Les énergies renouvelables en périodes de pannes prolongées : peu utiles et non rentables

Les récents événements climatiques qui ont affligé le Québec durant les derniers jours – privant plus de 500 000 clients résidentiels d’alimentation électrique durant quelques jours – ont mis en évidence la grande dépendance de nos modes de vie modernes à l’égard d’une alimentation électrique qui soit sécure et fiable.

A plus forte raison en Californie alors que la firme Pacific Gas & Electric a dû interrompre l’alimentation du réseau de transport à haute tension afin d’éviter le déclenchement de feux de forêts comme ce fut la cas durant les dernières années, ce qui a privé 3 millions de clients résidentiels de toute alimentation électrique durant plusieurs jours.

Incendies aux abords de Los Angeles le 3 novembre 2019

Ainsi, alors que la Californie détient le plus grand nombre de panneaux photovoltaïques installés aux Etats-Unis – ceux-ci produisant 11 200 MW à la fin 2017 avec l’objectif d’en mettre en service 25 000 MW en 2021 -, ceux-ci se sont avérés dans l’incapacité de répondre aux besoins en alimentation électrique des résidences durant de longues périodes.

 

Configuration typique d’une installation résidentielle en Californie

L’installation de panneaux photovoltaïques en Californie connaît un essor important alors que le gouvernement vise – éventuellement – une fourniture électrique qui soit à 100 % issue d’énergies renouvelables. Et, à cet effet, il a adopté une législation requérant l’installation de panneaux solaires sur toute nouvelle résidence qui sera construite à partir de 2020:

California Gives Final OK To Require Solar Panels On New Houses – capradio – 2018-12-06

Or, la configuration typique d’une résidence alimentée au moyen de panneaux solaires se présente ainsi:

Ainsi, tel qu’il sera mis en évidence par la suite, les installations résidentielles ne disposent nullement d’unités de stockage (« batteries ») et l’électricité issue des panneaux solaires (convertie en tension AC) répond à la « demande résidentielle du moment », toute énergie excédentaire étant « restituée » dans le réseau afin de diminuer la production d’électricité par le « producteur de réserve ».  A contrario, lorsque la demande excède la production diurne – ou durant la période nocturne – alors le « producteur de réserve » assure une alimentation électrique suffisante durant les périodes de carence.

Cela étant, lors des récentes pannes en Californie, la réalité contredit l’utopie véhiculée à l’effet que de simples systèmes de production d’électricité, via des panneaux solaires déployés en grand nombre, seraient en mesure de se substituer aux « producteurs de réserve » et assurer un approvisionnement fiable et stable, confirmant ainsi l’importance de ces producteurs dans la desserte en électricité alors que les clients refusent généralement d’en garantir de justes profits pour en assurer leur survie:

For Most California Homes, Solar Panels Won’t Help During Power Outages. Here’s Why. – capradio – 2019-10-14

 

Configuration d’une installation résidentielle avec unités de stockage

Une configuration avec unités de stockage s’avère une option « à prendre en considération » dans les zones où les pannes électriques sont fréquentes, assurant ainsi une autonomie jusqu’à ce que l’alimentation électrique soit rétablie.

Qui plus est, dans la mesure où les distributeurs d’électricité en Californie pratiquent une facturation à double tarif – tarifs élevés aux heures de grande consommation et tarifs faibles hors périodes de grande demande en électricité -, les unités de stockage limitent l’énergie consommée aux heures à tarifs élevés et, ainsi, permettent de diminuer la facture pour les abonnés.

Or, tel qu’il a été mis en évidence par le distributeur Sacramento Municipal Utility District (SMUD) – un OBNL constitué en 1946 et desservant la Ville de Sacramento -, même pour une finalité visant à minimiser la consommation d’électricité aux heures de tarifs élevés (« peak shaving »), l’investissement dans des unités de stockage s’avère non rentable:

Battery storage for homeowners – Sacramento Municipal Utility District SMUD

Ainsi, dans la mesure où l’ajout d’unités de stockage s’avère non rentable dans les zones où on pratique la tarification différenciée, à plus forte raison un tel système serait déficitaire dans les zones où les pertes d’alimentation électrique sont fréquentes et de courte durée et plus encore dans les zones qui connaissent des pannes prolongées mais peu fréquentes si une telle option est choisie afin de faire face à de telles éventualités.

