Les énergies renouvelables sont la source d'énergie qui connaît la plus forte croissance aux États-Unis, mais cette croissance présente de nouveaux défis. Si les énergies fossiles représentent encore 60% de la production totale des États-Unis, l'énergie solaire et l'énergie éolienne représentent désormais la majorité des nouvelles capacités de production. L'électricité issue du nucléaire et de sources renouvelables représentent chacune 20% de la production américaine. Si les progrès technologiques ont permis de réaliser des gains d'efficacité et de coûts pour permettre la production d'électricité à partir de sources renouvelables, le domaine des énergies renouvelables doit surmonter des défis considérables avant de pouvoir remplacer les combustibles fossiles.
1. La périodicité des énergies renouvelables
Actuellement, les énergies fossiles sont plus fiables que les énergies renouvelables. Par exemple, l'énergie solaire est beaucoup plus fluctuante car la moitié de la planète est plongée dans l'obscurité à un moment donnée. L'efficacité des panneaux solaires dépend aussi fortement de la hauteur du soleil au-dessus de l'horizon. Les nuages et autres obstructions peuvent également réduire davantage la capacité de l'énergie solaire. De même, comme le vent ne souffle pas tout le temps, cela crée des problèmes d'intermittence similaires. Les deux peuvent être imprévisibles en fonction de l'emplacement et du temps.
La nature périodique de la plupart des énergie renouvelable nécessite un stockage d'énergie, généralement sous forme de batteries. Le coût du stockage, ainsi que le coût et la complexité de la gestion des cycles de charge et de décharge, peuvent avoir un impact négatif sur le retour sur investissement de la production d'énergie renouvelable.
Heureusement, les progrès de la technologie des batteries, des logiciels et des méthodes d'intégration au réseau électrique rendent le stockage d'énergie plus fiable et plus abordable. Avec l'adoption croissante de la technologie et les progrès futurs, l'industrie est prête à relever les défis actuels du stockage. Cependant, la production de batteries nécessite des métaux rares. Pour éviter les écueils futurs, les industriels devront redoubler d'efforts pour récupérer ces métaux afin de créer une production durable de batteries.
2. La stabilité du réseau électrique pour transporter la production des énergies renouvelables
L'énergie renouvelable est généralement produite loin des grandes populations, par exemple dans les grands déserts ou en mer. Le transport de l'énergie de l'endroit où elle est produite à l'endroit où elle est consommée exerce une pression plus forte sur les infrastructures de réseau existantes ou nécessite de nouvelles lignes de transmission. L'ajout de nouveaux poteaux, fils, transformateurs et autres nécessite des investissements considérables pour transporter l'électricité renouvelable des régions éloignées vers les foyers et les entreprises qui la consomment.
La plupart des réseaux électriques ne sont pas adaptés à la croissance rapide des énergies renouvelables. Les pays en développement doivent moderniser ou remplacer les infrastructures vieillissantes et étendre rapidement les réseaux électriques pour répondre à la demande croissante. Les économies développées ont construit leurs infrastructures dans les années 1950 et 1960, et ces infrastructures vieillissantes doivent être modernisées. Outre qu'elles aient dépassé leur durée de vie de 50 ans, ces lignes n'ont pas été conçues pour répondre à la demande d'électricité d'aujourd'hui ou aux pressions supplémentaires exercées par les nouvelles technologies ou réglementations relatives aux réseaux intelligents.
Outre l'infrastructure vieillissante et la capacité limitée du réseau existant, l'augmentation de la pénétration du renouvellement fait de la stabilité du réseau une préoccupation primordiale. Le réseau existant a été conçu pour acheminer l'électricité des grandes centrales centralisées vers les centres de demande. En plus d'être unidirectionnel, le réseau électrique possède une grande inertie mécanique stockée dans le métal des turbines produisant l'électricité. Cette inertie rend le réseau intrinsèquement stable, se prêtant à un contrôle efficace de la fréquence en cas de perturbations. À mesure que la production de combustibles fossiles est remplacée, l'inertie mécanique du réseau diminue, ce qui nécessite de nouvelles méthodes de contrôle de la fréquence pour garantir la stabilité du réseau.
En outre, à mesure que la production renouvelable augmente, le réseau électrique doit être capable de gérer des flux bidirectionnels d'électricité, en fonction de l'heure de la journée et du type de production disponible. Un actif solaire plus stockage d'énergie peut être un producteur d'électricité pendant la journée et un consommateur d'électricité pour charger la batterie à partir du réseau pendant les heures plus tardives.
3. Le facteur économique : le plus grand défi des énergies renouvelables
L'économie est peut-être l'un des plus grands défis auxquels le secteur des énergies renouvelables est actuellement confronté. La mise à disposition de ces sources d'énergie pour le grand public nécessite des investissements importants qui ne seront pas rentables à court terme. Ces coûts peuvent être mesurés en termes de coût nivelé de l'énergie (LCOE), qui est le coût net par unité d'électricité au cours de la durée de vie d'une centrale. L'industrie des services publics fonde traditionnellement son estimation du LCOE d'un projet sur des données historiques, mais ces données sont rares pour les énergies renouvelables.
Les incitations gouvernementales aux États-Unis ont contribué à réduire le coût de développement des centrales d'énergie renouvelable au cours de la dernière décennie, les rendant plus compétitives par rapport aux combustibles fossiles. Cependant, les incitations actuelles doivent expirer au cours des prochaines années, ce qui crée une incertitude quant au retour sur investissement des projets d'énergie renouvelable.
4. L'utilisation des sols
L'utilisation des terres devient souvent un point de discorde dans les projets d'énergie renouvelable. Trouver un équilibre entre les besoins en terres pour les énergies renouvelables et les nombreuses autres utilisations importantes de cette ressource naturelle reste un défi majeur. La décision de construire un parc de panneaux solaires ou éolien se résume souvent à la question de savoir si ces terres seraient mieux utilisées pour le logement ou la production alimentaire.
La solution la plus probable à ce problème consistera à utiliser les terres à des fins multiples, comme la culture ou l'élevage, tout en produisant de l'énergie à partir de sources solaires et éoliennes. Le défi sera d'installer des parcs éoliens ou solaires sans perturber le pâturage du bétail ou la production agricole. Les scientifiques mènent actuellement des recherches sur la possibilité d'intercaler des cultures, comme les tomates et le chou frisé, entre les parcs de panneaux solaires.
5. La production et chaîne d'approvisionnement
Pour remplacer les combustibles fossiles dans la production d'électricité, il faut produire à grande échelle des panneaux solaires, des éoliennes et des batteries pour le stockage de l'énergie. Les fabricants de ces composants ont considérablement réduit le coût de production grâce aux nouvelles technologies et aux économies d'échelle. Il n'en reste pas moins que la production de panneaux solaires, d'éoliennes et de batteries nécessite des techniques d'extraction de matériaux rares qui utilisent des méthodes à forte intensité énergétique. En outre, cette extraction a lieu dans des régions du monde qui ne sont pas forcément stables sur le plan politique et qui ne disposent pas toujours de protections environnementales adéquates. Le recyclage des matériaux lorsque les composants atteignent la fin de leur cycle de vie pose un autre problème de chaîne d'approvisionnement.
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