantations aux États-Unis et a constaté que le facteur de capacité combiné (l'énergie réelle divisée par le maximum possible) s'était amélioré en moyenne de 15 % par rapport à un parc éolien autonome et de 12 % par rapport à un parc solaire autonome.

En outre, la co-implantation peut aplatir la courbe dite de « duck », la rampe raide de charge nette qui se produit le soir lorsque la production solaire diminue alors que la demande reste élevée. Dans une usine située à proximité, la production éolienne reprend souvent en fin d'après-midi et en soirée, fournissant une couverture naturelle contre la chute solaire.

Incluant le stockage d'énergie par batterie

De nombreux projets modernes et co-implantés intègrent des systèmes de stockage d'énergie de batterie (BESS) aux côtés du vent et du solaire. La logique économique est convaincante : les batteries peuvent stocker l'excès de production pendant les périodes de faible demande ou de prix négatifs, puis décharger lorsque les prix de l'électricité atteignent leur maximum.

Dans les régions où la pénétration des énergies renouvelables est élevée, les exploitants de réseaux peuvent demander aux centrales éoliennes et solaires de réduire leur production pour éviter de surcharger les lignes de transmission. Au lieu de perdre cette énergie (et les revenus qui en découlent), la batterie co-implantée peut l'absorber et la libérer plus tard. La recherche NREL indique que le couplage de 20 à 30 MW de stockage de batteries avec un hybride éolienne-solaire de 100 MW peut réduire les pertes de réduction jusqu'à 50 %, améliorant directement l'économie du projet. [NREL, Hybrid and Storage Study, 2022]

Le coût des batteries lithium-ion a diminué de plus de 80 % au cours de la dernière décennie, rendant le stockage co-local de plus en plus viable.Les développeurs peuvent maintenant concevoir des projets qui fournissent une puissance ferme et expéditable – éliminant virtuellement l'écart de variabilité qui a été historiquement le plus grand obstacle à l'adoption d'énergies renouvelables.

Réduction des frais de transport et des paiements de capacité

La congestion des transports est un problème croissant sur de nombreux marchés de l'électricité. Les zones riches en énergie éolienne sont souvent loin des centres de charge, et la construction de nouvelles lignes de transport est coûteuse et longue. La co-implantation peut aider en permettant des facteurs de capacité plus élevés sur les infrastructures de transport existantes.

Certains marchés, comme le Midcontinent Independent System Operator (MISO) et le Electric Reliability Council du Texas (ERCOT), ont mis en place des structures de capacité qui récompensent une production fiable. Une usine de stockage de l'énergie éolienne située à deux emplacements peut être considérée comme une ressource de capacité, et les paiements pour être disponibles pendant les périodes de pointe de la demande peuvent augmenter de 5 à 15 % les recettes totales du projet, améliorer le rendement des investissements et permettre aux promoteurs d'obtenir un financement à des taux d'intérêt plus bas.

Avantages économiques pour les collectivités locales

Création d'emplois et développement de la main-d'œuvre

Un seul projet peut nécessiter des techniciens en éolienne, des installateurs solaires, des spécialistes de la gestion des batteries et des ingénieurs civils, tous sur le même site. Cette concentration de travaux entraîne des phases de construction plus longues et des postes d'O& plus permanents. Une étude de l'Alliance des États de l'énergie propre a révélé que les projets hybrides génèrent environ 30 % d'emplois par mégawatt que les projets uniquement éoliens. (CESA, Economic Benefits of Hybrid Projects, 2023)

Les collèges communautaires et les écoles professionnelles peuvent offrir des programmes d'études portant sur la mécanique des éoliennes, la conception photovoltaïque solaire et les systèmes de stockage de l'énergie, compétences hautement transférables et en demande. Il en résulte une main-d'œuvre locale plus résiliente qui peut soutenir non seulement le projet initial mais aussi les développements énergétiques futurs dans la région.

Augmentation des revenus fiscaux et des revenus des propriétaires fonciers

Les projets co-implantés ont généralement une évaluation plus élevée que les projets monotechnologiques parce qu'ils contiennent plus d'équipement et d'infrastructures par acre, ce qui entraîne une assiette plus grande de l'impôt foncier, qui profite directement aux écoles locales, aux routes, aux services d'urgence et aux autres services publics.

Certains promoteurs offrent des structures de « bail hybride » qui garantissent un paiement de base plus un pourcentage des revenus bruts, ce qui permet d'aligner le revenu du propriétaire foncier sur le succès du projet. Pour un agriculteur qui possède 200 acres de maïs et de soja, ajouter 20 acres de coussinets solaires et 5 tampons à turbines peut augmenter le revenu annuel de 50 000 $ à 100 000 $ sans retirer toutes les terres de la production agricole.

