Introduction : Le défi de l'engagement dans les réseaux d'énergies renouvelables

La transition mondiale vers les sources d'énergie renouvelables, comme l'énergie éolienne et solaire, s'accélère, ce qui offre la promesse d'une électricité à faible intensité de carbone, mais pose un défi opérationnel fondamental : l'intermittence. La production solaire cesse la nuit et diminue pendant la couverture nuageuse, tandis que la production éolienne fluctue avec les changements climatiques.Sans mécanisme de sauvegarde fiable, les opérateurs du réseau risquent l'instabilité de fréquence et, dans le pire des cas, les pannes.

Le rôle des centrales au gaz naturel dans la stabilité du réseau

Contrairement aux centrales au gaz naturel, qui sont conçues pour fonctionner en charge de base et qui nécessitent des heures pour démarrer ou changer de production, les centrales au gaz naturel (en particulier celles qui utilisent des turbines à gaz à cycle combiné ou à cycle simple) peuvent réagir en quelques minutes, ce qui les rend idéales pour compenser les baisses soudaines de production d'énergies renouvelables, par exemple lorsqu'une banque de nuages passe au-dessus d'une ferme solaire ou lorsque la vitesse du vent diminue de façon inattendue.

Flexibilité et taux de ramification

Les turbines à gaz modernes peuvent atteindre des taux de rampe de 5 % à 10 % de la capacité nominale par minute, dépassant de loin les capacités des centrales au charbon ou au nucléaire. Cette caractéristique est essentielle pour équilibrer la variabilité du second cycle de l'énergie éolienne et du solaire. Par exemple, si un parc éolien perd subitement sa production en raison d'une rafale, une centrale à gaz naturel peut augmenter sa production en quelques secondes pour éviter une baisse de fréquence. Les centrales à gaz à cycle combiné (CCGT) offrent des taux de rampe légèrement plus lents que les unités à cycle simple, tout en offrant des taux de récupération suffisants pour répondre à la plupart des besoins d'équilibrage. La flexibilité du système de sauvegarde du gaz naturel permet également aux exploitants de réseau de réduire la réduction de l'énergie renouvelable, c'est-à-dire la pratique consistant à couper délibérément les parcs éoliens ou solaires pour éviter de surcharger le réseau.

Avantages opérationnels et économiques

Coûts d'investissement inférieurs aux autres solutions

La construction d'une centrale au gaz naturel nécessite généralement un investissement initial inférieur à celui de la construction d'une centrale au charbon, d'un réacteur nucléaire ou d'un stockage de batteries à grande échelle. Une centrale à turbine à gaz à cycle simple peut être installée pour environ 700 $ à 900 $ le kilowatt, tandis que les centrales à cycle combiné vont de 1 000 $ à 1 200 $ le kilowatt. En revanche, les systèmes de stockage de batteries coûtent actuellement 1 300 $ à 2 000 $ le kilowatt de capacité, bien que les prix diminuent.

Disponibilité et infrastructure du carburant

Dans des régions comme l'Amérique du Nord, l'Europe et certaines parties de l'Asie, le réseau de gazoducs permet de livrer de façon fiable du carburant aux centrales électriques, ce qui contraste avec le diesel ou le mazout lourd, qui nécessitent souvent le transport par camion ou par rail. L'abondance du gaz naturel, surtout aux États-Unis, où la production de gaz de schiste a bondi depuis les années 2000, maintient les prix du carburant relativement bas et stables. Selon l'Energy Information Administration (EIA) des États-Unis, les prix du gaz naturel sont restés inférieurs à 4 $ par million d'unités thermiques britanniques (MMBtu) pendant une bonne partie de la dernière décennie, ce qui en fait un combustible économique pour la production d'électricité.

Efficacité et flexibilité opérationnelle

Les centrales modernes à gaz naturel à cycle combiné produisent une efficacité thermique de 60 % ou plus, ce qui signifie qu'elles convertissent une plus grande part de l'énergie combustible en électricité que les centrales au charbon (généralement de 33 à 40 %). Cette efficacité élevée réduit la consommation de carburant et les émissions de dioxyde de carbone par mégawattheure. De plus, les centrales au gaz naturel peuvent fonctionner efficacement même en fonctionnement à charge partielle, scénario courant lorsqu'elles sont utilisées pour soutenir des énergies renouvelables variables.

