L'énergie éolienne offshore est-elle fiable ?

Un des gros coups contre les ressources renouvelables est leur intermittence. Le soleil ne brille pas toujours, le vent ne souffle pas toujours. Une façon de voir cela est d'examiner le «facteur de capacité» des centrales solaires et des parcs éoliens.Lorsque vous entendez parler de la construction de centrales renouvelables, vous entendez normalement la taille de la centrale en mégawatts (MW).

Par exemple, nos fournisseurs d'électricité locaux construisent des centrales solaires de 100 et 200 MW et le Googleplex de Mountain View est alimenté par le parc éolien d'Altamont Pass d'environ 600 MW. Ces chiffres reflètent la quantité d'énergie que la centrale peut générer en période de pointe. Si vous multipliez cette puissance par le temps, vous obtenez une mesure de la quantité maximale d'énergie qu'elle peut générer sur une période de temps. Ainsi, par exemple, si vous faisiez fonctionner une centrale solaire de 100 MW à pleine puissance pendant un an (ce serait impossible à cause de la nuit et des nuages, mais faites semblant), cela générerait 100 * 365 * 24 = 876 000 MW- heures = 876 GW-heures (GWh) d'énergie.

En réalité, la centrale solaire ne serait pas près de produire cette quantité d'énergie en un an car le soleil ne brille pas 24h / 24 et 7j / 7. Le «facteur de capacité» reflète la production réelle de l'usine par rapport à la production maximale. Ce ratio est beaucoup plus élevé en été qu'en hiver; en moyenne, les centrales solaires en Californie ont un facteur de capacité d'environ 28%. C'est assez élevé pour le solaire - la Californie reçoit beaucoup de soleil. Sur la côte est, le facteur de capacité des centrales solaires est plus proche de 15-20%.

Vous pouvez voir que le facteur de capacité du charbon (en noir) a considérablement diminué au cours des dix dernières années, malgré de nombreuses fermetures d’usines. En effet, les usines restantes fonctionnent moins souvent, car les marchés de l'électricité préfèrent utiliser des usines plus propres. Cela a rendu le charbon plus cher. Les usines à gaz (en rouge) ont repris une partie du mou en fonctionnant plus souvent. Mais le vent a également apporté des améliorations, qui sont davantage liées à la technologie qu'aux forces du marché. Le vent devient une ressource plus fiable.

Vous vous demandez peut-être comment la technologie peut produire plus d'énergie éolienne à partir du même vent. Eh bien, les modèles informatiques peuvent aider à mieux positionner (positionner) les turbines pour capter plus de vent. Un «système de lacet» peut faire tourner dynamiquement la turbine pour faire face au vent, tandis qu'un mécanisme de «contrôle de tangage» peut faire pivoter les pales pour capter plus de vent. Mais surtout, les turbines plus hautes captent un vent plus élevé et plus fiable, et les turbines offshore captent une brise océanique plus régulière.

Turbines de 6 MW dans une mer agitée au large des côtes du Rhode Island. Source: Laboratoire national des énergies renouvelables
Les améliorations apportées aux turbines ont entraîné une forte augmentation des facteurs de capacité des parcs éoliens. Les parcs éoliens terrestres européens ont un facteur de capacité de 24% car de nombreuses éoliennes sont plus petites et plus anciennes. Les parcs éoliens américains sont plus récents et ont un facteur de capacité de 35%. Le vent en mer offre une autre amélioration de la fiabilité car les vents sont plus stables et les turbines océaniques peuvent être plus hautes.

Les parcs éoliens offshore européens ont un facteur de capacité globale de 38%, tandis que les parcs offshore plus récents du Royaume-Uni ont un facteur de capacité pondéré de 43%. GE a développé une énorme turbine pour une utilisation offshore. Il mesure environ 60 étages et est presque aussi large, avec des lames aussi longues qu'un terrain de football. GE affirme qu'elle atteindra un facteur de capacité de 63%, et le magazine Time l'a nommée l'une de ses inventions de l'année 2019. Cette turbine peut capter beaucoup de vent.

À ce jour, les pays européens ont installé 5047 turbines offshore, dont 502 l'année dernière. Le Royaume-Uni et l'Allemagne sont en tête en termes de capacité installée. Les États-Unis ont également un grand potentiel pour le vent offshore, comme vous pouvez le voir sur la carte ci-dessous. Étant donné qu'environ 80% de la demande d'électricité du pays se produit dans les États côtiers et des Grands Lacs, cette énergie offshore est idéalement située.

Incroyablement, les États-Unis ne disposent actuellement que de cinq éoliennes au large, situées près de Block Island au large des côtes du Rhode Island. Au cours des dernières années, cependant, l'industrie a pris de l'ampleur aux États-Unis, et il y a des engagements pour 20 GW de vent (plus de 3000 éoliennes) au cours des cinq prochaines années.

