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Comme de nombreux services publics, Duke Energy travaille avec NREL pour étudier les voies vers un réseau décarboné, ainsi que les possibilités de réduire les émissions de carbone en coordination avec les décideurs politiques et les régulateurs. En 2021, la Caroline du Nord a adopté une législation codifiant un objectif de réduction des émissions de 70 % pour 2030 et un objectif de zéro émission nette de dioxyde de carbone pour 2050, Duke Energy établissant également son propre objectif de zéro CO net.2 système électrique d’ici 2050.
Atteindre ces objectifs tout en fournissant une énergie fiable et abordable dans les Carolines est au cœur de la planification à long terme de Duke Energy. Pour soutenir cette transition, le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) s’est engagé dans un projet pluriannuel avec Duke Energy qui a identifié les voies les moins coûteuses pour une énergie sans carbone dans la région. Bien que spécifique au système de Duke Energy, cette étude d’intégration des ressources sans carbone offre une approche de modélisation qui peut être personnalisée pour la planification des ressources sans carbone de n’importe quel service public, en utilisant une variété d’outils NREL accessibles.
Outils de planification pour les systèmes d’énergie renouvelable
Le projet de NREL avec Duke Energy comprenait deux phases. Au cours de la phase 1, les chercheurs ont mené une analyse préliminaire de l’ajout d’une nouvelle énergie solaire substantielle au système, dans laquelle ils ont augmenté la production solaire jusqu’à 30 % de la production annuelle, ce qui a conduit à un système sans carbone à 80 % compte tenu de la production éolienne, nucléaire. , et hydro-montrant comment la réduction solaire s’intensifie à mesure que d’autres sont ajoutés au système dans les scénarios de déploiement futurs. Lisez le rapport complet de la phase 1 pour en savoir plus.
L’analyse de phase 2 récemment achevée a fourni une analyse plus approfondie des investissements potentiels, des coûts et des effets sur les opérations alors que Duke Energy intègre l’énergie sans carbone. Au cours de cette phase, NREL a déployé une suite d’outils de planification pour évaluer les scénarios représentant Duke Energy à la fois à court terme (2030) et à long terme (2050). NREL a publié cette semaine son rapport de phase 2, qui fait l’objet du reste de cet article de presse.
L’organigramme illustre les méthodes et les outils de modélisation utilisés dans l’étude d’intégration des ressources sans carbone du NREL.
Les chercheurs du NREL ont commencé avec des cartes haute résolution des ressources éoliennes et solaires des Carolines. Cette évaluation des ressources comprend des profils de ressources horaires et supprime les zones qui ne conviendraient pas au développement. En connectant ces cartes au modèle open source de potentiel d’énergie renouvelable de NREL, les chercheurs ont identifié des sites éoliens et solaires développables dans les Carolines.
NREL a ensuite réduit les sites potentiels de Duke pour l’éolien et le solaire à des emplacements qui répondent aux exigences clés du système et de la décarbonisation. Pour cette étape, NREL a utilisé son modèle d’expansion de la capacité du système de déploiement énergétique régional (ReEDS) pour déterminer la combinaison de ressources la moins coûteuse et pour identifier de nouveaux scénarios de transmission qui satisfont aux exigences critiques du système électrique.
Pour une dernière étape de validation, les chercheurs du NREL ont testé la combinaison de ressources ReEDS sur un modèle de transmission complet des Carolines à l’aide du logiciel PLEXOS disponible dans le commerce. NREL a simulé les constructions proposées à une résolution horaire, en observant comment chaque possibilité se déroulerait sur une année de fonctionnement.
Résultats de la simulation : Gigawatts de nouveaux systèmes solaires, éoliens et de stockage
La figure ci-dessous illustre la capacité de production déployée par ReEDS dans un scénario de référence (base) et avec des objectifs de réduction des émissions de 70 % en Caroline du Nord d’ici 2030 et zéro émission de carbone en 2050 (politique). Le dossier politique comprend également un scénario « sans fossile » dans lequel toutes les unités fossiles des deux Carolines doivent être retirées d’ici 2050, y compris les unités qui ne se trouvent pas sur le territoire de service de Duke Energy.
