Pour tenir cette promesse, l’Inde devra décarboner son système électrique, ce qui ne sera pas une mince affaire : Près de 60 % de l’électricité indienne provient de centrales au charbon extrêmement inefficaces. Pour ne rien arranger, la demande d’électricité en Inde devrait plus que doubler au cours de la prochaine décennie en raison de la croissance démographique et de l’utilisation accrue de la climatisation, des voitures électriques, etc.
Malgré un objectif ambitieux, le gouvernement indien n’a pas proposé de plan pour y parvenir. En effet, comme dans d’autres pays, le gouvernement indien continue d’autoriser la construction de nouvelles centrales électriques au charbon et la rénovation des centrales vieillissantes, ce qui retarde leur mise à l’arrêt.
Pour aider l’Inde à définir un plan efficace – et réaliste – de décarbonation de son système électrique, des questions clés doivent être abordées. Par exemple, l’Inde développe déjà rapidement des générateurs d’énergie solaire et éolienne sans carbone. Quelles sont les possibilités de déploiement de la production d’énergie renouvelable ? Existe-t-il des moyens de moderniser ou de réaffecter les centrales au charbon existantes de l’Inde qui permettraient de réduire considérablement et à un coût raisonnable leurs émissions de gaz à effet de serre ? Et les réponses à ces questions diffèrent-elles selon les régions ?
Grâce à un financement d’IHI Corp. par l’intermédiaire de la MIT Energy Initiative (MITEI), Yifu Ding, postdoc à la MITEI, et ses collègues ont entrepris de répondre à ces questions en utilisant tout d’abord l’apprentissage automatique pour déterminer l’efficacité de chacune des 806 centrales à charbon actuelles de l’Inde, puis en étudiant les impacts que les différentes approches de décarbonation auraient sur le mix de centrales électriques et le prix de l’électricité en 2035 dans le cadre de plafonds d’émissions de plus en plus stricts.
Première étape : Développer l’ensemble des données nécessaires
Un défi important dans l’élaboration d’un plan de décarbonation pour l’Inde a été l’absence d’un ensemble de données complet décrivant les centrales électriques actuelles en Inde. Si d’autres études ont permis d’élaborer des plans, elles n’ont pas tenu compte de la grande diversité des centrales électriques au charbon dans les différentes régions du pays. « Nous avons donc dû commencer par créer un ensemble de données couvrant et caractérisant toutes les centrales au charbon en activité en Inde. Un tel ensemble de données n’était pas disponible dans la littérature existante », explique Ding.
L’élaboration d’un plan rentable pour augmenter la capacité d’un système électrique nécessite de connaître les rendements de toutes les centrales électriques fonctionnant dans le système. Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé le « taux de chaleur de la centrale« , une mesure standard de l’efficacité énergétique globale d’une centrale électrique donnée. Le taux de chaleur de chaque centrale est nécessaire pour calculer la consommation de carburant et la production d’énergie de cette centrale lors de l’élaboration des plans d’expansion de la capacité.
Certaines des efficacités des centrales au charbon indiennes ayant été enregistrées avant 2022, Ding et son équipe ont utilisé des modèles d’apprentissage automatique pour prédire les efficacités de toutes les centrales au charbon indiennes actuellement en activité. En 2024, ils ont créé et mis en ligne le premier ensemble de données complet en libre accès pour l’ensemble des 806 centrales électriques dans 30 régions de l’Inde. Ce travail a remporté le prix Open Data 2024 du MIT. Cet ensemble de données comprend la capacité de production de chaque centrale, son efficacité, son âge, son facteur de charge (une mesure indiquant combien de temps elle fonctionne), le stress hydrique, etc. Une centrale « supercritique » fonctionne à une température et à une pression relativement élevées, ce qui lui confère une efficacité thermodynamique et lui permet de produire beaucoup d’électricité pour chaque unité de chaleur contenue dans le combustible. Une centrale « sous-critique » fonctionne à une température et à une pression plus basses, ce qui la rend moins efficace sur le plan thermodynamique. La plupart des centrales au charbon indiennes sont encore des centrales sous-critiques à faible rendement : Étudier les options de décarbonation
Munis de leur ensemble de données détaillées couvrant toutes les centrales électriques au charbon en Inde, les chercheurs étaient prêts à étudier les options permettant de répondre aux limites plus strictes imposées aux émissions de carbone. Pour cette analyse, ils se sont tournés vers GenX, une plateforme de modélisation développée à MITEI pour aider les décideurs à réaliser des investissements et d’autres plans pour l’avenir de leurs systèmes électriques.