Réduction des coûts d'électricité pour les résidents et les entreprises

Les projets à grande échelle cofinancés peuvent alimenter le marché de gros en électricité à faible coût, ce qui entraîne une baisse des prix de l'énergie régionale. Comme le CCV d'un projet hybride est inférieur à celui des systèmes autonomes, les services publics peuvent offrir des AAE à des prix fixes ou à la baisse sur 20-25 ans. Ces prix stables de l'énergie protègent les consommateurs de la volatilité des marchés des combustibles fossiles.

Les programmes d'agrégation des choix communautaires (ACC) aux États-Unis se sont de plus en plus tournés vers des projets situés dans des régions colocalisées pour répondre aux normes de portefeuille renouvelables (SRP) tout en maintenant des hausses de taux modestes. Par exemple, la Peninsula Clean Energy Authority de Californie a signé un APP de 100 MW provenant d'une installation hybride de stockage de l'énergie éolienne (Éolienne-Éolienne) en 2024, en espérant épargner de 5 à 8 $ par mois à ses membres par rapport au taux moyen de résidence de l'État.

Co-avantages environnementaux et harmonisation des politiques

Efficacité de l'utilisation des terres et préservation de l'habitat

La co-implantation réduit intrinsèquement la superficie totale des terres perturbées par le développement énergétique. Au lieu de répartir les parcs éoliens, les champs solaires et les installations de stockage sur des sites distincts, la production d'énergie est concentrée sur moins d'hectares. Cela laisse un habitat naturel plus contigu non perturbé, ce qui est particulièrement important pour les espèces sensibles comme la plus grande rainure des sage-gorge dans l'Ouest des États-Unis ou l'écume en Europe centrale. Une étude de 2021 publiée dans la revue Nature Energy a révélé que la co-localisation du vent et du solaire sur des terres agricoles déjà perturbées pourrait atteindre 50 % des objectifs de décarbonisation des États-Unis d'ici 2035 sans convertir de nouvelles zones sauvages. [Nature Energy, Land Use and Renewables, 2021)

De plus, la co-implantation multisite qui comprend le broutage solaire (en utilisant des moutons pour maintenir la végétation sous des panneaux) peut améliorer la santé du sol et réduire la consommation d'eau. Les fondations de turbine éolienne et les routes d'accès peuvent également être conçues pour minimiser les perturbations écologiques.

Compatibilité avec les objectifs de la politique Net-Zero

Les gouvernements à tous les niveaux fixent des objectifs ambitieux en matière d'énergie renouvelable.La loi américaine sur la réduction de l'inflation (IRA) prévoit des crédits d'impôt à la production (CTP) et des crédits d'impôt à l'investissement (CTI) pour le stockage solaire, éolien et autonome, mais elle comprend aussi des primes et des adders pour le contenu intérieur.

Dans l'Union européenne, la directive sur les énergies renouvelables (RED III) encourage les États membres à promouvoir les centrales hybrides comme moyen d'accroître la flexibilité des systèmes et de réduire les restrictions. La colocalisation est explicitement reconnue dans divers plans énergétiques nationaux comme une pratique optimale pour atteindre les objectifs climatiques de 2030 et 2050.

Synergies avec la production d'hydrogène vert

Les électrolyseurs nécessitent un approvisionnement régulier en électricité et en eau. En les jumelant à un parc éolien (et souvent à un réseau solaire), les promoteurs peuvent faire de l'électrolyse lorsque les prix de gros de l'électricité sont faibles ou négatifs, produisant de l'hydrogène à un coût qui concurrence l'hydrogène gris dérivé du gaz naturel. L'hydrogène peut ensuite être utilisé pour des procédés industriels, des transports lourds ou des injections dans des gazoducs de gaz naturel.

Des projets pilotes comme l'initiative HySync aux Pays-Bas démontrent déjà que les centrales à co-implantation vent-hydrogène peuvent atteindre la LCOH (coût de l'hydrogène normalisé) en dessous de 3 $/kg, seuil jugé nécessaire pour la viabilité commerciale.IEA, Global Hydrogen Review, 2023]

Considérations financières et en matière d'atténuation des risques

Recettes diversifiées et risque d'investissement inférieur

Si la production éolienne est inférieure à ce qui était prévu pour une année donnée (événement courant pendant les cycles El Niño), la composante solaire peut produire plus que la moyenne. Inversement, si le rayonnement solaire est sous-performant en raison de la couverture nuageuse ou de la salissure, la composante éolienne peut compenser. Le profil de production combiné est moins volatil, réduisant le risque de fortes pénalités pour les déficits de production en vertu d'un APP. Cet effet lissant permet aux promoteurs d'obtenir des conditions de financement plus favorables, souvent avec des taux d'intérêt plus bas et des taux de prêt plus longs.