Pour ses objectifs de 2030, ReEDS estime que Duke Energy peut atteindre son objectif de 70 % en retirant le charbon et en investissant dans l’énergie solaire, le stockage sur batterie et l’éolien. Bien que les investissements dans l’éolien offshore et l’expansion du stockage hydroélectrique par pompage existant interviennent après 2030, ReEDS ne prend pas en compte toutes les contraintes logistiques pour le déploiement de nouvelles sources d’énergie, ce qui rend important de faire progresser ces ressources aujourd’hui compte tenu du temps nécessaire pour construire et intégrer de nouvelles ressources de production. .
Dans la poursuite des objectifs de la Caroline du Nord et de Duke Energy en matière d’énergie sans carbone, NREL a modélisé des scénarios de dépendance croissante à l’énergie sans carbone. Cette figure montre la capacité installée pour les scénarios en 2030 et 2050, compte tenu du statu quo, des exigences politiques actuelles et d’une option qui permet d’atteindre zéro énergie fossile. (RE-CT = turbines à combustion renouvelables ; lfill-Gas = gaz de décharge ; Gas-CT = turbine à combustion à gaz ; Gas-CC = turbine à combustion à gaz).
Dans les scénarios de NREL, certaines des unités au charbon retirées sont remplacées par la production de gaz naturel. Cette substitution réduit le CO2 dans l’ensemble, mais augmente les émissions de méthane provenant des fuites de pipelines. Bien que les fuites de pipeline ne soient pas calculées dans l’objectif politique de la Caroline du Nord pour 2030, le NREL a mesuré les émissions de méthane dans l’analyse des scénarios, comme illustré dans la figure ci-dessous. De plus, les émissions peuvent varier en fonction des conditions du système, avec des émissions plus faibles associées aux retraits prévus du charbon et des émissions plus élevées associées à un scénario simulant une vague de froid hivernale plus prolongée.
Le NREL a modélisé le système énergétique de Duke selon un scénario de base (2024) et selon différents scénarios de politique 2030 avec diverses conditions météorologiques. L’analyse de NREL comprenait les émissions provenant des fuites de méthane des pipelines, ainsi qu’un scénario qui capture un hiver de Caroline particulièrement froid, ce qui ajoute aux émissions de carbone.
La différence d’émissions en fonction des conditions météorologiques montre l’importance d’évaluer les opérations du système non seulement pour les conditions météorologiques « typiques », mais également pour des conditions plus extrêmes susceptibles de stresser le système. Dans le scénario « vague de froid prolongée de 2036 », NREL a testé la construction du système de 2036 par rapport aux données météorologiques de 2018, une année au cours de laquelle Duke Energy a connu un événement de charge de pointe hivernal prolongé. Cette vague de froid est particulièrement claire dans la figure ci-dessous, dans laquelle la consommation de carburant augmente considérablement pendant les mois d’hiver.
« La modélisation étendue de la vague de froid de 2036 est particulièrement utile pour illustrer le besoin de technologies capables de fournir une alimentation électrique soutenue pendant les périodes hivernales difficiles », a déclaré Mark Oliver, vice-président de la planification du système intégré chez Duke Energy.
Malgré des quantités importantes de batteries solaires photovoltaïques, éoliennes et d’une durée de 4 heures, le remplacement des centrales au charbon de Duke Energy signifie trouver des technologies capables de fournir de l’énergie tout au long d’un pic hivernal de plusieurs jours lorsque la ressource solaire est moins disponible et que la recharge des batteries peut être difficile. Oliver a déclaré que « bien que le gaz naturel soit disponible pour répondre à ce besoin jusqu’à ce que de meilleures alternatives soient disponibles, cela pourrait être remplacé par de l’hydrogène ou des biocarburants renouvelables à mesure que Duke Energy passera à zéro émission de carbone à l’avenir ».