Ding a construit un modèle GenX basé sur le système électrique de l’Inde en 2020, y compris des détails sur chaque centrale électrique et le réseau de transmission dans 30 régions du pays. Elle a également saisi le prix du charbon, les ressources potentielles pour les installations éoliennes et solaires, ainsi que d’autres attributs de chaque région. Sur la base des paramètres fournis, le modèle GenX calcule la combinaison la moins coûteuse d’équipements et de conditions d’exploitation permettant de répondre à un niveau de demande futur défini tout en respectant les contraintes politiques spécifiées, y compris les limites d’émissions de carbone. Le modèle et toutes les sources de données ont également été publiés en tant qu’outils à code source ouvert pour tous les utilisateurs.
Ding et ses collègues – Dharik Mallapragada, un ancien chercheur principal de MITEI qui est maintenant professeur adjoint d’énergie chimique et biomoléculaire à la NYU Tandon School of Engineering et chercheur invité de MITEI ; et Robert J. Stoner, directeur fondateur du MIT Tata Center for Technology and Design et ancien directeur adjoint du MITEI pour la science et la technologie – ont ensuite utilisé le modèle pour explorer les options permettant de répondre à la demande en 2035 dans le cadre de plafonds d’émissions de carbone de plus en plus stricts, en tenant compte des variations régionales de l’efficacité des centrales à charbon, du prix du charbon et d’autres facteurs. Ils décrivent leurs méthodes et leurs résultats dans un article publié dans la revue Energy for Sustainable Development.
Dans des séries distinctes, ils ont exploré des plans impliquant diverses combinaisons de centrales au charbon actuelles, d’éventuelles nouvelles centrales renouvelables, et plus encore, afin de voir leurs résultats en 2035. Plus précisément, ils ont supposé les quatre « scénarios d’évolution du réseau » suivants :
Scénario de base: Le scénario de base suppose un développement limité de l’éolien terrestre et du solaire photovoltaïque et exclut les options de modernisation, ce qui représente un scénario de statu quo.
Capacité renouvelable élevée: Ce scénario prévoit le développement de l’éolien terrestre et de l’énergie solaire sans aucune contrainte au niveau de la chaîne d’approvisionnement.
Combustion de biomasse: Ce scénario reprend les limites de base imposées aux énergies renouvelables, mais toutes les centrales au charbon, qu’elles soient sous-critiques ou supercritiques, peuvent être modernisées pour la « cocombustion » de biomasse, une approche dans laquelle la biomasse, qui brûle proprement, remplace une partie du combustible de charbon. Certaines centrales au charbon en Inde pratiquent déjà la cocombustion du charbon et de la biomasse, la technologie est donc connue.
Captage et séquestration du carbone plus co-combustion de la biomasse: Ce scénario est basé sur les mêmes hypothèses que le scénario de cocombustion de la biomasse, avec un ajout : Toutes les centrales supercritiques à haut rendement sont également équipées pour le captage et la séquestration du carbone (CSC), une technologie qui permet de capturer et d’éliminer le carbone du flux d’échappement d’une centrale électrique et de le préparer pour une élimination permanente. Jusqu’à présent, le CSC n’a pas été utilisé en Inde. Ding et son équipe ont étudié la planification du système électrique dans le cadre de chacun de ces scénarios d’évolution du réseau et de quatre hypothèses concernant les plafonds de carbone : aucun plafond, ce qui correspond à la situation actuelle ; 1 000 millions de tonnes (Mt) d’émissions de dioxyde de carbone (CO2), ce qui correspond aux objectifs annoncés par l’Inde pour 2035 ; et deux objectifs plus ambitieux, à savoir 800 Mt et 500 Mt. À titre de comparaison, les émissions de CO2 du secteur de l’électricité indien s’élevaient à environ 1 100 Mt en 2021. (Il convient de noter que l’expansion du réseau de transport est autorisée dans tous les scénarios.)
