Firming weather dependent renewable generation yields single digit system level energy returns

Imaginez que vous essayiez d'alimenter une ville immense et bouillonnante. Vous disposez d'une flotte de panneaux solaires et d'éoliennes, qui sont fantastiques pour générer de l'électricité quand le soleil brille et que le vent souffle. Mais voici le hic : le soleil ne brille pas la nuit, et le vent ne souffle pas toujours, surtout pendant les longues semaines sombres de l'hiver. Pour maintenir les lumières allumées 24h/24 et 7j/7, vous avez besoin d'un « plan de secours » qui puisse intervenir lorsque la nature fait une pause. C'est le monde du Retour Énergétique sur Investissement (REI ou EROI en anglais). Considérez l'EROI comme une « marge bénéficiaire » pour l'énergie. Si vous dépensez 1 unité d'énergie pour construire une centrale électrique et que celle-ci vous restitue 10 unités d'énergie sur sa durée de vie, votre EROI est de 10. C'est une excellente affaire ! Mais si vous dépensez 1 unité pour n'en récupérer que 1,1, votre EROI est de 1,1, ce qui suffit à peine à garder les lumières allumées, et encore moins à construire des hôpitaux, des écoles ou des fusées spatiales. La grande question que se posent les scientifiques est la suivante : lorsque nous ajoutons tout le matériel supplémentaire nécessaire pour rendre le solaire et l'éolien fiables (comme de gigantesques batteries ou des centrales à gaz de secours), est-ce que le « profit » disparaît ?

Cet article, écrit par Hans Peter Beck, plonge profondément dans cette question exacte. Il agit comme un immense grand livre de comptes pour un futur système énergétique. Au lieu de regarder simplement un panneau solaire isolé sur un toit, l'auteur construit un modèle de « flotte » — une grille énergétique imaginaire et massive pour l'Europe centrale qui repose à 80 % sur l'éolien et à 20 % sur le solaire. L'étude pose ensuite la question : « Qu'arrive-t-il à notre profit énergétique lorsque nous ajoutons le travail de force nécessaire pour rendre cette énergie dépendante de la météo fiable ? » L'article conclut que, bien que les panneaux solaires soient excellents individuellement, dès que l'on ajoute les systèmes de « renforcement » (secours) nécessaires pour maintenir l'électricité, le profit énergétique chute de manière spectaculaire. En fait, les options de secours les plus fiables testées (comme le stockage par hydrogène ou les centrales à gaz) réduisent le profit énergétique à des chiffres uniques, voire proches de zéro. L'article suggère que sans un surplus énergétique élevé, notre société moderne et complexe pourrait avoir du mal à survivre, et encore moins à prospérer.

Le rêve solitaire du panneau solaire

Commençons par le héros de notre histoire : le panneau solaire. À lui seul, un panneau solaire est un peu une rockstar. Si l'on regarde uniquement l'installation — le panneau, les câbles et l'onduleur — il possède un profit énergétique fantastique. Dans les régions ensoleillées d'Europe centrale, pour chaque unité d'énergie utilisée pour le construire, il peut restituer 15 à 20 unités sur sa durée de vie. C'est comme acheter un billet pour 1 $ et gagner 20 $. Cela ressemble à un ticket de loterie gagnant !

Mais voici le rebondissement : un panneau solaire est un « ami de beau temps ». Il ne fonctionne que lorsque le soleil est présent. Si vous voulez faire fonctionner une ville entière, vous ne pouvez pas compter uniquement sur des amis de beau temps. Vous avez besoin d'un plan de secours pour les jours de pluie, les nuits nuageuses et ces périodes hivernales terriblement longues où le soleil pointe à peine le bout de son nez et où le vent est mort. Les scientifiques appellent ce besoin de secours le « renforcement » (firming). C'est la différence entre avoir une couverture de pique-nique (le solaire) et avoir une tente complète avec un chauffage (l'énergie de base/ferme).

Le coût du plan de secours

L'article construit une simulation massive d'un réseau électrique pour voir ce qui se passe lorsque nous essayons de transformer cet « ami de beau temps » en un « colocataire fiable ». L'auteur crée un scénario où 80 % de l'énergie provient de l'éolien et 20 % du solaire. Ce mélange est excellent car le vent souffle souvent quand le soleil ne brille pas, mais même cette combinaison a une faiblesse : parfois, le vent et le soleil font la sieste en même temps. Ce sont les événements de « Dunkelflaute » (un mot allemand sophistiqué pour désque « creux sombres et calmes »).

Pour survivre à ces creux sombres, l'article teste trois différentes stratégies de secours, et les résultats sont un choc.

1. La banque de batteries (Le correctif à court terme)
Imaginez que vous essayiez de résoudre le problème avec une batterie géante. Les batteries sont parfaites pour déplacer l'énergie de l'après-midi vers la soirée, comme si l'on déplaçait quelques pommes d'un panier plein vers un panier vide. Mais que se passe-t-il si le panier est vide pendant une semaine entière ?
L'article calcule que si vous essayez de stocker assez d'énergie dans des batteries pour tenir seulement 24 heures, le profit énergétique s'effondre. Au lieu de récupérer 15 unités, vous pourriez n'en obtenir que 0,7 à 2,3 unités. Pourquoi ? Parce que fabriquer ces batteries massives demande une quantité énorme d'énergie. C'est comme essayer de porter un sac à dos rempli de briques pour aller au magasin ; plus le sac est lourd, moins vous avez d'énergie pour réellement acheter vos courses. Même une batterie de 4 heures fait chuter le profit dans une fourchette de 3,4 à 7,6. L'article suggère que si les batteries sont utiles pour les courtes siestes, elles sont trop lourdes et trop coûteuses pour nous porter à travers un long hiver.