Duke Energy vise une énergie sans carbone d’ici 2050
Les résultats pour 2050 montrent un système diversifié, généralement à dominante solaire, lissé par le stockage et complété par le nucléaire et l’éolien. Dans le cas non fossile, les turbines à combustion d’énergie renouvelable (RE-CT) servent à fournir une puissance de pointe vers les pics d’été et d’hiver. Ces turbines fonctionnent rarement mais sont essentielles pour fournir de l’énergie pendant les moments clés de forte tension du réseau.
« Disposer de ressources de production capables de fournir de l’énergie lorsqu’elles sont sollicitées pendant quelques périodes critiques de l’année, lorsque le système est stressé, offre une grande valeur », a déclaré Brian Sergi, analyste du réseau NREL et co-auteur de l’étude. Sergi a noté que le déploiement d’une technologie de production qui fonctionne relativement peu fréquemment mais qui est disponible à des moments clés est cohérent avec d’autres études examinant les défis de la décarbonisation profonde, y compris la récente analyse LA100 de NREL explorant les voies vers un système zéro carbone pour la ville de Los Angeles. Bien que modélisée en tant que RE-CT dans cette étude, cette niche pourrait être occupée par une gamme de technologies telles que le stockage saisonnier et/ou des stratégies opérationnelles telles que l’augmentation des importations grâce à la coordination avec les voisins.
Une comparaison des scénarios d’hiver (à gauche) et d’été (à droite) pour 2050 montre que l’hiver nécessitera des ressources de pointe pour surmonter les vagues de froid.
La voie à suivre pour atteindre l’objectif zéro carbone peut affecter la combinaison optimale de ressources et la manière dont elles sont exploitées. Par exemple, le scénario sans fossile montre moins de réduction en raison d’un plus grand déploiement de stockage et d’une plus grande dépendance aux importations nettes pour compenser une production moindre à base de gaz naturel, bien qu’à un coût total plus élevé que le scénario politique lui-même. De même, les voies dans lesquelles les services publics voisins poursuivent également des objectifs zéro carbone réduisent les possibilités d’exporter de l’électricité autrement réduite, augmentant la valeur du déploiement du stockage d’énergie dans les Carolines.
L’étude montre également de plus en plus d’opportunités d’échange avec les réseaux voisins pour soutenir l’équilibre entre l’offre et la demande d’un système de plus en plus dynamique avec des niveaux plus élevés d’intégration des énergies renouvelables. Un large éventail de sensibilités démontre des mises à niveau et des constructions de transmission à la fois sur le territoire de service de Duke Energy dans les Carolines et avec les systèmes électriques voisins, illustrant la robustesse de la valeur de ces investissements dans des résultats renouvelables élevés.
Un exemple pour les autres
L’analyse menée ici identifie une gamme de voies pour intégrer les ressources sans carbone dans les Carolines. L’analyse NREL ne remplace pas l’effort traditionnel de planification intégrée des ressources mené par Duke Energy, mais elle fournit un aperçu supplémentaire des défis et des opportunités pour parvenir à un système sans carbone.
L’étude s’est concentrée sur les constructions de systèmes qui pourraient atteindre les objectifs de réduction des émissions au moindre coût, principalement d’un point de vue opérationnel, et par conséquent, il y a des questions supplémentaires à explorer sur la voie vers zéro émission. Par exemple, les ajouts de capacité projetés à partir de la modélisation ReEDS ne reflètent pas les contraintes logistiques telles que la vitesse d’interconnexion, les chaînes d’approvisionnement ou d’autres limitations qui peuvent limiter le rythme réel de l’intégration des énergies renouvelables. La réalisation des réductions d’émissions ciblées par les décideurs politiques et Duke Energy nécessitera donc des recherches continues pour comprendre les défis et les opportunités à venir.
Bien qu’elle soit adaptée aux Carolines, cette étude peut aider à éclairer la prise de décision des services publics, des opérateurs de réseau et des décideurs qui planifient une énergie propre, non seulement dans le Sud-Est, mais dans tout le pays.
Suivez les travaux du NREL en analyse énergétique.
Par Connor O’Neil
Article publié avec l’aimable autorisation du Laboratoire national des énergies renouvelables
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