 

En cas de panne prolongée, l’autonomie souhaitée pour un système disposant d’unités de stockage

Les récentes pannes électriques en Californie ont mis en évidence les limites dans les installations ne disposant pas d’unités de stockage qui ne peuvent que desservir les « besoins en électricité du moment » pour les résidences. Et, de façon analogue, pour les installations disposant d’unités de stockage, de la faible capacité de ces systèmes à répondre aux besoins « minimaux » quotidiens d’une résidence.

Ainsi, à partir des données publiques et des informations colligées, il a été établi un « profil quotidien minimal de consommation électrique » pour une résidence et répondant aux besoins d’une famille subissant une panne prolongée de son alimentation électrique:

  • réfrigérateur opérant 2 heures par période de 24 heures
  • micro-ondes avec utilisation 10 minutes par jour
  • cuisinière avec utilisation de 2 éléments chauffants (en surface) 1 heure par jour
  • chauffe-eau en fonctionnement 2 heures par période de 24 heures

d’où on en déduit une consommation de 22 kWh par jour alors que la consommation quotidienne « normale » d’une résidence se situe à environ 50-80 kWh.

Qui plus est, si la panne survient en période hivernale, on établit une aire chauffée restreinte où les résidents seraient en mesure de s’y réfugier:

  • une zone de 6 m x 7 m (42 m2 ou 450 pi2) avec chauffage 12 heures par jour

laquelle induit une consommation quotidienne totale de 76 kWh.

A contrario, si la panne survient en période estivale, on établit une aire climatisée restreinte où les résidents seront en mesure de s’y installer:

  • une zone de 3 m x 3 m (10 m2 ou 100 pi2) avec climatisation 4 heures par jour

pour une consommation quotidienne totale de 23 kWh.

A l’évidence, une consommation « minimaliste » de 22 kWh est requise afin de répondre aux besoins quotidiens « de base » d’une famille – sans chauffage ni climatisation -, d’où la compilation suivante:

Par ailleurs, au niveau de la puissance requise pour l’onduleur assurant la transformation du courant continu DC en courant alternatif AC, une puissance minimale de 6 kW s’avère la puissance minimale requise… à la condition d’alterner le fonctionnement des charges pour ne pas excéder la puissance de l’onduleur.

 

L’addition d’unités de stockage requises en cas de panne prolongée

S’agissant de l’autonomie requise pour une unité de stockage assurant l’approvisionnement quotidien d’une résidence soumise à une panne de longue durée – à la condition que l’unité de stockage soit pleinement rechargée à chaque jour -, le tableau suivant présente une estimation des coûts d’un tel système avec l’utilisation d’un onduleur de 10 kW afin de minimiser la gestion de l’alternance pour les charges électriques résidentielles:

Ainsi, telle estimation rejoint les conclusions du distributeur SMUD à l’effet que l’ajout d’une unité de stockage serait peu rentable afin d’assurer l’approvisionnement occasionnel d’une résidence en cas de panne électrique prolongée.

L’option d’une alimentation « externe » requise en cas de panne prolongée

Une des options mise de l’avant afin d’assurer une autonomie en cas de panne prolongée consisterait à doter un véhicule électrique d’un onduleur – transformation du courant continu DC en courant alternatif AC -, le véhicule disposant d’une untié de stockage constituée des batteries installées à bord du véhicule pour en assurer la mobilité.

Ainsi, nonobstant le coût relié au module batterie présenté dans le tableau précédent, des coûts minimaux établis à 2-3 k$ seraient encourus afin d’assurer l’approvisionnement électrique d’une résidence… à la condition que les batteries soient rechargées quotidiennement en cas de panne électrique prolongée et qu’on s’assure de la gestion de l’alternance pour les charges électriques résidentielles.

Cela étant, s’agissant de répondre à la consommation quotidienne « de base » précisée plus haut, l’incorporation d’un onduleur à un véhicule électrique assurerait une autonomie inférieure à 3 journées alors que, en période hivernale, cette autonomie serait inférieure à 1 journée.

 

En conclusion

L’expérience récente vécue par les résidents en Californie, lesquels ont investi massivement afin de doter leurs résidences de panneaux solaires, témoigne du fait que de telles installations – avec ou sans unité de stockage – ne seraient d’aucune utilité lors de pannes électriques prolongées.

Au surplus, cette situation a témoigné du fait que, sans l’apport des « producteurs de réserve » pour répondre à la demande quotidienne tant en énergie qu’en puissance, à moins de surdimensionner grandement la production d’électricité via des sources d’énergie renouvelables, une telle option apparaît peu souhaitable pour répondre à 100 % aux besoins en alimentation électrique d’une collectivité tout en assurant un approvisionnement fiable et stable à long terme.