Considérations environnementales et profil des émissions

Intensité inférieure au charbon ou au pétrole

Il produit également un dioxyde de soufre négligeable et des émissions de particules beaucoup moins importantes. Le gaz naturel est donc un combustible de -bridge, qui peut soutenir la décarbonisation pendant que la capacité d'énergie renouvelable augmente. Cependant, il est important de noter que le gaz naturel est encore un combustible fossile et que ses émissions de cycle de vie comprennent les fuites de méthane en amont provenant de l'extraction, du transport et du stockage. Le méthane est un gaz à effet de serre puissant, avec un potentiel de réchauffement planétaire d'environ 28 à 36 fois celui du CO2 sur une période de 100 ans.

Capture de carbone et potentiel de stockage

Plusieurs projets pilotes et commerciaux sont en cours, comme le projet Petra Nova au Texas et le projet Boundary Dam au Canada, bien que ceux-ci aient principalement porté sur le charbon. Pour le gaz naturel, le coût de la capture du CO2 dans les flux d'échappement est généralement plus élevé que pour le charbon, car la concentration de CO2 dans les gaz d'échappement des turbines à gaz est plus faible. Néanmoins, les progrès réalisés dans le captage après la combustion et le captage direct par l'air pourraient rendre le CCUS économiquement viable à l'avenir. L'Agence internationale de l'énergie (AIE) prévoit que le CCUS jouera un rôle dans la décarbonisation de l'énergie alimentée au gaz, surtout si le remplacement du gaz naturel demeure nécessaire à la stabilité du réseau à moyen terme.

Impacts locaux sur la qualité de l'air

Les centrales au gaz naturel produisent moins de polluants atmosphériques locaux que le charbon ou le diesel. Toutefois, elles émettent toujours des oxydes d'azote (NOx) et, dans certains cas, des quantités traces de monoxyde de carbone et de composés organiques volatils. Ces émissions peuvent contribuer à la formation d'ozone troposphérique et aux problèmes respiratoires dans les collectivités avoisinantes.Les turbines à gaz modernes utilisent des brûleurs à faible NOx et des systèmes de réduction catalytique sélective (SCR) pour contrôler ces émissions.

Intégration avec les systèmes de stockage d'énergie et les systèmes hybrides

Synergies entre le gaz naturel et le stockage de batteries

Les centrales au gaz naturel peuvent à elles seules fournir des solutions de rechange, les combinant avec des systèmes de stockage d'énergie de batterie, ce qui permet de trouver une solution plus efficace et plus efficace. Les batteries peuvent réagir aux fluctuations de puissance en millisecondes, ce qui les rend idéales pour la régulation de fréquence et l'équilibrage énergétique à court terme.Les centrales au gaz naturel peuvent alors gérer des sauvegardes de plus longue durée (heures) lorsque la capacité de stockage est épuisée.Cette disposition hybride réduit la nécessité pour les centrales au gaz de faire un cycle fréquent, réduisant la consommation de carburant et prolongeant la durée de vie de l'équipement.

Gaz naturel renouvelable et énergie au gaz

La RNG est chimiquement identique au gaz naturel fossile et peut être injectée dans les pipelines existants, ce qui permet aux centrales au gaz de fonctionner sur un combustible à faible teneur en carbone. Dans certaines régions, la RNG est mandatée comme un mélange dans l'approvisionnement en gaz. De plus, la technologie de l'énergie au gaz – utilisant l'électricité renouvelable excédentaire pour produire de l'hydrogène par électrolyse, qui peut ensuite être mélangée avec du gaz naturel ou remplacer celui-ci – offre une voie à plus long terme vers une récupération à zéro carbone. Bien que ces technologies soient encore en phase initiale, des projets pilotes comme le projet Green Hydrogen in Gas Grids (HyDeploy) au Royaume-Uni démontrent la faisabilité d'une injection d'hydrogène jusqu'à 20 % en volume sans modifier les turbines à gaz existantes.

Défis et limites

Dépendance sur l'infrastructure de combustible fossile

Malgré sa souplesse, la récupération du gaz naturel demeure tributaire de l'approvisionnement continu en carburant.Ces événements météorologiques extrêmes, comme la tempête hivernale au Texas ou l'ouragan Harvey en 2017 au Texas, peuvent être perturbés en raison du gel des puits, des défaillances des pipelines ou de la perte d'électricité des compresseurs.Ces événements mettent en évidence la vulnérabilité de la seule utilisation de combustibles fossiles pour la résilience du réseau.Les planificateurs de réseaux doivent évaluer le risque d'interruption de l'approvisionnement en carburant et, si possible, diversifier les ressources de sauvegarde.

