D'ici 2050, l'offre et la demande d'électricité pourront être équilibrées à chaque heure de l'année et dans chaque région des Etats-Unis avec près de 80 % d'électricité produite à partir de ressources renouvelables, dont 50 % de production intermittente (solaire et éolien), estime l'étude Renewable Electricity Futures, publiée par le laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) pour le compte du département américain à l'Energie (US DoE).
Les experts ont étudié la faisabilité technique du déploiement des technologies de production renouvelable actuellement mises sur le marché : biomasse, géothermie, hydroélectricité, solaire, éolien…"Bien que cette analyse suggère qu'un avenir à haute production d'énergie renouvelable est possible, une transformation du système électrique sera nécessaire pour faire de ce futur une réalité. Cette transformation, impliquant tous les éléments du réseau, devra s'appuyer sur une flexibilité accrue, afin d'assurer une planification adéquate et des réserves d'exploitation. Les infrastructures de transport devront être largement déployées".
80 % d'électricité renouvelable d'ici 2050
En 2010, les énergies renouvelables ont représenté environ 10 % de la puissance totale du secteur approvisionnement en électricité des Etats-Unis (6,4 % d'hydroélectricité, 2,4 % d'énergie éolienne, 0,7 % de biomasse, 0,4 % de géothermie, et 0,05 % d'énergie solaire). Renewable Electricity Futures analyse différents scénarii de déploiement des énergies renouvelables pour la production d'électricité, de 30 % à 90 % du mix. Ces scénarii sont étudiés dans le cadre d'hypothèses de faible croissance de la demande en électricité entre 2010 et 2050, et d'une hausse de 30 % de la consommation.
Pour la première hypothèse, le NREL estime qu'il est possible d'atteindre 80 % de production électrique d'origine renouvelable, dont 50 % avec des énergies intermittentes telles que le solaire et le photovoltaïque. La biomasse et les centrales hydroélectriques avec réservoir de stockage, plus flexibles, joueraient les variables d'ajustement, en cas de baisse de la demande ou d'offre intermittente insuffisante. Dans le futur, selon les évolutions technologiques, les systèmes géothermiques améliorés et les énergies marines pourraient également jouer un tel rôle.
Le scénario 80 % électricité renouvelable comprend 439 GW d'éolien (contre 50 GW aujourd'hui) et 150 GW de solaire photovoltaïque. Au total, le NREL estime que les capacités moyennes d'énergie renouvelable devront augmenter de 19 à 22 GW/an de 2011 à 2020 et de 32 à 46 GW/ an entre 2041 et 2050. Un rythme de développement qui n'est pas jugé insurmontable, même si des défis devront être relevés concernant la chaîne de production (disponibilité des matières premières et de la main d'œuvre qualifiée). "La croissance des capacité d'origine renouvelable aux États-Unis et dans le monde au cours de la dernière décennie a été considérable et démontre la capacité de fabrication à grande échelle et le déploiement à un rythme rapide", notent les experts.
Une hausse de la demande d'électricité de 30 % entre 2010 et 2050 nécessiterait logiquement des niveaux plus élevés de production, avec un rythme d'installation annuel porté à 66 GW entre 2041 et 2050. Les sources de production intermittentes devraient alors être déployées davantage, car elles sont plus disponibles que d'autres modes de production (biomasse par exemple). Des installations de stockage de gaz naturel, de turbines électriques seront nécessaires pour maintenir l'équilibre entre l'offre et la demande.
Supergrid, stockage et flexibilité de la demande
Selon le NREL, toutes les régions des Etats-Unis pourraient contribuer de manière substantielle à la fourniture d'électricité renouvelable en 2050. Selon le scénario 80 %, qui compare la production régionale d'électricité à la demande locale, l'approvisionnement en énergie éolienne est significatif dans la plupart des régions, mais plus important dans les Grandes Plaines, les Grands Lacs, le Centre, le Nord-Est, et les régions de l'Atlantique. L'énergie solaire est déployée plus sensiblement dans le Sud-Ouest (dominé par la technologie CSP), la Californie et le Texas (CSP et PV), puis par la Floride et les régions du Sud-Est (dominées par le PV). L'approvisionnement en biomasse est plus important dans les Grandes Plaines, les Grands Lacs et les régions du Sud-Est. Le Nord-Ouest est le mieux doté en production hydroélectrique, mais l'hydroélectricité est également un contributeur non négligeable en Californie, au Nord-Est et au Sud-Est. Enfin, la géothermie est déployée principalement en Californie et dans le Sud-Ouest.
"La modélisation du secteur électrique montre qu'un système plus souple est nécessaire pour accueillir des niveaux croissants de production d'énergie renouvelable. La flexibilité du système peut être augmentée en utilisant un large éventail d'options pour l'offre et la demande et il faudra probablement des avancées technologiques, de nouvelles procédures d'exploitation, une évolution des modèles dans l'entreprise et de nouvelles règles du marché".
Le pays devra donc déployer un large réseau de transport afin de mettre en adéquation l'offre et la demande sur de longues distances (supergrid). Cela permettra également de gérer la production lors des périodes de faible demande, afin d'éviter la surcapacité sur le réseau. Il sera également nécessaire de déployer une flotte thermique plus souple, des moyens de stockage de l'énergie (de 20 GW en 2010 à 100-152 GW en 2050) et une capacité d'effacement (de 15,6 GW en 2009 à 48 GW en 2050). Enfin, l'industrie devra être incitée à consommer l'électricité en période de faible demande.