Les nouvelles menaces météorologiques pour un réseau électrique plus vert

Les événements météorologiques extrêmes, comme les tempêtes violentes et les vagues de chaleur ou de froid sans précédent, affectent les services publics d’électricité, les opérateurs de réseau et, en fin de compte, les consommateurs de manière inédite. Parallèlement, les sources d’énergie qui alimentent le réseau évoluent, intégrant des pourcentages plus élevés de sources renouvelables.

Cette évolution simultanée des conditions météorologiques et du réseau électrique soulève de nouvelles questions sur l’interaction entre les événements météorologiques extrêmes et le réseau électrique, ainsi que sur la manière de maintenir et d’améliorer la fiabilité du réseau à mesure que la part des énergies renouvelables augmente. Une étude inédite, menée par des analystes du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) et de Sharply Focused, a modélisé des scénarios pour comprendre ces questions et redéfinir la notion de «météo extrême».

«Notre étude a examiné deux questions,» a indiqué Marty Schwarz, ingénieur en systèmes électriques au NREL et co-auteur du rapport. «Premièrement, nous avons étudié si l’augmentation des niveaux d’éolien et de solaire rend plus difficile l’exploitation fiable du système électrique lors d’événements météorologiques extrêmes. Deuxièmement, nous avons évalué si ces technologies renouvelables modifient les types d’événements météorologiques que nous considérons comme ‘extrêmes’ en fonction de leur impact sur les opérations du réseau.»

Comprendre l’avenir à travers le passé

Pour générer les scénarios utilisés dans l’étude, les analystes ont utilisé le modèle de planification de capacité phare du NREL pour le secteur de l’énergie, le Système régional de déploiement de l’énergie (ReEDS), qui simule l’évolution du système électrique en vrac. ReEDS a modélisé ce à quoi le système pourrait ressembler pour les années 2024, 2036 et 2050, montrant des niveaux de génération renouvelable variable de 17 %, 50 % et 65 % de la demande annuelle, respectivement.

Les analystes ont également recueilli des données météorologiques historiques et des enregistrements d’événements météorologiques sélectionnés entre 2007 et 2013, ainsi que la disponibilité des ressources éoliennes et solaires modélisées à partir du Base de données nationale sur l’intégration de l’énergie éolienne (WIND) Toolkit du NREL, de la Base de données nationale sur le rayonnement solaire (NSRDB) et des profils de charge électrique historiques. Ces données ont permis d’identifier les événements météorologiques essentiels pour les modélisateurs, les services publics et les régulateurs à prendre en compte dans leur planification à long terme.

Les événements météorologiques des données historiques ont été classés en deux grandes catégories : 1) «événements à fort impact», tels que les vagues de froid, les tempêtes de latitude moyenne, les vagues de chaleur et les systèmes tropicaux ; et 2) « événements posant des défis de planification », y compris les périodes de faible disponibilité des ressources en énergie renouvelable et de forte demande en électricité, ainsi que les périodes de forte disponibilité des ressources et de faible demande.

Redéfinir la perception des événements extrêmes

Lorsqu’on pense aux événements météorologiques extrêmes aujourd’hui, on imagine naturellement ceux qui perturbent considérablement notre quotidien et font la une des journaux, surtout en cette période de saison des ouragans. Cependant, le NREL a découvert que les impacts des événements météorologiques extrêmes sur le réseau électrique n’augmentent pas à mesure que l’éolien et le solaire sont ajoutés au réseau.

En effet, l’énergie éolienne et solaire reste disponible même lors d’événements météorologiques extrêmes en raison de la météorologie propre à ces événements. Une vague de chaleur qui entraîne une augmentation de la charge du réseau due à l’utilisation de ventilateurs et de climatiseurs coïncide souvent avec des journées ensoleillées permettant une forte production solaire. De même, un front froid hivernal qui augmente le besoin de chauffage apporte également des rafales de vent puissantes pouvant alimenter la production éolienne pour répondre à ces besoins.

En revanche, les analystes ont constaté que des conditions météorologiques modérément sévères, mais non extrêmes, survenant en même temps que des périodes prolongées de faible disponibilité des ressources éoliennes et solaires pourraient devenir les nouveaux événements «extrêmes» en termes d’impact sur les opérations du système électrique.

«Ces conclusions sont spécifiques et limitées aux conditions météorologiques présentes dans l’ensemble de données historiques et aux infrastructures futures du réseau considérées, mais elles pointent vers une conclusion générale,» a expliqué Schwarz. « Les événements météorologiques les plus préoccupants pour le réseau futur sont différents de ceux préoccupants aujourd’hui. »

Gérer le calme après la tempête

La perception changeante des événements météorologiques extrêmes qui a émergé des conclusions est illustrée par le calme éolien qui suit souvent le passage d’un front froid dans une région. Pendant les mois d’hiver, lorsque la production solaire est déjà faible, le réseau futur dépendra davantage de l’énergie éolienne. En général, la production éolienne est abondante à proximité immédiate des fronts froids, mais ces fronts sont souvent suivis d’un calme éolien de gravité variable, avec un froid persistant qui entraîne des charges élevées continues alors que les gens chauffent et éclairent leurs maisons.

La taille de l’échantillon des événements météorologiques explorés dans l’étude suggère que les jours calmes suivant le début d’une vague de froid pourraient être parmi les événements météorologiques les plus importants à considérer pour les planificateurs lorsqu’ils déterminent les besoins en capacité pour les systèmes futurs reposant sur des niveaux élevés de production renouvelable variable.

Les planificateurs de systèmes, les décideurs politiques et les chercheurs peuvent utiliser les conclusions pour tester la résilience météorologique et l’adéquation des ressources des infrastructures futures du système électrique. L’analyse peut également être utilisée pour tester la performance des plans de ressources intégrés ou pour explorer les compromis et les avantages entre différentes options politiques.

Regarder vers l’horizon

Les analystes derrière l’étude ont averti que malgré les limitations de l’étude, les conclusions sont importantes pour comprendre l’impact des événements météorologiques extrêmes de manière holistique—ce qui se passe non seulement pendant le pic de la tempête mais aussi après, et pour planifier les périodes de faible production renouvelable à mesure que le réseau est de plus en plus alimenté par des énergies renouvelables.

Ces résultats initiaux devraient être appliqués à d’autres scénarios de systèmes électriques et à encore plus de conditions météorologiques au-delà de l’échantillon limité d’événements météorologiques de 2007 à 2013. Les analystes sont particulièrement intéressés par l’étude d’événements météorologiques plus récents pouvant capturer l’influence du changement climatique sur les modèles météorologiques.

«Nous espérons que cette étude initiale contribuera à faire progresser notre compréhension des événements météorologiques extrêmes sur le réseau de plus en plus renouvelable,» a déclaré Schwarz, « et nous préparera à un travail plus approfondi pour une planification précise et une fiabilité robuste du système électrique de demain.« 

Accédez à l’étude complète pour découvrir les huit conclusions et en savoir plus sur l’analyse énergétique et la recherche sur la modernisation des réseaux du NREL. https://www.nrel.gov/docs/fy22osti/78394.pdf