De plus, les centrales hybrides peuvent bénéficier de revenus provenant de services auxiliaires (réaction de fréquence, puissance réactive). Un parc éolien autonome peut fournir certains de ces services, mais sa production variable limite son efficacité. Une centrale éolienne à stockage solaire à deux emplacements peut soumissionner simultanément sur de multiples marchés, obtenant des prix plus élevés pour la capacité et la flexibilité.

La lutte contre la volatilité du marché de l'énergie

Les projets situés dans des zones de co-implantation sont une couverture naturelle : lorsque les prix du gaz naturel augmentent (conduire les prix de l'électricité), la production éolienne et solaire est moins réduite et les prix réalisés plus élevés. Lorsque les prix du gaz sont bas et les prix de l'électricité diminuent, l'usine hybride peut réduire la production ou stocker l'énergie pour une vente ultérieure. La capacité de déplacer le temps de production en utilisant le stockage ou de réduire l'unité de production la plus coûteuse offre une flexibilité opérationnelle qui manque aux usines autonomes.

Cette capacité de couverture est particulièrement précieuse pour les acheteurs d'entreprises qui cherchent à gérer des centres de données, des usines de fabrication ou des parcs de véhicules électriques sur l'énergie propre. Google, Amazon et Microsoft ont tous signé des AAE avec des projets renouvelables co-implantés parce qu'ils apprécient la fiabilité et la stabilité des prix.

Études de cas sur le succès de la co-implantation

L'hybride Agua Caliente Solar-Wind (Arizona)

L'un des premiers projets à grande échelle cofinancés est l'installation Agua Caliente dans le comté de Yuma, en Arizona. Construite à l'origine en 2011 comme une centrale photovoltaïque solaire de 290 MW, elle a ensuite ajouté 120 MW d'éoliennes sur des terrains adjacents. En partageant la même sous-station et la même ligne de transmission à la centrale nucléaire de Palo Verde (la plus grande centrale électrique du pays par génération), le projet hybride a réduit les coûts d'interconnexion d'environ 18 millions de dollars. Le projet offre maintenant un facteur de capacité combiné de plus de 35 %, dépassant de loin la valeur solaire autonome de 22 %.

Le parc hybride Esbjerg (Danemark)

Au Danemark, la région d'Esbjerg abrite un parc éolien offshore de 400 MW combiné à un stockage solaire et à une batterie terrestres. Le projet exploite le même câble de sous-station et d'exportation offshore, réduisant ainsi le temps de perturbation et de construction des fonds marins. Le parc solaire co-implanté est situé directement sur la voie câblée terrestre, réduisant ainsi le nombre de prises de terrain supplémentaires.

Défis et stratégies d ' atténuation

Interconnexion du réseau et obstacles réglementaires

Malgré les avantages évidents, la co-implantation fait face à des obstacles réglementaires.Certaines administrations considèrent l'énergie éolienne et l'énergie solaire comme des « unités » distinctes en vertu de leurs règles d'interconnexion, exigeant que chaque technologie fasse l'objet de sa propre étude de queue, ce qui peut doubler les coûts et retarder les délais.

Compatibilité des technologies et considérations de surdimensionnement

Les turbines éoliennes et les panneaux solaires présentent des caractéristiques spatiales et électriques différentes. Les turbines éoliennes nécessitent un espacement pour éviter les effets de sillage, tandis que les réseaux solaires ont besoin d'un accès clair à la lumière du soleil. La surdimensionnement de la capacité solaire par rapport à la capacité éolienne, c'est-à-dire l'installation d'une taille de courant continu qui est 1,3–1,5 fois la capacité de l'onduleur, peut aider à équilibrer la puissance de sortie de courant alternatif.

Risque de fermeture de la technologie

Pour atténuer cette situation, les développeurs peuvent concevoir des plans modulaires de co-implantation qui permettent de procéder à des améliorations futures. Par exemple, laisser de l'espace pour des panneaux solaires photovoltaïques supplémentaires ou des conteneurs de batterie, et surdimensionner la capacité de l'onduleur, permet à l'usine de se développer sans retravailler de façon importante.

Conclusion: L'avenir des énergies renouvelables est intégré

Les avantages économiques de la colocalisation des éoliennes avec d'autres technologies renouvelables sont à la fois substantiels et multiples.De la réduction des coûts d'investissement et d'exploitation à l'amélioration de la production énergétique, de la stabilité du réseau et de la prospérité des collectivités locales, l'approche intégrée offre une voie claire vers un système énergétique plus abordable, fiable et durable.

Le déploiement des énergies renouvelables s'accélère à l'échelle mondiale, la co-implantation est sur le point de devenir la configuration par défaut de nouveaux projets. Les développeurs, les décideurs et les investisseurs tournés vers l'avenir reconnaissent déjà que l'ensemble est plus grand que la somme de ses parties.