La viabilité économique à mesure que la pénétration des énergies renouvelables augmente

Dans de nombreux marchés de l'électricité, les centrales au gaz sont principalement compensées par des marchés de l'énergie, mais avec des facteurs de capacité plus faibles, elles peuvent exiger des paiements de capacité ou des contrats de fiabilité pour rester financièrement viables. Certains pays ont introduit des marchés de capacité qui paient des générateurs pour être disponibles, qu'ils soient effectivement opérationnels ou non. L'évolution de la conception du marché est importante pour assurer que les centrales de secours continuent d'exister au besoin. De plus, la baisse prévue des coûts de stockage des batteries pourrait éventuellement rendre les solutions de stockage uniquement compétitives avec le gaz pour une durée allant jusqu'à 8 à 12 heures, en particulier dans les régions ensoleillées.

Barrières réglementaires et permises

Dans des États comme la Californie, New York et le Massachusetts, les autorités de réglementation ont adopté des politiques qui découragent la nouvelle génération de gaz ou exigent des contrôles stricts des émissions. Les processus de permis peuvent prendre des années, et certaines installations proposées ont été annulées en raison de la pression du public. Inversement, les centrales gazières existantes sont souvent autorisées à continuer d'être exploitées en vertu de clauses de droits acquis, mais elles risquent de faire l'objet de règlements plus stricts à mesure que les États appliquent des normes ambitieuses en matière d'énergie propre. L'implantation de nouvelles centrales gazières est également limitée par la disponibilité de capacités de pipelines.

Perspectives et tendances nouvelles

Améliorations technologiques: gains d'efficacité et de flexibilité

Les turbines de classe avancée (p. ex., la série GE de HA ou la classe Siemens HL) peuvent atteindre des rendements de cycle combiné supérieurs à 64 %, ce qui réduit les coûts de carburant et les émissions par MWh. Ces turbines peuvent également effectuer des démarrages rapides, une charge totale de 10 minutes au maximum, et peuvent fonctionner à des niveaux de charge extrêmement bas (jusqu'à 30 % de la capacité) pendant de longues périodes.

Hybridation avec les énergies renouvelables et le stockage

La tendance vers les centrales hybrides, où la production de gaz est co-implantée avec la production renouvelable et le stockage de batteries, devrait s'accélérer.Ces centrales hybrides -- peuvent être expédiées comme une seule ressource qui fournit de l'électricité propre et ferme au réseau. Par exemple, une ferme solaire de 200 MW combinée à une centrale à gaz de 100 MW et à une batterie de 50 MW pourrait fournir une puissance 24 heures sur 24 tout en respectant les objectifs de réduction du carbone. De telles configurations sont explorées au Moyen-Orient, en Australie et dans le sud-ouest des États-Unis.

Les moteurs de la politique et l'évolution du marché

Dans l'Union européenne, le paquet proposé sur le marché du gaz -hydrogène et décarbonisé vise à réduire les émissions de méthane et à promouvoir les gaz renouvelables et à faible teneur en carbone. Aux États-Unis, la loi sur la réduction de l'inflation (IRA) comprend des crédits d'impôt pour les PCCE, l'hydrogène propre et le stockage de l'énergie, ce qui peut rendre le gaz-plus-CCUS ou le gaz-plus-hydrogène plus concurrentiel. Inversement, certains pays s'orientent vers l'élimination complète du gaz : le Danemark a annoncé un objectif visant à éliminer le gaz naturel de son secteur d'énergie d'ici 2035.

Conclusion

Les centrales au gaz naturel jouent un rôle transitoire essentiel dans les réseaux électriques qui dépendent de plus en plus de sources d'énergie renouvelables variables. Leur combinaison unique de capacités de démarrage rapide, de taux de rampe élevés, de rentabilité et d'infrastructures bien établies en fait le choix dominant pour la production de secours dans de nombreuses régions. Toutefois, ce rôle se traduit par des compromis environnementaux, y compris les émissions de gaz à effet de serre et les fuites de méthane, qui doivent être abordés par l'innovation technologique, la réglementation et l'intégration au stockage et aux énergies renouvelables. L'avenir du stockage du gaz naturel comprendra probablement l'hybridation avec les batteries, l'adoption de la capture du carbone et le mélange ou la conversion complète en gaz renouvelables comme l'hydrogène.

Pour plus de détails, voir l'analyse de l'Administration d'information sur l'énergie des États-Unis sur le gaz naturel, l'analyse de l'Agence internationale de l'énergie sur le gaz naturel dans les systèmes d'énergie et la recherche du Laboratoire national des énergies renouvelables sur les centrales hybrides