2. Le réservoir d'hydrogène (Le correctif à long terme)
Ensuite, l'article examine l'hydrogène. Il s'agit de transformer l'électricité en gaz, de le stocker dans un réservoir souterrain géant, puis de le reconvertir en électricité quand nécessaire. C'est le stockage ultime à long terme, capable de conserver l'énergie pendant des semaines ou des mois.
Cependant, le processus est très inefficace. C'est comme essayer de remplir un seau avec un tuyau qui fuit. Vous devez pomper beaucoup d'eau (électricité) pour qu'un tout petit peu reste dans le seau. À cause de ces pertes, vous devez construire plus de panneaux solaires et d'éoliennes juste pour remplir le réservoir. L'article constate que même avec ce « super stockage », le profit énergétique tombe dans une plage de 3,4 à 7,7. C'est mieux que la batterie de 24 heures, mais c'est toujours dans la zone des « chiffres uniques », ce qui est un endroit dangereux pour une société moderne.

3. Le secours au gaz (La béquille des combustibles fossiles)
Enfin, l'article examine le maintien de centrales à gaz en mode veille. Ces centrales n'ont pas besoin de stocker l'énergie ; elles brûlent simplement du gaz lorsque le vent et le soleil font défaut.
Le résultat ici est encore plus frappant. Parce que vous devez maintenir ces centrales à gaz massives construites et prêtes à fonctionner (même si elles restent inactives la plupart du temps), et parce que vous devez brûler le combustible pour les faire fonctionner, le profit énergétique chute drastiquement à 1,2 à 2,6 pour le gaz de pipeline, et encore plus bas (1,0 à 2,2) pour le gaz naturel liquéfié (GNL).
L'article explique qu'avec un EROI de 2, vous dépensez la moitié de votre production d'énergie totale juste pour faire fonctionner les centrales électriques. C'est comme une entreprise où la moitié de votre chiffre d'affaires sert à payer le loyer, ne laissant que très peu pour le reste. À un EROI de 1, vous atteignez juste l'équilibre, et en dessous de 1, vous perdez de l'argent. L'article suggère que compter sur le secours au gaz peut maintenir les lumières allumées, mais cela laisse presque aucun « surplus » d'énergie pour construire des écoles, guérir des maladies ou explorer l'espace.

L'illusion « Alpine »

Vous pourriez penser : « Et si nous installions des panneaux solaires sur les montagnes enneigées ? La neige réfléchit la lumière, donc ils devraient mieux fonctionner ! » L'article vérifie cela aussi. Il s'avère que bien que les panneaux en montagne reçoivent un peu plus de soleil, le coût de construction des routes, des supports lourds et des lignes électriques en montagne absorbe tout ce gain supplémentaire. Le profit énergétique pour le solaire en montagne finit par être aussi bas que celui du solaire classique lorsqu'on ajoute les besoins de secours. L'article suggère que placer des panneaux sur des terrains difficiles ne résout pas le problème fondamental du besoin d'un système de secours massif.

La vue d'ensemble : Pourquoi cela importe

Alors, quelle est la conclusion de ce grand livre de comptes énergétique ? L'article suggère que nous avons regardé le solaire et l'éolien de manière isolée, comme si l'on jugeait une voiture par son moteur sans considérer le carburant, les pneus et le conducteur. Lorsque l'on regarde le système complet nécessaire pour faire fonctionner une ville de manière fiable, le « profit » des énergies renouvelables rétrécit considérablement.

L'auteur soutient qu'une société industrielle moderne a besoin d'un profit énergétique élevé (un EROI d'au moins 7 à 10) pour soutenir des choses comme la santé, l'éducation et la recherche scientifique. Si le système énergétique est si inefficace qu'il doit dépenser la majeure partie de sa propre énergie pour se construire et se maintenir, il n'en reste pas beaucoup pour le reste de la société. L'article suggère que si le solaire et l'éolien sont importants, ils ne peuvent pas être la seule solution si nous voulons que notre monde complexe continue de fonctionner sans épuiser le surplus énergétique. Il laisse entendre que nous pourrions avoir besoin d'autres types d'énergie qui sont « fermes » (toujours disponibles) et qui possèdent un profit énergétique élevé, comme l'énergie nucléaire ou l'hydroélectricité, pour combler l'écart.

En résumé, l'article nous avertit que le chemin vers un avenir vert ne consiste pas seulement à coller plus de panneaux sur les toits. Il s'agit de comprendre le coût lourd de la fiabilité. Si nous ignorons le coût du secours, nous pourrions nous retrouver avec beaucoup d'énergie verte qui n'est pas tout à fait suffisante pour alimenter le monde dans lequel nous vivons.