Résultats clés
L’hypothèse de l’adoption de plafonds de carbone dans le cadre des quatre scénarios a donné lieu à un vaste éventail de résultats numériques détaillés. Même en l’absence de toute limitation des émissions de carbone, la plupart des nouvelles capacités seront des générateurs éoliens et solaires – l’option la moins coûteuse pour accroître la capacité de production d’électricité de l’Inde. C’est d’ailleurs ce que l’on observe actuellement en Inde. Toutefois, l’augmentation de la demande d’électricité nécessitera encore la construction de nouvelles centrales au charbon. Les résultats du modèle montrent une augmentation de 10 à 20 % de la capacité des centrales au charbon d’ici 2035 par rapport à 2020.
Dans le scénario de base, les énergies renouvelables sont développées jusqu’au maximum autorisé par les hypothèses, ce qui implique qu’un déploiement plus important serait économique. Une plus grande capacité de charbon est construite et, à mesure que le plafond des émissions se resserre, des investissements sont également réalisés dans des centrales au gaz naturel, ainsi que dans des batteries pour aider à compenser la quantité désormais importante de production solaire et éolienne intermittente. Lorsqu’un plafond de 500 millions de tonnes de carbone est imposé, le coût de la production d’électricité est deux fois plus élevé qu’en l’absence de plafond.
Le scénario de capacité renouvelable élevée réduit le développement de nouvelles capacités de charbon et produit le coût de l’électricité le plus bas des quatre scénarios. Dans le cadre du plafond le plus strict (500 Mt), les parcs éoliens terrestres jouent un rôle important dans la baisse des coûts. « Sinon, il sera très coûteux d’atteindre des contraintes de carbone aussi strictes« , note M. Ding. « Certaines centrales au charbon qui subsistent ne fonctionnent que quelques heures par an ; elles sont donc inefficaces et non viables sur le plan financier. Elles sont donc inefficaces et financièrement non viables. Mais elles doivent être là pour soutenir l’éolien et le solaire. Elle explique que d’autres sources d’électricité de secours, telles que les batteries, sont encore plus coûteuses. »
Le scénario de co-combustion de la biomasse suppose la même limite de capacité pour les énergies renouvelables que dans le scénario de référence, et les résultats sont sensiblement les mêmes, en partie parce que la biomasse remplace une fraction si faible – seulement 20 pour cent – du charbon dans la charge d’alimentation du combustible. « Ce scénario se rapproche le plus de la situation actuelle en Inde« , ajoute M. Ding. « Il ne fera pas baisser le coût de l’électricité, ce qui revient à dire que l’ajout de cette technologie ne contribue pas efficacement à la décarbonation« . Elle suppose également des limites au développement des énergies renouvelables, mais elle constitue la deuxième meilleure option en termes de réduction des coûts. Dans le cadre d’un plafond de 500 Mt pour les émissions de CO2, la mise en place du CSC et de la combustion combinée de biomasse entraîne une réduction de 22 % du coût de l’électricité par rapport au scénario de référence. Cette utilisation accrue « signifie que les centrales au charbon ne se contentent plus de répondre à la demande de pointe, mais qu’elles fournissent une partie de la charge de base, ce qui réduira le coût de la production d’électricité à partir du charbon« , dit t-il.
Quelques inquiétudes
Bien que ces tendances soient éclairantes, les analyses ont également mis en évidence certaines inquiétudes que l’Inde doit prendre en considération, en particulier en ce qui concerne les deux approches qui ont donné les coûts d’électricité les plus bas.