L'un des défis que nous avons sur la côte ouest, et aussi dans le Maine, est que l'océan s'approfondit très rapidement, de sorte que les turbines offshore fixées au fond de l'océan ne sont pas pratiques. Heureusement, des turbines flottantes sont développées, et rapidement, en partie parce que les sociétés pétrolières et gazières ont une expérience considérable avec ce type de technologie. Il est étonnant pour moi que non seulement elles fonctionnent, mais qu'elles fonctionnent mieux que les turbines intégrées dans les fonds marins. Un journaliste de Yale s'est entretenu avec Po Wen Cheng, chef d'un projet de recherche international sur l'énergie éolienne flottante à l'Université de Stuttgart, et raconte que Cheng dit que: "non seulement les vents dans les eaux plus profondes sont plus puissants que ceux plus proches du rivage mais la physique des plates-formes flexibles et suspendues leur permet de transporter de plus grandes turbines. … Cheng soutient que les turbines flottantes pourraient être encore plus hautes que les plus grandes plates-formes offshore d'aujourd'hui, peut-être avec des pales et des tours de 400 pieds s'étendant sur près de 1 000 pieds dans les airs - aussi hautes que la Tour Eiffel. Des turbines de ces dimensions pourraient produire trois fois plus d'électricité que les turbines terrestres les plus avancées d'aujourd'hui. »

Ce n'est pas seulement théorique. Un projet pilote de parc éolien flottant fonctionne avec succès au large des côtes écossaises depuis plusieurs années. Avec cinq turbines de 6 MW, elle a réalisé un facteur de capacité de 56% au cours de ses deux premières années d'exploitation. Pour mettre cela en perspective, cela signifie que chaque éolienne flottante a généré 6 * 365 * 24 * 0,56 = 29 434 MWh d'électricité par an. Une maison californienne moyenne utilise 6552 kWh par an. Ainsi, une seule de ces turbines flottantes pourrait alimenter 4492 maisons californiennes typiques. Considérez que le Royaume-Uni a déjà installé environ 1900 éoliennes offshore. Supposons que la Californie n'installe que 1 500 turbines le long de notre côte, des modèles plus récents, disons 8 MW en moyenne avec un bon facteur de capacité de 50%. Ces 12 GW d’énergie éolienne en mer produiraient 53 TWh d’énergie par an, soit environ 20% de la consommation annuelle d’électricité de la Californie. C'est une énorme quantité d'énergie renouvelable.

Le Maine a vu le jour et va de l'avant avec un projet pilote de deux turbines de 6 MW. Le Bureau of Ocean Energy Management a analysé six sites potentiels en Californie, prévoyant une capacité de 16 GW uniquement dans ces zones. Avec les vents côtiers qui soufflent fort le soir alors que notre demande augmente et que le soleil se couche, cela semble être un excellent complément à notre énergie solaire.

Et pourtant. La Californie, malgré toutes ses aspirations d'énergie propre, n'a pas de pilotes pour l'éolien offshore. Aucun projet. Juste des espoirs persistants. L'obstacle n'est pas les oiseaux, ni la vie marine, ni les pêcheurs, ni les riches riverains soucieux d'esthétique. Ce n'est pas de la navigation maritime, ni même de l'économie. Au lieu de cela, le principal obstacle au vent offshore en Californie est le ministère de la Défense. Selon le San Diego Tribune, «la marine américaine considère de vastes parties de la Californie comme des zones« d'exclusion du vent », y compris l'ensemble de la Californie du Sud.» Voici une carte que l'US Navy a publiée il y a environ deux ans montrant ces zones en rouge.

La Marine n'a pas laissé beaucoup de place au vent offshore. Un membre du Congrès de la côte centrale, le représentant Salud Carbajal, discute avec l'US Navy et d'autres depuis des années pour trouver un moyen d'établir un vent offshore dans sa région. C'est un excellent emplacement, en particulier compte tenu de la grande capacité de transport de la fermeture de la centrale au gaz de Morro Bay en 2014 et (bientôt) de la centrale nucléaire de Diablo. Mais les négociations avancent lentement. Une récente mise à jour d'E & E News indique que la Marine a proposé d'échanger une petite zone en échange d'une interdiction sur de nombreuses autres zones. Entre autres choses, la Marine suggère que le vent pourrait être construit dans le Sanctuaire marin national de Monterey Bay. Carbajal, d'autre part, suggère qu'il appartiendrait à la Marine d'apprendre à naviguer autour des éoliennes étant donné que tant d'autres pays, y compris la Chine, les érigent le long de leurs côtes.

Nous devrons donc attendre pour voir où la Californie se retrouve avec cette ressource très prometteuse. Le nord de la Californie pourrait avoir le meilleur coup à court terme. Le changement est perturbateur, et le changement de l'ampleur que nous devons voir au cours des 10 à 20 prochaines années n'est pas facile. Nous voyons la tension à travers toutes les formes d'énergie à faible teneur en carbone, même si elles sont prometteuses sur le papier. J'applaudis des politiciens comme Carbajal qui essaient vraiment de le faire fonctionner.