Le scénario à forte intensité d’énergies renouvelables est, selon M. Ding, « très idéal« . Il suppose que peu de choses limiteront le développement des capacités éoliennes et solaires, et qu’il n’y aura donc pas de problèmes avec les chaînes d’approvisionnement, ce qui n’est pas réaliste. Plus important encore, les analyses ont montré que la mise en œuvre de l’approche « high renewables » entraînerait des investissements inégaux dans les énergies renouvelables dans les 30 régions. Les ressources pour les parcs éoliens terrestres et offshore sont principalement concentrées dans quelques régions de l’ouest et du sud de l’Inde. « Tous les parcs éoliens seraient donc installés dans ces régions, près des villes riches« , explique M. Ding. « Les villes plus pauvres de l’est, où se trouvent les centrales à charbon, ne bénéficieront que de peu d’investissements dans les énergies renouvelables. »
L’approche la plus avantageuse en termes de coûts ne l’est donc pas en termes de bien-être social, car elle tend à profiter davantage aux régions riches qu’aux régions pauvres. « Il est donc nécessaire de prendre en compte le compromis entre la justice énergétique et le coût », explique M. Ding. L’adoption d’objectifs de production d’énergie renouvelable au niveau des États pourrait favoriser une répartition plus équilibrée de l’installation de capacités renouvelables. De même, lorsque l’expansion du réseau de transport est planifiée, la coordination entre les opérateurs de réseaux électriques et les investisseurs dans les énergies renouvelables dans différentes régions pourrait contribuer à obtenir le meilleur résultat possible.
Le CSC et la co-combustion de la biomasse – la deuxième meilleure option pour réduire les prix – résolvent le problème d’équité posé par un nombre élevé d’énergies renouvelables et supposent un niveau plus réaliste d’adoption des énergies renouvelables. Cependant, le CSC n’a pas été utilisé en Inde, et il n’y a donc pas de précédent en termes de coûts. Les chercheurs ont donc basé leurs estimations sur le coût du CSC en Chine et ont ensuite augmenté l’investissement requis de 10 %, l’indice « premier du genre » développé par l’administration américaine de l’information sur l’énergie. Sur la base de ces coûts et d’autres hypothèses, les chercheurs concluent que les centrales au charbon équipées du CSC pourraient être mises en service d’ici 2035, lorsque le plafond de carbone pour la production d’électricité sera inférieur à 1 000 Mt.
Mais le CSC sera-t-il réellement mis en œuvre en Inde ? S’il a été question d’utiliser le CSC dans l’industrie lourde, le gouvernement indien n’a annoncé aucun projet de mise en œuvre de cette technologie dans les centrales électriques au charbon. En effet, l’Inde est actuellement « très conservatrice en ce qui concerne le CSC« , déclare M. Ding. « Certains chercheurs affirment que le CSC ne sera pas mis en œuvre parce qu’il est très coûteux et que, tant que le carbone capturé n’a pas d’utilisation directe, la seule chose à faire est de l’enfouir dans le sol. Elle ajoute : « La question de savoir si le CSC sera mis en œuvre en Inde dans les dix prochaines années est vraiment controversée. »
Ding et ses collègues espèrent que d’autres chercheurs et décideurs politiques – en particulier ceux qui travaillent dans les pays en développement – pourront bénéficier de l’accès à leurs ensembles de données et de l’apprentissage de leurs méthodes. Sur la base de leurs résultats pour l’Inde, elle souligne l’importance de comprendre la situation géographique détaillée d’un pays afin de concevoir des plans et des politiques qui soient à la fois réalistes et équitables.
Légende illustration : L’Inde s’est engagée à réduire ses émissions de carbone, une tâche difficile car le système électrique du pays repose sur de nombreuses centrales à charbon. Si certaines de ces centrales sont économes en combustible (à droite), beaucoup d’autres ne le sont pas (à gauche). Les chercheurs de MITEI ont exploré et clarifié les options de décarbonisation de l’Inde et ont publié leurs méthodes et leurs résultats à l’intention d’autres pays engagés dans des transitions énergétiques similaires. Image fournie par les chercheurs.
Article : « The role of coal plant retrofitting strategies in developing India’s net-zero power system: A data-driven sub-national analysis » – 10.1016/j.esd.2025.101687
Article : « A Dataset of the Operating Station Heat Rate for 806 Indian Coal Plant Units using Machine Learning » – 10.5281/zenodo.10881113
